Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Архитектура ПК






Архитектурой ПК называют компоновку основных частей компьютера и связь между ними.

Сам термин «архитектура ЭВМ» возник в середине 60-х годов 20 века.

Приведем перечень наиболее общих принципов построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре:

· структура памяти ЭВМ;

· способы доступа к памяти и внешним устройствам;

· возможность изменения конфигурации компьютера;

· система команд;

· форматы данных;

· организация интерфейса.

В основу построения большинства ЭВМ положены принципы, сформулированные в 1945 г. Джоном фон Нейманом:

1. Принцип программного управления (программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определённой последовательности).

2. Принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными).

3. Принцип адресности (основная память структурно состоит из нумерованных ячеек).

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течении первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяются в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Следует 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.

Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название " фон-неймановской архитектуры" (см. рис. 1.1. А). Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день - это фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели.

Однако для быстрой обработки сигналов больше подходит гарвардская архитектура, показанная на рис. 1.1, В. Данная архитектура получила свое название в связи с работами, проведенными в Гарвардском университете под руководством Ховарда Айкена. Данные и код программы хранятся в различных блоках памяти и доступ к ним осуществляется через разные шины, как показано на схеме. Т.к. шины работают независимо, выборка команд программы и данных может осуществляться одновременно, повышая таким образом скорость по сравнению со случаем использования одной шины в архитектуре Фон Неймана. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие.

Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток — высокую стоимость. При разделении каналов передачи адреса и данных на кристалле процессора последний должен иметь почти в два раза больше выводов (т.к. шины адреса и данных составляют основную часть выводов микропроцессора). Способом решения этой проблемы стала идея использовать общую шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой. Такой подход применяется в современных сигнальных процессорах. Разделение шин в модифицированной Гарвардской структуре осуществляется при помощи раздельных управляющих сигналов: чтения, записи или выбора области памяти.

Часто требуется выбрать три составляющие: два операнда и инструкцию (в алгоритмах цифровой обработки сигналов это наиболее распространенная задача в БПФ и КИХ, БИХ фильтрах). Для этого существует кэш-память. В ней может храниться инструкция — следовательно, обе шины остаются свободными и появляется возможность передать два операнда одновременно. Использование кэш-памяти вместе с разделёнными шинами получило название «Super Harvard Architecture» («SHARC») — расширенная Гарвардская архитектура.

Примером могут служить процессоры «Analog Devices»: ADSP-21xx — модифицированная Гарвардская Архитектура, ADSP-21xxx(SHARC) — расширенная Гарвардская Архитектура.

Существуют гибридные модификации архитектур, сочетающие достоинства как Гарвардской, так и фон-Неймановской архитектур. Современные CISC-процессоры обладают раздельной кэш-памятью 1-го уровня для инструкций и данных, что позволяет им за один такт получать одновременно как команду, так и данные для её выполнения, то есть процессорное ядро, формально, является гарвардским, но с программной точки зрения выглядит как фон-Неймановское, что упрощает написание программ. Обычно в данных процессорах одна шина используется и для передачи команд, и для передачи данных, что упрощает конструкцию системы. Современные варианты таких процессоров могут иногда содержать встроенные контроллеры сразу нескольких разнотипных шин для работы с различными типами памяти — например, DDR RAM и Flash. Тем не менее, и в этом случае шины, как правило, используются и для передачи команд, и для передачи данных без разделения, что делает данные процессоры еще более близкими к фон-Неймановской архитектуре при сохранении плюсов Гарвардской архитектуры.

На рис.1.1, C представлена модифицированная гарвардская архитектура, используемая компанией Analog Devices Inc., где и команды, и данные могут храниться в памяти программ.

Архитектура современных ПК основана на магистрально-модульном принципе, заключающемся в наличии центральной магистрали обмена информацией (данными, командами и адресами), к которой подключаются независимые друг от друга модули, каждый из которых выполняет свойственные ему функции. Обмен информацией между модулями производится через внутреннюю магистраль. Связь компьютера с внешним миром осуществляется предназначенными для этого блоками через специальные (интерфейсные) разъемы.

Персональный компьютер настольного класса (т.н. Desktop) обычно состоит из трех раздельных блоков – системного блока, собственно и являющегося компьютером, монитора и клавиатуры. Такая компоновка позволяет повысить удобство работы с компьютером, упрощает и удешевляет его модернизацию. Исключением являются достаточно большое количество ПК фирмы Apple, где монитор и системный блок объединены в один корпус. Такое решение больше относится к области дизайна, чем к экономике. Мобильные компьютеры (ноутбуки, нетбуки и т.д.) по понятным причинам выполнены в виде единого блока, хотя есть и внешние клавиатуры к малогабаритным мобильным ПК (а это уже из области эргономики).

На начальном этапе развития ПК, в «гонке на выживание» участвовал целый ряд фирм, разработавших собственные, порой весьма интересные, концепции и модели ПК. Например, в 80-е годы массово выпускались ПК типа «ZX-SPECTRUM», созданный английской компанией Sinclair Research Ltd на базе микропроцессора Z 80 фирмы Zilog. Фирма продавала компьютер за 69 фунтов, или набор элементов для самостоятельной сборки за 49 фунтов. В качестве монитора использовался цветной телевизор. Устройство внешнего хранения – бытовой магнитофон. За первые 17 месяцев продаж было продано более миллиона компьютеров (напомним, что это было начало 80-х годов, без Интернета и ларьков с игровыми CD на каждом углу). Затем клоны этого компьютера разошлись по всему миру. В СССР радиолюбители собирали около 10 собственных модификаций этого компьютера. В нашей стране радиолюбителями собирались также множество домашних компьютеров (тогдашнее название – аналог ПК) собственной разработки («Микроша», «Микро-80», «Радио РК», «Специалист», «Океан» и т.д.).

Однако, в ходе конкурентной борьбы, выжили лишь модели ПК, созданные компьютерными фирмами-гигантами. Основной причиной этой ситуации стало отнюдь не превосходство в качестве продукции. Просто развитие компьютеров требует больших капиталовложений, прежде всего в технологию и программное обеспечение. Мелкие фирмы не обладали такими ресурсами и были отброшены на обочину.

В настоящее время рынок ПК настольного класса представлен, в основном, двумя типами компьютеров. Это, т.н. IBM PC-совместимые компьютеры, выпускаемые фирмой IBM и целым рядом ее конкурентов, и компьютеры Macintosh, фирмы Apple. Эти компьютеры были принципиально несовместимы между собой, т.к. IBM PC использует микропроцессор Intel CISC x86, а Macintosh – микропроцессор Motorolla RISC 680x0, которые имеют разные системы команд. Интерфейсы, дисковые системы этих ПК были разработаны совершенно независимо, частичная совместимость (усилиями фирмы Apple) была достигнута лишь в конце 90-х годов.

Корпорация International Business Machines стала задумываться о создании собственной модели персонального компьютера в 1979 году, когда существующие ПК стали набирать популярность, а спрос на большие ЭВМ начинал падать. Руководство IBM решило организовать для этого проекта специальное исследовательское подразделение, которому была предоставлена невиданная для корпорации свобода; в частности, ему было разрешено использовать в компьютере блоки, уже изготовленные другими фирмами. Благодаря принципу открытой архитектуры в будущем PC захватит большую долю рынка, но IBM потеряет контроль над платформой.

В компьютере также были использованы комплектующие других сторонних фирм, а программное обеспечение для него было поручено разработать тогда небольшой фирме Microsoft, которая заработала благодаря этому свой первый капитал. И в августе 1981 года этот компьютер был официально представлен публике под названием IBM PC, а через один-два года он занял ведущее место на рынке, вытеснив предыдущие модели.

IBM хотела, чтобы другие компании снабжали их ПК периферийными устройствами широкого ассортимента, и потому сконструировали открытую, хорошо документированную систему. Но в 1982 г. неизвестная компания Compaq выпустила портативный компьютер, работавший с программным обеспечением и платами расширения, разработанными для IBM PC. Это стало возможно еще и потому, что IBM использовала при его создании готовые компоненты. А купить ЦП фирмы Intel и операционную систему от Microsoft могла любая компания.

Лидерство ускользнуло от IBM в 1986 г., когда компания Compaq начала продажу первого ПК, основанного на 32-разрядном процессоре 80386 производства Intel. В целом новая система Compaq представляла собой простой клон PC AT с лучшим, чем у других машин, ЦП и большей скоростью доступа к ОЗУ. И все же для своего времени это был самый совершенный ПК, и его производителем не стала компания IBM. Позиции IBM еще более пошатнулись в 1987 г., когда рынок отказался принять ее широко разрекламированную модель PS/2, разработанную для замены AT.

Компания Apple computer, один из пионеров эпохи персональных компьютеров, была создана тремя энтузиастами 1 апреля 1976 года. Вся политика Apple была направлена на популяризацию компьютеров, создание удобного пользовательского интерфейса и мощных инструментов творческой деятельности на компьютере, скрывающих от человека внутреннее устройство машины и дающих возможность сосредоточиться на работе. Стремясь достичь этих целей, главный идеолог компании Стив Джобс (Steve Jobs) искал подходящие технологии, и в 1979 году совершил с этой целью визит в Xerox Palo Alto Research Center, увидев созданную там в 1973 году систему Xerox Alto, первую реализацию самых разных компьютерных технологий, которыми мы пользуемся сегодня. Это был персональный компьютер (в том смысле, что пользоваться им мог только один человек), который с помощью сети Ethernet (еще одно изобретение PARC) мог обмениваться информацией с другими Alto. Именно там впервые был активно задействован графический интерфейс пользователя (GUI) с перекрывающимися окнами, для работы с которым задействовался манипулятор «мышь». К сожалению работников исследовательского центра, руководство Xerox посчитало GUI бесперспективной разработкой.

Apple I: Apple I стал первым компьютером, который был детищем Apple в конце 1976-го года. Базовая стоимость этой модели составила 666, 66$, компьютер использовал кассеты и располагал 4Кб оперативной памяти. Стационарный монитор и клавиатура выступали в роли дополнительных аксессуаров, которые должны были управлять этим компьютером.

Apple II: Apple II стал следующим детищем Apple Computer. Он был запущен в 1977-м году и обладал огромным коммерческим успехом. Эта модель представила монитор, встроенный дисковод, интегрированную компьютерную клавиатуру и оперативную память, расширенную до 48Кб. С 1977 года серия компьютеров Apple II была пополнена Apple II Plus, Apple IIe, Apple IIc, Apple IIgs и так далее. Каждая модель имела определенные технические усовершенствования в сравнении с предшественниками. Производство Apple II было прекращено только в 1993 году.

Apple III: Apple III стал другой усовершенствованной версией Apple II, которая выпускалась в начале 1980-х. Однако, он совсем не получил улучшений в сравнении с предыдущими моделями Apple II. Вместо этого, Apple III оказался неудачей Apple Computers и, следовательно, проект был закрыт после 1983-го года.

Macintosh: Серия компьютеров Macintosh от Apple была запущена в 1984-м году. Это был первый персональный компьютер, оборудованный графическим интерфейсом пользователя. Размеры дискет и дисков были изменены от 5-дюймовых к 3, 5-дюймовым моделям. Компьютер был оснащен 8МГц процессором Motorola 68000 и оперативной памятью (RAM) емкостью 128Кб. Эта модель была известна как Macintosh 128K. Его сменила другая модель, известная как Macintosh 512K, емкость ОЗУ, которой была, соответственно, 512Кб.

Фирма Apple производит свои компьютеры самостоятельно и не может победить весь остальной мир (IBM PC-совместимые компьютеры не собирает только ленивый). По этой причине, IBM PC практически стал стандартом ПК во всем мире и ему принадлежит основной сегмент мирового рынка. В еще большей степени это относится к нашей стране, где, пожалуй, IBM PC-совместимые ПК имеют подавляющее превосходство за исключением некоторых специальных отраслей (например, компьютеры для обработки графики в типографиях). Именно по этим причинам, в дальнейшем будем рассматривать архитектуру компьютера, совместимого с ПК фирмы IBM.






© 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.