Глава 8. АРХИТЕКТУРА ЭВМ

Поколения ЭВМ

Разделение ЭВМ на поколения условно, так как поколения сменялись постепенно, поэтому временные границы между поколениями размыты. Поколения ЭВМ разделяют в зависимости от физических элементов или технологии их изготовления, используемые при построении ЭВМ (табл. 8.1). При сравнении быстродействия ЭВМ под операцией понимают операцию над числами с плавающей точкой.

Таблица 8.1. Поколения ЭВМ

Первое поколение ЭВМ (1951-1954) строилось на электронных лампах, которые могли быстро переключаться из одного состояния в другое. Лампы имели большие размеры, поэтому ЭВМ первого поколения, состоящие из десятков тысяч ламп, занимали целые этажи и были энергоемки. Программы записывались в ЭВМ с помощью установки перемычек на особом машинном коде.

Второе поколение ЭВМ (1958-1960) строилось на транзисторах – полупроводниковых приборах, которые могли находиться в одном из двух состояний. По сравнению с лампами транзисторы имели малые размеры и потребляемую мощность. Увеличение производительности обеспечивалось за счет более высокой скорости переключения и использованием обрабатывающих устройств, работающих параллельно. Площадь, требующаяся для размещения ЭВМ, уменьшилась до нескольких квадратных метров. Программы записывались на перфокарты – картонные карточки, на которых были выбиты или не выбиты дырочки, кодирующие 0 и 1. Программирование осуществлялось на языке Ассемблер, команды которого затем переводились в машинный код.

Третье поколение ЭВМ (1965-1968) строилось на интегральных схемах (ИС). ИС представляет собой электрическую цепь определенного функционального назначения, которая размещается на кремниевой основе. ИС содержит сотни и тысячи транзисторных элементов, что позволило уменьшить размеры, потребляемую мощность, стоимость и увеличить надежность системы. Помимо Ассемблера, программирование осуществлялось на языках высокого уровня (ЯВУ), имевших большое количество операторов. Каждый оператор объединял несколько команд языка Ассемблер.

Четвертое поколение ЭВМ (1976-по сегодняшний день) строилось на больших интегральных схемах (БИС). БИС содержат не набор нескольких логических элементов, из которых строились затем функциональные узлы компьютера, а целиком функциональные узлы. Примером БИС является микропроцессор. БИС способствовали появлению персональных компьютеров. Увеличение количества транзисторов до миллионов привело к появлению сверхбольших ИС (СБИС).

Пятое поколение ЭВМ существует в теории. Основное требование к ЭВМ – машина должна сама по поставленной цели составить план действий и выполнить его. Такой способ решения задачи называется логическим программированием. Элементная база процессора – СБИС с использованием опто- и криоэлектроники. Оптоэлектроника – раздел электроники, связанный с эффектами взаимодействия оптического излучения с электронами в веществах (главным образом в твердых телах) и использованием этих эффектов для генерации, передачи, хранения, обработки и отображения информации. Криоэлектроника (криогенная электроника) – область науки и техники, занимающаяся применением явлений, имеющих место в твердых телах при температуре ниже 120 К (криогенных температурах) в присутствии электрических, магнитных или электромагнитных полей (явление сверхпроводимости), для создания электронных приборов и устройств.

Структура ЭВМ

Вычислительной называется техническая система способная выполнять действия посредством арифметических и логических операций.

ЭВМ (персональный компьютер (ПК)) – это универсальная вычислительная диалоговая система, реализованная на базе микропроцессорных средств, компактных внешних запоминающих устройств, способная выполнять последовательность операций над информацией определенной программы. В основе функционирования любой ЭВМ лежит архитектура.

Архитектура – это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов. В основе архитектуры современных ЭВМ лежат принципы, предложенные американским ученым и теоретиком вычислительной техники Джоном фон Нейманом.

Обобщенная схема ЭВМ представлена на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Структура ЭВМ

ЭВМ состоит из системного блока, к которому подключаются монитор и клавиатура. В системном блоке находятся основные компоненты ЭВМ:

ВЗУ – внешние запоминающие устройства (жесткий диск, приводы CD/DVD/Blu-Ray, флэш-память); некоторые ВЗУ располагаются внутри системного блока и подключаются к контроллерам ВЗУ, а некоторые – снаружи системного блока и подключаются к портам ввода-вывода.

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 последовательность действий ЭВМ.

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 оперативную память, 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.

Составные части ЭВМ образуют аппаратное обеспечение ЭВМ (hardware). Рассмотрим эти компоненты ЭВМ.

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 (рис. 8.2) 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.

Рис. 8.2. Структура микропроцессора

Устройство управления (УУ) выполняет команды, поступающие в МП в следующей последовательности:

1) выборка из регистра-счетчика адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;

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 адреса следующей команды программы.

Для ускорения работы перечисленные действия выполняются параллельно: один блок выбирает команду, второй дешифрует, третий выполняет и т. д., образуя конвейер команд.

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 – 256-2048 Кбайт. 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. Основные регистры можно разделить на 4 группы.

1. Регистры общего назначения (РОН, универсальные регистры): AX, BX, CX, DX. Можно работать с регистром целиком или отдельно с каждой его половинкой: регистром старшего (high) байта – AH, BH, и регистром младшего (low) байта – AL, BL, CL, DL. Например, структура регистра AX имеет вид

Рис. 8.3. Структура регистра AX

Универсальные регистры имеют свое предназначение:

АХ – регистр-аккумулятор, с его помощью осуществляется ввод-вывод данных в МП, а при выполнении операций умножения и деления АХ используется для хранения первого числа, участвующего в операции (множимого, делимого) и результата операций (произведения, частного) после ее завершения;

ВХ часто используется для хранения адреса базы в сегменте данных и начального адреса поля памяти при работе с массивами;

СХ – регистр-счетчик, используется как счетчик числа повторений при циклических операциях;

DX – используется как расширение регистра-аккумулятора при работе с 32-разрядными числами и при выполнении операции умножения и деления.

2. Сегментные регистры (СР) CS, DS, SS, ES используются для хранения начальных адресов полей памяти (сегментов), отведенных в программах для хранения следующих данных:

- команд программы (сегмент кода CS);

- данных (сегмент данных DS);

- области стека (сегмент стека SS);

- дополнительной области памяти данных при обмене между сегментами (расширенный сегмент ES).

3. Регистры смещений (РС) IP, SP, ВР, SI, DI предназначены для хранения относительных адресов ячеек памяти внутри сегментов (смещений относительно начала сегментов).

4. Регистр флагов (РФ) FL содержит одноразрядные флаги, управляющие выполнением программы в ЭВМ. Флаги принимают значения 0 или 1. Значения флагов устанавливаются независимо друг от друга. Всего в регистре 9 флагов: 6 – статусные, отражающие результаты операций (флаги переноса, нуля, переполнения и др.); 3 – управляющие, определяющие режим выполнения программы (флаги пошагового выполнения программы, прерываний и направления обработки данных).

МПП – это память с самым меньшим временем доступа в ЭВМ.

Другие блоки (ДБ) – это блоки, ускоряющие работу МП. АЛУ производит действия только над двоичными целыми числами. Операции над числами с плавающей точкой выполняет математический сопроцессор, освобождая МП от выполнения этих операций. Блок предсказания ветвлений программы просматривает программу на несколько шагов вперед, чтобы определить дальнейшее направление выполнения программы. Вероятность предсказания 80-90%.

Работа МП состоит в выборке очередной команды и ее выполнения. В некоторых случаях выполнение программы необходимо прервать, например, в случае ошибки вычисления. Такие случаи называются прерываниями. Выделяют два типа прерываний:

1) внутрипроцессорные прерывания, возникающие из-за непреодолимого препятствия в выполнении программы, например, запись данных в запрещенную для записи область ОЗУ или переполнение результата при вычислениях;

2) прерывания от внешних устройств не являются фатальными или ошибочными; прерывания второго типа возникают, когда требует обмен данными с внешним устройством, например, приводом компакт-дисков, а он не готов.

Основными параметрами МП являются тактовая частота, разрядность и рабочее напряжение.

Тактовая частота определяет количество элементарных операций (тактов), выполняемых МП за единицу времени. Тактовая частота современных МП измеряется в ГГц (1 Гц соответствует выполнению одной операции за одну секунду, 1 ГГц = 10⁹ Гц). Чем больше тактовая частота, тем больше команд может выполнить МП, и тем больше его производительность. Первые МП, использовавшиеся в персональных компьютерах, работали на частоте 4,77 МГц (1 МГц = 10⁶ Гц), сегодня рабочие частоты современных МП превосходят 2 ГГц.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных МП может принять и обработать в своих регистрах за один такт. Разрядность процессора определяется разрядностью внутренней шины, то есть количеством проводников в шине, по которым передаются команды. Современные МП семейства Intel являются 32-разрядными.

Рабочее напряжение процессора обеспечивается материнской платой, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы. Рабочее напряжение процессоров не превышает 3 В. Снижение рабочего напряжения позволяет уменьшить размеры МП, а также уменьшить тепловыделение в МП, что повышает его производительность без угрозы перегрева.

МП все время с момента включения до момента выключения выполняет команды. Если поток команд заканчивается, например, в случае простоя ЭВМ, то МП выполняет пустую команду NOP.

Системная шина

В основе устройства ЭВМ лежит системная шина, которая служит для обмена командами и данными между компонентами ЭВМ, расположенными на материнской плате. ПУ подключаются к шине через контроллеры. Такая архитектура ЭВМ называется открытой, так как легко может быть расширена за счет подключения новых устройств. Передача информации по системной шине также осуществляется по тактам.

Системная шина включает в себя:

- кодовую шину данных для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда из ОЗУ в МПП и обратно; имеет 64 разряда;

- кодовую шину адреса для параллельной передачи всех разрядов адреса ячейки ОЗУ; имеет 32 разряда;

- кодовую шину инструкций для передачи команд (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки ЭВМ; простые команды кодируются одним байтом, но есть и команды, кодируемые двумя, тремя и более байтами; имеет 32 разряда;

- шину питания для подключения блоков ЭВМ к системе энергопитания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

1) между МП и ОЗУ;

2) между МП и контроллерами устройств;

3) между ОЗУ и внешними устройствами (ВЗУ и ПУ, в режиме прямого доступа к памяти).

Все устройства подключаются к системной шине через контроллеры – устройства, которые обеспечивают взаимодействие внешних устройств и системной шины.

Чтобы освободить МП от управления обменом информацией между ОЗУ и внешними устройствами, например при чтении или записи информации, предусмотрен режим прямого доступа в память (DMA – Direct Memory Access). Таким образом, МП может заниматься выполнением других команд, не отвлекаясь на копирование информации между ОЗУ и внешними устройствами.

Характеристиками системной шины являются количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, то есть максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от следующих параметров:

- разрядность или ширина шины – количество бит, которое может быть передано по шине одновременно (существуют 8-, 16-, 32- и 64-разрядные шины);

- тактовая частота шины – частота, с которой передаются биты информации по шине.

Наиболее распространенные шины.

PCI (Peripheral Component Interconnect) – самая распространенная системная шина. Быстродействие шины не зависит от количества подсоединенных устройств. Поддерживает следующие режимы:

- Plug and Play (PnP) – автоматическое определение и настройка подключенного к шине устройства;

- Bus Mastering – режим единоличного управления шиной любым устройством, подключенным к шине, что позволяет быстро передать данные по шине и освободить ее.

AGP (Accelerated Graphics Port) – магистраль между видеокартой и ОЗУ. Разработана, так как параметры шины PCI не отвечают требованиям видеоадаптеров по быстродействию. Шина работает на большей частоте, что позволяет ускорить работу графической подсистемы ЭВМ.

Параметры шин приведены в табл. 8.2.

Таблица 8.2. Основные характеристики шин

8.5. Постоянное и оперативное
запоминающие устройства

Запоминающие устройства, используемые в ЭВМ, состоят из последовательности ячеек. Каждая ячейка содержит значение одного байта и имеет собственный номер (адрес), по которому происходит обращение к ее содержимому. Все данные в ЭВМ хранятся в двоичном виде нулей и единиц.

Адрес ячейки состоит из двух шестнадцатеричных чисел: сегмента и смещения, разделенных двоеточием. Например, AB67:6DD4.

Запоминающие устройства характеризуются двумя параметрами:

- объем памяти – размер в байтах, доступных для хранения информации;

- время доступа к ячейкам памяти – средний временной интервал, в течении которого находится требуемая ячейка памяти и из нее извлекаются данные.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ; RAM – Random Access Memory) предназначено для оперативной записи, хранения и чтения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ЭВМ в текущий период времени. После выключения питания ЭВМ, информация в ОЗУ уничтожается, поэтому она не подходит для долговременного хранения информации. Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, выраженный числом. В современных ЭВМ на базе процессоров Intel Pentuim используется 32-разрядная адресация. Это означает, что число независимых адресов равно 2³², то есть возможное адресное пространство составляет 4,3 Гбайт. Объем ОЗУ 256, 512, 1024, 2048, 3072 Мбайт, время доступа 0,005-0,02 мкс. 1 с = 10⁶ мкс.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ; ROM – Read Only Memory) хранит неизменяемую (постоянную) информацию: программы, выполняемые во время загрузки системы, и постоянные параметры ЭВМ. В момент включения ЭВМ в его ОЗУ отсутствуют любые данные, поскольку ОЗУ не может сохранять данные при отключенном компьютере. Но МП необходимы команды, в том числе и сразу после включения. Поэтому МП обращается по специальному стартовому адресу, который ему всегда известен, за своей первой командой. Этот адрес из ПЗУ. Основное назначение программ из ПЗУ состоит в том, чтобы проверить состав и трудоспособность системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жесткими и гибкими дисками. Обычно изменить информацию ПЗУ нельзя. Объем ПЗУ 128-256 Кбайт, время доступа 0,035-0,1 мкс. Так как объем ПЗУ небольшой, но время доступа больше, чем у ОЗУ, при запуске все содержимое ПЗУ считывается в специально выделенную область ОЗУ.

Кроме ПЗУ существует память CMOS RAM (Complementary Metal-Oxide Semiconductor RAM), в которой хранится информация об аппаратной конфигурации ЭВМ: подключенные к ЭВМ устройства и их параметры, параметры загрузки, пароль на вход в систему, текущее время и дата. Питание памяти CMOS RAM осуществляется от батарейки. Если заряд батарейки заканчивается, то настройки, хранящиеся в памяти CMOS RAM, сбрасываются, и ЭВМ использует настройки по умолчанию.

ПЗУ и память CMOS RAM составляют базовую систему ввода-вывода (BIOS – Basic Input-Output System).