Лекция 2. Архитектура ПК

Компьютер (от английского слова computer – вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать различные виды информации и производить необходимые для этого вычисления.

Обобщенная структурная схема (архитектура) ЭВМ, а также её принципы устройства и работы за последние десятилетия практически не изменились. Современные компьютеры сохраняют архитектуру, предложенную одним из первопроходцев в области компьютерной техники – американским ученым Джоном фон Нейманом (1945 г., компьютер ENIAC), и включают в себя:

· арифметико-логическое устройство (АЛУ) или блок выполнения элементарных операций (машинных команд);

· устройство управления (УУ), который указывает порядок шагов, т.е. управляет процессором вычислений;

· устройства ввода (УВВ) и вывода (УВыв) данных;

· Память, состоящая из оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и ВЗУ – внешних запоминающих устройств.

Джон фон Нейманом были сформулированы следующие основные принципы построения компьютера:

1. Принцип программного управления – компьютерная программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически одна за другой в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес ячейки памяти на длину очередной исполняемой команды. Поскольку команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения очередной команды перейти не к следующей за ней, а к какой-то другой команде, то используются операторы условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд адрес ячейки памяти, содержащей команду, определяемую оператором перехода. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды "стоп". На этом работа компьютерной программы завершается.

2. Принцип однородности памяти – программы и данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила генерирования некоторых ее частей, организовывать выполнение циклов и вызов подпрограмм. Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты выполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции – перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на машинный язык конкретного компьютера.

3. Принцип адресности – структурно ОЗУ состоит из пронумерованных ячеек, и процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка памяти. Отсюда следует возможность задавать имена областям памяти, так, чтобы к запоминаемым в них значениям можно было обращаться в процессе выполнения программы не по их адресам, а по присвоенным им именам, что намного удобнее для программистов.

4. Принцип использования двоичной системы счисления как базовой для компьютера, поскольку элементная база любого компьютера состоит из устройств, которые могут надежно находиться только в двух различных состояниях: "Включено / Выключено", "Есть ток (заряд, магнитный поток, напряжение) / Нет тока (заряда, магнитного потока, напряжения)" и т.п.

5. Принцип объединения (интеграции) двух устройств АЛУ и УУ в составе одного устройства – процессора (микропроцессора).

Компьютеры, построенные на изложенных выше принципах, относятся к типу так называемых "фон-неймановских" компьютеров. Следует отметить, что предпринимавшиеся ранее попытки использования в компьютерах таких систем счисления как троичная (самая эффективная система счисления) и десятичная (самая привычная система счисления) приводили к неоправданному усложнению конструкции компьютера и логики его работы. В настоящее время в компьютерах помимо двоичной системы счисления используются восьмеричная (уже очень редко) и шестнадцатеричная (очень часто) системы счисления. Эти системы счисления упрощают адресацию больших массивов ячеек памяти при разработке программ, поскольку они являются "родственными" по отношению к двоичной системе счисления (2³=8 и 2⁴=16).

Итак, главный принцип работы компьютера состоит в выполнении им программы – заранее заданной, четко определенной последовательностей арифметических, логических и других видов операций.

Недостаток архитектуры Фон Неймана – ограничение пропускной способности шины между процессором и памятью из-за того, что память программ и данных является общей.

Микропроцессоры

Центральный процессор (Central Processing Unit, CPU) – главная и неотъемлемая часть любого ПК. Это сверхбольшая интегральная схема (СБИС), представляющая собой кремниевый кристалл в пластмассовом, керамическом или металлокерамическом корпусе с интерфейсными выводами (контактами). Он производит вычисления, пересылку данных между внутренними регистрами и управление ходом вычислительного процесса. Микропроцессор взаимодействует непосредственно с ОП и контроллерами системной платы. Главные носители информации внутри него – регистры.

3 основных компонента ЦП:

• АЛУ, состоящее из нескольких блоков, например блока обработки целых чисел и блока обработки чисел с плавающей точкой, блока обработки мультимедиа-данных и т.д.;

• УУ, которое вырабатывает управляющие сигналы для выполнения команд;

• внутренние регистры.

В основу работы каждого блока современного микропроцессора положен принцип конвейера: реализация каждой машинной команды разбивается на отдельные этапы, а выполнение следующей команды программы может быть начато до завершения предыдущей. Поэтому микропроцессор выполняет одновременно несколько следующих друг за другом команд, и время на выполнение блока команд уменьшается в несколько раз. Суперскалярной называют архитектуру, в основу работы которой положен принцип конвейера, и которая позволяет выполнять нескольких команд одновременно в нескольких блоках.

В программе могут встречаться команды передачи управления, выполнение которых зависит от результатов выполнения предшествующих команд. В современных микропроцессорах используются механизм предсказания переходов. Если в очереди команд появилась команда условного перехода, то предсказывается, какая команда будет выполняться следующей до определения признака перехода. Выбранная ветвь программы выполняется в конвейере, однако запись результата осуществляется только после вычисления признака перехода, тогда, когда переход выбран верно. В случае неправильного выбора ветви программы микропроцессор возвращается назад и выполняет правильные операции (при этом происходит потеря скорости исполнения).

Суперскалярное исполнение и предсказание переходов поддерживают процессоры, начиная с Pentium.

Характеристиками микропроцессора являются:

- тактовая частота (от 4.77 МГц в ХТ до 4 ГГц и более в современных многоядерных i7 или Xeon);

- производительность (в млн операций в сек), зависит от тактовой частоты и архитектуры;

- энергопотребление (Вт), i386 – 2Вт, i7 4770 – 65Вт;

- норма техпроцесса (мкм или нм), i386 – 1.5мкм, i7 3770 – 22нм;

- архитектура (внутренняя конструкция процессора, определяющая его программные возможности).

В состав микропроцессора может входить кэш-память (cache, сверхоперативная память), обеспечивающая более быструю передачу информации, чем ОП. Различают кэш-память первого уровня, которая обычно встроена в тот же кристалл и работает на одинаковой с микропроцессором частоте (очень быстрая); кэш-память второго уровня (общая, когда команды и данные хранятся вместе, и разделенная, когда они хранятся в разных местах). Встречается кэш-память третьего уровня.

При решении сложных математических и физических задач используется т.н. математический сопроцессор (Floating Point Unit – FPU). Ранее это устройство представляло собой специализированную интегральную микросхему, работающую во взаимодействии с ЦП и предназначенную для выполнения математических операций с плавающей точкой. Все современные процессоры имеют FPU в составе CPU.

В настоящее время большинство процессоров для ПК являются многоядерными – т.е. содержат два и более вычислительных ядра на одном кристалле или в одном корпусе. С точки зрения операционной системы и прикладного ПО эти ядра выглядят как отдельные процессоры, которые параллельно могут выполнять вычислительные задачи.