Общий состав и структура персональных ЭВМ и вычислительных систем, их программное обеспечение

Тема №1 Архитектура персонального компьютера, структура вычислительных систем. Программное обеспечение вычислительной техники.

В состав ЭВМ входят центральное устройство и периферийные устройства, взаимодействие и работа которых происходит под управлением программ. Центральное устройство ЭВМ включает в себя центральный процессор (англ. central processing unit — CPU) и запоминающее устройство (ЗУ). Периферийные устройства ЭВМ представляют собой устройства ввода/вывода и хранения информации. Сопряжение этих основных составляющих узлов ЭВМ обеспечивается каналами связи (внутримашинным интерфейсом) (рис.1).

Принцип действия, информационные взаимосвязи и соединение этих основных узлов определяют архитектуру ЭВМ, общность которой для разных компьютеров обеспечивает их совместимость для пользователя.

Архитектура — структура компьютерной системы и взаимосвязей компонентов, аппаратных и/или программных средств, описанная. схематически или с подробным указанием параметров.

Термин «архитектура» шире, чем структура, поскольку применяется к системе систем, структуре из структур, а также для сети компьютеров. Архитектура может носить характер рекомендации в отношении модели компьютера, отдельного устройства (архитектура процессора) или операционной системы. Каждая подсистема имеет свою архитектуру, так что термин «архитектура» зависит от контекста. Например, процессор сам является сложной системой, обладающей архитектурой.

В основе построения большинства ЭВМ лежат три общих принци­па, сформулированных в 1945 г. Дж. фон Нейманом: программное уп­равление, однородность памяти, адресность.

Принцип программного управления заключается в том, что выполне­ние программ процессором производится автоматически без вмешательства человека. Реализуется этот принцип за счет того, что программа, состоящая из набора команд, выполняется в строго определенной последовательности. Порядок выполнения команд обеспечивается счетчиком команд, который производит выборку команд из памяти, где они расположены в порядке следования друг за другом.

Принцип однородности памяти заключается в том, что в памяти компьютера хранятся как программы, так и данные. Это позволяет строить более гибкие программы, так как в процессе своего выполне­ния они могут подвергаться переработке.

Принцип адресности состоит в том, что все пространство основной памяти компьютера структурно состоит из пронумерованных ячеек и процессору всегда доступна любая ячейка памяти.

Основными классическими типами архитектур ЭВМ являются: звезда, иерархическая и магистральная.

Архитектура звезда представляет собой классическую архитектуру фон Неймана — однопроцессорный компьютер (рис. 2, а). Такая архитектура была реализована в вычислительных машинах первых двух поколений и содержала следующие основные блоки:

· управляющее устройство, организующее процесс выполнения программ;

• арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;

• оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) для хранения выполняемой программы и текущих данных;

• внешнее запоминающее устройство для хранения внешних программ и данных;

• устройства ввода-вывода информации.

Взаимодействие основных устройств компьютера реализуется в со­ответствии с принципами фон Неймана. В оперативное запоминающее устройство ЭВМ с внешнего запоминающего устройства вводится про­грамма для выполнения. ОЗУ реализовано в виде пронумерованных ячеек памяти, где могут находиться команды программы и данные. Устройство управления считывает команды из памяти последовательно, в соответствии с нумерацией ячеек, и организует их выполнение, направляя данные для обработки в АЛУ. Результат выполнения команды может записываться в ОЗУ, выводиться на устройство вывода, сохраняться во внешнем запоминающем устройстве. Устройство управления обменивается информацией с другими устройствами ЭВМ. После выполнения программы устройство управления переходит в режим ожидания каких-либо сигналов от внешних устройств, например для ввода информации.

В ЭВМ третьего поколения за счет применения интегральных микросхем существенно увеличилось быстродействие процессора и скорость обмена информацией внутри центрального устройства стала значительно превышать скорость работы с внешними устройствами. В связи с этим функции обмена информацией с внешними устройствами были переданы специальным схемам управления работой внешних устройств — кон­троллерам. Контроллер представляет собой устройство управления (специализированный процессор) внешним устройством с помощью встроенных программ обмена. Такая иерархическая архитектура постро­ена на основе подключения к центральному процессору контроллеров, к которым подключены периферийные внешние устройства (рис. 2, б). На архитектуре такого типа были построены ЭВМ системы IBM 360—375.

Магистральный тип архитектуры построен на базе подключения центрального процессора (процессоров), оперативных запоминающих устройств и контроллеров внешних устройств к одной общей магистрали (шине) (рис. 2, в). Эта системная магистраль (общая шина) представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. В общей шине выделяют отдельные группы: шину адреса, шину данных, шину управления. На этом принципе построены современные компьютеры типа IBM PC. Такая открытость архитектуры ЭВМ позволяет свободно выбирать состав внешних устройств и тем самым конфигурировать компьютер.

Вычислительная система — это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенная для сбора, хранения, обработки и распределения информации. Создание вычислительных систем позволяет повысить производительность вычисле­ний за счет ускорения процессов обработки данных, повышения их надежности и достоверности. Отличительной особенностью вычислительной системы по отношению к классическим ЭВМ является наличие нескольких вычислителей, выполняющих параллельную обработку данных. С одной стороны, параллелизм выполнения операций позволяет существенно повысить быстродействие системы и ее надежность, но с другой — значительно усложняет управление вычислительным процессом. Основными архитектурами вычислительных систем являются многомашинные и многопроцессорные.

Многомашинная ВС включает в себя несколько процессоров, каждый из которых работает со своей оперативной памятью. Каждый компьютер в такой многомашинной системе имеет классическую архитектуру и выполняет свою вычислительную задачу, слабо связанную с вычислительными задачами других компьютеров, входящих в вычислительную систему.

Многопроцессорная архитектура строится на базе нескольких процессоров, параллельно выполняющих вычисления, составляющие одну задачу. Таким образом, в такой вычислительной системе может быть организовано несколько потоков данных и несколько потоков команд. Архитектура вычислительных систем с параллельной обработкой данных может включать в себя четыре базовых класса, в основе которых лежит понятие потока. Под потоком понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором.

Архитектура с одним потоком команд и с одним потоком данных (ОКОД) охватывает все однопроцессорные одномашинные варианты систем (рис. 3, а). Параллельность вычислений в таких системах обеспечивается путем совмещения операций отдельными арифметико- логическими блоками, а также параллельной работой устройств ввода-вывода и процессора. В этот класс входят все классические ЭВМ. Архитектура с множественным потоком команд и одним потоком данных (МКОД) представляет собой своеобразный конвейер, где результаты обработки от одного процессора передаются следующему (рис. 3, 6). Архитектура лежит в основе магистральных (конвейерных) многопроцессорных вычислительных систем, где процессоры одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных. Конвейерная схема нашла применение r так называемых скалярных процессорах суперЭВМ.

Архитектура с одним потоком команд и многими потоками данных (ОКМД) применяется для задач обработки матриц и массивов данных (рис. 4, а). Процессорные элементы в такой архитектуре однородны и управляются одной и той же последовательностью команд, но обрабатывают свои потоки данных. На базе такой архитектуры строятся так называемые векторные многопроцессорные вычислительные системы. Структура вычислительных систем такого типа применяется в специализированных суперЭВМ. Векторная архитектура была заложена в основу первой суперЭВМ 3NIAC-1V, а также использовалась в серии суперЭВМ Gray фирмы Gray Research, а также суперЭВМ Cyber 205 фирмы Control Data и др.

Архитектура с множественным потоком команд и данных (МКМД) предполагает, что процессорные системы обрабатывают программы со своим потоком команд (рис. 4, б). На базе этой архитектуры строятся так называемые матричные многопроцессорные вычислительные системы, в которых микропроцессоры одновременно выполняют разные операции над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных. В простейшем случае такие процессоры могут быть автономными и независимыми.

Архитектура персонального компьютера

Архитектура персонального компьютера определяется в первую очередь его внутренней архитектурой: центральным процессором и подсистемами памяти, внутримашинным интерфейсом, а также подсистемами ввода-вывода информации. Структурная схема персонального компьютера представлена на рис. 5.

Центральным блоком персонального компьютера является микро­процессор, управляющий всеми блоками компьютера и выполняющий арифметические и логические операции с данными. В состав микро­процессора входят:

•устройство управления, которое формирует на основе опорных сигналов тактового генератора сигналы управления, а также адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает их в соответствующие блоки;

• арифметико-логическое устройство, предназначенное для выполнения всех арифметических и логических операций над данными;

• микропроцессорная память, которая служит для кратковременного хранения, записи и выдачи данных, непосредственно используемых в вычислениях в ближайшие такты машины. Микропроцессорная память реализована в виде регистров — быстродействующих устройств, предназначенных для временного хранения данных ограниченного размера. Обычно регистры имеют ту же разрядность, что и машинное слово;

• интерфейсная система микропроцессора, реализующая сопряжение микропроцессора с другими устройствами компьютера. Она включает в себя внутренний интерфейс микропроцессора, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной.

Основной интерфейсной системой компьютера, обеспечивающей сопряжение и связь всех его устройств между собой, является системная шина (магистраль), включающая в себя:

• шину данных, предназначенную для параллельной передачи всех разрядов машинного слова данных;

• шину адреса, состоящую из проводов и схем сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;

• шину управления, служащую для передачи управляющих сигналов
во все блоки компьютера.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

1) между микропроцессором и основной памятью;

2) между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

3) между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Все блоки (их порты ввода-вывода) через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется, как правило, контроллером шины, формирующим основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.

Основная память компьютера предназначена для хранения и оперативного обмена информацией между блоками компьютера. Она содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство.

ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной информации и позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию. В постоянной памяти хранятся программы тестирования оборудования ПК, программы, связанные с обслуживанием ввода/вывода, некоторые данные и др. При выключении электропитания компьютера содержимое постоянной памяти сохраняется.

ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в процессе работы ПК. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). Память называется оперативной потому, что работает так быстро, что процессору не приходится ждать при чтении данных из памяти и записи в нее. При выключении питания ПК вся информация в ОЗУ стирается. Объем установленной в компьютере оперативной памяти определяет, с каким программным обеспечением можно на нем работать. При недо­статочном объеме оперативной памяти многие программы либо не работают, либо работают очень медленно.

Внешняя память ПК относится к внешним ее устройствам и ис­пользуется для долговременного хранения информации. Все про­граммное обеспечение компьютера хранится во внешней памяти. К внешней памяти компьютера относятся разнообразные виды запоминающих устройств, основными из которых являются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках. Назначение этих накопителей — хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Различаются НЖМД и НГМД лишь конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считы­вания информации. В качестве устройств внешней памяти используются также запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стримеры), накопители на оптических дисках и др.

Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы компьютера. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, так как каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.