Архітектура нейманівського комп'ютера

Поняття архітектури комп'ютерів

Комп'ютер є програмованим пристроєм, що виконує автоматичну обробку цифрової інформації, і її функціонування базується на двох основних принципах:

1) на принципі програмного управління (Чарльз Беббидж, 1883р.) У відповідності з цим принципом всі дії комп'ютера виконуються під управлінням програми, яка складається з послідовності програм.

2) на принципі збереження в пам'яті програми (Джон фон Нейман, 1945р.) Згідно з цим принципом, закодована в цифровому вигляді програма зберігається в пам'яті комп'ютера разом з даними. При цьому ті ж самі команди можуть вибиратися з пам'яті на виконання багаторазово, наприклад при реалізації циклічних алгоритмів або при виклику процедур.

Під архітектурою об'єкта в загальному випадку розуміється сукупність прийомів, зовнішніх і внутрішніх його характеристик, які використовуються для класифікації, створення та експлуатації об'єктів.

Архітектура комп'ютера являє собою сукупність засобів, прийомів, правил, засобів і характеристик, які породжують конкретну реалізацію і які можна використовувати як класифікаційні ознаки відмінності обчислювальних систем.

В якості прикладу можна виділити наступні рівні абстракції архітектури обчислювальної системи:

1) архітектура системи – поділяє функції по обробці даних, виконувані системою і зовнішнім середовищем (користувачами), при цьому зв'язок системи з зовнішнім середовищем здійснюється через два набору інтерфейсів – мови програмування і системні програми

2) архітектура апаратно-програмної кордону – встановлює межу між апаратним забезпеченням і ОС

3) архітектура мікропрограмного управління – задає кордон виконання операцій за допомогою логічних електронних схем і з допомогою мікропрограм

4) архітектура програмного забезпечення – встановлює рівні поділу використовуваних мов, модулів і прийоми їх побудови

5) архітектура процесора – встановлює організацію процесора і інтерфейсу між процесором і каналами зв'язку.

6) архітектура каналів зв'язку визначає взаємодія процесорів з периферійними пристроями

7) мультипроцесорна архітектура – встановлює розподіл функцій між процесорами та їх взаємозв'язок.

Апаратна архітектура може бути розділена на структурну, схематичну і конструкторську архітектуру.

Архітектура нейманівського комп'ютера

Історично нейманівська архітектура комп'ютера є першою класичною обчислювальною архітектурою. Основні принципи нейманівських комп'ютерів:

1) використання двійкової системи числення для подання інформації.

2) програми та дані записуються у двійковому коді з використанням форматів однакової довжини, що дозволяє зберігати їх у загальних запам'ятовуючих пристроях і над командами програми робити операції над числами

3) управління обчислювальним процесом здійснюється централізовано шляхом послідовного виконання програм.

4) пам'ять комп'ютера має лінійну організацію, тобто вона складається з послідовно пронумерованих комірок.

5) для управління використовується мова машинних команд.

Перераховані принципи забезпечують побудову алгоритмічно універсальних комп'ютерів простий архітектури з мінімальними апаратними затратами.

Виконання програми та управління основними вузлами комп'ютера здійснює процесор. Програми і дані зберігаються в оперативній пам'яті. Вхідна інформація вводиться через пристрій вводу, результати роботи виводяться на пристрій виведення.

При підвищенні продуктивності процесора ця архітектура стала неефективною, оскільки електромеханічні пристрої введення-виведення залишилися повільно діючими пристроями. Крім того, швидкість введення визначається швидкістю людини-оператора, яка принципово не може бути збільшена вище фізіологічних меж.

3. Архітектура системної плати

Системна, або материнська плата ПК є основою системного блоку, що визначає архітектуру і продуктивність комп'ютера. На ній встановлюються такі обов'язкові компоненти:

- процесор(и) і співпроцесор;

- пам'ять: постійна, оперативна, кеш;

- обов'язкові системні засоби введення-виведення;

- інтерфейсні схеми та роз'єми шин розширення;

- кварцовий генератор синхронізації зі схемою форматування скидання системи за сигналом PowerGood від блоку живлення або кнопки Reset;

- додаткові стабілізатори напруги живлення для низьковольтних процесорів VRM.

Крім цих обов'язкових засобів, на більшості системних плат встановлюють і контролери інтерфейсів для підключення гнучких і жорстких дисків, графічний адаптер, аудіо-канал, а також адаптери COM і LPT портів.

Сучасні плати виконуються на основі чипсетів – наборів з декількох БІС...., реалізують всі необхідні функції зв'язку основних компонентів – процесора, пам'яті і шин розширення. Чипсет визначає можливості застосування різних типів процесорів, основний і кеш-пам'яті і ряд інших характеристик системи. Його тип істотно впливає на продуктивність.