Структурная схема ПЭВМ

Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее еще более децентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.

Ядро ПЭВМ образуют процессор и основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения наиболее часто используемых программ управления. Подключение всех внешних устройств (ВнУ): дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ и др., обеспечивается через соответствующие адаптеры — согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств или контроллеры – специальные устройства управления периферийной аппаратурой. Контроллеры в ПЭВМ играют роль каналов ввода-вывода. В качестве особых устройств следует выделить таймер – устройство измерения времени и контроллер прямого доступа к памяти (КПД) — устройство, обеспечивающее доступ к ОП, минуя процессор.

Способ формирования структуры ПЭВМ является достаточно логичным и естественным стандартом для данного класса ЭВМ.

Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие элементы, которые являются общим стандартом структур современных ЭВМ:

· модульность построения;

· магистральность;

· иерархия управления.

Модульность построения предполагает выделение в структуре ЭВМ достаточно автономных, функционально и конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком магнитном диске).

Модульная конструкция ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию. К ЭВМ можно подключать дополнительные устройства, улучшая ее технические и экономические показатели. Появляется возможность наращивания вычислительной мощи, улучшения структуры путем замены отдельных устройств на более совершенные, изменения и управления конфигурацией системы, приспособления ее к конкретным условиям примене­ния в соответствии с требованиями пользователей.

В современных ЭВМ принцип децентрализации и параллельной работы распространен как на периферийные устройства, так и на сами ЭВМ (процессоры). Появились вычислительные системы (ВС), содержащие несколько вычислителей (ЭВМ или процессоры), работающие согласованно и параллельно. Внутри самой ЭВМ произошло еще более резкое разделение функций между средствами обработки. Появились отдельные специализированные процессоры, например сопроцессоры, выполняющие обработку чисел с плавающей точкой, матрич­ные процессоры и др.

Все существующие типы ЭВМ выпускаются семействами, в которых различают старшие и младшие модели. Всегда имеется возможность замены более слабой модели на более мощную. Это обеспечивается информационной, аппаратной и программной совместимостью. Программная совместимость в семействах устанавливается по принципу «снизу вверх», т.е. программы, разработанные для ранних и младших моделей, могут обрабатываться и на старших, но не обязательно наоборот.

Модульность структуры ЭВМ требует стандартизации и унификации оборудования, номенклатуры технических и программных средств, средств сопряжения — интерфейсов, конструктивных решений, унификации типовых элементов замены, элементной базы и нормативно-технической документации. Все это способствует улучшению технических и эксплутационных характеристик ЭВМ, росту технологичности их производства.

Децентрализация управления предполагает иерархическую орга­низацию структуры ЭВМ. Устройство управления главного, или цен­трального, процессора определяет лишь последовательность работ подчиненных модулей и их инициализацию, после чего они продолжа­ют работу по собственным программам управления. Результаты вы­полнения требуемых операций представляются ими «вверх по иерар­хии» для правильной координации всех работ.

Подчиненные модули (контроллеры, адаптеры, КВВ) могут в свою очередь использовать специальные шины или магистрали для обмена информацией. Стандартизация и унификация привели к появлению иерархии шин и к их специализации. Из-за различий в скоростях работы отдельных устройств в структурах ПК появились:

· системная шина — для взаимодействия основных устройств;

· локальная шина — для ускорения обмена видеоданными;

· периферийная шина — для подключения «медленных» периферийных устройств.

Иерархический принцип построения и управления характерен не только для структуры ЭВМ в целом, но и для отдельных ее подсистем. Например, по этому же принципу строится система памяти ЭВМ.

Так, с точки зрения пользователя, желательно иметь в ЭВМ оперативную память большой информационной емкости и высокого быстродействия. Однако одноуровневое построение памяти не позволяет одновременно удовлетворять этим двум противоречивым требованиям. Поэтому память современных ЭВМ строится по многоуровневому, пирамидальному принципу.

В составе процессоров может иметься сверхоперативное запоминающее устройство небольшой емкости, образованное несколькими десятками или несколькими сотнями регистров с быстрым временем доступа, составляющим один такт процессора (наносекунды, нc). Здесь обычно хранятся данные, непосредственно используемые в обработке.

Следующий уровень образует кэш-память, или память блокнотного типа, представляющая собой буферное запоминающее устройство для хранения активных страниц объемом десятки и сотни Кбайтов. В современных ПК она в свою очередь делится: на кэш L1 (Еn= 16—32 Кбайта с временем доступа 1—2 такта процессора); на кэш L2 (Еп=128—512 Кбайт с временем доступа 3—5 тактов) и даже на кэш L3 (Еп=2—4 Мбайта с временем доступа 8—10 тактов). Кэш­-память, как более быстродействующая, предназначается для ускоре­ния выборки команд программы и обрабатываемых данных. Здесь воз­можна ассоциативная выборка данных. Основной объем программ пользователей и данных к ним размещается в оперативном запомина­ющем устройстве (емкость — миллионы машинных слов, время вы­борки –10—20 тактов процессора).

Часть данных-констант, необходимых операционной системе для управления вычислениями и используемых наиболее часто, может размещаться в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). На бо­лее низких уровнях иерархии находятся внешние запоминающие уст­ройства на магнитных носителях: на жестких и гибких магнитных дисках, магнитных лентах, магнитооптических дисках и др. Их отли­чает низкое быстродействие и очень большая емкость.

Организация заблаговременного обмена информационными пото­ками между ЗУ различных уровней при децентрализованном управ­лении ими позволяет рассматривать иерархию памяти как абстракт­ную единую кажущуюся (виртуальную) память. Согласованная работа всех уровней обеспечивается под управлением программ опера­ционной системы. Пользователь имеет возможность работы с памя­тью, намного превышающей емкость ОЗУ.

Децентрализация управления и структуры ЭВМ позволила перей­ти к более сложным многопрограммным (мультипрограммным) режи­мам. При этом в ЭВМ одновременно может обрабатываться несколь­ко программ пользователей.

В ЭВМ, имеющих один процессор, многопрограммная обработка является кажущейся. Она предполагает параллельную работу отдель­ных устройств, задействованных в вычислениях по различным зада­чам пользователей. Например, компьютер может производить распе­чатку каких-либо документов и принимать сообщения, поступающие по каналам связи. Процессор при этом может производить обработку данных по третьей программе, а пользователь — вводить данные или программу для новой задачи, слушать музыку и т.п.

В ЭВМ или вычислительных системах, имеющих несколько про­цессоров обработки, многопрограммная работа может быть более глубокой. Автоматическое управление вычислениями предполагает усложнение структуры за счет включения в ее состав систем и бло­ков, разделяющих различные вычислительные процессы друг от друга, исключающие возможность возникновения взаимных помех и ошибок (системы прерываний и приоритетов, защиты памяти). Самостоятельного значения в вычислениях они не имеют, но явля­ются необходимым элементом структуры для обеспечения этих вы­числений.

Как видно, полувековая история развития ЭВТ дала не очень ши­рокий спектр основных структур ЭВМ. Все приведенные структуры не выходят за пределы классической структуры фон Неймана. Их объединяют следующие традиционные признаки: