Файл: Архитектура современных компьютеров (Зарождение архитектуры ПК и принципы Джона фон Неймана).pdf

Практически все ЭВМ общего назначения являются фон-Неймановскими, их чаще всего применяют для вычисления, однако, это получается косвенно, в степени внутренней организации процессора. Он незримо для программистов проявляет незаметный параллелизм в последовательных программах для фон-Неймановских машин.

Такого рода «скрытность» является принципиальной. В действительности, фон-Неймановской в нынешних ЭВМ остаётся лишь архитектура вычислительной машины, то есть программная организация. Внутренняя организация нынешних процессоров в полной мере обращается к фон-Неймановским принципам исполнения команд, но “вывода” эти принципы непосредственно в архитектуру ПК не имеют, что значит, что, казалось бы, целесообразное открытие их для программиста, в действительности же может уничтожить индустрию полностью, в этом и есть суть прелести архитектуры фон-Неймана.

В действительности, данная идея предоставляет программисту крайне примитивную и последовательную модель исполнения программы, которая идентична с образом мышления подавляющего числа программистов, данный образ является доминирующим в создании программ. Явное параллельное программирование - очень трудное ответвление, для которого необходима полная перестройка мышления программиста, манипуляции сложными абстракциями, а также применение абсолютно иных алгоритмов и структур данных. Исходя из всего этого, сохранение фон-Неймановской архитектуры, насколько бы сильно оно не было сдерживающим фактором, является полностью принципиальным для создателей ЭВМ общего назначения.

Глава 2. Архитектура современных персональных компьютеров

Определение состава и характеристик оборудования современного ПК

Построение современных ПК имеет ряд отличий от привычной (классической) архитектуры. Приведём ниже основные расхождения:

АЛУ и УУ представляют собой единое устройство, именуемое микропроцессором (МП, центральный процессор, реализованный на СБИС), помимо этого, МП состоит из ряда других устройств, необходимых для считывания, хранения, обмена и записи информации;

Использование устройств специального назначения – контроллеров, им доверяется часть функций МП, такие как обмен информации и управление работой устройств ввода/вывода информации;

На замену отдельных линий связи между устройствами, пришла системная магистраль с необходимыми устройствами сопряжения.^[6]

Приведённая структура была предложена компанией именуемой IBM, исходя из этого подавляющее число ПК, с такой структурой, носят название IBM – совместимые (IBM PC) (см. Приложение 1).

В стандартный комплект стационарного ПК входят системный блок и внешние устройства.

Эти устройства интегрируются в корпус блока на определенные заранее посадочные места, размеры которых шаблонизированы. В системном блоке устанавливаются также блок питания и устройства охлаждения. Блок питания снабжает электропитанием всю систему устройств системного блока, а также внешние устройства, подключаемые также через системный блок. Подключается блок питания к промышленной сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц.

В переносных персональных компьютерах электропитание обеспечивается за счет выносного блока питания, подключаемого к сети или к аккумуляторам, которые обеспечивают автономную работу. Так же в системном блоке присутствуют устройства охлаждения для того, чтобы отдельные части не нагревались очень сильно: блок питания, микропроцессор, видеоадаптер и так далее. Радиаторы и вентиляторы (кулеры) применяются главным образом в роли охлаждающих устройств.

По функциональному назначению внешние устройства можно представить в виде нескольких групп: устройства ввода и вывода информации, устройства, выполняющие в тоже время функцию ввода и функцию вывода информации, внешние запоминающие устройства.

Основные компоненты системного блока

Определенная часть составляющих системного блока конструктивно размещена на системной или материнской плате (motherboard или mainboard). 

Плата представляет из себя конструктивный узел. На нем находятся микросхемы устройств, обеспечивается их нужное электрическое соединение друг с другом. Для электрического соединения с иными компьютерами, системная плата обладает разъемами.

На ней же устанавливаются: микропроцессор, комплекс необходимых микросхем системной логики, модули постоянной и оперативной памяти, разъемы для подключения и установки микропроцессора, модулей памяти, внешних запоминающих устройств, источника питания и т. д., к тому же, на материнской плате есть система шин, предоставляющая обмен информацией между элементами, установленными на системную плату. На рисунке 2 показан внешний вид модели MSI B450 Gaming Plus системной платы фирмы MSI

Рисунок 2 Внешний вид системной платы MSI B450 Gaming Plus

Рисунок 3 Функциональная схема системной платы персонального компьютера

• CPU (Central Processing Unit) – микропроцессор (МП);

• Host Bus – шина микропроцессора;

• Chipset – набор микросхем, установленных на системной плате для обеспечения обмена данными между CPU и периферийными устройствами. Chipset определяет функциональные возможности материнской платы: тип и объем оперативной и кэш-памяти, тактовую частоту системной шины, поддерживаемые шины и т. д.;

• NORTH BRIDGE (северный мост) – микросхема системного контроллера, или Memory Controller Hub (центр управления памятью);

• SOUTH BRIDGE (южный мост) – микросхема контроллера ввода-вывода или I/O Controller Hub (центр управления вводом-выводом);

• Main Memory – микросхемы главной (оперативной) памяти, которые в данном случае представляют собой микросхемы быстродействующей динамической памяти с произвольным доступом RDRAM (Rambus Dynamic Random Access Memory);

• Direct RDRAM Interface – интерфейс прямого доступа к памяти;

• Graphics Controller – контроллер управления графическими устройствами;

• PCI Bus (Peripheral Component Interconnect Bus) – системная шина, предназначенная для обмена информацией между микропроцессором и другими (внешними) устройствами;

• PCI Slots – разъемы для подключения внешних устройств;

• IDE (Integrated Device Electronics) Ports – порты (разъемы) для подключения внешних накопителей информации;

• USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) Ports – порты (разъемы) для подключения низкоскоростных внешних устройств;

• Hub Interface – интерфейс обмена информацией между микросхемами системного контроллера и контроллера ввода-вывода, входящих в состав чипсета;

• Flash BIOS (Basic Input Output System) – микросхема постоянной памяти, представляет собой энергонезависимую память с возможностью перезаписи информации непосредственно на системной плате;

• LAN (local Area Network) Connect – разъем для подключения к локальной сети;

• Keyboard – клавиатура;

• FD (Floppy Disk) – накопитель на гибких магнитных дисках;

• Mouse – мышь.

Рассмотрим ключевые элементы системной платы.

Микропроцессор (МП) – Самое важное устройство персонального компьютера. МП отвечает за процессы управления и выполнения арифметических, логических операций над данными представляет из себя функционально законченное программно-управляемое устройство.

Текущие микропроцессоры реализованы на сверхбольших интегральных схемах (СБИС). От других параметров микропроцессора в большей степени зависит эффективность использования ПК в общем.

В России большее распространение получили МП двух компаний – Intel и AMD (Advanced Micro Devices). По ходу развития МП компании Intel сменился ряд поколений. Их можно считать в виде семейства микропроцессоров Intel. Поколение за поколением МП характеризуется соответствующим уровнем схемотехнических и технологических решений, которые были вложены в основу производства. Данные решения определяли и сейчас определяют главные характеристики МП.^[7]

Сегодняшний микропроцессор является сложным электронным устройством, включающим в себя следующие основные компоненты: арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления и синхронизации (УУ), регистры общего назначения (РОН) и внутреннюю кэш-память, внутреннюю шину. О назначении АЛУ и УУ речь затрагивалась ранее. РОН нужны для временного хранения операндов исполняемой команды и результатов вычислений.

Внутренняя кэш-память (от англ. cache – запас) используется для ускорения доступа к информации, находящейся в оперативной памяти (ОП) компьютера. Поскольку быстродействие оперативной памяти ниже, чем микропроцессора, то между ними ставят буферную память, так называемую кэш-память. Кэш-память МП – сверхбыстродействующее запоминающее устройство, в которое записывается та часть информации из ОП, с которой МП работает в данный момент. В ПК используется в большинстве случаев двухуровневая кэш-память. Рассмотрим уровни поэтапно. Первый уровень, именованный L1, реализован именно в самом МП и обладает информационным объемом от единиц до десятков килобайт. Второй уровень L2 реализован в виде микросхемы и устанавливается на системную плату.

Информационный объем второго уровня может составлять от сотен и до тысяч килобайт. Объем кэш-памяти зависит от определенного типа микропроцессора и может содержать информационный объем до нескольких мегабайт. Время доступа к информации в этих запоминающих устройствах изменяется от единиц до десятков наносекунд.

Устройства, входящие в МП, в соответствии с конкретными принципами организуются в систему, как ее принято называть архитектуру. Архитектура МП зависит от системы команд, использованной МП, под которой понимается комплекс всех возможных команд, которые может выполнить МП над данными.

В современных ПК применяются МП двух основных архитектур:

• CISC (Complex Instruction Set Computer) – процессор с полной системой команд;

• RISC (Reduced Instruction Set Computer) – процессор с сокращенным набором команд.

К характеристикам МП относятся:

• разрядность МП, определяющая число двоичных разрядов (бит), и в тоже время обрабатываемых при выполнении одной команды. МП Pentium IV имеют 64-разрядную шину данных;

• тактовая частота МП, определяющая количество элементарных операций, выполняемых МП в секунду. Некоторые модели МП Pentium IV, применяемые в настоящее время в ПК, имеют тактовую частоту до 4 ГГц;

• частота переключения шины МП (Host Bus), определяющая ее пропускную способность. К примеру, если частота переключения составляет 800 МГц, то пропускная способность шины при ее разрядности 64 бит примерно составит 64 · 800 = 6 Гбайт/с;

• информационный объем кэш-памяти уровней L1 и L2;

• напряжение питания (В);

• рассеиваемая электрическая мощность (Вт) и т. д.^[8]

Вместе с МП на системной плате находится набор микросхем системной логики, который обеспечивает логическую организацию работы МП, памяти и устройств ввода-вывода, называющийся чипсет (англ. chipset – chip – микросхема, set – набор). В этот набор входят: системный контроллер, называемый NORTH BRIDGE, или центр управления памятью, и системный контроллер ввода-вывода – SOUTH BRIDGE, или центр управления вводом-выводом. Современные чипсеты выполняют функции следующих устройств компьютера: контроллера оперативной памяти; контроллера кэш-памяти; контроллера прямого доступа к памяти (DMA); контроллера прерываний; моста шины PCI; контроллера интерфейса IDE и USB; контроллера клавиатуры и т. д.

Важными элементами системной платы являются устройства ОП и ПП, называющиеся также устройствами основной памяти компьютера. ОП, или как ее называют в англоязычной технической литературе – RAM (Random Access Memory), которая предназначена для хранения исполняемых программ и данных. ОП обеспечивает хранение информации только в течение сеанса работы компьютера. И после его выключения информация навсегда теряется. ОП представляет собой набор микросхем, которые устанавливаются на системную плату. Главными характеристиками ОП можно отсчитать:

• информационный объем (в ПК может доходить до единиц гигабайт, в среднем 512 Мбайт);

• время доступа к данным составляет несколько десятков наносекунд.

ПП, или ROM (Read Only Memory), предназначена для хранения постоянной, т. е. неизменяемой, информации и доступна только для чтения программ и данных, которые записаны при изготовлении компьютера. После выключения компьютера информация в ПП сохраняется, а именно данная память является энергонезависимой. В ПП хранится системная информация: программа начальной загрузки компьютера, программы тестирования устройств компьютера и т. д.