Современную архитектуру ЭВМ определяют следующие принципы
В основе функционирования любой ЭВМ лежит архитектура.
в 1945 г., Джон фон Нейман выделил пять ключевых компонентов того, что ныне называют «архитектурой фон Неймана» компьютера. Чтобы компьютер был и эффективным, и универсальным инструментом, он должен включать следующие структуры:
1. быть электронным, а не механическим устройством
2. центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ), центральное устройство управления (УУ) ( Принцип жесткости архитектуры.) Неизменяемость архитектуры.
3. запоминающее устройство, или память а также устройство ввода-вывода информации.
4. Принцип адресуемости и однородности памяти.Память, состоящая из пронумерованных ячеек и в ней хранятся как данные так и команды.
5. эта система должна работать с двоичнымичислами, принцип двоичного кодирования.
6. выполнять операции последовательно, одну за другой (принцип последовательности программного управления).
В современных ЭВМ АЛУ и УУ объединены в общее устройство, называемое центральным процессором.
Схема архитектуры ЭВМ, базирующаяся на принципах фон Неймана.
ВК – видеокарта (видеоадаптер, видеоконтроллер) формирует изображение и передает его на монитор;
ИП – источник питания обеспечивает питание всех блоков ЭВМ по системной шине;
КВЗУ – контроллеры внешних запоминающих устройств управляют обменом информацией с ВЗУ;
КК – контроллер клавиатуры содержит буфер, в который помещаются вводимые символы, и обеспечивает передачу этих символов другим компонентам;
КПВВ – контроллеры портов ввода-вывода управляют обменом информацией с периферийными устройствами;
МП – микропроцессор выполняет команды программы, управляет взаимодействием всех компонент ЭВМ;
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство хранит исходные данные и результаты обработки информации во время функционирования ЭВМ;
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство хранит программы, выполняемые во время загрузки ЭВМ;
ПУ – периферийные устройства различного назначения: принтеры, сканнеры, манипуляторы «мышь» и др.;
СА – сетевой адаптер (карта) обеспечивает обмен информацией с локальными и глобальными компьютерными сетями.
К устройствам ввода информации относят клавиатуру и такие ПУ, как сканнеры, манипуляторы типа «мышь», джойстики, а к устройствам вывода информации – монитор и такие ПУ, как принтеры.
Современную архитектуру ЭВМ определяют следующие принципы.
1. Принцип программного управления. Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет режим функционирования ЭВМ, при этом строгий порядок действий не предопределен.
2. Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в ОЗУ, что ускоряет процесс ее выполнения.
3. Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место ОЗУ, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих. При этом возможно несколько частей быстрой памяти (ОП и КЭШ) – неоднородность памяти
4. Наличие многопроцессорной архитектуры ЭВМ (динамичность архитектуры)
Микропроцессор
Микропроцессор(МП; CPU – Central Processing Unit (центральный обрабатывающий модуль)) – центральный блок ЭВМ, управляющий работой всех компонент ЭВМ и выполняющий операции над информацией. Операции производятся в регистрах, составляющих микропроцессорную память.
Основные функции МП:
- выполнение команд программы, расположенной в ОЗУ; команда состоит из кода, определяющего, что эта команда делает, и операндов, над которыми эта команда осуществляется;
- управление пересылкой информации между микропроцессорной памятью, ОЗУ и периферийными устройствами;
- обработка прерываний;
- управление компонентами ЭВМ.
Микропроцессор состоит из следующих блоков:
АЛУ – арифметико-логическое устройство;
ДБ – другие блоки (математический сопроцессор, модуль предсказания ветвлений);
ДК – дешифратор команд;
ИМП – интерфейс микропроцессора;
Кэш L1 – кэш-память первого уровня;
Кэш L2 – кэш-память второго уровня;
МПП – микропроцессорная память;
РОН – регистры общего назначения;
РС – регистры смещений;
РФ – регистр флагов;
СР – сегментные регистры;
УС – устройство синхронизации;
УУ – устройство управления.
Рассмотрим назначение этих блоков МП.
Устройство управления (УУ) выполняет команды, поступающие в МП в следующей последовательности:
1) выборка из регистра-счетчика адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;
Структура микропроцессора
2) выборка из ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема считанной команды в регистр команд;
3) расшифровка кода команды дешифратором команды (ДК);
4) формирование полных адресов операндов;
5) выборка операндов из ОЗУ или МПП и выполнение заданной команды обработки этих операндов;
6) запись результатов команды в память;
7) формирование адресаследующей команды программы.
Для ускорения работы перечисленные действия выполняются параллельно: один блок выбирает команду, второй дешифрует, третий выполняет и т. д., образуя конвейеркоманд.
Команды, поступающие в УУ, временно хранятся в кэш-памяти первого уровня, освобождая шину для выполнения других операций. Размер кэш-памяти первого уровня 8-32 Кбайт.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет все арифметические (сложение, вычитание, умножение, деление) и логические (конъюнкция, дизъюнкция и др.) операции над целыми двоичными числами и символьной информацией.
Устройство синхронизации (УС) определяет дискретные интервалы времени – такты работы МП между выборками очередной команды. Частота, с которой осуществляется выборка команд, называется тактовой частотой.
Интерфейс МП (ИМП) предназначен для связи и согласования МП с системной шиной ЭВМ. Принятые команды и данные временно помещаются в кэш-память второго уровня. Размер кэш-памяти второго уровня – 256 Кбайт до 12Мб. Ранее кэш-память второго уровня размещалась на материнской плате.
Микропроцессорная память (МПП) включает 14 основных двухбайтовых запоминающих регистров и множество (до 256) дополнительных регистров. Регистры – это быстродействующие ячейки памяти различного размера.