Под архитектурой вычислительной машины понимают

Понятие архитектуры вычислительной машины

Под организацией ВМ понимают состав ее программно – аппаратных средств, связи между ними и их функциональные характеристики. ВМ имеют многоуровневую иерархическую организацию со многими составными компонентами на каждом уровне. С нижним уровнем функционального описания ВМ связано понятие физической организации ВМ – ее принципиальная схема.

Логическая организация относится к более высоким уровням описания ВМ. Например, логическая организация на уровне аппаратуры – это состав, функциональные связи и характеристики взаимодействия аппаратных модулей в процессе решения различных задач. Логическая организация системы может описываться, например, структурной схемой.

Архитектура ВМ – это функциональные возможности аппаратных средств ВМ, используемых для представления программ и данных, а также для управления процессом вычислений /2,3,5/. Понятие архитектуры ВМ охватывает комплекс общих вопросов ее построения, существенных для пользователя, интересующегося возможностями системы. Понятие архитектуры ВМ отражает:

· характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации и принципы организации их взаимодействия;

· организацию вычислительного процесса и взаимодействие ВМ с внешней средой (управляющие сигналы, система прерываний);

· структуры МП, устройств памяти и периферийных устройств (ПУ);

· систему команд, форматы данных и команд, способы адресации и т.п.

Рассмотрим основные типы архитектур /5,6/.В большинстве современных ВМ для хранения программ и данных используется одно пространство памяти. Такая организация получила название архитектуры Дж. фон Неймана – по имени специалиста по управлению, предложившего кодирование программ в формате, соответствующем формату данных. Программы и данные хранятся в едином пространстве, и нет никаких признаков, указывающих на тип информации в ячейке памяти. Содержимое ячейки интерпретируется оператором обработки, в качестве которого в простейшем случае выступает центральный процессор системы.

Однако почти все однокристальные ВМ, представляющие класс однокристальных программируемых микроконтроллеров, выполнены по другой схеме, известной как архитектура Гарвардской лаборатории, в которой память программ CSEG (Code Segment) и память данных DSEG (Data Segment) разделены и имеют свои собственные адресные пространства и способы доступа к ним /7/. Такое разделение, позволившее реализовать компактно кодируемый набор машинных команд и экономно использовать память программ, было применено при разработке однокристальных микроконтроллеров первых типов, имеющих всего лишь несколько Кбайт (К=2 10 байт) управляющей памяти, расположенной на кристалле.

Дальнейшее совершенствование архитектур обоих типов состояло в выделении специального пространства данных небольшого объема, которое сегодня известно как набор программно – доступных регистров RSEG (Register Segment). В отличие от CSEG или DSEG, регистры RSEG располагаются внутри ЦП в непосредственной близости от его арифметическо–логического устройства (АЛУ), что обеспечивает быстрый физический доступ к информации, хранящейся в них. В некоторые интервалы времени программа наиболее интенсивно работает лишь с небольшим объемом данных. Для временного хранения этих данных и предназначена регистровая область – набор программно – доступных регистров.

Область RSEG может быть как полностью изолирована от пространства данных DSEG, так и частично пересекаться с ним, что дает возможность рассматривать отдельные регистры МП как обычные ячейки памяти данных. Такая организация является целесообразной, если в ВМ поддерживается быстрый доступ ко всей или хотя бы некоторой части памяти данных DSEG.

На рис. 1.1. представлены четыре типовых набора областей для хранения программ и данных. Стрелкой указан процесс изоляции отдельных областей, приводящий к появлению нового типового набора. Все наборы существуют реально, на их основе созданы те или иные серии микропроцессорных БИС. Каждый тип организации имеет свои преимущества и недостатки, учет которых позволяет создавать высокоэффективные системы различного применения.

Рассмотрим организацию пространств памяти и ввода – вывода. В отличие от RSEG память программ CSEG и данных DSEG, а также область ВВ IOSEG организованы проще. В ряде случае память ВМ с точки зрения программиста представляет собой линейно упорядоченный набор n – разрядных ячеек с произвольным доступом – линейная память. Каждой ячейке набора соответствует число, называемое ее адресом. Все адреса занимают целочисленный диапазон от 0 до 2 m – 1, который образует адресное пространство памяти. Разрядность адреса m обычно равна 16, 18, 20, 24, 32 или 36. В тех случаях, когда наименьшая адресуемая единица – байт (n = 8), память имеет байтовую организацию.

Одним из простейших примеров ВМ с памятью линейной организации байтового типа является 8 – разрядная система на базе первого МП i8080 (КР580ВМ80). Команды этого МП выполняют обращение к пространству памяти емкостью 2 16 = 64К байт. Нумерация отдельных разрядов в ячейке памяти производится справа налево начиная с нуля, при этом разряд с нулевым номером является младшим.

При необходимости хранящиеся в памяти программные объекты команды и операнды (данные к командам) могут располагаться в соседних ячейках пространства памяти. Адресом объекта обычно служит наименьший из адресов ячеек, занимаемых им. Операция обращения к памяти предполагает считывание или запись всего объекта как единого целого. Например, слова в памяти МС на базе МП i8080 (КР580ВМ80) хранятся в двух соседних байтах. Старшая часть слова занимает байт со старшим адресом, а младшая – байт с младшим адресом. При этом адрес младшего байта служит адресом слова.

Память большинства 16 – и 32 – разрядных ВМ также имеет байтовую организацию. Так, нижний уровень логического представления памяти МП i8086 (КР580ВМ86) емкостью 1 Мбайт (М = 2 20 ) аналогичен рассмотренному выше. Однако в данном МП существует более высокий уровень организации памяти –логический, на котором в основном и работает программист.

Дата добавления: 2016-06-13 ; просмотров: 1004 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

О ПОНЯТИИ «АРХИТЕКТУРА ЭВМ»

Термин «архитектура» используется в популярной литературе по вычислительной технике достаточно часто, однако определение этого понятия и его содержание могут у разных авторов достаточно различаться. Разберемся в этом вопросе более тщательно.

Начать целесообразно с происхождения термина. Слово «архитектура» в изначальном своем смысле используется в градостроении. Будучи достаточно сложной структурой, современный город состоит из районов, площадей, улиц, домов и т.п., расположенных определенным образом. Жителей города обычно мало интересует, как выглядит конкретный дом и из каких материалов он построен. Зато очень важно знать район, где этот дом расположен, улицы, ведущие к нему, и транспорт, пользуясь которым можно сократить время в пути.

Для того, чтобы ориентироваться в хитросплетении улиц и площадей, в любом городе существует исторически сложившаяся система названий, а также определенная нумерация домов. Наличие общепринятой адресации позволяет однозначно определить положение любого строения и в случае необходимости быстро отыскать его. Именно на существовании такой адресной системы построена работа почты. Во многих случаях расположение улиц и присвоение им имен носит беспорядочный характер. В то же время бывает, что эта деятельность тщательно продумана и является продолжением общей планировки города, т.е. фактически частью его архитектуры. Классическим примером может служить известная система взаимно-перпендикулярных улиц (авеню и стриты) города Нью-Йорка. Помимо чисто практической, архитектура города может иметь еще и художественную ценность (что обычно больше интересует приезжих). Но этот аспект понятия «архитектура» вряд ли переносим на вычислительную технику.

Используя аналогию с градостроительством, естественно понимать под архитектурой ЭВМ ту совокупность их характеристик, которая необходима почьзователю. Это, прежде всего, основные устройства и блоки ЭВМ, а также структура связей между ними. И действительно, если заглянуть, например, в «Толковый словарь по вычислительным системам», мы прочтем там. что термин «архитектура ЭВМ используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов ЭВМ (вследствие чего термин «архитектура» оказывается ближе к обыденному значению этого слова)».

Именно то общее, что есть в строении ЭВМ, и относят к понятию архитектуры. Важно отметить, что целью такой общности в конечном счете служит вполне понятное стремление: все машины одного семейства, независимо от их конкретного устройства и фирмы-производителя, должны быть способны выполнять одну и ту же программу (на практике из-за постоянного роста вычислительной мощности техники чаще используется менее жесткий принцип совместимости снизу вверх: все программы данной модели выполнимы на более старших). Отсюда неизбежно следует вывод, что с точки зрения архитектуры важны не все сведения о построении ЭВМ, а только те, которые могут как-то использоваться при программировании и «пользовательской» работе с ЭВМ. Равно как максимально подробная архитектура города не нуждается в описании марок кирпичей, из которых построены дома, и растворов, которыми эти кирпичи скреплены, так и архитектура ЭВМ не содержит описания электронных схем, других деталей реализации, «невидимых» для пользователя (например, внутреннего ускорителя доступа к памяти).

Ниже приводится перечень тех наиболее общих принципов построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре:

• структура памяти ЭВМ;

• способы доступа к памяти и внешним устройствам;

• возможность изменения конфигурации компьютера;

Суммируя все вышеизложенное, получаем следующее определение архитектуры:

программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных

Источник

Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ

Под архитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.

Структура компьютера — это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов

Рисунок 3 – архитектура ЭВМ.

В настоящее время наибольшее распространение в ЭВМ получили 2 типа архитектуры: Принстонская (фон Неймана) и Гарвардская. Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.

Рисунок 4 – Структурная схема ЭВМ

Эта схема, широко использовавшаяся в первых вычислительных машинах, имела один существенный недостаток: управление вводом-выводом и выполнение команд осуществлялось одним устройством управления. При такой структуре ЭВМ все виды программной обработки на время выполнения операций ввода-вывода прекращались из-за занятости процессора, что существенно снижало быстродействие машины.

Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительным признаком которой является раздельное хранение и обработка команд и данных. Архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата.

Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие.

В более подробное описание, определяющее конкретную архитектуру, также входят: структурная схема ЭВМ, средства и способы доступа к элементам этой структурной схемы, организация и разрядность интерфейсов ЭВМ, набор и доступность регистров, организация памяти и способы её адресации, набор и формат машинных команд процессора, способы представления и форматы данных, правила обработки прерываний.

По перечисленным признакам и их сочетаниям среди архитектур выделяют:

1. По разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-, 128- разрядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности);

2. По особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW;

3. По количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные; многопроцессорные по принципу взаимодействия с памятью: симметричные многопроцессорные (SMP), масcивно-параллельные (MPP), распределенные.

Большинство многопроцессорных систем сегодня используют архитектуру SMP.

SMP системы позволяют любому процессору работать над любой задачей независимо от того, где в памяти хранятся данные для этой задачи; с должной поддержкой операционной системы, SMP системы могут легко перемещать задачи между процессорами эффективно распределяя нагрузку. С другой стороны, память гораздо медленнее процессоров, которые к ней обращаются, даже однопроцессорным машинам приходится тратить значительное время на получение данных из памяти. В SMP только один процессор может обращаться к памяти в данный момент времени.

Массивно-параллельная архитектура (англ. Massive Parallel Processing, MPP) — класс архитектур параллельных вычислительных систем Особенность архитектуры состоит в том, что память физически разделена. Система строится из отдельных модулей, содержащих процессор, локальный банк операционной памяти, коммуникационные процессоры или сетевые адаптеры, иногда — жесткие диски и/или другие устройства ввода/вывода. Доступ к банку операционной памяти из данного модуля имеют только процессоры из этого же модуля. Модули соединяются специальными коммуникационными каналами. в отличие от SMP-систем, в машинах с раздельной памятью каждый процессор имеет доступ только к своей локальной памяти, в связи с чем не возникает необходимости в потактовой синхронизации процессоров.

В суперскалярных процессорах также есть несколько вычислительных модулей, но задача распределения между ними работы решается аппаратно. Это сильно усложняет дизайн процессора, и может быть чревато ошибками. В процессорах VLIW задача распределения решается во время компиляции и в инструкциях явно указано, какое вычислительное устройство должно выполнять какую команду.

Суперскалярность — архитектура вычислительного ядра, использующая несколько декодеров команд, которые могут нагружать работой множество исполнительных блоков. Планирование исполнения потока команд является динамическим и осуществляется самим вычислительным ядром. Если в процессе работы команды, обрабатываемые конвейером, не противоречат друг другу, и одна не зависит от результата другой, то такое устройство может осуществить параллельное выполнение команд. В суперскалярных системах решение о запуске инструкции на исполнение принимает сам вычислительный модуль, что требует много ресурсов

Источник

Классическая архитектура ЭВМ

Под архитектурой ЭВМ понимают основные устройства и блоки ЭВМ, а также структуру связей между ними. Архитектура компьютера определяет пользовательские возможности, систему команд, способ организации памяти и т.д. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя. При этом говорят о семействах ЭВМ.

Согласно модели фон Неймана, в состав ЭВМ входят три основных устройства:

· арифметико-логическое устройство (АЛУ);

· запоминающее устройство (ЗУ);

· устройство управления (УУ).

В запоминающем устройстве вычислительной машины (ее памяти) хранится вся информация, используемая ЭВМ во время работы. Объем памяти наряду с быстродействием является важной характеристикой вычислительной машины. Память машины состоит из регистров, в каждом из которых может храниться одно машинное слово: число, с которым должна оперировать машина, либо инструкция (команда) – указание о том, что должна делать машина. Последовательность инструкций составляет программу работы машины. Все ячейки пронумерованы, номер ячейки называется ее адресом.

Уже в машинах первого поколения произошло разделение запоминающего устройства на два устройства: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и внешнее запоминающее устройство (ВЗУ). ОЗУ это сравнительно небольшое по объему и достаточно быстродействующее устройство. В нем хранятся сведения, к которым ЭВМ часто обращается при решении очередной задачи. Внешнее запоминаю­щее устройство машины служит для хранения информации, используемой менее часто, чем та, что хранится в ОЗУ. Поэтому ВЗУ имеет большой объем и меньшее быстродействие. Для хранения информации в ВЗУ в машинах первого и второго поколений использовались магнитные ленты и магнитные барабаны.

Устройства ввода-вывода служат для ввода данных и программ в ЭВМ и для вывода из нее полученных результатов.

Устройство управления организует и координирует взаимодействие всех устройств вычислительной машины во время ее работы.

Описанную структуру ЭВМ можно изобразить схемой, приведенной на рисунке 2.1.

Фон Неймановское построение цифровой ЭВМ содержит фундаментальные идеи, которые сыграли выдающуюся роль в развитии вычислительной техники, и не утратили своего значения по сей день. Фундаментальные принципы фон-Неймана:

· Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется в двоичной системе счисления.

· Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

· Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти  число, текст или команда. Это обеспечивает оперативную перенастройку машины с одной задачи на другую без перекоммутаций и изменений в ее схеме, что делает машину универсальным вычислительным инструментом.

· Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

Рассмотренная классическая модель соответствует вычислительным машинам первого и второго поколений. Введение любого дополнительного функционального блока в такие архитектуры был сопряжен с увеличением потребляемой мощности, занимаемой площади и резко увеличивал стоимость всей системы. Поэтому компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имел возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.

Впоследствии появились новые идеи обработки данных, предложены другие типы архитектур вычислительных систем, заметно отличающиеся от классической, например:

1) Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано несколько потоков данных и несколько потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи.

2) Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру.

3) Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе, т. е. по одному потоку команд.

Говорят о наличии двух архитектур компьютеров: классической (Неймановской или принстонской) и гарвардской. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.

В настоящее время широко применяется классификация вычислительных систем по способам взаимодействия последовательностей (потоков) выполняемых команд и обрабатываемых данных (систематика Флинна (Flynn)):

1. SISD (Single Instruction, Single Data);

2. SIMD (Single Instruction, Multiple Data);

3. MISD (Multiple Instruction, Single Data);

4. MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data).

К типу SISD (один поток команд, один поток данных) относятся «обычные» последовательные компьютеры. Ко второму типу – SIMD (один поток команд, множественный поток данных) относятся вычислительные системы с синхронным управлением, векторные компьютеры. Классический пример – система ILLIAC IV. Третий тип вычислительных систем – MISD (множественный поток команд, один поток данных), по мнению некоторых ученых, выделен скорее для полноты систематики. Четвертому типу – MIMD (множественный поток команд, множественный поток данных) – отвечают многопроцессорные вычислительные системы. [32].

Источник

Архитектура ЭВМ

Сначала речь пойдет о техническом устройстве компьютера. В информатике есть такое понятие: «архитектура ЭВМ». Под архитектурой ЭВМ понимают описание устройства и принципов работы компьютера, достаточное для пользователя и программиста. Архитектура не включает в себя конструктивных подробностей устройства машины, электронных схем. Эти сведения нужны конструкторам, специалистам по наладке и ремонту ЭВМ.

С давних времен люди стремились облегчить свой труд. С этой целью создавались различные машины и механизмы, усиливающие физические возможности человека. Компьютер был изобретен в середине XX века для усиления возможностей интеллектуальной работы человека, т.е. работы с информацией.

Из истории науки и техники известно, что идеи многих изобретений человек подглядел в природе. Например, еще в XV веке великий итальянский ученый и художник Леонардо да Винчи изучал строение тел птиц и использовал эти знания для конструирования летательных аппаратов. Русский ученый Н.Е. Жуковский, основоположник науки аэродинамики, также исследовал механизм полета птиц.

А с кого списали компьютер? С самого себя. Только человек постарался передать компьютеру не свои физические, а свои интеллектуальные способности, т.е. возможность работы с информацией.

По своему назначению компьютер — это универсальное техническое средство для работы с информацией.

По принципам своего устройства компьютер — это модель человека, работающего с информацией.

Имеются четыре основных компонента информационной функции человека:

• прием (ввод) информации;

• запоминание информации (память);

• процесс мышления (обработка информации);

• передача (вывод) информации.

Компьютер включает в себя устройства, выполняющие эти функции мыслящего человека:

• устройства запоминания (память),

• устройство обработки (процессор),

Работая с информацией, человек пользуется не только теми знаниями, которые помнит, но и книгами, справочниками и другими внешними источниками. У компьютера тоже есть два вида памяти: оперативная (внутренняя) и долговременная (внешняя) память.

Источник