2.2. Классическая структура эвм
Классические принципы построения ЭВМ были систематически изложены группой авторов (1946 г.), среди которых был знаменитый американский ученый Джон фон Нейман.
Классические принципы устройства ЭВМ Джона фон Неймана:
Использование двоичной системы для представления чисел (все самые первые вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде). В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации: текстовую, графическую, звуковую. Но по-прежнему двоичное кодирование составляет информационную основу любого современного компьютера;
Принцип «хранимой программы». Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Согласно рассматриваемому принципу программа также должна храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ей числа;
Команды и данные помещаются в ячейки памяти, доступ к которым осуществляется по адресу. Адресом ячейки фактически является ее номер; таким образом, местонахождение информации в ОЗУ также кодируется в виде целых неотрицательных чисел. В этом состоит так называемый принцип адресности.
В построенной по фон-неймановским принципам ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, формируется и хранится в специальном устройстве – счетчике команд. Наличие программного счетчика также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.
Фон Нейман с соавторами не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая полностью воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ.
Рис.2.1. Классическая модель структуры ЭВМ
Все изображенные на рисунке блоки уже знакомы. Следует только отметить, что внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Так накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, клавиатура – устройство ввода, а дисплей и печать – устройства вывода.
Наиболее существенной особенностью данной реализации ЭВМ является центральное положение процессора в схеме. Во-первых, через него проходят все информационные потоки, а во-вторых, он управляет согласованной работой всех устройств машины.
2.3. Структура современных эвм
В результате бурного развития технологии производства средств вычислительной техники классическая структура ЭВМ не могла не претерпеть определенных прогрессивных изменений. Начало этих изменений относится к третьему поколению ЭВМ.
Появление третьего поколения ЭВМ было обусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам. Значительные успехи в миниатюризации электронных схем не просто способствовали уменьшению размеров базовых функциональных узлов ЭВМ, но и создали предпосылки для заметного роста быстродействия процессора. Возникло противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой устройств ввода-вывода, в большинстве своем содержащих механически движущиеся части. Если бы процессор руководил работой внешних устройств по классической схеме, то значительную часть времени он был бы вынужден простаивать в ожидании информации из «внешнего мира», что существенно снижало бы эффективность работы всей ЭВМ в целом.
Для решения этой проблемы возникла тенденция к освобождению центрального процессора от функций обмена информацией и к передаче их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы получили название контроллер внешнего устройства. Наличие интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой машин третьего и четвертого поколений.
Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой вверенного ему внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Такой процессор имеет собственную систему команд. Например, контроллер накопителя на гибких магнитных дисках (дисковода) умеет позиционировать головку на нужную дорожку диска, читать или записывать сектор, форматировать дорожку и т.п. сведения об успешности выполнения каждой такой операции заносятся во внутренние регистры контроллера, которые могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором. Аналогичные контроллеры сейчас имеет любое внешнее устройство.
Высокий «интеллектуальный уровень» внешних устройств существенно изменяет идеологию обмена. Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его осуществлению контроллеру, который создает канал между ОЗУ и внешним устройством. Дальнейшая передача информации протекает под руководством контроллера без использования аппаратно-программных средств центрального процессора. Последний получает возможность заниматься «своим делом», т.е. выполнять программу дальше (если по данной задаче до завершения обмена ничего делать нельзя, то можно в это время решать другую задачу). На рисунке 2.2. представлена внутренняя структура ЭВМ четвертого поколения.
Из рисунка видно, что для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ появилось принципиально новое устройство – общая шина (или магистраль). Шина состоит из трех частей:
А) шина данных, по которой передается информация;
Б) шина адреса, определяющая, куда именно передаются данные;
В) шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.
Описанную схему легко пополнять новыми устройствами – это свойство называют «открытостью архитектуры». Для пользователя открытая архитектура означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости от круга решаемых задач.
Рис. 2.2. Шинная архитектура ЭВМ
На рисунке имеется еще один вид памяти, отсутствовавший в предыдущих поколениях ЭВМ, - ВидеоОЗУ. Его появление связано с разработкой особого устройства – дисплея (монитора). Для получения на экране монитора стабильной картинки ее надо где-то хранить. Для этого и существует видеопамять. Сначала содержимое видеопамяти формируется компьютером, а затем контроллер дисплея выводит изображение на экран. Требуемый объем видеопамяти существенно зависит от характера информации (текст или графика) и от количества цветов изображения. Количество мегабайт видеопамяти в современном компьютере является одной из важнейших характеристик, влияющих на качество цветного изображения и скорость работы графической части.
Конструктивно видеоОЗУ может быть выполнено как часть обычного ОЗУ или содержаться непосредственно в контроллере (поэтому на рисунке она показана пунктиром).
Собственную память могут иметь и другие узлы ЭВМ. Например, сетевая плата накапливает принимаемую по сети информацию в небольшом ОЗУ, а любой принтер также имеет собственную память, где принятая информация хранится в ожидании печати.
Описывая магистральную структуру, мы упрощенно предполагали, что все устройства взаимодействуют через общую шину. На практике такая структура применяется только для ЭВМ с небольшим количеством внешних устройств. При увеличении потоков информации между устройствами ЭВМ единственная магистраль перегружается, что существенно тормозит работу компьютера. Поэтому в состав современного компьютера может вводиться несколько дополнительных шин. Например, одна шина может использоваться для обмена с памятью, вторая – для связи с «быстрыми», а третья – с «медленными» внешними устройствами.