Часть 3 - Технические средства реализации информационных процессов (Т.В. Лукьянова - Конспект лекций по информатике), страница 2

Принципы фон НейманаВ основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.1. Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг задругом в определенной последовательности.Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд.Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адресочередной команды на длину команды. А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки командиз последовательно расположенных ячеек памяти.5Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какойто другой, используются команды условного или безусловного переходов, которыезаносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду.

Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды “стоп”.Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной итой 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 получения некоторых ее частей(так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции – перевода текстапрограммы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любаяячейка.

Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы кзапомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять ихв процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления,т.е. они могут работать без "счетчика команд", указывающего текущую выполняемуюкоманду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти,этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются нефон-неймановскими.3.3. Архитектура и структура компьютераПри рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуруи структуру.Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общемуровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования,системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д.

Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основныхлогических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.6Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов исвязей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства – от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно датьописание компьютера на любом уровне детализации.Наиболее распространены следующие архитектурные решения. Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) – одно арифметикологическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд – программа (Рис.

3.1).Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной, где все функциональные блоки связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездамидля подключения электронных схем.

Совокупность проводов магистрали разделяетсяна отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры – устройства управления периферийнымиустройствами.Контроллер – устройство, которое связывает периферийное оборудование иликаналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования. Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд.

Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров, представлена на Рис. 3.2.Рис. 3.2. Архитектура многопроцессорного компьютера Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров,входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, аимеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системеимеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко.Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получентолько при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.7Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно. Архитектура с параллельными процессорами.

Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе – то есть по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных. Структура таких компьютеров представлена на Рис. 3.3.Рис. 3.3. Архитектура с параллельным процессоромВ современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений.

Существуют и такие архитектурные решения, которые радикально отличаются от рассмотренных выше.3.4. Основные типы компьютеров.Конфигурации персональных компьютеров (ПК)Современный компьютер – это система, построенная на базе электронныхмикросхем, и предназначенная для хранения, обработки и передачи любых видовинформации.По мощности и быстродействию компьютеры можно разделить на следующиеклассы: суперЭВМ; мейнфрейм; сервер; рабочая станция; персональный компьютер.Наиболее широко используемым классом компьютеров являются персональныекомпьютеры (ПК), область применения которых постоянно расширяется.

В данномкурсе мы рассматриваем именно этот класс компьютеров.Полное описание набора и характеристик устройств, составляющих конкретныйПК, называется конфигурацией.8С технической точки зрения ПК можно определить как единую систему, представляющую собой набор сменных компонентов – отельных узлов, соединенныхмежду собой стандартными интерфейсами.Интерфейсом называют стандарт присоединения компонентов к системе – разъемы, наборы микросхем, генерирующих стандартные сигналы, стандартный программный код.

Существует набор однотипных компонентов с разными функциональными возможностями, включаемых в систему по единому интерфейсу.Различают "минимальную" конфигурацию ПК, т.е. минимальный наборустройств, без которых работа с ПК становится бессмысленной. Это – системныйблок, монитор, клавиатура, мышь.Первые персональные компьютеры были настольными (Desktop). Настольныйкомпьютер предусматривает самый обширный спектр возможных конфигураций какплатформы, так и дополнительных устройств.Затем выделилось семейство мобильных персональных компьютеров, которыена сегодняшний день представлены целым семейством устройств различных формфакторов. Ноутбук (Notebook) представляет собой переносной ПК. Помимо компактныхгабаритов ноутбук отличается возможностью работы от аккумуляторов.