В чем заключаются принципы фон неймана. Появление эвм, принципы фон неймана

· использование двоичной системы для представления чисел. В работе фон Неймана продемонстрированы преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство выполнения арифметических и логических операций. В дальнейшем стали обрабатывать нечисловые виды информации: текстовую, графическую, звуковую и т.д. Двоичное кодирование- основа современного компьютера.

· принципы «хранимой программы». Программа, записанная с помощью двоичных кодов, должна храниться в той же самой памяти, что и обрабатываемые данные.

· принцип адресности. Команды и данные перемещаются в ячейки памяти доступ к котором осуществляется по адресу. Адресом ячейки является ее ее номер, местонахождение информации в ОЗУ так же кодируется в виде двоичных систем.

В ЭВМ по принципу фон Неймана происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти из которой извлечена команда программы формируется и хранится в специальном устройстве счетчике команд.

В соответствии с принципами фон Неймана компьютер должен иметь в составе следующие устройства:

· Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для обработки закодированной информации и может выполнять арифметические и логические операции:;

· Устройство управление (УУ) организует выполнение программ;

· Память или запоминающее устройство (ЗУ)- хранение программ и данных. Память компьютера состоит из некоторого количества пронумерованных ячеек. В каждой из них могут находиться обрабатываемы данные или инструкции программ;

· Внешние устройства для ввода и вывода информации, обеспечивают прямую и обратную связь.

Рассмотрим состав и назначение основных блоков ПК (рис. 2).

Рис. 2. Структурная схема персонального компьютера

Микропроцессор (МП). Это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

В состав микропроцессора входят:

§ устройство управления (УУ) – формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов;

§ арифметико-логическое устройство (АЛУ) – предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор);

§ микропроцессорная память (МПП) – служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие);

§ интерфейсная система микропроцессора – реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс (interface) – совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Порт ввода-вывода (I/O – Input/Output port) – аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК.

Генератор тактовых импульсов. Он генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины.

Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

Системная шина. Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Системная шина включает в себя:

§ кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;

§ кодовую шину адреса (КША), включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;

§ кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины;

§ шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

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, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему – контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.

Основная память (ОП). Она предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя).

ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка ОЗУ следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).

Внешняя память. Она относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенными, имеющимися практически на любом компьютере, 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 (стриммеры), накопители на оптических дисках (CD-ROM – Compact Disk Read Only Memory – компакт-диск с памятью, только читаемой) и др. (см. подразд. 4.4).

Источник питания. Это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.

Таймер. Это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания – аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать.

Внешние устройства (ВУ). Это важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса. Достаточно сказать, что по стоимости ВУ иногда составляют 50 - 80% всего ПК. От состава и характеристик ВУ во многом зависят возможность и эффективность применения ПК в системах управления и в народном хозяйстве в целом.

ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими ЭВМ. ВУ весьма разнообразны и могут быть классифицированы по ряду признаков. Так, по назначению можно выделить следующие виды ВУ:

§ внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;

§ диалоговые средства пользователя;

§ устройства ввода информации;

§ устройства вывода информации;

§ средства связи и телекоммуникации.

Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи), реже пультовые пишущие машинки (принтеры с клавиатурой) и устройства речевого ввода-вывода информации.

Видеомонитор (дисплей) – устройство для отображения вводимой и выводимой из ПК информации (см. подразд. 4.5).

Устройства речевого ввода-вывода относятся к быстроразвивающимся средствам мультимедиа. Устройства речевого ввода – это различные микрофонные акустические системы, "звуковые мыши", например, со сложным программным обеспечением, позволяющим распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их и закодировать.

Устройства речевого вывода – это различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители (динамики) или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру.

К устройствам ввода информации относятся:

§ клавиатура – устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК (см. подразд. 4.5);

§ графические планшеты (диджитайзеры) – для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняются считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК;

§ сканеры (читающие автоматы) – для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей; в устройстве кодирования сканера в текстовом режиме считанные символы после сравнения с эталонными контурами специальными программами преобразуются в коды ASCII, а в графическом режиме считанные графики и чертежи преобразуются в последовательности двухмерных координат (см. подразд. 4.5);

§ манипуляторы (устройства указания): джойстик – рычаг, мышь, трекбол - шар в оправе, световое перо и др. – для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК;

§ сенсорные экраны – для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.

К устройствам вывода информации относятся:

§ принтеры – печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель (см. подразд. 4.5);

§ графопостроители (плоттеры) – для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель; плоттеры бывают векторные с вычерчиванием изображения с помощью пера и растровые: термографические, электростатические, струйные и лазерные. По конструкции плоттеры подразделяются на планшетные и барабанные. Основные характеристики всех плоттеров примерно одинаковые: скорость вычерчивания – 100 - 1000 мм/с, у лучших моделей возможны цветное изображение и передача полутонов; наибольшая разрешающая способность и четкость изображения у лазерных плоттеров, но они самые дорогие.

Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т.п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы, "стыки", мультиплексоры передачи данных, модемы).

В частности, показанный на рис. 4.2 сетевой адаптер является внешним интерфейсом ПК и служит для подключения его к каналу связи для обмена информацией с другими ЭВМ, для работы в составе вычислительной сети. В глобальных сетях функции сетевого адаптера выполняет модулятор-демодулятор (модем, см. гл. 7).

Многие из названных выше устройств относятся к условно выделенной группе – средствам мультимедиа.

Средства мультимедиа (multimedia – многосредовость) – это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др.

К средствам мультимедиа относятся устройства речевого ввода и вывода информации; широко распространенные уже сейчас сканеры (поскольку они позволяют автоматически вводить в компьютер печатные тексты и рисунки); высококачественные видео- (video-) и звуковые (sound-) платы, платы видеозахвата (videograbber), снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК; высококачественные акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами. Но, пожалуй, еще с большим основанием к средствам мультимедиа относят внешние запоминающие устройства большой емкости на оптических дисках, часто используемые для записи звуковой и видеоинформации.

CD широко используются, например, при изучении иностранных языков, правил дорожного движения, бухгалтерского учета, законодательства вообще и налогового законодательства в частности. И все это сопровождается текстами и рисунками, речевой информацией и мультипликацией, музыкой и видео. В чисто бытовом аспекте CD можно использовать для хранения аудио- и видеозаписей, т.е. использовать вместо плейерных аудиокассет и видеокассет. Следует упомянуть, конечно, и о большом количестве программ компьютерных игр, хранимых на CD.

Таким образом, CD-ROM открывает доступ к огромным объемам разнообразной и по функциональному назначению, и по среде воспроизведения информации, записанной на компакт-дисках.

Дополнительные схемы. К системной шине и к МП ПК наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора: математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.

Математический сопроцессор широко используется для ускоренного выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления некоторых трансцендентных, в том числе тригонометрических, функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно (совмещено во времени) с основным МП, но под управлением последнего. Ускорение операций происходит в десятки раз. Последние модели МП, начиная с МП 80486 DX, включают сопроцессор в свою структуру.

Контроллер прямого доступа к памяти освобождает МП от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает эффективное быстродействие ПК. Без этого контроллера обмен данными между ВЗУ и ОЗУ осуществляется через регистр МП, а при его наличии данные непосредственно передаются между ВЗУ и ОЗУ, минуя МП.

Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с МП значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств (дисплей, принтер, НЖМД, НГМД и др.); освобождает МП от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует и режим прямого доступа к памяти.

Важнейшую роль играет в ПК контроллер прерываний.

Прерывание – временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы

Прерывания возникают при работе компьютера постоянно . Достаточно сказать, что все процедуры ввода-вывода информации выполняются по прерываниям, например, прерывания от таймера возникают и обслуживаются контроллером прерываний 18 раз в секунду (естественно, пользователь их не замечает).

Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. МП, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. Контроллер прерываний является программируемым.

Машина тюринга

Маши́наТью́ринга (МТ) - абстрактный исполнитель (абстрактная вычислительная машина). Была предложена Аланом Тьюрингом в 1936 году для формализации понятия алгоритма.

Машина Тьюринга является расширением конечного автомата и, согласно тезису Чёрча - Тьюринга, способна имитировать все исполнители (с помощью задания правил перехода), каким-либо образом реализующие процесс пошагового вычисления, в котором каждый шаг вычисления достаточно элементарен.

Устройство машины Тьюринга[

В состав машины Тьюринга входит неограниченная в обе стороны лента (возможны машины Тьюринга, которые имеют несколько бесконечных лент), разделённая на ячейки, и управляющее устройство (также называется головкой записи-чтения (ГЗЧ )), способное находиться в одном из множества состояний . Число возможных состояний управляющего устройства конечно и точно задано.

Управляющее устройство может перемещаться влево и вправо по ленте, читать и записывать в ячейки символы некоторого конечного алфавита. Выделяется особый пустой символ, заполняющий все клетки ленты, кроме тех из них (конечного числа), на которых записаны входные данные.

Управляющее устройство работает согласно правилам перехода , которые представляют алгоритм, реализуемый данной машиной Тьюринга. Каждое правило перехода предписывает машине, в зависимости от текущего состояния и наблюдаемого в текущей клетке символа, записать в эту клетку новый символ, перейти в новое состояние и переместиться на одну клетку влево или вправо. Некоторые состояния машины Тьюринга могут быть помечены как терминальные , и переход в любое из них означает конец работы, остановку алгоритма.

Машина Тьюринга называется детерминированной , если каждой комбинации состояния и ленточного символа в таблице соответствует не более одного правила. Если существует пара «ленточный символ - состояние», для которой существует 2 и более команд, такая машина Тьюринга называется недетерминированной .

Описание машины Тьюринга[

Конкретная машина Тьюринга задаётся перечислением элементов множества букв алфавита A, множества состояний Q и набором правил, по которым работает машина. Они имеют вид: q i a j →q i1 a j1 d k (если головка находится в состоянии q i , а в обозреваемой ячейке записана буква a j , то головка переходит в состояние q i1 , в ячейку вместо a j записывается a j1 , головка делает движение d k , которое имеет три варианта: на ячейку влево (L), на ячейку вправо (R), остаться на месте (N)). Для каждой возможной конфигурации имеется ровно одно правило (для недетерминированной машины Тьюринга может быть большее количество правил). Правил нет только для заключительного состояния, попав в которое машина останавливается. Кроме того, необходимо указать конечное и начальное состояния, начальную конфигурацию на ленте и расположение головки машины.

Пример машины Тьюринга[

Приведём пример МТ для умножения чисел в унарной системе счисления. Запись правила «q i a j →q i1 a j1 R/L/N» следует понимать так: q i - состояние при котором выполняется это правило, a j - данные в ячейке, в которой находится головка, q i1 - состояние в которое нужно перейти, a j1 - что нужно записать в ячейку, R/L/N - команда на перемещение.

Архитектура ЭВМ джона фон неймана

Архитектура фон Неймана - широко известный принцип совместного хранения команд и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы 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.

Принципы фон неймана

Принципы фон Неймана[

Принцип однородности памяти

Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы. Распознать их можно только по способу использования; то есть одно и то же значение в ячейке памяти может использоваться и как данные, и как команда, и как адрес в зависимости лишь от способа обращения к нему. Это позволяет производить над командами те же операции, что и над числами, и, соответственно, открывает ряд возможностей. Так, циклически изменяя адресную часть команды, можно обеспечить обращение к последовательным элементам массива данных. Такой прием носит название модификации команд и с позиций современного программирования не приветствуется. Более полезным является другое следствие принципа однородности, когда команды одной программы могут быть получены как результат исполнения другой программы. Эта возможность лежит в основе трансляции - перевода текста программы с языка высокого уровня на язык конкретной вычислительной машины.

Принцип адресности

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек - адреса.

Принцип программного управления

Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов - команд. Каждая команда предписывает некоторую операцию из набора операций, реализуемых вычислительной машиной. Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти вычислительной машины и выполняются в естественной последовательности, то есть в порядке их положения в программе. При необходимости, с помощью специальных команд, эта последовательность может быть изменена. Решение об изменении порядка выполнения команд программы принимается либо на основании анализа результатов предшествующих вычислений, либо безусловно.

Типы процессоров

Микропроцессор - это устройство, представляющее собой одну или несколько больших интегральных схем(БИС), выполняющих функции процессора ЭВМ.Классическое вычислительное устройство состоит из арифметического устройства (АУ), устройства управления (УУ), запоминающего устройства (ЗУ) и устройства ввода-вывода (УВВ).

IntelCeleron 400 Socket 370 в пластиковом корпусе PPGA, вид сверху.

Существуют процессоры различной архитектуры.

CISC (англ. ComplexInstructionSetComputing) - концепция проектирования процессоров, которая характеризуется следующим набором свойств:

· большим числом различных по формату и длине команд;

· введением большого числа различных режимов адресации;

· обладает сложной кодировкой инструкции.

Процессору с архитектурой CISC приходится иметь дело с более сложными инструкциями неодинаковой длины. Выполнение одиночной CISC-инструкции может происходить быстрее, однако обрабатывать несколько таких инструкций параллельно сложнее.

Облегчение отладки программ на ассемблере влечет за собой загромождение узлами микропроцессорного блока. Для повышения быстродействия следует увеличить тактовую частоту и степень интеграции, что вызывает необходимость совершенствования технологии и, как следствие, более дорогого производства.

Достоинства архитектуры CISC [показать]

Недостатки архитектуры CISC [показать]

RISC (Reduced Instruction Set Computing). Процессор с сокращенным набором команд. Система команд имеет упрощенный вид. Все команды одинакового формата с простой кодировкой. Обращение к памяти происходит посредством команд загрузки и записи, остальные команды типа регистр-регистр. Команда, поступающая в CPU, уже разделена по полям и не требует дополнительной дешифрации.

Часть кристалла освобождается для включения дополнительных компонентов. Степень интеграции ниже, чем в предыдущем архитектурном варианте, поэтому при высоком быстродействии допускается более низкая тактовая частота. Команда меньше загромождает ОЗУ, CPU дешевле. Программной совместимостью указанные архитектуры не обладают. Отладка программ на RISC более сложна. Данная технология может быть реализована программно-совместимым с технологией CISC (например, суперскалярная технология).

Поскольку RISC-инструкции просты, для их выполнения нужно меньше логических элементов, что в конечном итоге снижает стоимость процессора. Но большая часть программного обеспечения сегодня написана и откомпилирована специально для CISC-процессоров фирмы Intel. Для использования архитектуры RISC нынешние программы должны быть перекомпилированы, а иногда и переписаны заново.

Тактовая частота

Тактовая частота - показатель скорости выполнения команд центральным процессором.
Такт - промежуток времени, необходимый для выполнения элементарной операции.

В недалеком прошлом тактовую частоту центрального процессора отождествляли непосредственно с его производительностью, то есть чем выше тактовая частота ЦП, тем он производительнее. На практике имеем ситуацию, когда процессоры с разной частотой имеют одинаковую производительность, потому что за один такт могут выполнять разное количество команд (в зависимости от конструкции ядра, пропускной способности шины, кэш-памяти).

Тактовая частота процессора пропорциональна частоте системной шины (см. ниже ).

Разрядность

Разрядность процессора - величина, которая определяет количество информации, которое центральный процессор способен обработать за один такт.

Например, если разрядность процессора равна 16, это значит, что он способен обработать 16 бит информации за один такт.

Думаю, всем понятно, что чем выше разрядность процессора, тем большие объемы информации он может обрабатывать.

Обычно, чем больше разрядность процессора, тем его производительность выше.

В настоящее время используются 32- и 64-разрядные процессоры. Разрядность процессора не означает, что он обязан выполнять команды с такой же самой разрядностью.

Кэш-память

Первым делом ответим на вопрос, что такое кэш-память?

Кэш-память – это быстродействующая память компьютера, предназначена для временного хранения информации (кода выполняемых программ и данных), необходимых центральному процессору.

Какие данные хранятся в кэш-памяти?

Наиболее часто используемые.

Какое предназначение кэш-памяти?

Дело в том, что производительность оперативной памяти, сравнительно с производительностью ЦП намного ниже. Получается, что процессор ждет, когда поступят данные от оперативной памяти – что понижает производительность процессора, а значит и производительность всей системы. Кэш-память уменьшает время ожидания процессора, сохраняя в себе данные и код выполняемых программ, к которым наиболее часто обращался процессор (отличие кэш-памяти от оперативной памяти компьютера – скорость работы кэш-памяти в десятки раз выше).

Кэш-память, как и обычная память, имеет разрядность. Чем выше разрядность кэш-памяти тем с большими объемами данных может она работать.

Различают кэш-память трех уровней: кэш-память первого (L1), второго (L2) и третьего (L3). Наиболее часто в современных компьютерах применяют первые два уровня.

Рассмотрим подробнее все три уровня кэш-памяти.

Кэш-память первого уровня является самой быстрой и самой дорогой памятью.

Кэш-память первого уровня расположена на одном кристалле с процессором и работает на частоте ЦП (отсюда и наибольшее быстродействие) и используется непосредственно ядром процессора.

Емкость кэш-памяти первого уровня невелика (в силу дороговизны) и исчисляется килобайтами (обычно не более 128 Кбайт).

Кэш-память второго уровня - это высокоскоростная память, выполняющая те функции, что и кэш L1. Разница между L1 и L2 в том, что последняя имеет более низкую скорость, но больший объем (от 128 Кбайт до 12 Мбайт), что очень полезно для выполнения ресурсоемких задач.

Кэш-память третьего уровня расположена на материнской плате. L3 значительно медленнее L1и L2, но быстрее оперативной памяти. Понятно, что объем L3 больше объема L1и L2. Кэш-память третьего уровня встречается в очень мощных компьютерах.

Количество ядер

Современные технологии изготовления процессоров позволяют разместить в одном корпусе более одного ядра. Наличие нескольких ядер значительно увеличивает производительность процессора, но это не означает что присутствие n ядер дает увеличение производительности в n раз. Кроме этого, проблема многоядерности процессоров заключается в том, что на сегодняшний день существует сравнительно немного программ, написанных с учетом наличия у процессоранескольких ядер.

Многоядерность процессора, прежде всего, позволяет реализовать функцию многозадачности: распределять работу приложений между ядрами процессора. Это означает, что каждое отдельное ядро работает со “своим” приложением.

Структура материнской платы

Прежде чем выбирать материнскую плату нужно хотя бы поверхностно рассмотреть ее структуру. Хотя здесь стоит отметить, что расположение гнезд и других деталей материнской платы не играют особой роли.

Первое, на что стоит обратить внимание – это сокет процессора. Это небольшое квадратное углубление с креплением.

Для тех, кто знаком с таким термином как «оверлокинг» (разгон компьютера) стоит обратить внимание на наличие двойного радиатора. Зачастую в материнских платах отсутствует двойной радиатор. Поэтому для тех, кто в будущем намерен разгонять свой компьютер, желательно проследить, чтобы этот элемент на плате присутствовал.

Продолговатые слоты PCI-Express предназначены для видеокарт, ТВ-тюнеров, аудио и сетевых карт. Для видеокарт нужна большая пропускная способность и для них используют разъемы PCI-Express X16. Для остальных адаптеров используются разъемы PCI-Express X1.

Совет эксперта! PCI-разъемы с различной пропускной способность выглядят почти одинаково. Стоит особенно внимательно рассмотреть разъемы и прочитать надписи под ними, чтобы избежать внезапных разочарований дома при установке видеокарт.

Разъемы меньшего размера предназначены для планок оперативной памяти. Обычно они окрашены в черный или синий цвет.

Чипсет платы обычно скрыт под радиатором. Этот элемент отвечает за совместную работу процессора и остальных частей системного блока.

Маленькие квадратные разъемы на краю платы служат для подключения жесткого диска. С другого бока расположены разъемы для устройств ввода и вывода (USB, мышка, клавиатура и т. д.).

Производитель

Материнские платы производят многие компании. Выделить из них лучшие или худшие практически невозможно. Плату любой компании можно назвать качественной. Зачастую даже неизвестные производители предлагают хороший товар.

Секрет в том, что все платы комплектуются чипсетами от двух компаний: AMD и Intel. Причем отличия чипсетов незначительные и играют роль только при решении глубоко специализированных задач.

Форм-фактор

В случае материнских плат размер имеет значение. Стандартный форм-фактор ATX встречается в большинстве домашних компьютеров. Большой размер, а, следовательно, наличие широкого набора гнезд позволяют улучшать основные характеристики компьютера.

Уменьшенная версия mATX встречается реже. Возможности улучшения ограничены.

Также существует mITX. Этот форм-фактор встречается в бюджетных офисных компьютерах. Улучшение характеристик или невозможно или не имеет смысла.

Зачастую процессоры и платы продаются в комплекте. Однако если процессор был куплен раньше, важно проследить, чтобы он был совместим с платой. Посмотрев на сокет, совместимость процессора и материнской платы можно определить моментально.

Чипсет

Связующее звено всех составляющих системы – это чипсет. Чипсеты изготавливают две компании: Intel и AMD. Особой разницы между ними нет. По крайне мере для рядового пользователя.

Стандартные чипсеты состоят из северного и южного мостов. Самые новые модели Intelсостоят только из северного. Сделано это не с целью экономии. Этот фактор никак не уменьшает производительность чипсета.

Наиболее современные чипсеты Intel состоят из одного моста, так как большая часть контроллеров теперь находится в процессоре, среди которых контроллер оперативной памяти DD3, PCI-Express 3.0 и некоторые другие.

Аналоги от AMD построены на традиционной схеме двух мостов. Например, 900-я серия комплектуется южным мостом SB950 и северным 990FX (990X, 970).

При выборе чипсета стоит отталкиваться от возможностей северного моста. Северный мост 990FX может поддерживать одновременно работу 4-х видеокарт в режиме CrossFire. В большинстве случае такая мощность – избыточна. Но для любителей тяжеловесных игры или тех, кто работают с требовательным графическими редакторами, этот такой чипсет будет наиболее подходящим.

Немного урезанная версия 990Х все еще может поддерживать работу двух видеокарт одновременно, а вот 970-я модель работает исключительно с одной видеокартой.

Компоновка Материнских плат

· подсистема обработки данных;

· подсистема электропитания;

· вспомогательные (сервисные) блоки и узлы.

Основные компоненты подсистемы обработки данных материнской платы приведены на рис. 1.3.14.

1 – гнездо процессора; 2 – фронтальная шина; 3 – северный мост; 4 – тактовый генератор; 5 – шина памяти; 6 – разъемы оперативной памяти; 7 – разъемы IDE (ATA); 8 – разъемы SATA; 9 – южный мост; 10 – разъемы IEEE 1394; 11 – разъемы USB; 12 – разъем сети Ethernet; 13 – аудиоразъемы; 14 – шина LPC; 15 – контроллер Super I/O; 16 – порт PS/2;

17 – параллельный порт; 18 – последовательные порты; 19 – разъем Floppy Disk;

20 – BIOS; 21 – шина PCI; 22 – разъемы PCI; 23 – разъемы AGP или PCI Express;

24 – внутренняя шина; 25 – Шина AGP/PCI Express; 26 – разъем VGA

FPM (Fast Page Mode) - вид динамической памяти.
Его название соответствует принципу работы, так как модуль позволяет быстрее получать доступ к данным которые находятся на той же странице, что и данные, переданные во время предыдущего цикла.
Эти модули использовались на большинстве компьютеров с процессорами 486 и в ранних системах с процессорами Pentium, ориентировочно в 1995 году.

Модули EDO (Extended Data Out) появились в 1995 году как новый тип памяти для компьютеров с процессорами Pentium.
Это модифицированный вариант FPM.
В отличие от своих предшественников, EDO начинает выборку следующего блока памяти в то же время, когда отправляет предыдущий блок центральному процессору.

SDRAM (Synchronous DRAM) - вид памяти со случайным доступом, работающий на столько быстро, чтобы его можно было синхронизировать с частотой работы процессора, исключая режимы ожидания.
Микросхемы разделены на два блока ячеек так, чтобы во время обращения к биту в одном блоке шла подготовка к обращению к биту в другом блоке.
Если время обращения к первой порции информации составляло 60 нс, все последующие интервалы удалось сократить до 10 нс.
Начиная с 1996 года большинство чипсетов Intel стали поддерживать этот вид модулей памяти, сделав его очень популярным вплоть до 2001 года.

SDRAM может работать на частоте 133 МГц, что почти в три раза быстрее, чем FPM и в два раза быстрее EDO.
Большинство компьютеров с процессорами Pentium и Celeron, выпущенных в 1999 году использовали именно этот вид памяти.

DDR (Double Data Rate) стал развитием SDRAM.
Этот вид модулей памяти впервые появился на рынке в 2001 году.
Основное отличие между DDR и SDRAM заключается в том, что вместо удвоения тактовой частоты для ускорения работы, эти модули передают данные дважды за один такт.
Сейчас это основной стандарт памяти, но он уже начинает уступать свои позиции DDR2.

DDR2 (Double Data Rate 2) - более новый вариант DDR, который теоретически должен быть в два раза более быстрым.
Впервые память DDR2 появилась в 2003 году, а чипсеты, поддерживающие ее - в середине 2004.
Эта память, также как DDR, передает два набора данных за такт.
Основное отличие DDR2 от DDR - способность работать на значительно большей тактовой частоте, благодаря усовершенствованиям в конструкции.
Но измененная схема работы, позволяющая добиться высоких тактовых частот, в то же время увеличивает задержки при работе с памятью.

DDR3 SDRAM (синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных, третье поколение) - это тип оперативной памяти, используемой в вычислительной технике в качестве оперативной и видео- памяти.
Пришла на смену памяти типа DDR2 SDRAM.

У DDR3 уменьшено на 40 % потребление энергии по сравнению с модулями DDR2, что обусловлено пониженным (1,5 В, по сравнению с 1,8 В для DDR2 и 2,5 В для DDR) напряжением питания ячеек памяти.
Снижение напряжения питания достигается за счёт использования 90-нм (вначале, в дальнейшем 65-, 50-, 40-нм) техпроцесса при производстве микросхем и применения транзисторов с двойным затвором Dual-gate (что способствует снижению токов утечки).

Модули DIMM с памятью DDR3 механически не совместимы с такими же модулями памяти DDR2 (ключ расположен в другом месте), поэтому DDR2 не могут быть установлены в слоты под DDR3 (это сделано с целью предотвращения ошибочной установки одних модулей вместо других - эти типы памяти не совпадают по электрическим параметрам).

RAMBUS (RIMM)

RAMBUS (RIMM) - это вид памяти, который появился на рынке в 1999 году.
Он основан на традиционной DRAM но с кардинально измененной архитектурой.
Дизайн RAMBUS делает обращение к памяти более «разумным», позволяя получать предварительный доступ к данным, немного разгружая центральный процессор.
Основная идея, использованная в этих модулях памяти, заключается в получении данных небольшими пакетами но на очень высокой тактовой частоте.
Например, SDRAM может передавать 64 бит информации при частоте 100 МГц, а RAMBUS - 16 бит при частоте 800 МГц.
Эти модули не стали успешными, так как у Intel было много проблем с их внедрением.
Модули RDRAM появились в игровых консолях Sony Playstation 2 и Nintendo 64.

RAM означает Random Access Memory - Память Произвольного Доступа - память, доступ к которой осуществляется по адресу. Адреса при последовательном доступе могут принимать любые значения, поэтому можно получить независимый доступ к любому адресу (или "ячейке").

Статистическая память - это память, построенная из статических переключателей. Она хранит информацию до тех пор, пока подается питание. Обычно требуется не менее шести транзисторов для хранения одного бита в SRAM схеме. SRAM используется в малых системах (до нескольких сот Кб RAM) и применяется там, где критична скорость доступа (как кэш внутри процессоров или на материнских платах).

Динамическая память (DRAM) зародилась в начале 70х. Она основана на емкостных элементах. Мы можем думать о DRAM как о наборе конденсаторов, управляемых переключающимися транзисторами. Только один "конденсаторный транзистор" необходим для хранения одного бита, поэтому DRAM обладает большей емкостью чем SRAM (и она дешевле).
DRAM организована в виде прямоугольного массива ячеек. Чтобы обратиться к ячейке, нам нужно выбрать ряд и колонку, в которой находится эта ячейка. Обычно это реализуется таким образом, что старшая часть адреса указывает на ряд, а младшая часть адреса указывает на ячейку в ряду ("колонку"). Исторически сложилось так (из-за медленной скорости и маленьких IC пакетов в начале 70"х), что адрес подается на DRAM чип в две фазы - адрес ряда с адресом колонки по одинаковым линиям. Сперва чип принимает адрес ряда и затем через несколько наносекунд по той же линии передается адрес колонки. Чип считывает данные и передает их на вывод. При цикле записи данные принимаются чипом вместе с адресом колонки. Для управления чипом используется несколько управляющих линий. RAS (Row Address Strobe) сигналы которыми передается адрес ряда и также активируется весь чип. CAS (Column Address Strobe) сигналы которыми передается адрес колонки. WE (Write Enable) указывающий, что произведенный доступ - это доступ записи. OE (Output Enable) открывает буфера используемые для передачи данных с чипа памяти на "хост" (процессор).
FP DRAM

Так как каждый доступ к классической DRAM требует передачи двух адресов, он был слишком медленным для 25 МГц машин. FP (Fast Page) DRAM это вариант классической DRAM, в котором нет необходимости передавать адрес ряда в каждом цикле доступа. До тех пор пока RAS линия активна, ряд остается выбранным и индивидуальные ячейки из этого ряда можно выбрать передачей только адреса колонки. Итак, в то время как ячейка памяти остается той же самой, время доступа меньше, потому что только одна фаза передачи адреса необходима в большинстве случаев.

EDO (Extended Data Out) DRAM это вариант FP DRAM. В FP DRAM адрес колонки должен оставаться верным во время всего периода передачи данных. Буфера данных активизируются только во время цикла передачи адреса колонки, по сигналу уровня активности CAS сигнала. Данные должны быть считаны с шины данных памяти до того как в чип поступит новый адрес колонки. EDO память сохраняет данные в буферах вывода после того как CAS сигнал возвращается в неактивное состояние и адрес колонки убирается. Адрес следующей колонки может передаваться параллельно с чтением данных. Это предоставляет возможность использовать частичное совпадение при чтении. В то время как ячейки памяти EDO RAM одинаковы по скорости с FP DRAM, последовательный доступ может осуществляться быстрее. Итак EDO должны быть чем-то более быстрым, чем FP, особенно для массивного доступа (как например в графических приложениях).

Video RAM может основываться на любой из перечисленных выше DRAM архитектур. Помимо "обычного" механизма доступа, описанного ниже, у VRAM есть один или два специальных серийных порта. VRAM часто упоминается как двупортовая или трехпортовая память. Серийные порты содержат регистры которые могут хранить содержимое целого ряда. Возможно передать данные с целого ряда массива памяти в регистр (или наоборот) за один цикл доступа. Затем данные могут быть считаны или записаны в регистр серийного доступа порциями любой длины. Поскольку регистр состоит из быстрых, статических ячеек, доступ к нему очень быстр, обычно в несколько раз быстрее чем к массиву памяти. В большинстве типичных приложений VRAM используется в качестве буфера экранной памяти. Параллельный порт (стандартный интерфейс) используется процессором, а серийный порт используется для передачи данных о точках на дисплее (или считывании данных с видео источника).

WRAM это патентованная архитектура памяти разработанная Matrox и (кто же еще, дайте вспомнить...- Samsung?, MoSys?...). Она похожа на VRAM, но позволяет хосту производить более быстрый доступ. WRAM использовалась на графических платах Millenium и Millenium II производимых Matrox (но не на современных Millenium G200).

SDRAM это полная переделка DRAM, представленная в 90"х. "S" означает Synchronous (Синхронная), так как в SDRAM реализован полностью синхронный (и следовательно очень быстрый) интерфейс. Внутри SDRAM содержит (обычно два) DRAM массива. У каждого массива свой собственный Page Register (Регистр Страницы), который (немного) напоминает регистр серийного доступа на VRAM. SDRAM работает гораздо умнее чем обычная DRAM. Весь контур синхронизируется с сигналом внешних часов. На каждом такте часов чип принимает и выполняет команду, переданную по командным линиям. Названия командных линий остались теми же, что и в классических DRAM чипах, но их функции только похожи на оригинал. Есть команды для передачи данных между массивом памяти и регистрами страницы, и для доступа к данным в регистрах страницы. Доступ к регистру страницы очень быстр - современные SDRAMы могут передавать новое слово данных каждые 6..10 нс.

Synchronous Graphics RAM это вариант SDRAM, рассчитанный на графические приложения. Аппаратная структура почти идентична, поэтому в большинстве случаев мы можем менять SDRAM и SGRAM (смотрите Matrox G200-карты - некоторые из них используют SD, другие SG). Разница в функциях осуществляемых регистром страницы. SG может записать несколько расположений в одиночный цикл (это позволяет очень быстро производить заполнения цветом и очистку экрана), и может записать только несколько бит в слове (биты выбираются битовой маской хранимой интерфейсным контуром). Поэтому SG быстрее в графических приложениях, хотя физически не быстрее чем SD при "нормальном" использовании. Добавочные возможности SG используются графическими акселераторами. Я думаю что, в частности, очень полезны возможности очистки экрана и Z-буфера.

RAMBUS (RDRAM)

RAMBUS (торговая марка RAMBUS, Inc.) начал разрабатываться с 80"х, так что он не нов. Современные RAMBUS технологии сочетают в себе старые но очень хорошие идеи и сегодняшнии технологии производства памяти. В основе RAMBUS лежит простая идея: мы берем любой хороший DRAM, встраиваем в чип статический буфер (как в VRAM и SGRAM), и предоставляем специальный, электронно настраивающийся интерфейс работающий на 250..400 МГц. Интерфейс как минимум вдвое быстрее чем применяющийся в SDRAM, и в то время как время случайного доступа обычно медленнее, последовательный доступ производится очень, очень, очень быстро. Помните что когда были представлены 250 МГц RDRAMы, большинство DRAMов работали на частотах 12..25 МГц. RDRAM требует специального интерфейса и очень осторожного физического размещения на PCB. Большинство RDRAM чипов воглядят совсем иначе чем другие DRAMы: у всех у них все сигнальные линии находятся на одной стороне корпуса (чтобы они были одинаковой длины), и только 4 линии питания на другой стороне. RDRAMы используются в графических картах на чипах Cirrus 546x. Вскоре мы увидим RDRAMы используемые в качестве главной памяти на ПК.

Устройство жёстких дисков.

Винчестер содержит набор пластин, представляющих чаще всего металлические диски, покрытые магнитным материалом – платтером (гамма-феррит-оксид, феррит бария, окись хрома…) и соединенные между собой при помощи шпинделя (вала, оси).

Сами диски (толщина примерно 2мм.) изготавливаются из алюминия, латуни, керамики или стекла. (см. Рис)

Для записи используются обе поверхности дисков. Используется 4-9 пластин. Вал вращается с высокой постоянной скоростью (3600-7200 оборотов/мин.)

Вращение дисков и радикальное перемещение головок осуществляется с помощью 2-х электродвигателей.

Данные записываются или считываются с помощью головок записи/чтения по одной на каждую поверхность диска. Количество головок равно количеству рабочих поверхностей всех дисков.

Запись информации на диск ведется по строго определенным местам - концентрическим дорожкам (трекам). Дорожки делятся на сектора. В одном секторе 512 байт информации.

Обмен данными между ОЗУ и НМД осуществляется последовательно целым числом (кластером). Кластер - цепочки последовательных секторов (1,2,3,4,…)

Специальный двигатель с помощью кронштейна позиционирует головку чтения/записи над заданной дорожкой (перемещает ее в радиальном направлении).

При повороте диска головка располагается над нужным сектором. Очевидно, что все головки перемещаются одновременно и считывают инфоголовки перемещаются одновременно и считывают информацию с одинаковых дорожек разныхрмацию с одинаковых дорожек разных дисков.

Дорожки винчестера с одинаковым порядковым номером на разных дисках винчестера называется цилиндром.

Головки чтения записи перемещаются в вдоль поверхности платтера. Чем ближе к поверхности диска находится головка при этом не касаясь ее, тем выше допустимая плотность записи.

Интерфейсы жестких дисков.

IDE (АТА – Advanced Technology Attachment) - параллельный интерфейс подключения накопителей, именно поэтому был изменен (с выходом SATA) на PATA (Parallel ATA). Раньше использовался для подключения винчестеров, но был вытеснен интерфейсом SATA. В настоящее время используется для подключения оптических накопителей.

SATA (Serial ATA) – последовательный интерфейс обмена данными с накопителями. Для подключения используется 8-pin разъем. Как и в случае с PATA – является устаревшим, и используется только для работы с оптическими накопителями. Стандарт SATA (SATA150) обеспечивал пропускную способность равную 150 МБ/с (1,2 Гбит/с).

SATA 2 (SATA300). Стандарт SATA 2 увеличивал пропускную способность в двое, до 300 МБ/с (2,4 Гбит/с), и позволяет работать на частоте 3 ГГц. Стандартны SATA и SATA 2 совместимы между собой, однако для некоторых моделей необходимо вручную устанавливать режимы, переставляя джамперы.

SATA 3, хотя про требованию спецификаций правильно называть SATA 6Gb/s. Этот стандарт в двое увеличил скорость передачи данных до 6 Гбит/с (600 МБ/с). Также к положительным нововведениям относится функция программного управления NCQ и команды для непрерывной передачи данных для процесса с высоким приоритетом. Хоть интерфейс и был представлен в 2009 году, особой популярностью у производителей он пока не пользуется и в магазинах встречает не так часто. Кроме жестких дисков этот стандарт используется в SSD (твердотельные диски). Стоит заметить, что на практике пропускная способность интерфейсов SATA не отличаются скоростью передачи данных. Практически скорость записи и чтения дисков не превышает 100 Мб/с. Увеличение показателей влияет только пропускную способность между контроллером и кеш-памятью накопителя.

SCSI(Small Computer System Interface) – стандарт применяется в серверах, где необходима повышеная скорость передачи данных.

SAS (Serial Attached SCSI) – поколение пришедшее на смену стандарта SCSI, использующее последовательную передачу данных. Как и SCSI используется в рабочих станциях. Полностью совместив с интерефейсом SATA.

CF (Compact Flash) – Интерфейс для подключения карт памяти, а также для 1,0 дюймовых винчестеров. Различают 2 стандарта: Compact Flash Type I и Compact Flash Type II, отличие в толщине.

FireWire – альтернативный интерфейс более медленному USB 2.0. Используется для подключения портативных жестких дисков. Поддерживает скорость до 400 Мб/с, однако физическая скорость ниже, чем у обычных. При чтении и записи максимальный порг 40 Мб/с.

Типы видеокарт

Современные компьютеры (ноутбуки) выпускаются с различными типами видеокарт, от которых напрямую зависит производительность в графических программах, воспроизведение видео и так дальше.

В настоящее время используется 3 типа адаптеров, которые могут совмещаться.

Рассмотрим подробнее типы видеокарт:

интегрированная;
дискретная;
гибридная;
две дискретные;
Hybrid SLI.

Интегрированная видеокарта – это недорогой вариант. В ней нет видеопамяти и графического процессора. С помощью чипсета графику обрабатывает центральный процессор, оперативная память используется вместо видеопамяти. Такая система устройства значительно снижает и производительность компьютера в целом, и графическую обработку в частности.

Часто применяется в бюджетных комплектациях ПК или ноутбука. Позволяет работать с офисными приложениями, смотреть и редактировать фото и видео, но невозможно играть в современные игры. Доступны только устаревшие варианты с минимальными требованиями к системе.

Право и ОСО

Урок 9. Магистрально-модульный принцип построения компьютера.

Задание: используя учебный текст ответить на следующие вопросы (записать в тетрадь).

1. Кто был основоположником магистрально-модульного принципа современной архитектуры ПК.

2. Архитектура компьютера – это…

3. Перечислите основные принципы положенные в основу магистрально-модульного построения архитектуры ПК.

4. Из каких частей состоит магистраль?

5. Для чего нужен интерфейс устройств?

6. Что используется для согласования интерфейсов? По какой схеме работает данное согласование (зарисуйте схему)?

7. Как происходит обработка данных на компьютере?

8. Изобразите схематично магистрально-модульный принцип ПК.

9. Магистраль-это …

10. Для чего служат шина управления, шина адреса, шина данных?

12. Что позволяет модульный принцип пользователю ПК? Перечислите основные достоинства модульно-магистрального принципа.

Д/з. Ответить на вопросы, подготовиться к ответу по учебному тексту.

Учебный текст

Магистрально-модульный принцип построения компьютера

Вспомним информацию, полученную на предыдущих занятиях:

Компьютер – это электронное устройство, предназначенное для работы с информацией, а именно введение, обработку, хранение, вывод и передачу информации. Кроме того, ПК представляет собой единое двух сущностей – аппаратной и программной частей.

Архитектура компьютера - это описание его логической организации, ресурсов и принципов функционирования его структурных элементов. Включает основные устройства ЭВМ и структуру связей между ними.

Обычно, описывая архитектуру ЭВМ, особое внимание уделяют тем принципам ее организации, которые характерны для большинства машин, относящихся к описываемому семейству, а также оказывающие влияние на возможности программирования.

В основу архитектуры современных компьютеров положены принципы Джона фон Неймана и магистрально-модульный принцип.

В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В последствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня.

По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое.

Принципы фон Неймана

1. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах . Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.

2. Программное управление ЭВМ . Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.

3. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ . При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.

4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы . В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.

5. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы . Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.

6. Наличие устройств ввода и вывода информации . Именно эти устройства являются базовыми и достаточными для работы компьютера на пользовательском уровне.

7. Принцип открытой архитектуры – правила построения компьютера, в соответствии с которыми каждый новый блок должен быть совместим со старым и легко устанавливаться в том же месте в компьютере. В компьютере столь же легко можно заменить старые блоки на новые, где бы они ни располагались, в результате чего работа компьютера не только не нарушается, но и становится более производительной. Этот принцип позволяет не выбрасывать, а модернизировать ранее купленный компьютер, легко заменяя в нем устаревшие блоки на более совершенные и удобные, а также приобретать и устанавливать новые блоки. Причем во всех разъемы для их подключения являются стандартными и не требуют никаких изменений в самой конструкции компьютера.

Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.

Компьютер не является неделимым, цельным объектом. Он состоит из некоторого количества устройств – модулей. (Комплектовать свой компьютер из этих модулей пользователь может по собственному желанию). Для каждого устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером, или адаптером. некоторые контроллеры могут управлять сразу несколькими устройствами. Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль (набор электронных линий. Шина - это кабель, состоящий из множества проводов.

Магистраль обеспечивает обмен данными между устройствами компьютера.

Магистраль состоит из трех частей:

1. Шина адреса, на которой устанавливается адрес требуемой ячейки памяти или устройства, с которым будет происходить обмен информацией.

2. Шина данных , по которой будет передаваться необходимая информация.

3. Шина управления , регулирующая этот процесс. (по шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Эти сигналы показывают – какую операцию следует производить).

Для того, чтобы компьютер функционировал правильно, необходимо, чтобы все его устройства работали дружно, «понимали» друг друга и «не конфликтовали». Это обеспечивается благодаря одинаковому интерфейсу, который имеют все устройства компьютера.
Интерфейс – это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой.

Так как обмен данными между устройствами происходит через магистраль, то для согласования интерфейсов все внешние устройства подключаются в шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты.

Порты бывают последовательные и параллельные. К последовательным портам присоединяют медленно действующие или удаленные устройства (мышь, модем), а к параллельным более быстрые (сканер, принтер). Клавиатура и монитор подсоединяется к специализированным портам.

Для того, чтобы по ошибке или незнанию не подключить устройство к чужому порту, каждое устройство имеет индивидуальную форму штекера, не подходящую к «чужому» разъему.

Информация, представленная в цифровой форме и обрабатываемая на компьютере, называется данными .

Последовательность команд, которую выполняет компьютер в процессе обработки данных, называется программой .

Обработка данных на компьютере:

1. Пользователь запускает программу, хранящуюся в долговременной памяти, она загружается в оперативную и начинает выполняться.

2. Выполнение: процессор считывает команды и выполняет их. Необходимые данные загружаются в оперативную память из долговременной памяти или вводятся с помощью устройств ввода.

3. Выходные (полученные) данные записываются процессором в оперативную или долговременную память, а также предоставляются пользователю с помощью устройств вывода информации.

Для обеспечения информационного обмена между различными устройствами должна быть предусмотрена какая-то магистраль для перемещения потоков информации.

Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой многопроводные линии. К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении, т. е. шина данных является двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием шины данных можно отнести следующие: запись/чтение данных из оперативной памяти, запись/чтение данных из внешней памяти, чтение данных с устройства ввода, пересылка данных на устройство вывода.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, то есть количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно. Разрядность процессоров постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники.

Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении - от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса.

Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

N=2 I , где I – разрядность шины адреса.

Каждой шине соответствует свое адресное пространство, т. е. максимальный объем адресуемой памяти:

2 16 = 64 Кб

2 20 = 1 Мб

2 24 = 16 Мб

2 32 = 4 Гб

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию - считывание или запись информации из памяти - нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее.

Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Каждая отдельная функция компьютера реализуется одним или несколькими модулями – конструктивно и функционально законченных электронных блоков в стандартном исполнении. Организация структуры компьютера на модульной основе аналогична строительству блочного дома.

Магистрально-модульный принцип имеет ряд достоинств:

1. для работы с внешними устройствами используются те же команды процессора, что и для работы с памятью.

2. подключение к магистрали дополнительных устройств не требует изменений в уже существующих устройствах, процессоре, памяти.

3. меняя состав модулей можно изменять мощность и назначение компьютера в процессе его эксплуатации.

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.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5
Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил фон Нейман в 1944 году, когда подключился к созданию первого в мире лампового компьютера ЭНИАК . В процессе работы над ЭНИАКом в в Пенсильванском Университете во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Джоном Уильямом Мокли , Джоном Экертом , Германом Голдстайном и Артуром Бёрксом, возникла идея более совершенной машины под названием EDVAC . Исследовательская работа над EDVAC продолжалась параллельно с конструированием ЭНИАКа.

В марте 1945 года принципы логической архитектуры были оформлены в документе, который назывался «Первый проект отчёта о EDVAC » - отчет для Баллистической Лаборатории Армии США, на чьи деньги осуществлялась постройка ЭНИАКа и разработка EDVACа . Отчет, поскольку он являлся всего лишь наброском, не предназначался для публикации, а только для распространения внутри группы, однако Герман Голдстайн - куратор проекта со стороны Армии США - размножил эту научную работу и разослал её широкому кругу ученых для ознакомления. Так как на первой странице документа стояло только имя фон Неймана , у читавших документ сложилось ложное впечатление, что автором всех идей, изложенных в работе, является именно он. Документ давал достаточно информации для того, чтобы читавшие его могли построить свои компьютеры, подобные EDVACу на тех же принципах и с той же архитектурой, которая в результате стала называться «архитектурой фон Неймана».
После завершения Второй Мировой войны и окончания работ над ЭНИАКом в феврале 1946 года команда инженеров и ученых распалась, Джон Мокли , Джон Экерт решили обратиться в бизнес и создавать компьютеры на коммерческой основе. Фон Нейман, Голдстайн и Бёркс перешли в , где решили создать свой компьютер «IAS-машина », подобный EDVACу , и использовать его для научно-исследовательской работы. В июне 1946 года они изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства» . С тех пор прошло более полувека, но выдвинутые в ней положения сохраняют свою актуальность и сегодня. В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел, а ведь ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде. Авторы продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации - текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.
Помимо машин, работавших с двоичным кодом, существовали и существуют троичные машины . Троичные компьютеры имеют ряд преимуществ и недостатков перед двоичными. Среди преимуществ можно выделить быстродействие (операции сложения выполняются примерно в полтора раза быстрее), наличие двоичной и троичной логики, симметричное представление целых чисел со знаком (в двоичной логике либо будут иметь место два нуля (положительный и отрицательный), либо будет иметь место число, которому нет пары с противоположным знаком). К недостаткам - более сложная реализация по сравнению с двоичными машинами.
Ещё одной революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является принцип «хранимой программы». Первоначально программа задавалась путём установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы машины ЭНИАК требовалось несколько дней, в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут - выходили из строя лампы, которых было огромное количество. Однако программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причём в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.
Наличие заданного набора исполняемых команд и программ было характерной чертой первых компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют с целью упрощения конструкции вычислительного устройства. Так, настольные калькуляторы , в принципе, являются устройствами с фиксированным набором выполняемых программ. Их можно использовать для математических расчётов, но почти невозможно применить для обработки текста и компьютерных игр , для просмотра графических изображений или видео . Изменение встроенной программы для такого рода устройств требует практически полной их переделки, и в большинстве случаев невозможно. Впрочем, перепрограммирование ранних компьютерных систем всё-таки выполнялось, однако требовало огромного объёма ручной работы по подготовке новой документации , перекоммутации и перестройки блоков и устройств и т. п.
Всё изменила идея хранения компьютерных программ в общей памяти. Ко времени её появления использование архитектур, основанных на наборах исполняемых инструкций , и представление вычислительного процесса как процесса выполнения инструкций, записанных в программе, чрезвычайно увеличило гибкость вычислительных систем в плане обработки данных. Один и тот же подход к рассмотрению данных и инструкций сделал лёгкой задачу изменения самих программ.

Принципы фон Неймана

Принцип однородности памяти Принципиальное отличие архитектуры "фон Неймана" (принстонской) от "Гарвардской ". Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы. Распознать их можно только по способу использования; то есть одно и то же значение в ячейке памяти может использоваться и как данные, и как команда, и как адрес в зависимости лишь от способа обращения к нему. Это позволяет производить над командами те же операции, что и над числами, и, соответственно, открывает ряд возможностей. Так, циклически изменяя адресную часть команды, можно обеспечить обращение к последовательным элементам массива данных. Такой прием носит название модификации команд и с позиций современного программирования не приветствуется. Более полезным является другое следствие принципа однородности, когда команды одной программы могут быть получены как результат исполнения другой программы. Эта возможность лежит в основе трансляции - перевода текста программы с языка высокого уровня на язык конкретной вычислительной машины. Принцип адресности Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причём процессору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек - адреса. Принцип программного управления Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов - команд. Каждая команда предписывает некоторую операцию из набора операций, реализуемых вычислительной машиной. Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти вычислительной машины и выполняются в естественной последовательности, то есть в порядке их положения в программе. При необходимости, с помощью специальных команд, эта последовательность может быть изменена. Решение об изменении порядка выполнения команд программы принимается либо на основании анализа результатов предшествующих вычислений, либо безусловно. Принцип двоичного кодирования Согласно этому принципу, вся информация, как данные, так и команды, кодируются двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат. Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. В числовой информации обычно выделяют поле знака и поле значащих разрядов. В формате команды в простейшем случае можно выделить два поля: поле кода операции и поле адресов.
Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана

По плану, первым компьютером, построенным по архитектуре фон Неймана, должен был стать EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) - одна из первых электронных вычислительных машин. В отличие от своего предшественника ЭНИАКа, это был компьютер на двоичной, а не десятичной основе. Как и ЭНИАК, EDVAC был разработан в Институте Мура Пенсильванского Университета для Лаборатории баллистических исследований (англ.) Армии США командой инженеров и учёных во главе с Джоном Преспером Экертом (англ.) и Джоном Уильямом Мокли при активной помощи математика], однако до 1951 года EDVAC не был запущен из-за технических трудностей в создании надёжной компьютерной памяти и разногласий в группе разработчиков. Другие научно-исследовательские институты, ознакомившись с ЭНИАКом и проектом EDVAC, сумели решить эти проблемы гораздо раньше. Первыми компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, были:
1. прототип - Манчестерская малая экспериментальная машина - Манчестерский университет , Великобритания, 21 июня 1948 года;
2. EDSAC - Кембриджский университет , Великобритания, 6 мая 1949 года;
3. Манчестерский Марк I - Манчестерский университет , Великобритания, 1949 год;
4. BINAC - США, апрель или август 1949 года;
5. CSIR Mk 1
6. EDVAC - США, август 1949 года - фактически запущен в 1952 году;
7. CSIRAC - Австралия, ноябрь 1949 года;
8. SEAC - США, 9 мая 1950 года;
9. ORDVAC - США, ноябрь 1951 года;
10. IAS-машина - США, 10 июня 1952 года;
11. MANIAC I - США, март 1952 года;
12. AVIDAC - США, 28 января 1953 года;
13. ORACLE - США, конец 1953 года;
14. WEIZAC - Израиль, 1955 год;
15. SILLIAC - Австралия, 4 июля 1956 года.
В СССР первой полностью электронной вычислительной машиной, близкой к принципам фон Неймана, стала МЭСМ , построенная Лебедевым (на базе киевского Института электротехники АН УССР), прошедшая государственные приемочные испытания в декабре 1951 года.

Узкое место архитектуры фон Неймана

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 [ ] ; данная проблема решается совершенствованием систем кэширования, а это порождает множество новых проблем [каких? ] .
Термин «узкое место архитектуры фон Неймана» ввел Джон Бэкус в 1977 в своей лекции «Можно ли освободить программирование от стиля фон Неймана?», которую он прочитал при вручении ему Премии Тьюринга
Ученые из США и Италии в 2015 заявили о создании прототипа мем-процессора (английское memprocessor) с отличной от фон-неймановской архитектурой и возможности его использования для решения -полных задач .

См. также

Литература
- Herman H. Goldstine. The Computer from Pascal to von Neumann . - Princeton University Press, 1980. - 365 p. - ISBN 9780691023670 . (англ.)
- William Aspray. John von Neumann and the Origins of Modern Computing . - MIT Press, 1990. - 394 p. - ISBN 0262011212 . (англ.)
- Scott McCartney. ENIAC: The Triumphs and Tragedies of the World"s First Computer . - Berkley Books, 2001. - 262 p. -
В 1946 году трое учёных - Артур Бёркс (англ. Arthur Burks), Герман Голдстайн и Джон фон Нейман - опубликовали статью «Предварительное рассмотрение логического конструирования электронного вычислительного устройства». В статье обосновывалось использование двоичной системы для представления данных в ЭВМ (преимущественно для технической реализации, простота выполнения арифметических и логических операций - до этого машины хранили данные в десятичном виде), выдвигалась идея использования общей памяти для программы и данных. Имя фон Неймана было достаточно широко известно в науке того времени, что отодвинуло на второй план его соавторов, и данные идеи получили название «принципы фон Неймана».
Принцип двоичного кодирования
Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов (двоичных цифр, битов) и разделяется на единицы, называемые словами.
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. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
Принцип адресуемости памяти
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 хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.
Принцип последовательного программного управления
Предполагает, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
Принцип жесткости архитектуры
Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.
Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу фон-неймановских.
Компьютер должен иметь :
- арифметическо-логическое устройство , выполняющее арифметические и логические операции. В наше время это устройство называется центральный процессор. Центральный процессор (central processing unit) – микропроцессор компьютера, представляющий собой микросхему, которая управляет всеми процессами, происходящими в компьютере;
- устройство управления , которое организует процесс выполнения программ. В современных компьютерах арифметическо-логическое устройство и устройство управления объединены в центральный процессор;
- запоминающее устройство (память) для хранения программ и данных;
- внешние устройства для ввода-вывода информации.