kpet-ks.ru

Компьютерные сети. г.Котово

ОСНОВОПОЛАГАЮЩИЕ ПРИНЦИПЫ УСТРОЙСТВА ЭВМ

В каждой области науки и техники существуют фундаментальные идеи или принципы, определяющие на многие годы вперёд её содержание и направление развития. В компьютерных науках роль таких фундаментальных идей сыграли принципы, сформулированные независимо друг от друга двумя крупнейшими учёными XX века — Джоном фон Нейманом и Сергеем Алексеевичем Лебедевым.

Архитектура компьютера – это его устройство и принципы взаимодействия его основных элементов – логических узлов, среди которых основными являются процессор, внутренняя память (основная и оперативная), внешняя память и устройства ввода-вывода информации (периферийные).

Архитектура фон Неймана (модель фон Неймана, Принстонская архитектура) — широко известный принцип совместного хранения команд и данных в памяти компьютера.

Вычислительные машины такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», однако соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают принцип хранения данных и инструкций в одной памяти.

Принцип — основное, исходное положение какой-нибудь теории, учения, науки и пр.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин, которые рассматриваются на уроке, были заложены Джоном фон Нейманом. Более подробно о логических узлах, а также о магистрально-модульном принципе архитектуры современных персональных компьютеров можно будет узнать на этом уроке.

Принципы Неймана-Лебедева — базовые принципы построения ЭВМ, сформулированные в середине прошлого века, не утратили свою актуальность и в наши дни.

Рассмотрим сущность основных принципов Неймана-Лебедева:

1) состав основных компонентов вычислительной машины;
2) принцип двоичного кодирования;
3) принцип однородности памяти;
4) принцип адресности памяти;
5) принцип иерархической организации памяти;
6) принцип программного управления.

Первый принцип определяет состав основных компонентов вычислительной машины.

Любое устройство, способное производить автоматические вычисления, должно иметь определённый набор компонентов: блок обработки данных, блок управления, блок памяти и блоки ввода/вывода информации.

Его информационным центром является процессор:

• все информационные потоки (тонкие стрелки на рисунке) проходят через процессор;
• управление всеми процессами (толстые стрелки на рисунке) также осуществляется процессором.

Такие блоки есть и у современных компьютеров. Это:

• процессор, состоящий из арифметико-логического устройства (АЛУ), выполняющего обработку данных, и устройства управления (УУ), обеспечивающего выполнение программы и организующего согласованное взаимодействие всех узлов компьютера;
• память, предназначенная для хранения исходных данных, промежуточных величин и результатов обработки информации, а также самой программы обработки информации. Различают память внутреннюю и внешнюю. Основная часть внутренней памяти используется для временного хранения программ и данных в процессе обработки. Такой вид памяти принято называть оперативным запоминающим устройством (ОЗУ). Ещё одним видом внутренней памяти является постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), содержащее программу начальной загрузки компьютера. Внешняя или долговременная память предназначена для длительного хранения программ и данных в периоды между сеансами обработки;
• устройства ввода, преобразующие входную информацию в форму, доступную компьютеру;
• устройства вывода, преобразующие результаты работы компьютера в форму, доступную для восприятия человеком.

Вместе с тем в архитектуре современных компьютеров и компьютеров первых поколений есть существенные отличия.

Второй принцип

Рассмотрим суть принципа двоичного кодирования информации.

Вся информация, предназначенная для обработки на компьютере (числа, тексты, звуки, графика, видео), а также программы её обработки представляются в виде двоичного кода — последовательностей 0 и 1.

Все современные компьютеры хранят и обрабатывают информацию в двоичном коде. Выбор двоичной системы счисления обусловлен рядом важных обстоятельств: простотой выполнения арифметических операций в двоичной системе счисления, её «согласованностью» с булевой логикой, простотой технической реализации двоичного элемента памяти (триггера).

Итак, благодаря двоичному кодированию, данные и программы по форме представления становятся одинаковыми, а следовательно, их можно хранить в единой памяти.

Несмотря на всеобщее признание, использование в компьютерной технике классической двоичной системы счисления не лишено недостатков. В первую очередь это проблема представления отрицательных чисел, а также нулевая избыточность (т. е. отсутствие избыточности) двоичного представления. Пути преодоления указанных проблем были найдены уже на этапе зарождения компьютерной техники.

В 1958 г. в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова под руководством И. П. Брусенцова был создан троичный компьютер «Сетунь» (рис. 1). В нём применялась уравновешенная троичная система счисления, использование которой впервые в истории позволило представлять одинаково просто как положительные, так и отрицательные числа.

«Сетунь» представляет собой малую ЭВМ, построенную на принципах троичной логики, другими словами это троичный компьютер. Она была разработана в 1959 году в стенах вычислительного центра Московского государственного университета. Этот уникальный троичный компьютер, практически не имеет аналогов не только в данный момент времени, но и вообще в истории вычислительной техники.

Для начала разберёмся, что же такое троичный компьютер, коим, как уже было сказано, является рассматриваемая модель «Сетунь». Такое название получил специализированный компьютер, который построен на логических элементах и узлах двух типов – как на классических двоичных, так и уникальных в своём роде троичных. Понятно, что он использует в своей работе соответственные системы счисления, логики и алгоритмы работы – двоичные и троичные.

Принцип однородности памяти

Согласно принципу однородности памяти команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы. Распознать их можно только по способу использования. … Концепция машины фон Неймана, предполагает единую память для хранения команд и данных.

Согласно принципу адресности основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка.

Принцип иерархической организации памяти

Иерархия компьютерной памяти — концепция построения взаимосвязи классов разных уровней компьютерной памяти на основе иерархической структуры.

Сущность необходимости построения иерархической памяти — необходимость обеспечения вычислительной системы (отдельного компьютера или кластера) достаточным объёмом памяти, как оперативной, так и постоянной.

Учитывая неоднородность периодичности обращения к конкретным записям (внутренним регистрам процессора, кэш-памяти, страницам и файлам) применяются различные технические решения, имеющие отличные характеристики, как технические так ценовые и массо-габаритные. Долговременное хранение в дорогой сверхоперативной и даже оперативной памяти, как правило, не выгодно, поэтому данные такого рода хранятся на накопителях — дисковых, ленточных, флеш и т.д.

Принцип программного управления. Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера.

Узкое место архитектуры фон Неймана

Архитектура фон Неймана обладает тем недостатком, что она последовательная. Какой бы огромный массив данных ни требовалось обработать, каждый его байт должен будет пройти через центральный процессор, даже если над всеми байтами требуется провести одну и ту же операцию.

Совместное использование шины для памяти программ и памяти данных приводит к узкому месту архитектуры фон Неймана, а именно ограничению пропускной способности между процессором и памятью по сравнению с объёмом памяти.

Из-за того, что память программ и память данных не могут быть доступны в одно и то же время, пропускная способность канала «процессор-память» и скорость работы памяти существенно ограничивают скорость работы процессора — гораздо сильнее, чем если бы программы и данные хранились в разных местах. Так как скорость процессора и объём памяти увеличивались гораздо быстрее, чем пропускная способность между ними, узкое место стало большой проблемой, серьёзность которой возрастает с каждым новым поколением процессоров.

Этот эффект называется узким горлышком фон Неймана.

Современную обработку информации невозможно представить без такого устройства, как компьютер. Его следует рассматривать, как совокупность двух составляющих:

Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана, имеют классическую архитектуру, но, кроме нее, существуют другие типы архитектуры. Например, Гарвардская. Ее отличительными признаками являются:

• хранилище инструкций и хранилище данных представляют собой разные физические устройства;
• канал инструкций и канал данных также физически разделены.

Перспективы развития ЭВМ

Согласно сегодняшней тенденции, уровень глобальных сетей будет увеличиваться, в связи с этим будут разрабатываться новые методы хранения, обработки, представления информации. Будут совершенствоваться способы передачи информации с учетом скорости, безопасности и качества.

Виртуальная реальность остаётся одним из самых интересных и загадочных понятий компьютерной индустрии.

Виртуальная реальность — это образ искусственного мира, моделируемый техническими средствами и передаваемый человеку через ощущения. В данный момент технологии виртуальной реальности широко применяются в различных областях человеческой деятельности.

По словам учёных и исследователей, в ближайшем будущем персональные компьютеры кардинально изменятся. Примерно в 2020-2025 годах должны появиться молекулярные компьютеры, квантовые компьютеры, биокомпьютеры и оптические компьютеры. Компьютер будущего должен облегчить и упростить жизнь человека ещё в десятки раз!

Одна из указанных вероятностных альтернатив замены современных компьютеров является создание оптических ЭВМ, носителем информации в которых будет световой сгусток. Проникновение оптических способов в вычислительную технику ведется по трем фронтам. Первое основано на использовании аналоговых интерференционных оптических вычислений для решения отдельных особых задач, связанных с необходимостью быстрого выполнения интегральных преобразований. Второе направление связно с созданием чисто оптических или гибридных соединений, обладающих большей надежностью, чем электрические. И третье направление – создание компьютера, полностью состоящего из оптических устройств обработки информации.

Другие виды компьютеров – молекулярные.

Молекулярные компьютеры – это ЭВМ, использующие вычислительные возможности молекул преимущественно биологических, также используется идея вычислительных возможностей расположения атомов в пространстве.

Квантовый компьютер – ЭВМ, которое путем выполнения квантовых алгоритмов существенно использует при работе эффекты, такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность.

Нанокомпьютеры – вычислительные устройства на основе электронных технологий с размерами логических элементов порядка нескольких нанометров. Сам компьютер также имеет микроскопические размеры. Другое направление связано с разработками биокомпьютеров – клеточные и ДНК-компьютеры.

Однако квантовые компьютеры, биокомпьютеры, нанокомпьютеры и другие направления – все это на сегодняшний момент всего лишь гипотетические вычислительные устройства, которые под собой не имеют логических решений.

Высокие технологии – это будущее и это успех всего человечества. Ежедневно выпускаются новые и более совершенны модели ЭВМ. И на этом процесс развития не остановлен.

Структура взаимосвязей вычислительной машины

Совокупность трактов, объединяющих между собой основные устройства ВМ (цен­тральный процессор, память и модули ввода/вывода), образует структуру взаи­мосвязей вычислительной машины. Структура взаимосвязей должна обеспечивать обмен информацией между:

· центральным процессором и памятью;

· центральным процессором и модулями ввода/вывода;

· памятью и модулями ввода/вывода.

Информационные потоки, характерные для основных устройств ВМ, показа­ны на рис. 35.

Рис. 35. Информационные потоки в вычислительной машине.

С развитием вычислительной техники менялась и структура взаимосвязей ус­тройств ВМ. На начальной стадии преобладали непосредственные связи между взаимодействующими устройствами ВМ. С появлением мини-ЭВМ, и осо­бенно первых микроЭВМ, все более популярной становится схема с одной общей шиной. Последовавший за этим быстрый рост производительности практически всех устройств ВМ привел к неспособности единственной шины справиться с возросшим трафиком, и ей на смену приходят структуры взаимосвязей на базе нескольких шин. Дальнейшие перспективы повышения производительности вы­числений связаны не столько с однопроцессорными машинами, сколько с много­процессорными вычислительными системами.

Рис. 36. Эволюция структур взаимосвязей. ЦП – центральный процессор, МВВ – модуль ввода-вывода, ПАМ – модуль основной памяти.

Интерфейс — это аппаратное и программное обеспечение (элементы соединения и вспомогательные схемы управления, их физические, электрические и логические параметры), предназначенное для сопряжения систем или частей системы (программ или устройств). Под сопряжением подразумеваются следующие функции:

· выдача и прием информации;

· управление передачей данных;

· согласование источника и приемника информации.

В связи с понятием интерфейса рассматривают также понятие шина (магистраль) — это среда передачи сигналов, к которой может параллельно подключаться несколько компонентов вычислительной системы и через которую осуществляется обмен данными. Очевидно, для аппаратных составляющих большинства интерфейсов применим термин шина, поэтому зачастую эти два обозначения выступают как синонимы, хотя интерфейс — понятие более широкое.

Для интерфейсов, обеспечивающих соединение «точка-точка» (в отличие от шинных интерфейсов), возможны следующие реализации режимов обмена: дуплексный, полудуплексный и симплексный. К дуплексным относят интерфейсы, обеспечивающие возможность одновременной передачи данных между двумя устройствами в обоих направлениях. В случае, когда канал связи между устройствами поддерживает двунаправленный обмен, но в каждый момент времени передача информации может производиться только в одном направлении, режим обмена называется полудуплексным. Важной характеристикой полудуплексного соединения является время реверсирования режима — то время, за которое производится переход от передачи сообщения к приему и наоборот. Если же интерфейс реализует передачу данных только в одном направлении и движение потока данных в противоположном направлении невозможно, такой интерфейс называют симплексным.

Важное значение имеют также следующие технические характеристики интерфейсов:

· вместимость (максимально возможное количество абонентов, одновременно подключаемых к контроллеру интерфейса без расширителей);

· пропускная способность или скорость передачи (длительность выполнения операций установления и разъединения связи и степень совмещения процессов передачи данных);

· максимальная длина линии связи;

Взаимосвязь частей ВМ и ее «общение» с внешним миром обеспечиваются си­стемой шин. Большинство машин содержат несколько различных шин, каждая из которых оптимизирована под определенный вид коммуникаций. Часть шин скры­та внутри интегральных микросхем или доступна только в пределах печатной платы. Некоторые шины имеют доступные извне точки, с тем чтобы к ним легко можно было подключить дополнительные устройства, причем большинство таких шин не просто доступны, но и отвечают определенным стандартам, что позволяет подсоединять к шине устройства различных производителей.

Чтобы охарактеризовать конкретную шину, нужно описать:

· совокупность сигнальных линий;

· физические, механические и электрические характеристики шины;

· используемые сигналы арбитража, состояния, управления и синхронизации;

· правила взаимодействия подключенных к шине устройств (протокол шины).

Шину образует набор коммуникационных линий, каждая из которых способна передавать сигналы, представляющие двоичные цифры 1 и 0. По линии может пе­ресылаться развернутая во времени последовательность таких сигналов. При со­вместном использовании несколько линий могут обеспечить одновременную (па­раллельную) передачу двоичных чисел. Физически линии шины реализуются в виде отдельных проводников, как полоски проводящего материала на монтаж­ной плате либо как алюминиевые или медные проводящие дорожки на кристалле микросхемы.

Операции на шине называют транзакциями. Основные виды транзакций — транзакции чтения и транзакции записи. Если в обмене участвует устройство вво­да/вывода, можно говорить о транзакциях ввода и вывода, по сути эквивалентных транзакциям чтения и записи соответственно. Шинная транзакция включает в себя две части: посылку адреса и прием (или посылку) данных.

Когда два устройства обмениваются информацией по шине, одно из них долж­но инициировать обмен и управлять им. Такого рода устройства называют ведущи­ми (bus master). В компьютерной терминологии «ведущий» — это любое устрой­ство, способное взять на себя владение шиной и управлять пересылкой данных. Ведущий не обязательно использует данные сам. Он, например, может захватить управление шиной в интересах другого устройства. Устройства, не обладающие возможностями инициирования транзакции, носят название ведомых (bus slave). В принципе к шине может быть подключено несколько потенциальных ведущих, но в любой момент времени активным может быть только один из них: если не­сколько устройств передают информацию одновременно, их сигналы перекрыва­ются и искажаются. Для предотвращения одновременной активности нескольких ведущих в любой шине предусматривается процедура допуска к управлению шиной только одного из претендентов (арбитраж). В то же время некоторые шины допускают широковещательный режим записи, когда информация одного веду­щего передается сразу нескольким ведомым (здесь арбитраж не требуется). Сигнал, направленный одним устройством, доступен всем остальным устройствам, подключенным к шине.

Английский эквивалент термина «шина» — «bus» — восходит к латинскому слову omnibus, означающему «для всего». Этим стремятся подчеркнуть, что шина ведет себя как магистраль, способная обеспечить всевозможные виды трафика.

Типы шин

Важным критерием, определяющим характеристики шины, может служить ее це­левое назначение. По этому критерию можно выделить:

Шина «процессор-память»

Шина «процессор-память» обеспечивает непосредственную связь между централь­ным процессором (ЦП) вычислительной машины и основной памятью (ОП). В со­временных микропроцессорах такую шину часто называют шиной переднего плана и обозначают аббревиатурой FSB (Front-Side Bus). Интенсивный трафик между процессором и памятью требует, чтобы полоса пропускания шины, то есть количе­ство информации, проходящей по шине в единицу времени, была наибольшей. Роль этой шины иногда выполняет системная шина (см. ниже), однако в пла­не эффективности значительно выгоднее, если обмен между ЦП и ОП ведется по отдельной шине. К рассматриваемому виду можно отнести также шину, свя­зывающую процессор с кэш-памятью второго уровня, известную как шина зад­него плана — BSB (Back-Side Bus). BSB позволяет вести обмен с большей ско­ростью, чем FSB, и полностью реализовать возможности более скоростной кэш-памяти.

Поскольку в фон-неймановских машинах именно обмен между процессором и памятью во многом определяет быстродействие ВМ, разработчики уделяют свя­зи ЦП с памятью особое внимание. Для обеспечения максимальной пропускной способности шины «процессор-память» всегда проектируются с учетом особенно­стей организации системы памяти, а длина шины делается по возможности мини­мальной.

Шина ввода/вывода

Шина ввода/вывода служит для соединения процессора (памяти) с устройствами ввода/вывода (УВВ). Учитывая разнообразие таких устройств, шины ввода/вы­вода унифицируются и стандартизируются. Связи с большинством УВВ (но не с видеосистемами) не требуют от шины высокой пропускной способности. При проектировании шин ввода/вывода в учет берутся стоимость конструктива и со­единительных разъемов. Такие шины содержат меньше линий по сравнению с ва­риантом «процессор-память», но длина линий может быть весьма большой. Ти­пичными примерами подобных шин могут служить шины PCI и SCSI.

Системная шина

С целью снижения стоимости некоторые ВМ имеют общую шину для памяти и устройств ввода/вывода. Такая шина часто называется системной. Системная шина служит для физического и логического объединения всех устройств ВМ. Поскольку основные устройства машины, как правило, размещаются на общей монтажной плате, системную шину часто называют объединительной шиной (backplane bus), хотя эти термины нельзя считать строго эквивалентными.

Системная шина в состоянии содержать несколько сотен линий. Совокупность линий шины можно подразделить на три функциональные группы: шину данных, шину адреса и шину управления. К последней обычно относят также линии для подачи питающего напряжения на подключаемые к системной шине модули.

Рис. 37. Структура системной шины.

Функционирование системной шины можно описать следующим образом. Если один из модулей хочет передать данные в другой, он должен выполнить два дей­ствия: получить в свое распоряжение шину и передать по ней данные. Если какой-то модуль хочет получить данные от другого модуля, он должен получить доступ к шине и с помощью соответствующих линий управления и адреса передать на другой модуль запрос. Далее он должен ожидать, пока модуль, получивший запрос, пошлет данные.

Физически системная шина представляет собой совокупность параллельных электрических проводников. Этими проводниками служат металлические полоски на печатной плате. Шина подводится ко всем модулям, и каждый из них подсоединяется ко всем или некоторым ее линиям. Если ВМ конструктивно выполнена на нескольких платах, то все линии шины выводятся на разъемы, которые затем объединяются проводниками на общем шасси.

Иерархия шин

Если к шине подключено большое число устройств, ее пропускная способность падает, поскольку слишком частая передача прав управления шиной от одного устройства к другому приводит к ощутимым задержкам. По этой причине во многий ВМ предпочтение отдается использованию нескольких шин, образующих определенную иерархию.