01. Основные принципы построения ЭВМ

В рамках изложения под ЭВМ будем понимать однопроцессорную машину. Многопроцессорную машину будем называть системой.

В основе любого компьютера лежат два основополагающих принципа:

·           Принцип микропрограммного управления (принцип Беббиджа – 1833г):  управления процессом вычислений осуществляется за счёт алгоритмически организованной последовательности микрокоманд, «зашитых» на уровне оборудования. Суть: автоматизация процесса вычислений.

·           Принцип Фон-Неймана (1954г.):  организация хранения программы во внутренней памяти машины.

Основные положения: 1) Комп. должен работать на ЛЭ и в двоичной СС; 2) программа состоит из последовательных машинных команд, выбираемых из памяти с помощью счетчика; 3) программа и данные располагаются в одном ЗУ; 4) трудности тех. реализации памяти, быстродействие которой соответствовало бы скорости работы процессора требует иерархической орг. памяти; 5) арифметические устройства строятся на базе устройств, выполняющих сложение; 6) в комп. используется параллельная система счета (параллельная обработка разрядов).

На практике этот принцип верен для ОП, но в кэш-памяти существует классификация: кэш-команд и кэш-данных.   

Выделим основные составляющие ЭВМ: процессор, подсистема памяти, система ввода-вывода, средства позволяющие объединить ЭВМ (сетевые средства).

Базовая структура ПК:

В зависимости от способа соединения перечисленных устройств, можно выделить три варианта структуры:

 

1) Архитектура ввода-вывода  с раздельными шинами памяти и ввода–вывода:

 

  

2) Архитектура магистрального доступа б) с общей шиной :

В любой конкретный момент времени к сист. шине м/б подключено не более 2х устр-в: приемник и источник. Как правило, один из них является ЦП, кот. управляет передачей информации по шине. Искл.: режим прямого доступа (контроллер прямого доступа к памяти)

3) Архитектура с разделяемой ОП:

 

Первый тип организации представляет собой устаревшую модель, так как периферийные устройства (ПУ) обращаются к ОП через запросы к процессору, то появляются дополнительные издержки на управления и организацию работы такой системы. Второй  тип организации системы учитывает недостаток предыдущего варианта и предоставляет возможность каждому ПУ обращаться к ОП минуя ЦП посредствам магистрали общего пользования, которую будем называть системной шиной. На рисунке представлен случай, когда каждое устройство имеют различный приоритет. Наивысший приоритет на рисунке имеют ОП, затем следует ПУ 0 и т.д.. Ещё одним достоинством приведённой системы является её открытость, то есть возможность наращивания дополнительных периферийных устройств.  Недостатком такой системы является тот факт, что запросы от ПУ обрабатывает сам процессор, что несёт за собой дополнительные временные издержки. Третий случай, учитывает этот недостаток путём введения дополнительного устройства сопроцессора ввода-вывода (СПВВ). Теперь доступ к ОП и вычислительную мощность необходимую для работу ПУ предоставляет СПВВ. Узким местом является системная шина, соединяющая ЦП и ОП, ОП  и СПВВ, ЦП и СПВВ.  Она достаточно длинная и поддерживать её высокую частоту сложно и дорого.  По модели присоединения дополнительных компонентов система также является открытой, а по принципу присоединения ПУ, может быть использовано параллельное соединение (представлено на рисунке) или магистральное (представлено во втором случае).