Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития

Содержание
  1. Архитектура персонального компьютера: понятие и принципы работы
  2. Истоки
  3. Последовательность работы компьютера
  4. Архитектура современных компьютеров: структура и принципы работы
  5. Многопроцессорная архитектура ПК: особенности и нюансы
  6. Устройство компьютера: архитектура с параллельными процессорами
  7. 05 – Архитектура персонального компьютераТема 3 – Общие принципы организации архитектуры компьютера Краткий конспект
  8. 3.2 Принцип работы машины фон Неймана
  9. 3.3 Архитектура и структура ПК
  10. 3.4 Строение компьютера
  11. Принципы открытой архитектуры: как персональные компьютеры стали массовым явлением
  12. Предпосылки: архитектурная открытость ЭВМ
  13. Первый микрокомпьютер на открытой архитектуре
  14. IBM PC как стандарт принципов открытой архитектуры
  15. Наше время
  16. Архитектура персонального компьютера
  17. Классическая архитектура фон Неймана
  18. Архитектура современных ПК
  19. Многопроцессорная архитектура ПК
  20. Многомашинная вычислительная система
  21. Архитектура с параллельными процессорами
  22. Архитектура компьютера – что это такое, основные характеристики ПК, современные тенденции развития, назначение шин, состав ЭВМ
  23. Основные узлы компьютера
  24. Классическая архитектура
  25. Современные тенденции развития архитектуры персонального компьютера
  26. Архитектура IBM
  27. Многопроцессорная архитектура
  28. Архитектура персонального компьютера: понятие и принципы работы
  29. Истоки
  30. Последовательность работы компьютера
  31. Архитектура современных компьютеров: структура и принципы работы
  32. Многопроцессорная архитектура ПК: особенности и нюансы
  33. Устройство компьютера: архитектура с параллельными процессорами
  34. 05 – Архитектура персонального компьютераТема 3 – Общие принципы организации архитектуры компьютера Краткий конспект
  35. 3.2 Принцип работы машины фон Неймана
  36. 3.3 Архитектура и структура ПК
  37. 3.4 Строение компьютера
  38. Принципы открытой архитектуры: как персональные компьютеры стали массовым явлением
  39. Предпосылки: архитектурная открытость ЭВМ
  40. Первый микрокомпьютер на открытой архитектуре
  41. IBM PC как стандарт принципов открытой архитектуры
  42. Наше время
  43. Архитектура персонального компьютера
  44. Классическая архитектура фон Неймана
  45. Архитектура современных ПК
  46. Многопроцессорная архитектура ПК
  47. Многомашинная вычислительная система
  48. Архитектура с параллельными процессорами
  49. Архитектура компьютера – что это такое, основные характеристики ПК, современные тенденции развития, назначение шин, состав ЭВМ
  50. Основные узлы компьютера
  51. Классическая архитектура
  52. Современные тенденции развития архитектуры персонального компьютера
  53. Архитектура IBM
  54. Многопроцессорная архитектура
  55. Архитектура персонального компьютера: понятие и принципы работы
  56. Истоки
  57. Последовательность работы компьютера
  58. Архитектура современных компьютеров: структура и принципы работы
  59. Многопроцессорная архитектура ПК: особенности и нюансы
  60. Устройство компьютера: архитектура с параллельными процессорами
  61. 05 – Архитектура персонального компьютераТема 3 – Общие принципы организации архитектуры компьютера Краткий конспект
  62. 3.2 Принцип работы машины фон Неймана
  63. 3.3 Архитектура и структура ПК
  64. 3.4 Строение компьютера
  65. Принципы открытой архитектуры: как персональные компьютеры стали массовым явлением
  66. Предпосылки: архитектурная открытость ЭВМ
  67. Первый микрокомпьютер на открытой архитектуре
  68. IBM PC как стандарт принципов открытой архитектуры
  69. Наше время
  70. Архитектура персонального компьютера
  71. Классическая архитектура фон Неймана
  72. Архитектура современных ПК
  73. Многопроцессорная архитектура ПК
  74. Многомашинная вычислительная система
  75. Архитектура с параллельными процессорами
  76. Архитектура компьютера – что это такое, основные характеристики ПК, современные тенденции развития, назначение шин, состав ЭВМ
  77. Основные узлы компьютера
  78. Классическая архитектура
  79. Современные тенденции развития архитектуры персонального компьютера
  80. Архитектура IBM
  81. Многопроцессорная архитектура
  82. Архитектура персонального компьютера: понятие и принципы работы
  83. Истоки
  84. Последовательность работы компьютера
  85. Архитектура современных компьютеров: структура и принципы работы
  86. Многопроцессорная архитектура ПК: особенности и нюансы
  87. Устройство компьютера: архитектура с параллельными процессорами
  88. 05 – Архитектура персонального компьютераТема 3 – Общие принципы организации архитектуры компьютера Краткий конспект
  89. 3.2 Принцип работы машины фон Неймана
  90. 3.3 Архитектура и структура ПК
  91. 3.4 Строение компьютера
  92. Принципы открытой архитектуры: как персональные компьютеры стали массовым явлением
  93. Предпосылки: архитектурная открытость ЭВМ
  94. Первый микрокомпьютер на открытой архитектуре
  95. IBM PC как стандарт принципов открытой архитектуры
  96. Наше время
  97. Архитектура персонального компьютера
  98. Классическая архитектура фон Неймана
  99. Архитектура современных ПК
  100. Многопроцессорная архитектура ПК
  101. Многомашинная вычислительная система
  102. Архитектура с параллельными процессорами
  103. Архитектура компьютера – что это такое, основные характеристики ПК, современные тенденции развития, назначение шин, состав ЭВМ
  104. Основные узлы компьютера
  105. Классическая архитектура
  106. Современные тенденции развития архитектуры персонального компьютера
  107. Архитектура IBM
  108. Многопроцессорная архитектура
  109. Архитектура современных компьютеров

Архитектура персонального компьютера: понятие и принципы работы

Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития
Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития

В повседневное использование всё чаще входит понятие «архитектура персонального компьютера», но что оно в себя включает? По факту, это – функциональная система, которая сочетает в себе структурные элементы персонального компьютера (начиная от логических узлов и заканчивая схемами) и его программное обеспечение.

В основе работы современных компьютеров лежит программное управление, которое является базовым принципом их работы. Архитектура компьютера актуализируется в результате создания связей между частями компьютера, а именно – между логическими узлами и другими устройствами. Так, к логическим уздам можно отнести как оперативное запоминающее устройство, так и внешние, и периферийные устройства.

Истоки

Одной из первых появилась в середине прошлого века классическая архитектура персонального компьютера, авторство которой принадлежит Д. Нейману. В статье, изданной Д. Нейманом, Г. Голдштейном и А.

Бёрксом были изложены основы конструкции и работы ЭВМ, благодаря этим знаниям и появились новые устройства, которые к нашему времени стали повсеместно доступны и распространены.

Конечно, каждый новый выпуск устройств отличался от предыдущего: его характеристики улучшались, модифицировались, добавлялись новые функции, но основа, которой являются сформулированные принципы, оставалась неизменной.

Данные принципы заключаются в следующем:

  1. Машинам гораздо проще использовать двоичный код счисления и руководствоваться им при выполнении различных операций.
  2. Для корректной и системной работы компьютера, ему необходима операционная система. Она служит некой главной программой, которая запускает и контролирует внутренние процессы устройства. Без открытия этого факта, было бы невозможным развитие программирования, так как операционная система в современных компьютерах является базисом его работы.
  3. У персонального компьютера есть память, которая позволяет хранить какой-то объём данных, включая различные программы. При этом все данные и произведённые с ними операции кодируются в двоичном коде.
  4. Благодаря тому, что каждая ячейка памяти имеет свой адрес, компьютер в любой момент времени может обратиться к какой-то из них. Данное открытие позволило программированию перейти к использованию переменных.
  5. Любая часть кода доступна практически в любой момент. Это доказывается тем, что при использовании какой-либо программы, пользователь имеет возможность перейти к использованию другой. Причём эти процессы происходят параллельно друг другу.

особенность заключается в том, что аппаратура остаётся статичной, в то время как набор программ может меняться.

Структура персонального компьютера, предложенная Д. Нейманом, изображена на данной схеме (рис. 1).

Рисунок 1. Структура персонального компьютера

Таким образом, в состав компьютера входили такие части как внешнее и оперативное запоминающее устройство, устройство ввода, устройство вывода, устройство управления (координация) и устройство выполнения арифметико-логических операций.

Последовательность работы компьютера

  • В запоминающее устройство вводились данные и программы.
  • Через устройство арифметико-логических операций проходили данные из запоминающего устройства. Запись в память происходила посредством последовательных команд, направляющих содержимое в ячейки, чего не сказать о данных обработки, которые направлялись в ячейки произвольно.
  • Из арифметико-логического устройства результаты обработки переходят в запоминающее устройство, если информацию сохраняют, или в устройство вывода, если её нужно распространить. Особенность здесь заключается в том, что все команды кодируются в понятном для компьютера формате, а когда происходит вывод информации, она становится пригодной для использования человеком, и понятна ему без дешифровки.
  • Команда для компьютера заключается в том, что необходимо установить связь между запросом пользователя и адресом ячейки. Таким образом реализуется определённая операция, которая проводит эту связь и записывает результат, в зависимости от запроса, в определённую ячейку. Затем эта память остаётся на хранение в запоминающем устройстве.
  • В управляющем устройстве содержится ячейка, которая позволяет В случае с управляющим устройством, команды могут быть двух видов – поступающие от управляющего устройства и получаемые управляющим устройством результаты команд. После обработки команды управляющего устройства, содержимое ячеек помещается в регистр команд, что даёт ему возможность зафиксировать процессы, проходящие в памяти и проконтролировать их. Тем не менее, все операции на этом этапе переходят в компетенции арифметико-логических операций и аппаратных средств.
  • Затем счётчик команд увеличивает показатели на 1 соответствующе и прописывается новая команда. При этом возможен переход из определённой ячейки в конкретно отведённую, то есть в командах есть последовательность.

Архитектура современных компьютеров: структура и принципы работы

В качестве основополагающего условия работы персональных компьютеров в наше время можно назвать работу по магистрально-модульному принципу. Это реализуется за счёт того, что персональный компьютер состоит из модулей, каждый из которых является самобытной единицей. К таковым можно отнести, например, принтер или даже процессор.

Архитектура современного компьютера позволяет компоновать аппаратуру и делать самостоятельный выбор в пользу использования тех или иных средств – она открыта и предполагает возможность встраивания в систему дополнительных средств для достижения установленных целей и реализации задач.

Установленный принцип позволяет пользователю самостоятельно определять комплектацию своих устройств и даже самостоятельно обновлять их. Магистральный аспект позволяет качественно и своевременно обмениваться информацией при помощи установления связей, за что отвечает магистральная шина.

Она представляет собой элемент, располагающийся на материнской плате.

Примечание 1
Принципа архитектуры компьютера постоянно усовершенствуется для того, чтобы иметь возможность устанавливать всё новые и новые связи, при этом делать это быстро, мобильно и качественно.

Современные потоки информации предполагают совершенствование аппаратных средств.

Все команды компьютера реализуются за счёт средств системной памяти, поэтому в связке с процессором, ускорение процесса обмена информацией между элементами компьютера, приводит к ускорению работы компьютера, в целом.

Однако существует одна важная деталь: чтобы эти процессы проходили быстрее, необходимо учитывать скоростные возможности магистрали. Как же решить эту задачу? Решение нашлось. Чтобы ускорение стало возможным, необходимо подключить системную память не к магистрали, а к высокоскоростной шине. В связи с особенностями работы этого элемента, обмен будет реализовываться проще и быстрее.

Таким образом, использование компьютера с магистралью сходит на нет и на смену ему приходит компьютер с шиной, а затем – с тремя шинами. Что мы и имеем на данный момент времени.

Рисунок 2. Трехшинная структура ПК

Процессор в современных компьютерах состоит из управляющего устройства и арифметико-логического устройства. Если спустится ещё на один структурный уровень, то структуру процессора, в частности, составляют интегральные схемы. В зависимости от количества этих схем, можно говорить о микропроцессорах или микропроцессорных комплектах.

Многопроцессорная архитектура ПК: особенности и нюансы

Если в компьютере несколько процессоров, то его работа выглядит следующим образом – много различных потоков информации реализуются одновременно. Конечно, такие компьютеры имеют преимущества перед компьютерами с одним процессором.

Рисунок 3. Архитектура многопроцессорного ПК

Устройство компьютера: архитектура с параллельными процессорами

В такой архитектуре работает одно управляющее устройство, но под его управлением находятся несколько арифметико-логических устройств. Это подразумевает то, что команд много, но все они обрабатываются аналогичным образом.

Рисунок 4. Архитектура с параллельным процессором

05 – Архитектура персонального компьютераТема 3 – Общие принципы организации архитектуры компьютера Краткий конспект

Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития
адаптер, архитектура компьютера, архитектура с параллельными процессорами.

, интерфейс, классическая архитектура, контролер, машина фон Неймана, многомашинная вычислительная система, многопроцессорная архитектура, персональный компьютер, порт, структура компьютера

В основу строения подавляющего большинства компьютеров положены общие принципы, которые были сформулированы в 1945 году. Д.

 фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей общей статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В следствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. Основные тезисы этих принципов изложены ниже:

  • Использование двоичной системы исчисления в вычислительных машинах.
  • Программное управление ЭВМ. 
  • Выборка программы по памяти осуществляется с помощью счетчика команд. 
  • Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. 
  • Принцип адресности: элементы памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. 
  • Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. 

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, которые принципиально отличаются от последних.

Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, то есть они могут работать без “счетчика команд”, который указывает текущую выполняемую команду программы.

Для обращения к какой-нибудь переменной, что хранится в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

3.2 Принцип работы машины фон Неймана

Машина фон Неймана  – устройство, которое состоит из запоминающего устройства (памяти) ‒ ЗУ, арифметико-логического устройства ‒ АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода (рис. 3.1).

Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние элементы памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных каморках. В любой программе последняя команда должна быть командой завершения работы.

Рисунок 3.1 – Схема машины фон Неймана

Команда состоит из указания, какую операцию нужно выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов элементов памяти, где хранятся данные, над которыми нужно выполнить указанную операцию, а также адреса ячеек, куда нужно записать результат (если его нужно сохранить в ЗУ).

Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными.

Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное отличие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройстве вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку.

УУ руководит всеми частями компьютера. От устройства, которое управляет, на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии.

Устройство, которое управляет, содержит специальный регистр, который называется «Счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы.

УУ прочитывает из памяти содержимое элемента памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство – «Регистр команд».

УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.

3.3 Архитектура и структура ПК

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, который включает описание предназначенных для пользователя возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и так далее.

Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств.

Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые разные устройства – от основных логических узлов компьютера до простых схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Наиболее распространенными есть такие архитектурные решения (рис. 3.2):

Рисунок 3.2 – Существующие типы архитектур компьютеров

Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) – одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд – программа. Это однопроцессорный компьютер.

Контролер – устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы 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, которая имеет общую оперативную память и несколько процессоров, представленная на рис.3.2.

Многомашинная вычислительная система -несколько процессоров, которые входят в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется довольно широко.

Однако эффект от употребления такой вычислительной системы может быть получен лишь при решении задач, которые имеют очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.

Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это значит, что множество данных может обрабатываться одной программой – то есть по одним потоком команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить лишь на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на разных однотипных наборах данных.

3.4 Строение компьютера

Персональным компьютером (ПК) называют сравнительно недорогой универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя. Персональные компьютеры по обыкновению проецируются на основе принципа открытой архитектуры.

Принцип открытой архитектуры состоит в следующем:

  • регламентируются и стандартизируются лишь описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собрать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-производителями;
  • компьютер легко расширяется и модернизируется за счет наличия внутренних расширяющих гнезд, в которые пользователь может вставлять всяческие устройства, которые удовлетворяют заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины согласно своим личным преимуществам.

Упрощенная блок-схема, которая отображает основные функциональные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи, представлена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – Общая структура персонального компьютера

Интерфейс – это средство согласования двух приборов, в которых все физические и логические параметры соглашаются между собой.

Если интерфейс есть общепринятым, например, утвержденным на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.

Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связанный с шиной определенного типа – адресной, управляющей или шиной данных.

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не непосредственно, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты приблизительно по такой схеме (рис. 3.4):

Рисунок 3.4 – Схема подключения прибора к шины

Контролерами и адаптерами являются наборы электронных цепей, которыми обеспечиваются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контролеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Портами называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы). Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами – побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно

Принципы открытой архитектуры: как персональные компьютеры стали массовым явлением

Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития

Расцветом эпохи компьютеростроения считается переход от производства больших электронно-вычислительных машин к развитию сегмента микрокомпьютеров, или, как принято их сейчас называть, ПК.

Ассортиментом современных “персоналок” пользователи во многом обязаны компании IBM и принципам открытой архитектуры, которыми руководствовались ее разработчики при создании культового IBM PC.

Домашние компьютеры, какими их привыкли видеть теперь, унаследовали эту концепцию и обрели мировую популярность, перестав быть достоянием энтузиастов в сфере электроники и программирования. Так в чем заключается принцип открытой архитектуры?

Предпосылки: архитектурная открытость ЭВМ

Период 60-70-х годов в мире вычислительной техники ознаменовался возникновением электронно-вычислительных машин третьей волны. Тогда индустрия впервые перешла от создания единичных моделей ЭВМ к наладке серийного производства. Безусловным лидером на рынке считалась корпорация International Business Machines.

Представленная ею в 1964 году серия мейнфреймов System/360 стала поистине революционным решением. В нее вошли 6 универсальных компьютеров, отличающихся по стоимости и мощности. Главное отличие от ряда конкурирующих экземпляров – взаимная совместимость.

Программы или устройства ввода-вывода одного компьютера запускались и на других продуктах серии.

Раньше подход к созданию продукции отличался: каждая модель разрабатывалась с нуля – со своим процессором, написанными под него программами и конкретным пакетом периферийных устройств.

Это затрудняло обмен данными между машинами разных моделей и влекло затраты, связанные с несовместимостью. Концепция, предложенная IBM, призывала утвердить некий стандарт и сократить расходы на обслуживание малосовместимых ЭВМ.

Позднее такая унификация привела к созданию комплементарных модулей, выпускаемых другими фирмами.

До этого пользователи ограничивались стандартными конфигурациями вычислительной техники. Впоследствии же ее модифицировали согласно личным нуждам для решения большего количества задач, нежели заложено заводскими предустановками. Модульность и техническая совместимость стали основой принципа открытой архитектуры компьютера.

Первый микрокомпьютер на открытой архитектуре

У любителей-радиоэлектронщиков ЭВМ вызывали досаду: стоили дорого, использовались только организациями, а люди, обслуживавшие такие машины, считались избранными.

Это привело к тому, что в среде энтузиастов предпринимались попытки «спаять» собственный компьютер. Но владения практическими навыками в сборке было недостаточно.

Требовались по меньшей мере базовые знания программных языков, чтобы «завести» собранную машину.

Ключевым поворотом в истории, давшим импульс эпохе персональных ЭВМ, стала разработка микрокомпьютера Altair-8800 компанией MITS в 1974 году. Модель представляла собой набор печатных плат, заключенный в пластиковую коробку с переключателями и лампочками. Не было ни монитора, ни клавиатуры, столь привычных в нынешнем понимании.

Но для общественности эта модель представляла немалый интерес, поскольку продавалась как в собранном виде, так и в комплектах деталей. Такой конструктор сопровождался инструкцией и техпаспортом. Политика производителя по разглашению этой информации и предоставлению возможности самостоятельной сборки воплощала принцип открытой архитектуры компьютера.

Что было дальше?

IBM PC как стандарт принципов открытой архитектуры

Спустя шесть лет после дебюта «Альтаира» мир увидел IBM PC, ставший заключительным этапом в формировании понятия «персональный компьютер». Видя, как рынок микрокомпьютеров стремительно заполняют конкуренты вроде Apple и Commodore, руководство IBM решило не упускать шанс и спроектировать собственную персоналку.

Прежде компания производила необходимые комплектующие, не прибегая к помощи третьих лиц. Однако на этот раз времени на разработку не хватало – IBM рисковала опоздать и не запрыгнуть в уходящий поезд.

Поэтому корпорация назначила команду, отвечавшую за поиск новых высокопроизводительных деталей, которые только предлагал рынок микроэлектроники того времени.

Так, за процессором обратились к Intel, операционную систему предложила еще только развивающаяся фирма Microsoft, принтер взят у Epson, а монитор – у IBM Japan. Корпоративными усилиями создана только клавиатура и конечная комплектация.

В модель изначально закладывалась идея апгрейда. Конкурентную продукцию в большинстве представляли статичные машины, подверженные неизменному устареванию.

Тогда как этот PC предусматривал наращивание производительности.

Кроме того, наработки оказались доступными для желающих, что дало сторонним фирмам право на изготовление системных и периферийных устройств без необходимости покупки лицензии.

Стандартизация комплектующих, открытое лицензирование и свободное замещение деталей раскрыли суть принципа открытой архитектуры, породив настоящий бум персональных компьютеров. С тех пор аббревиатура ПК ассоциировалась с IBM-PC-совместимыми микрокомпьютерами. В похожем контексте этот термин употребляется по сей день.

Наше время

Ассортимент персональных компьютеров представлен преимущественно ПК с открытой архитектурой. Их владельцы вправе собственноручно модифицировать программную и аппаратную часть. К числу популярных марок относят:

  • Acer;
  • ASUS;
  • Dell;
  • Hewlett-Packard;
  • Lenovo.

Компьютеры Apple, напротив, представляют закрытый тип архитектуры. Компания сама создает компоненты и ПО, так что улучшить Mac рядовому юзеру не представляется возможным.

Наряду с завышенной стоимостью это считается недостатком, который, впрочем, компенсируется гарантией качества продукции. Архитектурная открытость хоть и предполагает наличие некоторых уязвимостей, но не представляет угрозы при грамотной эксплуатации.

Взамен же владелец получает простор для модификаций и волен персонализировать ПК, опираясь на личные цели и предпочтения.

Архитектура персонального компьютера

Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития

Классическая архитектура фон Неймана

Архитектура современных ПК

Многопроцессорная архитектура ПК

Многомашинная вычислительная система

Архитектура с параллельными процессорами

Архитектурой ПК (персонального компьютера) принято называть совокупность структуры, отражающей состав и обслуживающее ПО. Структурой называется комплекс функциональных систем ПК и их связующих элементов.

Особенности архитектуры являются определяющими факторами при рассмотрении принципов действия ПК, программно-информационных связей и последовательности соединения всех узлов логики компьютера.

К узлам логики относят: ОЗУ (оперативная память), ЦП (центральный процессор), внешнее устройство памяти (жесткий диск), графический модуль (видеокарта), периферийные модули.

Основным, принципиальным элементом архитектуры любого ПК, являются блоки программного управления.

Классическая архитектура фон Неймана

Группа ученых, в составе которой были американцы Г.Голдштейн, Дж. фон Нейман и А. Беркс, в 1946 году провели колоссальную работу по разработке новых принципов и архитектуры ЭВМ.

Работа математиков легла в основу при создании компьютеров первого и второго поколений.

Принципы фон Неймана были сохранены, хоть и существенно видоизменились, во время работ по созданию машин следующих поколений.

Основные принципы фон Неймана:

Интеграция методов двоичного счисления позволила упростить работу устройств и сделать ее выполнение гораздо быстрее, чем это было при использовании десятичной системы.

Программное управление ПК

Функционал ПК зависит от исправной работы программного обеспечения. Программа, управляющая компьютерной системой представляет собой набор последовательно исполняющихся команд.

Проблема низких показателей быстродействия, актуальная для ранних ПК, была решена интеграцией модуля памяти, применяемого для записи программных данных. Кодированные в двоичной системе данные и командные коды, расположены в пронумерованных адресных блоках.

Возможность быстрого доступа к адресной ячейки сделало возможной работу в переменных программных средах.

Условный переход при исполнении программы

По умолчанию программные компоненты имеют последовательную модель исполнения, но существует возможность реализации перехода к любому месту кода. Главным преимуществом подобного механизма стало превращение программного продукта из постоянной величины в изменяемую, аппаратная же часть осталась статичной и достаточно простой.

Фон Нейман предложил собственную структура персонального компьютера (рис. 1).

Рис. 1.

Структура ПК

В состав ПК предложенного математиком входили:

  • Устройство памяти или ЗУ;
  • Устройство исполнения арифметико-логических задач или АЛУ;
  • Управляющее устройство (УУ) задействованное в работе по координации работы узловых элементов ПК;
  • Периферийные устройства ввода/вывода.

В данной модели ПК любой тип данных вводится в устройство запоминания опосредованно через АЛУ посредствам устройств ввода/вывода. Программные команды фиксируются последовательно в блоках памяти, тогда как обрабатываемые данные записываются в блоках произвольно.

Простейшая команда содержала в себе информацию об операции требующей выполнения и адресов памяти, хранящей данные требуемые для выполнения данной операции. Кроме этого в команде прописывались адреса блоков памяти доступных для сохранения результата выполнения команды.

Арифметико-логическое устройство выводило обработанные данные в устройство запоминания или в выводное устройство.

Существенным отличием систем подобного рода является форма данных удобная для сохранения и обработки, а также для восприятия человека при передачи на устройство вывода (печатающее устройство или монитор).

Устройство управление одного компьютера способно взаимодействовать с аналогичным компонентом другого ПК, получая и передавая информацию. Адрес первой команды ПК записывается в регистре УУ, регистрируясь счетчиком.

После записи устройство управления осуществляет считывание памяти и перемещает содержимое заданной ячейки в командный регистр. Следующей операцией является определение командной операции и «выставление отметки» о ней в ячейке памяти, также регистрируются адреса и командные данные.

В ходе текущих операций происходит контроль выполняемой команды.

Выполнение операции осуществляется аппаратная оснастка компьютера или АЛУ. По завершению выполнения команд значение счетчика увеличивается на единицу, что является сигналом для запуска следующей команды. При необходимости запуска команд без стандартной очередности, запускается команда переадресации, содержащая целевой адрес ячейки запуска управляющей команды.

Архитектура современных ПК

Современные компьютеры имеют магистрально-модульный тип архитектуры, то есть состоят из относительно самостоятельных компонентов, связанных между собой через ЦП.

Принцип модульности позволяет осуществлять произвольную комплектацию ПК устанавливая совместимые компоненты. Кроме этого современные ПК имеют возможность модернизации и улучшения.

В данной системе функционирует магистральный тип обмена информацией. Для обеспечения взаимосвязи компонентов ПК используется магистральная шина, располагаемая на материнской плате в виде печатной платы.

Преимуществом подобного вида ПК является возможность добавления или замены комплектующих.

Благодаря принципиальным переменам в архитектуре ПК произошло значительное повышение скорости обработки и обмена информации.

Считываемая информация хранится в системной памяти, что позволяет работать напрямую с ЦП и значительно ускоряет работу ПК в целом.

Максимум быстродействия ограничен скоростью обработки данных самой магистрали, чем выше данный показатель, тем выше скорость работы ПК в целом.

Для решения вопроса предпринято следующее:

  • Системная память напрямую (без буферов) подключается к шине, вместо магистрали, что избавляет ПК от проблем со скоростью обмена данных. Данное решение актуализировалось максимально с выходом высокопроизводительных ПК. Новшества привели к существенным изменением архитектуры и замене одношинных ПК трехшинными.
  • Рис. 2.

  • Логическое и управленческое устройство ПК нового поколения, являются компонентами центрального процессора, формируя его как единицу. В сущности, микропроцессор — это совокупность интегральных схем.

Многопроцессорная архитектура ПК

Существуют компьютеры с несколькими процессорами, работающими параллельно. Такие ПК называются многопроцессорными и используются при необходимости обработать очень большой объем информации за максимально короткое время.

Рис. 3.

Многомашинная вычислительная система

В отличие от многопроцессорных ПК, имеющих единый канал оперативной памяти, в многомашинных ПК, каждому процессору доступен свой блок ОЗУ.

Эффективность подобных систем проявляется при выполнении сложных задач, требующих работы специальной структуры с тем количеством ПК, сколько подзадач необходимо выполнить.

Комплексы с несколькими процессорами или многомашинные системы значительно отличаются от «обычных» ПК по показателю быстродействия.

Архитектура с параллельными процессорами

Подобная система работает под управлением одного УУ, взаимодействующего с несколькими АЛУ. Подобный принцип позволяет обрабатывать большой объем информации в одном потоке. Актуален данный принцип только при выполнении однотипных задач с различным набором данных.

Рис. 4.

В настоящее время встречаются более сложные архитектурные решения, а также вариации ПК, в которых применяется несколько классических архитектурных принципов.

Просто напишите, с чем нужна помощьМне нужна помощь

Процессор и его компоненты

Системное программное обеспечение

Архитектура компьютера – что это такое, основные характеристики ПК, современные тенденции развития, назначение шин, состав ЭВМ

Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития

Компьютерная архитектура (computer architecture) – это разработанный Джоном фон Нейманом набор правил и методов описания функций, которые участвуют в организации работы компьютерных систем. Впервые документальное упоминание данного термина найдено в переписке английского ученого Чарльза Бэббиджа с писательницей и математиком Адой Лавлейс в первой половине ХХ века.

Понятие архитектуры персонального компьютера (ПК) дает нам представление о том, как он устроен, как разные устройства взаимодействуют друг с другом. Они подсоединяются по определенной схеме, а ее вариации и будут разновидностями архитектурных систем.

Любой современный персональный компьютер или ноутбук – это сложное многофункциональное устройство, а не просто мультиплатформенная игровая приставка. Всего можно выделить пять уровней архитектуры электронно вычислительных машин (ЭВМ):

  • нулевой уровень;
  • первый уровень – микроархитектура компьютера;
  • второй – системные команды;
  • третий – операционная система;
  • четвертый – прикладные и системные программы;
  • пятый – уровень высокого языка.

Основные узлы компьютера

Комплекс нескольких логических схем и элементов памяти, создающих выходные сигналы, является узлом ПК. Абсолютно все компьютерные программы или игры имеют требования к основным характеристикам для корректной работы. Все узлы компьютера должны быть максимально совместимы друг с другом. В противном случае работать в программах будет некомфортно.

К перечню подобных узлов системного блока обычно относят:

  1. Процессор – основополагающий элемент всего функционала компьютера;
  2. Системная плата, ее еще называют «материнской»;
  3. Блок питания – необходим для энергоснабжения ПК;
  4. Жесткий диск – хранилище информации на ПК или ноутбуке;
  5. Оптический привод – устройство для чтения с внешних носителей, который редко встречается на новейших системах;
  6. Разъемы для подключаемых устройств.

Классическая архитектура

Классическую концепцию построения компьютера по готовой логической схеме предложил математик Нейман в 1945 году.

В ходе обсуждений и в рамках проектирования компьютера EDVAC было решено использовать память для хранения ряда инструкций и данных.

Принципиально новая концепция Джона фон Неймана стала общепринятым стандартом и основой не для одного поколения персональных компьютеров. Главный ее принцип заключен в наличии пяти важных компонентов:

  1. Блока арифметики и логики;
  2. Управленческого устройства;
  3. Оперативного блока;
  4. Внешнего блока памяти;
  5. Устройства, предназначенного для вывода и ввода информации.

  Как поиграть по сети в Майнкрафт или другую сетевую игру

В условиях данной схемы функционирования, должен прослеживаться определенный алгоритм.

Если в память ПК направляются данные для обработки из какой-либо программы, то потом они должны выводиться при помощи наружного устройства.

После, управляющее устройство должно проанализировать полученную информацию и отправить на дальнейшее выполнение. Возможно придется задействовать другие составляющие ПК.

Современные тенденции развития архитектуры персонального компьютера

В современных персональных компьютерах архитектура характеризуется наличием контроллеров. Их появление – это итог пересмотра классической концепции. Теперь микропроцессор берет на себя функцию обмена данными с внешними устройствами.

Производители смогли отделить микропроцессор от многофункционального компонента при помощи обнаруженных особенностей интегральных схем. Так возникли разные каналы обмена, в том числе и периферийные микросхемы, позднее их стали называть контроллерами.

Сегодня подобные аппаратные компоненты в компьютерах научились управлять практически любым оборудованием.

Новейшие архитектуры ПК преимущественно используют шины. Эти каналы связи обеспечивают взаимодействие всех аппаратных элементов и обычно выглядят как электрическое соединение с проводниками. В ее структуру могут включаться специализированные модули, которые отвечают за различные функции.

Графически архитектура современного компьютера выглядит так:

Архитектура IBM

Такой тип как открытая архитектура позволяет свободно подключать любую периферию к компьютеру. Достигнуто это благодаря использовании информационной шины (ее объем можно узнать из характеристик материнской платы). Она позволила производителям периферийного оборудования разработать контроллеры для любых стандартов.

Управление системой осуществляется непосредственно процессором. Под его же управлением находятся информационная шина. Современный принцип открытой архитектуры ПК подразумевает наличие функциональных и центральных контроллеров.

Функциональные контроллеры обеспечивают подключение модема, мыши, клавиатуры и принтера.

Архитектура IBM предоставляет собой набор инструкции по созданию приложений в облаке. Эталоном считается базовый шаблон в то время как реализация – это определенные технологии, методы и выбор инструмента для создания и развертывания этого шаблона.

  6 электромобилей, которые вы и в самом деле можете себе позволить

Многопроцессорная архитектура

Архитектура по типу МВС (многопроцессорных вычислительных систем) включает в себя несколько самостоятельных ЭВМ, каждая из которых имеет свой собственный набор периферийных устройств, оперативную память, процессор и управляется своей операционной системой. Различают три вида связи между ними: слабую (косвенную), прямую и сателлитную.

https://www.youtube.com/watch?v=CsSPFYzh4wMu0026t=189s

В косвенно-связанных системах машины связаны только внешним запоминающим устройством.

При этом каждая ЭВМ, согласно своим программам, помещает информацию на внешнее запоминающее устройство, а другая, руководствуясь собственной программой, извлекает ее.

Такая связь используется для повышения надежности комплекса путем создания резервных вычислительных машин, которые при необходимости возьмут на себя задачи основной ЭВМ.

Прямосвязанные МВС обладают особенной гибкостью поскольку могут связываться между собой через общее запоминающее устройство, напрямую от процессора к процессору и через адаптер. Связь осуществляется на информационно-командном уровне, но более эффективно.

Для сателлитных систем свойственно опираться не на способ связи, а на принцип взаимодействия ЭВМ. Но в тоже время структура связи не отличается от предыдущих.

ЭВМ с несколькими процессорами способны организовать множество потоков данных и команд, а несколько фрагментов одной задачи выполнять параллельно.

Таким образом создание различных архитектур вызвано растущими потребностями человека – скоростью, эффективностью и мобильностью.

Архитектура персонального компьютера: понятие и принципы работы

Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития
Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития

В повседневное использование всё чаще входит понятие «архитектура персонального компьютера», но что оно в себя включает? По факту, это – функциональная система, которая сочетает в себе структурные элементы персонального компьютера (начиная от логических узлов и заканчивая схемами) и его программное обеспечение.

В основе работы современных компьютеров лежит программное управление, которое является базовым принципом их работы. Архитектура компьютера актуализируется в результате создания связей между частями компьютера, а именно – между логическими узлами и другими устройствами. Так, к логическим уздам можно отнести как оперативное запоминающее устройство, так и внешние, и периферийные устройства.

Истоки

Одной из первых появилась в середине прошлого века классическая архитектура персонального компьютера, авторство которой принадлежит Д. Нейману. В статье, изданной Д. Нейманом, Г. Голдштейном и А.

Бёрксом были изложены основы конструкции и работы ЭВМ, благодаря этим знаниям и появились новые устройства, которые к нашему времени стали повсеместно доступны и распространены.

Конечно, каждый новый выпуск устройств отличался от предыдущего: его характеристики улучшались, модифицировались, добавлялись новые функции, но основа, которой являются сформулированные принципы, оставалась неизменной.

Данные принципы заключаются в следующем:

  1. Машинам гораздо проще использовать двоичный код счисления и руководствоваться им при выполнении различных операций.
  2. Для корректной и системной работы компьютера, ему необходима операционная система. Она служит некой главной программой, которая запускает и контролирует внутренние процессы устройства. Без открытия этого факта, было бы невозможным развитие программирования, так как операционная система в современных компьютерах является базисом его работы.
  3. У персонального компьютера есть память, которая позволяет хранить какой-то объём данных, включая различные программы. При этом все данные и произведённые с ними операции кодируются в двоичном коде.
  4. Благодаря тому, что каждая ячейка памяти имеет свой адрес, компьютер в любой момент времени может обратиться к какой-то из них. Данное открытие позволило программированию перейти к использованию переменных.
  5. Любая часть кода доступна практически в любой момент. Это доказывается тем, что при использовании какой-либо программы, пользователь имеет возможность перейти к использованию другой. Причём эти процессы происходят параллельно друг другу.

особенность заключается в том, что аппаратура остаётся статичной, в то время как набор программ может меняться.

Структура персонального компьютера, предложенная Д. Нейманом, изображена на данной схеме (рис. 1).

Рисунок 1. Структура персонального компьютера

Таким образом, в состав компьютера входили такие части как внешнее и оперативное запоминающее устройство, устройство ввода, устройство вывода, устройство управления (координация) и устройство выполнения арифметико-логических операций.

Последовательность работы компьютера

  • В запоминающее устройство вводились данные и программы.
  • Через устройство арифметико-логических операций проходили данные из запоминающего устройства. Запись в память происходила посредством последовательных команд, направляющих содержимое в ячейки, чего не сказать о данных обработки, которые направлялись в ячейки произвольно.
  • Из арифметико-логического устройства результаты обработки переходят в запоминающее устройство, если информацию сохраняют, или в устройство вывода, если её нужно распространить. Особенность здесь заключается в том, что все команды кодируются в понятном для компьютера формате, а когда происходит вывод информации, она становится пригодной для использования человеком, и понятна ему без дешифровки.
  • Команда для компьютера заключается в том, что необходимо установить связь между запросом пользователя и адресом ячейки. Таким образом реализуется определённая операция, которая проводит эту связь и записывает результат, в зависимости от запроса, в определённую ячейку. Затем эта память остаётся на хранение в запоминающем устройстве.
  • В управляющем устройстве содержится ячейка, которая позволяет В случае с управляющим устройством, команды могут быть двух видов – поступающие от управляющего устройства и получаемые управляющим устройством результаты команд. После обработки команды управляющего устройства, содержимое ячеек помещается в регистр команд, что даёт ему возможность зафиксировать процессы, проходящие в памяти и проконтролировать их. Тем не менее, все операции на этом этапе переходят в компетенции арифметико-логических операций и аппаратных средств.
  • Затем счётчик команд увеличивает показатели на 1 соответствующе и прописывается новая команда. При этом возможен переход из определённой ячейки в конкретно отведённую, то есть в командах есть последовательность.

Архитектура современных компьютеров: структура и принципы работы

В качестве основополагающего условия работы персональных компьютеров в наше время можно назвать работу по магистрально-модульному принципу. Это реализуется за счёт того, что персональный компьютер состоит из модулей, каждый из которых является самобытной единицей. К таковым можно отнести, например, принтер или даже процессор.

Архитектура современного компьютера позволяет компоновать аппаратуру и делать самостоятельный выбор в пользу использования тех или иных средств – она открыта и предполагает возможность встраивания в систему дополнительных средств для достижения установленных целей и реализации задач.

Установленный принцип позволяет пользователю самостоятельно определять комплектацию своих устройств и даже самостоятельно обновлять их. Магистральный аспект позволяет качественно и своевременно обмениваться информацией при помощи установления связей, за что отвечает магистральная шина.

Она представляет собой элемент, располагающийся на материнской плате.

Примечание 1
Принципа архитектуры компьютера постоянно усовершенствуется для того, чтобы иметь возможность устанавливать всё новые и новые связи, при этом делать это быстро, мобильно и качественно.

Современные потоки информации предполагают совершенствование аппаратных средств.

Все команды компьютера реализуются за счёт средств системной памяти, поэтому в связке с процессором, ускорение процесса обмена информацией между элементами компьютера, приводит к ускорению работы компьютера, в целом.

Однако существует одна важная деталь: чтобы эти процессы проходили быстрее, необходимо учитывать скоростные возможности магистрали. Как же решить эту задачу? Решение нашлось. Чтобы ускорение стало возможным, необходимо подключить системную память не к магистрали, а к высокоскоростной шине. В связи с особенностями работы этого элемента, обмен будет реализовываться проще и быстрее.

Таким образом, использование компьютера с магистралью сходит на нет и на смену ему приходит компьютер с шиной, а затем – с тремя шинами. Что мы и имеем на данный момент времени.

Рисунок 2. Трехшинная структура ПК

Процессор в современных компьютерах состоит из управляющего устройства и арифметико-логического устройства. Если спустится ещё на один структурный уровень, то структуру процессора, в частности, составляют интегральные схемы. В зависимости от количества этих схем, можно говорить о микропроцессорах или микропроцессорных комплектах.

Многопроцессорная архитектура ПК: особенности и нюансы

Если в компьютере несколько процессоров, то его работа выглядит следующим образом – много различных потоков информации реализуются одновременно. Конечно, такие компьютеры имеют преимущества перед компьютерами с одним процессором.

Рисунок 3. Архитектура многопроцессорного ПК

Устройство компьютера: архитектура с параллельными процессорами

В такой архитектуре работает одно управляющее устройство, но под его управлением находятся несколько арифметико-логических устройств. Это подразумевает то, что команд много, но все они обрабатываются аналогичным образом.

Рисунок 4. Архитектура с параллельным процессором

05 – Архитектура персонального компьютераТема 3 – Общие принципы организации архитектуры компьютера Краткий конспект

Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития
адаптер, архитектура компьютера, архитектура с параллельными процессорами.

, интерфейс, классическая архитектура, контролер, машина фон Неймана, многомашинная вычислительная система, многопроцессорная архитектура, персональный компьютер, порт, структура компьютера

В основу строения подавляющего большинства компьютеров положены общие принципы, которые были сформулированы в 1945 году. Д.

 фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей общей статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В следствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. Основные тезисы этих принципов изложены ниже:

  • Использование двоичной системы исчисления в вычислительных машинах.
  • Программное управление ЭВМ. 
  • Выборка программы по памяти осуществляется с помощью счетчика команд. 
  • Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. 
  • Принцип адресности: элементы памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. 
  • Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. 

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, которые принципиально отличаются от последних.

Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, то есть они могут работать без “счетчика команд”, который указывает текущую выполняемую команду программы.

Для обращения к какой-нибудь переменной, что хранится в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

3.2 Принцип работы машины фон Неймана

Машина фон Неймана  – устройство, которое состоит из запоминающего устройства (памяти) ‒ ЗУ, арифметико-логического устройства ‒ АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода (рис. 3.1).

Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние элементы памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных каморках. В любой программе последняя команда должна быть командой завершения работы.

Рисунок 3.1 – Схема машины фон Неймана

Команда состоит из указания, какую операцию нужно выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов элементов памяти, где хранятся данные, над которыми нужно выполнить указанную операцию, а также адреса ячеек, куда нужно записать результат (если его нужно сохранить в ЗУ).

Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными.

Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное отличие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройстве вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку.

УУ руководит всеми частями компьютера. От устройства, которое управляет, на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии.

Устройство, которое управляет, содержит специальный регистр, который называется «Счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы.

УУ прочитывает из памяти содержимое элемента памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство – «Регистр команд».

УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.

3.3 Архитектура и структура ПК

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, который включает описание предназначенных для пользователя возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и так далее.

Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств.

Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые разные устройства – от основных логических узлов компьютера до простых схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Наиболее распространенными есть такие архитектурные решения (рис. 3.2):

Рисунок 3.2 – Существующие типы архитектур компьютеров

Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) – одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд – программа. Это однопроцессорный компьютер.

Контролер – устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы 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, которая имеет общую оперативную память и несколько процессоров, представленная на рис.3.2.

Многомашинная вычислительная система -несколько процессоров, которые входят в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется довольно широко.

Однако эффект от употребления такой вычислительной системы может быть получен лишь при решении задач, которые имеют очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.

Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это значит, что множество данных может обрабатываться одной программой – то есть по одним потоком команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить лишь на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на разных однотипных наборах данных.

3.4 Строение компьютера

Персональным компьютером (ПК) называют сравнительно недорогой универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя. Персональные компьютеры по обыкновению проецируются на основе принципа открытой архитектуры.

Принцип открытой архитектуры состоит в следующем:

  • регламентируются и стандартизируются лишь описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собрать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-производителями;
  • компьютер легко расширяется и модернизируется за счет наличия внутренних расширяющих гнезд, в которые пользователь может вставлять всяческие устройства, которые удовлетворяют заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины согласно своим личным преимуществам.

Упрощенная блок-схема, которая отображает основные функциональные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи, представлена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – Общая структура персонального компьютера

Интерфейс – это средство согласования двух приборов, в которых все физические и логические параметры соглашаются между собой.

Если интерфейс есть общепринятым, например, утвержденным на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.

Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связанный с шиной определенного типа – адресной, управляющей или шиной данных.

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не непосредственно, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты приблизительно по такой схеме (рис. 3.4):

Рисунок 3.4 – Схема подключения прибора к шины

Контролерами и адаптерами являются наборы электронных цепей, которыми обеспечиваются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контролеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Портами называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы). Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами – побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно

Принципы открытой архитектуры: как персональные компьютеры стали массовым явлением

Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития

Расцветом эпохи компьютеростроения считается переход от производства больших электронно-вычислительных машин к развитию сегмента микрокомпьютеров, или, как принято их сейчас называть, ПК.

Ассортиментом современных “персоналок” пользователи во многом обязаны компании IBM и принципам открытой архитектуры, которыми руководствовались ее разработчики при создании культового IBM PC.

Домашние компьютеры, какими их привыкли видеть теперь, унаследовали эту концепцию и обрели мировую популярность, перестав быть достоянием энтузиастов в сфере электроники и программирования. Так в чем заключается принцип открытой архитектуры?

Предпосылки: архитектурная открытость ЭВМ

Период 60-70-х годов в мире вычислительной техники ознаменовался возникновением электронно-вычислительных машин третьей волны. Тогда индустрия впервые перешла от создания единичных моделей ЭВМ к наладке серийного производства. Безусловным лидером на рынке считалась корпорация International Business Machines.

Представленная ею в 1964 году серия мейнфреймов System/360 стала поистине революционным решением. В нее вошли 6 универсальных компьютеров, отличающихся по стоимости и мощности. Главное отличие от ряда конкурирующих экземпляров – взаимная совместимость.

Программы или устройства ввода-вывода одного компьютера запускались и на других продуктах серии.

Раньше подход к созданию продукции отличался: каждая модель разрабатывалась с нуля – со своим процессором, написанными под него программами и конкретным пакетом периферийных устройств.

Это затрудняло обмен данными между машинами разных моделей и влекло затраты, связанные с несовместимостью. Концепция, предложенная IBM, призывала утвердить некий стандарт и сократить расходы на обслуживание малосовместимых ЭВМ.

Позднее такая унификация привела к созданию комплементарных модулей, выпускаемых другими фирмами.

До этого пользователи ограничивались стандартными конфигурациями вычислительной техники. Впоследствии же ее модифицировали согласно личным нуждам для решения большего количества задач, нежели заложено заводскими предустановками. Модульность и техническая совместимость стали основой принципа открытой архитектуры компьютера.

Первый микрокомпьютер на открытой архитектуре

У любителей-радиоэлектронщиков ЭВМ вызывали досаду: стоили дорого, использовались только организациями, а люди, обслуживавшие такие машины, считались избранными.

Это привело к тому, что в среде энтузиастов предпринимались попытки «спаять» собственный компьютер. Но владения практическими навыками в сборке было недостаточно.

Требовались по меньшей мере базовые знания программных языков, чтобы «завести» собранную машину.

Ключевым поворотом в истории, давшим импульс эпохе персональных ЭВМ, стала разработка микрокомпьютера Altair-8800 компанией MITS в 1974 году. Модель представляла собой набор печатных плат, заключенный в пластиковую коробку с переключателями и лампочками. Не было ни монитора, ни клавиатуры, столь привычных в нынешнем понимании.

Но для общественности эта модель представляла немалый интерес, поскольку продавалась как в собранном виде, так и в комплектах деталей. Такой конструктор сопровождался инструкцией и техпаспортом. Политика производителя по разглашению этой информации и предоставлению возможности самостоятельной сборки воплощала принцип открытой архитектуры компьютера.

Что было дальше?

IBM PC как стандарт принципов открытой архитектуры

Спустя шесть лет после дебюта «Альтаира» мир увидел IBM PC, ставший заключительным этапом в формировании понятия «персональный компьютер». Видя, как рынок микрокомпьютеров стремительно заполняют конкуренты вроде Apple и Commodore, руководство IBM решило не упускать шанс и спроектировать собственную персоналку.

Прежде компания производила необходимые комплектующие, не прибегая к помощи третьих лиц. Однако на этот раз времени на разработку не хватало – IBM рисковала опоздать и не запрыгнуть в уходящий поезд.

Поэтому корпорация назначила команду, отвечавшую за поиск новых высокопроизводительных деталей, которые только предлагал рынок микроэлектроники того времени.

Так, за процессором обратились к Intel, операционную систему предложила еще только развивающаяся фирма Microsoft, принтер взят у Epson, а монитор – у IBM Japan. Корпоративными усилиями создана только клавиатура и конечная комплектация.

В модель изначально закладывалась идея апгрейда. Конкурентную продукцию в большинстве представляли статичные машины, подверженные неизменному устареванию.

Тогда как этот PC предусматривал наращивание производительности.

Кроме того, наработки оказались доступными для желающих, что дало сторонним фирмам право на изготовление системных и периферийных устройств без необходимости покупки лицензии.

Стандартизация комплектующих, открытое лицензирование и свободное замещение деталей раскрыли суть принципа открытой архитектуры, породив настоящий бум персональных компьютеров. С тех пор аббревиатура ПК ассоциировалась с IBM-PC-совместимыми микрокомпьютерами. В похожем контексте этот термин употребляется по сей день.

Наше время

Ассортимент персональных компьютеров представлен преимущественно ПК с открытой архитектурой. Их владельцы вправе собственноручно модифицировать программную и аппаратную часть. К числу популярных марок относят:

  • Acer;
  • ASUS;
  • Dell;
  • Hewlett-Packard;
  • Lenovo.

Компьютеры Apple, напротив, представляют закрытый тип архитектуры. Компания сама создает компоненты и ПО, так что улучшить Mac рядовому юзеру не представляется возможным.

Наряду с завышенной стоимостью это считается недостатком, который, впрочем, компенсируется гарантией качества продукции. Архитектурная открытость хоть и предполагает наличие некоторых уязвимостей, но не представляет угрозы при грамотной эксплуатации.

Взамен же владелец получает простор для модификаций и волен персонализировать ПК, опираясь на личные цели и предпочтения.

Архитектура персонального компьютера

Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития

Классическая архитектура фон Неймана

Архитектура современных ПК

Многопроцессорная архитектура ПК

Многомашинная вычислительная система

Архитектура с параллельными процессорами

Архитектурой ПК (персонального компьютера) принято называть совокупность структуры, отражающей состав и обслуживающее ПО. Структурой называется комплекс функциональных систем ПК и их связующих элементов.

Особенности архитектуры являются определяющими факторами при рассмотрении принципов действия ПК, программно-информационных связей и последовательности соединения всех узлов логики компьютера.

К узлам логики относят: ОЗУ (оперативная память), ЦП (центральный процессор), внешнее устройство памяти (жесткий диск), графический модуль (видеокарта), периферийные модули.

Основным, принципиальным элементом архитектуры любого ПК, являются блоки программного управления.

Классическая архитектура фон Неймана

Группа ученых, в составе которой были американцы Г.Голдштейн, Дж. фон Нейман и А. Беркс, в 1946 году провели колоссальную работу по разработке новых принципов и архитектуры ЭВМ.

Работа математиков легла в основу при создании компьютеров первого и второго поколений.

Принципы фон Неймана были сохранены, хоть и существенно видоизменились, во время работ по созданию машин следующих поколений.

Основные принципы фон Неймана:

Интеграция методов двоичного счисления позволила упростить работу устройств и сделать ее выполнение гораздо быстрее, чем это было при использовании десятичной системы.

Программное управление ПК

Функционал ПК зависит от исправной работы программного обеспечения. Программа, управляющая компьютерной системой представляет собой набор последовательно исполняющихся команд.

Проблема низких показателей быстродействия, актуальная для ранних ПК, была решена интеграцией модуля памяти, применяемого для записи программных данных. Кодированные в двоичной системе данные и командные коды, расположены в пронумерованных адресных блоках.

Возможность быстрого доступа к адресной ячейки сделало возможной работу в переменных программных средах.

Условный переход при исполнении программы

По умолчанию программные компоненты имеют последовательную модель исполнения, но существует возможность реализации перехода к любому месту кода. Главным преимуществом подобного механизма стало превращение программного продукта из постоянной величины в изменяемую, аппаратная же часть осталась статичной и достаточно простой.

Фон Нейман предложил собственную структура персонального компьютера (рис. 1).

Рис. 1.

Структура ПК

В состав ПК предложенного математиком входили:

  • Устройство памяти или ЗУ;
  • Устройство исполнения арифметико-логических задач или АЛУ;
  • Управляющее устройство (УУ) задействованное в работе по координации работы узловых элементов ПК;
  • Периферийные устройства ввода/вывода.

В данной модели ПК любой тип данных вводится в устройство запоминания опосредованно через АЛУ посредствам устройств ввода/вывода. Программные команды фиксируются последовательно в блоках памяти, тогда как обрабатываемые данные записываются в блоках произвольно.

Простейшая команда содержала в себе информацию об операции требующей выполнения и адресов памяти, хранящей данные требуемые для выполнения данной операции. Кроме этого в команде прописывались адреса блоков памяти доступных для сохранения результата выполнения команды.

Арифметико-логическое устройство выводило обработанные данные в устройство запоминания или в выводное устройство.

Существенным отличием систем подобного рода является форма данных удобная для сохранения и обработки, а также для восприятия человека при передачи на устройство вывода (печатающее устройство или монитор).

Устройство управление одного компьютера способно взаимодействовать с аналогичным компонентом другого ПК, получая и передавая информацию. Адрес первой команды ПК записывается в регистре УУ, регистрируясь счетчиком.

После записи устройство управления осуществляет считывание памяти и перемещает содержимое заданной ячейки в командный регистр. Следующей операцией является определение командной операции и «выставление отметки» о ней в ячейке памяти, также регистрируются адреса и командные данные.

В ходе текущих операций происходит контроль выполняемой команды.

Выполнение операции осуществляется аппаратная оснастка компьютера или АЛУ. По завершению выполнения команд значение счетчика увеличивается на единицу, что является сигналом для запуска следующей команды. При необходимости запуска команд без стандартной очередности, запускается команда переадресации, содержащая целевой адрес ячейки запуска управляющей команды.

Архитектура современных ПК

Современные компьютеры имеют магистрально-модульный тип архитектуры, то есть состоят из относительно самостоятельных компонентов, связанных между собой через ЦП.

Принцип модульности позволяет осуществлять произвольную комплектацию ПК устанавливая совместимые компоненты. Кроме этого современные ПК имеют возможность модернизации и улучшения.

В данной системе функционирует магистральный тип обмена информацией. Для обеспечения взаимосвязи компонентов ПК используется магистральная шина, располагаемая на материнской плате в виде печатной платы.

Преимуществом подобного вида ПК является возможность добавления или замены комплектующих.

Благодаря принципиальным переменам в архитектуре ПК произошло значительное повышение скорости обработки и обмена информации.

Считываемая информация хранится в системной памяти, что позволяет работать напрямую с ЦП и значительно ускоряет работу ПК в целом.

Максимум быстродействия ограничен скоростью обработки данных самой магистрали, чем выше данный показатель, тем выше скорость работы ПК в целом.

Для решения вопроса предпринято следующее:

  • Системная память напрямую (без буферов) подключается к шине, вместо магистрали, что избавляет ПК от проблем со скоростью обмена данных. Данное решение актуализировалось максимально с выходом высокопроизводительных ПК. Новшества привели к существенным изменением архитектуры и замене одношинных ПК трехшинными.
  • Рис. 2.

  • Логическое и управленческое устройство ПК нового поколения, являются компонентами центрального процессора, формируя его как единицу. В сущности, микропроцессор — это совокупность интегральных схем.

Многопроцессорная архитектура ПК

Существуют компьютеры с несколькими процессорами, работающими параллельно. Такие ПК называются многопроцессорными и используются при необходимости обработать очень большой объем информации за максимально короткое время.

Рис. 3.

Многомашинная вычислительная система

В отличие от многопроцессорных ПК, имеющих единый канал оперативной памяти, в многомашинных ПК, каждому процессору доступен свой блок ОЗУ.

Эффективность подобных систем проявляется при выполнении сложных задач, требующих работы специальной структуры с тем количеством ПК, сколько подзадач необходимо выполнить.

Комплексы с несколькими процессорами или многомашинные системы значительно отличаются от «обычных» ПК по показателю быстродействия.

Архитектура с параллельными процессорами

Подобная система работает под управлением одного УУ, взаимодействующего с несколькими АЛУ. Подобный принцип позволяет обрабатывать большой объем информации в одном потоке. Актуален данный принцип только при выполнении однотипных задач с различным набором данных.

Рис. 4.

В настоящее время встречаются более сложные архитектурные решения, а также вариации ПК, в которых применяется несколько классических архитектурных принципов.

Просто напишите, с чем нужна помощьМне нужна помощь

Процессор и его компоненты

Системное программное обеспечение

Архитектура компьютера – что это такое, основные характеристики ПК, современные тенденции развития, назначение шин, состав ЭВМ

Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития

Компьютерная архитектура (computer architecture) – это разработанный Джоном фон Нейманом набор правил и методов описания функций, которые участвуют в организации работы компьютерных систем. Впервые документальное упоминание данного термина найдено в переписке английского ученого Чарльза Бэббиджа с писательницей и математиком Адой Лавлейс в первой половине ХХ века.

Понятие архитектуры персонального компьютера (ПК) дает нам представление о том, как он устроен, как разные устройства взаимодействуют друг с другом. Они подсоединяются по определенной схеме, а ее вариации и будут разновидностями архитектурных систем.

Любой современный персональный компьютер или ноутбук – это сложное многофункциональное устройство, а не просто мультиплатформенная игровая приставка. Всего можно выделить пять уровней архитектуры электронно вычислительных машин (ЭВМ):

  • нулевой уровень;
  • первый уровень – микроархитектура компьютера;
  • второй – системные команды;
  • третий – операционная система;
  • четвертый – прикладные и системные программы;
  • пятый – уровень высокого языка.

Основные узлы компьютера

Комплекс нескольких логических схем и элементов памяти, создающих выходные сигналы, является узлом ПК. Абсолютно все компьютерные программы или игры имеют требования к основным характеристикам для корректной работы. Все узлы компьютера должны быть максимально совместимы друг с другом. В противном случае работать в программах будет некомфортно.

К перечню подобных узлов системного блока обычно относят:

  1. Процессор – основополагающий элемент всего функционала компьютера;
  2. Системная плата, ее еще называют «материнской»;
  3. Блок питания – необходим для энергоснабжения ПК;
  4. Жесткий диск – хранилище информации на ПК или ноутбуке;
  5. Оптический привод – устройство для чтения с внешних носителей, который редко встречается на новейших системах;
  6. Разъемы для подключаемых устройств.

Классическая архитектура

Классическую концепцию построения компьютера по готовой логической схеме предложил математик Нейман в 1945 году.

В ходе обсуждений и в рамках проектирования компьютера EDVAC было решено использовать память для хранения ряда инструкций и данных.

Принципиально новая концепция Джона фон Неймана стала общепринятым стандартом и основой не для одного поколения персональных компьютеров. Главный ее принцип заключен в наличии пяти важных компонентов:

  1. Блока арифметики и логики;
  2. Управленческого устройства;
  3. Оперативного блока;
  4. Внешнего блока памяти;
  5. Устройства, предназначенного для вывода и ввода информации.

  Как поиграть по сети в Майнкрафт или другую сетевую игру

В условиях данной схемы функционирования, должен прослеживаться определенный алгоритм.

Если в память ПК направляются данные для обработки из какой-либо программы, то потом они должны выводиться при помощи наружного устройства.

После, управляющее устройство должно проанализировать полученную информацию и отправить на дальнейшее выполнение. Возможно придется задействовать другие составляющие ПК.

Современные тенденции развития архитектуры персонального компьютера

В современных персональных компьютерах архитектура характеризуется наличием контроллеров. Их появление – это итог пересмотра классической концепции. Теперь микропроцессор берет на себя функцию обмена данными с внешними устройствами.

Производители смогли отделить микропроцессор от многофункционального компонента при помощи обнаруженных особенностей интегральных схем. Так возникли разные каналы обмена, в том числе и периферийные микросхемы, позднее их стали называть контроллерами.

Сегодня подобные аппаратные компоненты в компьютерах научились управлять практически любым оборудованием.

Новейшие архитектуры ПК преимущественно используют шины. Эти каналы связи обеспечивают взаимодействие всех аппаратных элементов и обычно выглядят как электрическое соединение с проводниками. В ее структуру могут включаться специализированные модули, которые отвечают за различные функции.

Графически архитектура современного компьютера выглядит так:

Архитектура IBM

Такой тип как открытая архитектура позволяет свободно подключать любую периферию к компьютеру. Достигнуто это благодаря использовании информационной шины (ее объем можно узнать из характеристик материнской платы). Она позволила производителям периферийного оборудования разработать контроллеры для любых стандартов.

Управление системой осуществляется непосредственно процессором. Под его же управлением находятся информационная шина. Современный принцип открытой архитектуры ПК подразумевает наличие функциональных и центральных контроллеров.

Функциональные контроллеры обеспечивают подключение модема, мыши, клавиатуры и принтера.

Архитектура IBM предоставляет собой набор инструкции по созданию приложений в облаке. Эталоном считается базовый шаблон в то время как реализация – это определенные технологии, методы и выбор инструмента для создания и развертывания этого шаблона.

  6 электромобилей, которые вы и в самом деле можете себе позволить

Многопроцессорная архитектура

Архитектура по типу МВС (многопроцессорных вычислительных систем) включает в себя несколько самостоятельных ЭВМ, каждая из которых имеет свой собственный набор периферийных устройств, оперативную память, процессор и управляется своей операционной системой. Различают три вида связи между ними: слабую (косвенную), прямую и сателлитную.

https://www.youtube.com/watch?v=CsSPFYzh4wMu0026t=189s

В косвенно-связанных системах машины связаны только внешним запоминающим устройством.

При этом каждая ЭВМ, согласно своим программам, помещает информацию на внешнее запоминающее устройство, а другая, руководствуясь собственной программой, извлекает ее.

Такая связь используется для повышения надежности комплекса путем создания резервных вычислительных машин, которые при необходимости возьмут на себя задачи основной ЭВМ.

Прямосвязанные МВС обладают особенной гибкостью поскольку могут связываться между собой через общее запоминающее устройство, напрямую от процессора к процессору и через адаптер. Связь осуществляется на информационно-командном уровне, но более эффективно.

Для сателлитных систем свойственно опираться не на способ связи, а на принцип взаимодействия ЭВМ. Но в тоже время структура связи не отличается от предыдущих.

ЭВМ с несколькими процессорами способны организовать множество потоков данных и команд, а несколько фрагментов одной задачи выполнять параллельно.

Таким образом создание различных архитектур вызвано растущими потребностями человека – скоростью, эффективностью и мобильностью.

Архитектура персонального компьютера: понятие и принципы работы

Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития
Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития

В повседневное использование всё чаще входит понятие «архитектура персонального компьютера», но что оно в себя включает? По факту, это – функциональная система, которая сочетает в себе структурные элементы персонального компьютера (начиная от логических узлов и заканчивая схемами) и его программное обеспечение.

В основе работы современных компьютеров лежит программное управление, которое является базовым принципом их работы. Архитектура компьютера актуализируется в результате создания связей между частями компьютера, а именно – между логическими узлами и другими устройствами. Так, к логическим уздам можно отнести как оперативное запоминающее устройство, так и внешние, и периферийные устройства.

Истоки

Одной из первых появилась в середине прошлого века классическая архитектура персонального компьютера, авторство которой принадлежит Д. Нейману. В статье, изданной Д. Нейманом, Г. Голдштейном и А.

Бёрксом были изложены основы конструкции и работы ЭВМ, благодаря этим знаниям и появились новые устройства, которые к нашему времени стали повсеместно доступны и распространены.

Конечно, каждый новый выпуск устройств отличался от предыдущего: его характеристики улучшались, модифицировались, добавлялись новые функции, но основа, которой являются сформулированные принципы, оставалась неизменной.

Данные принципы заключаются в следующем:

  1. Машинам гораздо проще использовать двоичный код счисления и руководствоваться им при выполнении различных операций.
  2. Для корректной и системной работы компьютера, ему необходима операционная система. Она служит некой главной программой, которая запускает и контролирует внутренние процессы устройства. Без открытия этого факта, было бы невозможным развитие программирования, так как операционная система в современных компьютерах является базисом его работы.
  3. У персонального компьютера есть память, которая позволяет хранить какой-то объём данных, включая различные программы. При этом все данные и произведённые с ними операции кодируются в двоичном коде.
  4. Благодаря тому, что каждая ячейка памяти имеет свой адрес, компьютер в любой момент времени может обратиться к какой-то из них. Данное открытие позволило программированию перейти к использованию переменных.
  5. Любая часть кода доступна практически в любой момент. Это доказывается тем, что при использовании какой-либо программы, пользователь имеет возможность перейти к использованию другой. Причём эти процессы происходят параллельно друг другу.

особенность заключается в том, что аппаратура остаётся статичной, в то время как набор программ может меняться.

Структура персонального компьютера, предложенная Д. Нейманом, изображена на данной схеме (рис. 1).

Рисунок 1. Структура персонального компьютера

Таким образом, в состав компьютера входили такие части как внешнее и оперативное запоминающее устройство, устройство ввода, устройство вывода, устройство управления (координация) и устройство выполнения арифметико-логических операций.

Последовательность работы компьютера

  • В запоминающее устройство вводились данные и программы.
  • Через устройство арифметико-логических операций проходили данные из запоминающего устройства. Запись в память происходила посредством последовательных команд, направляющих содержимое в ячейки, чего не сказать о данных обработки, которые направлялись в ячейки произвольно.
  • Из арифметико-логического устройства результаты обработки переходят в запоминающее устройство, если информацию сохраняют, или в устройство вывода, если её нужно распространить. Особенность здесь заключается в том, что все команды кодируются в понятном для компьютера формате, а когда происходит вывод информации, она становится пригодной для использования человеком, и понятна ему без дешифровки.
  • Команда для компьютера заключается в том, что необходимо установить связь между запросом пользователя и адресом ячейки. Таким образом реализуется определённая операция, которая проводит эту связь и записывает результат, в зависимости от запроса, в определённую ячейку. Затем эта память остаётся на хранение в запоминающем устройстве.
  • В управляющем устройстве содержится ячейка, которая позволяет В случае с управляющим устройством, команды могут быть двух видов – поступающие от управляющего устройства и получаемые управляющим устройством результаты команд. После обработки команды управляющего устройства, содержимое ячеек помещается в регистр команд, что даёт ему возможность зафиксировать процессы, проходящие в памяти и проконтролировать их. Тем не менее, все операции на этом этапе переходят в компетенции арифметико-логических операций и аппаратных средств.
  • Затем счётчик команд увеличивает показатели на 1 соответствующе и прописывается новая команда. При этом возможен переход из определённой ячейки в конкретно отведённую, то есть в командах есть последовательность.

Архитектура современных компьютеров: структура и принципы работы

В качестве основополагающего условия работы персональных компьютеров в наше время можно назвать работу по магистрально-модульному принципу. Это реализуется за счёт того, что персональный компьютер состоит из модулей, каждый из которых является самобытной единицей. К таковым можно отнести, например, принтер или даже процессор.

Архитектура современного компьютера позволяет компоновать аппаратуру и делать самостоятельный выбор в пользу использования тех или иных средств – она открыта и предполагает возможность встраивания в систему дополнительных средств для достижения установленных целей и реализации задач.

Установленный принцип позволяет пользователю самостоятельно определять комплектацию своих устройств и даже самостоятельно обновлять их. Магистральный аспект позволяет качественно и своевременно обмениваться информацией при помощи установления связей, за что отвечает магистральная шина.

Она представляет собой элемент, располагающийся на материнской плате.

Примечание 1
Принципа архитектуры компьютера постоянно усовершенствуется для того, чтобы иметь возможность устанавливать всё новые и новые связи, при этом делать это быстро, мобильно и качественно.

Современные потоки информации предполагают совершенствование аппаратных средств.

Все команды компьютера реализуются за счёт средств системной памяти, поэтому в связке с процессором, ускорение процесса обмена информацией между элементами компьютера, приводит к ускорению работы компьютера, в целом.

Однако существует одна важная деталь: чтобы эти процессы проходили быстрее, необходимо учитывать скоростные возможности магистрали. Как же решить эту задачу? Решение нашлось. Чтобы ускорение стало возможным, необходимо подключить системную память не к магистрали, а к высокоскоростной шине. В связи с особенностями работы этого элемента, обмен будет реализовываться проще и быстрее.

Таким образом, использование компьютера с магистралью сходит на нет и на смену ему приходит компьютер с шиной, а затем – с тремя шинами. Что мы и имеем на данный момент времени.

Рисунок 2. Трехшинная структура ПК

Процессор в современных компьютерах состоит из управляющего устройства и арифметико-логического устройства. Если спустится ещё на один структурный уровень, то структуру процессора, в частности, составляют интегральные схемы. В зависимости от количества этих схем, можно говорить о микропроцессорах или микропроцессорных комплектах.

Многопроцессорная архитектура ПК: особенности и нюансы

Если в компьютере несколько процессоров, то его работа выглядит следующим образом – много различных потоков информации реализуются одновременно. Конечно, такие компьютеры имеют преимущества перед компьютерами с одним процессором.

Рисунок 3. Архитектура многопроцессорного ПК

Устройство компьютера: архитектура с параллельными процессорами

В такой архитектуре работает одно управляющее устройство, но под его управлением находятся несколько арифметико-логических устройств. Это подразумевает то, что команд много, но все они обрабатываются аналогичным образом.

Рисунок 4. Архитектура с параллельным процессором

05 – Архитектура персонального компьютераТема 3 – Общие принципы организации архитектуры компьютера Краткий конспект

Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития
адаптер, архитектура компьютера, архитектура с параллельными процессорами.

, интерфейс, классическая архитектура, контролер, машина фон Неймана, многомашинная вычислительная система, многопроцессорная архитектура, персональный компьютер, порт, структура компьютера

В основу строения подавляющего большинства компьютеров положены общие принципы, которые были сформулированы в 1945 году. Д.

 фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей общей статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В следствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. Основные тезисы этих принципов изложены ниже:

  • Использование двоичной системы исчисления в вычислительных машинах.
  • Программное управление ЭВМ. 
  • Выборка программы по памяти осуществляется с помощью счетчика команд. 
  • Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. 
  • Принцип адресности: элементы памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. 
  • Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. 

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, которые принципиально отличаются от последних.

Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, то есть они могут работать без “счетчика команд”, который указывает текущую выполняемую команду программы.

Для обращения к какой-нибудь переменной, что хранится в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

3.2 Принцип работы машины фон Неймана

Машина фон Неймана  – устройство, которое состоит из запоминающего устройства (памяти) ‒ ЗУ, арифметико-логического устройства ‒ АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода (рис. 3.1).

Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние элементы памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных каморках. В любой программе последняя команда должна быть командой завершения работы.

Рисунок 3.1 – Схема машины фон Неймана

Команда состоит из указания, какую операцию нужно выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов элементов памяти, где хранятся данные, над которыми нужно выполнить указанную операцию, а также адреса ячеек, куда нужно записать результат (если его нужно сохранить в ЗУ).

Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными.

Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное отличие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройстве вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку.

УУ руководит всеми частями компьютера. От устройства, которое управляет, на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии.

Устройство, которое управляет, содержит специальный регистр, который называется «Счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы.

УУ прочитывает из памяти содержимое элемента памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство – «Регистр команд».

УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.

3.3 Архитектура и структура ПК

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, который включает описание предназначенных для пользователя возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и так далее.

Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств.

Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые разные устройства – от основных логических узлов компьютера до простых схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Наиболее распространенными есть такие архитектурные решения (рис. 3.2):

Рисунок 3.2 – Существующие типы архитектур компьютеров

Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) – одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд – программа. Это однопроцессорный компьютер.

Контролер – устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы 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, которая имеет общую оперативную память и несколько процессоров, представленная на рис.3.2.

Многомашинная вычислительная система -несколько процессоров, которые входят в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется довольно широко.

Однако эффект от употребления такой вычислительной системы может быть получен лишь при решении задач, которые имеют очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.

Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это значит, что множество данных может обрабатываться одной программой – то есть по одним потоком команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить лишь на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на разных однотипных наборах данных.

3.4 Строение компьютера

Персональным компьютером (ПК) называют сравнительно недорогой универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя. Персональные компьютеры по обыкновению проецируются на основе принципа открытой архитектуры.

Принцип открытой архитектуры состоит в следующем:

  • регламентируются и стандартизируются лишь описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собрать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-производителями;
  • компьютер легко расширяется и модернизируется за счет наличия внутренних расширяющих гнезд, в которые пользователь может вставлять всяческие устройства, которые удовлетворяют заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины согласно своим личным преимуществам.

Упрощенная блок-схема, которая отображает основные функциональные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи, представлена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – Общая структура персонального компьютера

Интерфейс – это средство согласования двух приборов, в которых все физические и логические параметры соглашаются между собой.

Если интерфейс есть общепринятым, например, утвержденным на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.

Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связанный с шиной определенного типа – адресной, управляющей или шиной данных.

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не непосредственно, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты приблизительно по такой схеме (рис. 3.4):

Рисунок 3.4 – Схема подключения прибора к шины

Контролерами и адаптерами являются наборы электронных цепей, которыми обеспечиваются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контролеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Портами называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы). Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами – побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно

Принципы открытой архитектуры: как персональные компьютеры стали массовым явлением

Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития

Расцветом эпохи компьютеростроения считается переход от производства больших электронно-вычислительных машин к развитию сегмента микрокомпьютеров, или, как принято их сейчас называть, ПК.

Ассортиментом современных “персоналок” пользователи во многом обязаны компании IBM и принципам открытой архитектуры, которыми руководствовались ее разработчики при создании культового IBM PC.

Домашние компьютеры, какими их привыкли видеть теперь, унаследовали эту концепцию и обрели мировую популярность, перестав быть достоянием энтузиастов в сфере электроники и программирования. Так в чем заключается принцип открытой архитектуры?

Предпосылки: архитектурная открытость ЭВМ

Период 60-70-х годов в мире вычислительной техники ознаменовался возникновением электронно-вычислительных машин третьей волны. Тогда индустрия впервые перешла от создания единичных моделей ЭВМ к наладке серийного производства. Безусловным лидером на рынке считалась корпорация International Business Machines.

Представленная ею в 1964 году серия мейнфреймов System/360 стала поистине революционным решением. В нее вошли 6 универсальных компьютеров, отличающихся по стоимости и мощности. Главное отличие от ряда конкурирующих экземпляров – взаимная совместимость.

Программы или устройства ввода-вывода одного компьютера запускались и на других продуктах серии.

Раньше подход к созданию продукции отличался: каждая модель разрабатывалась с нуля – со своим процессором, написанными под него программами и конкретным пакетом периферийных устройств.

Это затрудняло обмен данными между машинами разных моделей и влекло затраты, связанные с несовместимостью. Концепция, предложенная IBM, призывала утвердить некий стандарт и сократить расходы на обслуживание малосовместимых ЭВМ.

Позднее такая унификация привела к созданию комплементарных модулей, выпускаемых другими фирмами.

До этого пользователи ограничивались стандартными конфигурациями вычислительной техники. Впоследствии же ее модифицировали согласно личным нуждам для решения большего количества задач, нежели заложено заводскими предустановками. Модульность и техническая совместимость стали основой принципа открытой архитектуры компьютера.

Первый микрокомпьютер на открытой архитектуре

У любителей-радиоэлектронщиков ЭВМ вызывали досаду: стоили дорого, использовались только организациями, а люди, обслуживавшие такие машины, считались избранными.

Это привело к тому, что в среде энтузиастов предпринимались попытки «спаять» собственный компьютер. Но владения практическими навыками в сборке было недостаточно.

Требовались по меньшей мере базовые знания программных языков, чтобы «завести» собранную машину.

Ключевым поворотом в истории, давшим импульс эпохе персональных ЭВМ, стала разработка микрокомпьютера Altair-8800 компанией MITS в 1974 году. Модель представляла собой набор печатных плат, заключенный в пластиковую коробку с переключателями и лампочками. Не было ни монитора, ни клавиатуры, столь привычных в нынешнем понимании.

Но для общественности эта модель представляла немалый интерес, поскольку продавалась как в собранном виде, так и в комплектах деталей. Такой конструктор сопровождался инструкцией и техпаспортом. Политика производителя по разглашению этой информации и предоставлению возможности самостоятельной сборки воплощала принцип открытой архитектуры компьютера.

Что было дальше?

IBM PC как стандарт принципов открытой архитектуры

Спустя шесть лет после дебюта «Альтаира» мир увидел IBM PC, ставший заключительным этапом в формировании понятия «персональный компьютер». Видя, как рынок микрокомпьютеров стремительно заполняют конкуренты вроде Apple и Commodore, руководство IBM решило не упускать шанс и спроектировать собственную персоналку.

Прежде компания производила необходимые комплектующие, не прибегая к помощи третьих лиц. Однако на этот раз времени на разработку не хватало – IBM рисковала опоздать и не запрыгнуть в уходящий поезд.

Поэтому корпорация назначила команду, отвечавшую за поиск новых высокопроизводительных деталей, которые только предлагал рынок микроэлектроники того времени.

Так, за процессором обратились к Intel, операционную систему предложила еще только развивающаяся фирма Microsoft, принтер взят у Epson, а монитор – у IBM Japan. Корпоративными усилиями создана только клавиатура и конечная комплектация.

В модель изначально закладывалась идея апгрейда. Конкурентную продукцию в большинстве представляли статичные машины, подверженные неизменному устареванию.

Тогда как этот PC предусматривал наращивание производительности.

Кроме того, наработки оказались доступными для желающих, что дало сторонним фирмам право на изготовление системных и периферийных устройств без необходимости покупки лицензии.

Стандартизация комплектующих, открытое лицензирование и свободное замещение деталей раскрыли суть принципа открытой архитектуры, породив настоящий бум персональных компьютеров. С тех пор аббревиатура ПК ассоциировалась с IBM-PC-совместимыми микрокомпьютерами. В похожем контексте этот термин употребляется по сей день.

Наше время

Ассортимент персональных компьютеров представлен преимущественно ПК с открытой архитектурой. Их владельцы вправе собственноручно модифицировать программную и аппаратную часть. К числу популярных марок относят:

  • Acer;
  • ASUS;
  • Dell;
  • Hewlett-Packard;
  • Lenovo.

Компьютеры Apple, напротив, представляют закрытый тип архитектуры. Компания сама создает компоненты и ПО, так что улучшить Mac рядовому юзеру не представляется возможным.

Наряду с завышенной стоимостью это считается недостатком, который, впрочем, компенсируется гарантией качества продукции. Архитектурная открытость хоть и предполагает наличие некоторых уязвимостей, но не представляет угрозы при грамотной эксплуатации.

Взамен же владелец получает простор для модификаций и волен персонализировать ПК, опираясь на личные цели и предпочтения.

Архитектура персонального компьютера

Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития

Классическая архитектура фон Неймана

Архитектура современных ПК

Многопроцессорная архитектура ПК

Многомашинная вычислительная система

Архитектура с параллельными процессорами

Архитектурой ПК (персонального компьютера) принято называть совокупность структуры, отражающей состав и обслуживающее ПО. Структурой называется комплекс функциональных систем ПК и их связующих элементов.

Особенности архитектуры являются определяющими факторами при рассмотрении принципов действия ПК, программно-информационных связей и последовательности соединения всех узлов логики компьютера.

К узлам логики относят: ОЗУ (оперативная память), ЦП (центральный процессор), внешнее устройство памяти (жесткий диск), графический модуль (видеокарта), периферийные модули.

Основным, принципиальным элементом архитектуры любого ПК, являются блоки программного управления.

Классическая архитектура фон Неймана

Группа ученых, в составе которой были американцы Г.Голдштейн, Дж. фон Нейман и А. Беркс, в 1946 году провели колоссальную работу по разработке новых принципов и архитектуры ЭВМ.

Работа математиков легла в основу при создании компьютеров первого и второго поколений.

Принципы фон Неймана были сохранены, хоть и существенно видоизменились, во время работ по созданию машин следующих поколений.

Основные принципы фон Неймана:

Интеграция методов двоичного счисления позволила упростить работу устройств и сделать ее выполнение гораздо быстрее, чем это было при использовании десятичной системы.

Программное управление ПК

Функционал ПК зависит от исправной работы программного обеспечения. Программа, управляющая компьютерной системой представляет собой набор последовательно исполняющихся команд.

Проблема низких показателей быстродействия, актуальная для ранних ПК, была решена интеграцией модуля памяти, применяемого для записи программных данных. Кодированные в двоичной системе данные и командные коды, расположены в пронумерованных адресных блоках.

Возможность быстрого доступа к адресной ячейки сделало возможной работу в переменных программных средах.

Условный переход при исполнении программы

По умолчанию программные компоненты имеют последовательную модель исполнения, но существует возможность реализации перехода к любому месту кода. Главным преимуществом подобного механизма стало превращение программного продукта из постоянной величины в изменяемую, аппаратная же часть осталась статичной и достаточно простой.

Фон Нейман предложил собственную структура персонального компьютера (рис. 1).

Рис. 1.

Структура ПК

В состав ПК предложенного математиком входили:

  • Устройство памяти или ЗУ;
  • Устройство исполнения арифметико-логических задач или АЛУ;
  • Управляющее устройство (УУ) задействованное в работе по координации работы узловых элементов ПК;
  • Периферийные устройства ввода/вывода.

В данной модели ПК любой тип данных вводится в устройство запоминания опосредованно через АЛУ посредствам устройств ввода/вывода. Программные команды фиксируются последовательно в блоках памяти, тогда как обрабатываемые данные записываются в блоках произвольно.

Простейшая команда содержала в себе информацию об операции требующей выполнения и адресов памяти, хранящей данные требуемые для выполнения данной операции. Кроме этого в команде прописывались адреса блоков памяти доступных для сохранения результата выполнения команды.

Арифметико-логическое устройство выводило обработанные данные в устройство запоминания или в выводное устройство.

Существенным отличием систем подобного рода является форма данных удобная для сохранения и обработки, а также для восприятия человека при передачи на устройство вывода (печатающее устройство или монитор).

Устройство управление одного компьютера способно взаимодействовать с аналогичным компонентом другого ПК, получая и передавая информацию. Адрес первой команды ПК записывается в регистре УУ, регистрируясь счетчиком.

После записи устройство управления осуществляет считывание памяти и перемещает содержимое заданной ячейки в командный регистр. Следующей операцией является определение командной операции и «выставление отметки» о ней в ячейке памяти, также регистрируются адреса и командные данные.

В ходе текущих операций происходит контроль выполняемой команды.

Выполнение операции осуществляется аппаратная оснастка компьютера или АЛУ. По завершению выполнения команд значение счетчика увеличивается на единицу, что является сигналом для запуска следующей команды. При необходимости запуска команд без стандартной очередности, запускается команда переадресации, содержащая целевой адрес ячейки запуска управляющей команды.

Архитектура современных ПК

Современные компьютеры имеют магистрально-модульный тип архитектуры, то есть состоят из относительно самостоятельных компонентов, связанных между собой через ЦП.

Принцип модульности позволяет осуществлять произвольную комплектацию ПК устанавливая совместимые компоненты. Кроме этого современные ПК имеют возможность модернизации и улучшения.

В данной системе функционирует магистральный тип обмена информацией. Для обеспечения взаимосвязи компонентов ПК используется магистральная шина, располагаемая на материнской плате в виде печатной платы.

Преимуществом подобного вида ПК является возможность добавления или замены комплектующих.

Благодаря принципиальным переменам в архитектуре ПК произошло значительное повышение скорости обработки и обмена информации.

Считываемая информация хранится в системной памяти, что позволяет работать напрямую с ЦП и значительно ускоряет работу ПК в целом.

Максимум быстродействия ограничен скоростью обработки данных самой магистрали, чем выше данный показатель, тем выше скорость работы ПК в целом.

Для решения вопроса предпринято следующее:

  • Системная память напрямую (без буферов) подключается к шине, вместо магистрали, что избавляет ПК от проблем со скоростью обмена данных. Данное решение актуализировалось максимально с выходом высокопроизводительных ПК. Новшества привели к существенным изменением архитектуры и замене одношинных ПК трехшинными.
  • Рис. 2.

  • Логическое и управленческое устройство ПК нового поколения, являются компонентами центрального процессора, формируя его как единицу. В сущности, микропроцессор — это совокупность интегральных схем.

Многопроцессорная архитектура ПК

Существуют компьютеры с несколькими процессорами, работающими параллельно. Такие ПК называются многопроцессорными и используются при необходимости обработать очень большой объем информации за максимально короткое время.

Рис. 3.

Многомашинная вычислительная система

В отличие от многопроцессорных ПК, имеющих единый канал оперативной памяти, в многомашинных ПК, каждому процессору доступен свой блок ОЗУ.

Эффективность подобных систем проявляется при выполнении сложных задач, требующих работы специальной структуры с тем количеством ПК, сколько подзадач необходимо выполнить.

Комплексы с несколькими процессорами или многомашинные системы значительно отличаются от «обычных» ПК по показателю быстродействия.

Архитектура с параллельными процессорами

Подобная система работает под управлением одного УУ, взаимодействующего с несколькими АЛУ. Подобный принцип позволяет обрабатывать большой объем информации в одном потоке. Актуален данный принцип только при выполнении однотипных задач с различным набором данных.

Рис. 4.

В настоящее время встречаются более сложные архитектурные решения, а также вариации ПК, в которых применяется несколько классических архитектурных принципов.

Просто напишите, с чем нужна помощьМне нужна помощь

Процессор и его компоненты

Системное программное обеспечение

Архитектура компьютера – что это такое, основные характеристики ПК, современные тенденции развития, назначение шин, состав ЭВМ

Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития

Компьютерная архитектура (computer architecture) – это разработанный Джоном фон Нейманом набор правил и методов описания функций, которые участвуют в организации работы компьютерных систем. Впервые документальное упоминание данного термина найдено в переписке английского ученого Чарльза Бэббиджа с писательницей и математиком Адой Лавлейс в первой половине ХХ века.

Понятие архитектуры персонального компьютера (ПК) дает нам представление о том, как он устроен, как разные устройства взаимодействуют друг с другом. Они подсоединяются по определенной схеме, а ее вариации и будут разновидностями архитектурных систем.

Любой современный персональный компьютер или ноутбук – это сложное многофункциональное устройство, а не просто мультиплатформенная игровая приставка. Всего можно выделить пять уровней архитектуры электронно вычислительных машин (ЭВМ):

  • нулевой уровень;
  • первый уровень – микроархитектура компьютера;
  • второй – системные команды;
  • третий – операционная система;
  • четвертый – прикладные и системные программы;
  • пятый – уровень высокого языка.

Основные узлы компьютера

Комплекс нескольких логических схем и элементов памяти, создающих выходные сигналы, является узлом ПК. Абсолютно все компьютерные программы или игры имеют требования к основным характеристикам для корректной работы. Все узлы компьютера должны быть максимально совместимы друг с другом. В противном случае работать в программах будет некомфортно.

К перечню подобных узлов системного блока обычно относят:

  1. Процессор – основополагающий элемент всего функционала компьютера;
  2. Системная плата, ее еще называют «материнской»;
  3. Блок питания – необходим для энергоснабжения ПК;
  4. Жесткий диск – хранилище информации на ПК или ноутбуке;
  5. Оптический привод – устройство для чтения с внешних носителей, который редко встречается на новейших системах;
  6. Разъемы для подключаемых устройств.

Классическая архитектура

Классическую концепцию построения компьютера по готовой логической схеме предложил математик Нейман в 1945 году.

В ходе обсуждений и в рамках проектирования компьютера EDVAC было решено использовать память для хранения ряда инструкций и данных.

Принципиально новая концепция Джона фон Неймана стала общепринятым стандартом и основой не для одного поколения персональных компьютеров. Главный ее принцип заключен в наличии пяти важных компонентов:

  1. Блока арифметики и логики;
  2. Управленческого устройства;
  3. Оперативного блока;
  4. Внешнего блока памяти;
  5. Устройства, предназначенного для вывода и ввода информации.

  Как поиграть по сети в Майнкрафт или другую сетевую игру

В условиях данной схемы функционирования, должен прослеживаться определенный алгоритм.

Если в память ПК направляются данные для обработки из какой-либо программы, то потом они должны выводиться при помощи наружного устройства.

После, управляющее устройство должно проанализировать полученную информацию и отправить на дальнейшее выполнение. Возможно придется задействовать другие составляющие ПК.

Современные тенденции развития архитектуры персонального компьютера

В современных персональных компьютерах архитектура характеризуется наличием контроллеров. Их появление – это итог пересмотра классической концепции. Теперь микропроцессор берет на себя функцию обмена данными с внешними устройствами.

Производители смогли отделить микропроцессор от многофункционального компонента при помощи обнаруженных особенностей интегральных схем. Так возникли разные каналы обмена, в том числе и периферийные микросхемы, позднее их стали называть контроллерами.

Сегодня подобные аппаратные компоненты в компьютерах научились управлять практически любым оборудованием.

Новейшие архитектуры ПК преимущественно используют шины. Эти каналы связи обеспечивают взаимодействие всех аппаратных элементов и обычно выглядят как электрическое соединение с проводниками. В ее структуру могут включаться специализированные модули, которые отвечают за различные функции.

Графически архитектура современного компьютера выглядит так:

Архитектура IBM

Такой тип как открытая архитектура позволяет свободно подключать любую периферию к компьютеру. Достигнуто это благодаря использовании информационной шины (ее объем можно узнать из характеристик материнской платы). Она позволила производителям периферийного оборудования разработать контроллеры для любых стандартов.

Управление системой осуществляется непосредственно процессором. Под его же управлением находятся информационная шина. Современный принцип открытой архитектуры ПК подразумевает наличие функциональных и центральных контроллеров.

Функциональные контроллеры обеспечивают подключение модема, мыши, клавиатуры и принтера.

Архитектура IBM предоставляет собой набор инструкции по созданию приложений в облаке. Эталоном считается базовый шаблон в то время как реализация – это определенные технологии, методы и выбор инструмента для создания и развертывания этого шаблона.

  6 электромобилей, которые вы и в самом деле можете себе позволить

Многопроцессорная архитектура

Архитектура по типу МВС (многопроцессорных вычислительных систем) включает в себя несколько самостоятельных ЭВМ, каждая из которых имеет свой собственный набор периферийных устройств, оперативную память, процессор и управляется своей операционной системой. Различают три вида связи между ними: слабую (косвенную), прямую и сателлитную.

https://www.youtube.com/watch?v=CsSPFYzh4wMu0026t=189s

В косвенно-связанных системах машины связаны только внешним запоминающим устройством.

При этом каждая ЭВМ, согласно своим программам, помещает информацию на внешнее запоминающее устройство, а другая, руководствуясь собственной программой, извлекает ее.

Такая связь используется для повышения надежности комплекса путем создания резервных вычислительных машин, которые при необходимости возьмут на себя задачи основной ЭВМ.

Прямосвязанные МВС обладают особенной гибкостью поскольку могут связываться между собой через общее запоминающее устройство, напрямую от процессора к процессору и через адаптер. Связь осуществляется на информационно-командном уровне, но более эффективно.

Для сателлитных систем свойственно опираться не на способ связи, а на принцип взаимодействия ЭВМ. Но в тоже время структура связи не отличается от предыдущих.

ЭВМ с несколькими процессорами способны организовать множество потоков данных и команд, а несколько фрагментов одной задачи выполнять параллельно.

Таким образом создание различных архитектур вызвано растущими потребностями человека – скоростью, эффективностью и мобильностью.

Архитектура персонального компьютера: понятие и принципы работы

Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития
Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития

В повседневное использование всё чаще входит понятие «архитектура персонального компьютера», но что оно в себя включает? По факту, это – функциональная система, которая сочетает в себе структурные элементы персонального компьютера (начиная от логических узлов и заканчивая схемами) и его программное обеспечение.

В основе работы современных компьютеров лежит программное управление, которое является базовым принципом их работы. Архитектура компьютера актуализируется в результате создания связей между частями компьютера, а именно – между логическими узлами и другими устройствами. Так, к логическим уздам можно отнести как оперативное запоминающее устройство, так и внешние, и периферийные устройства.

Истоки

Одной из первых появилась в середине прошлого века классическая архитектура персонального компьютера, авторство которой принадлежит Д. Нейману. В статье, изданной Д. Нейманом, Г. Голдштейном и А.

Бёрксом были изложены основы конструкции и работы ЭВМ, благодаря этим знаниям и появились новые устройства, которые к нашему времени стали повсеместно доступны и распространены.

Конечно, каждый новый выпуск устройств отличался от предыдущего: его характеристики улучшались, модифицировались, добавлялись новые функции, но основа, которой являются сформулированные принципы, оставалась неизменной.

Данные принципы заключаются в следующем:

  1. Машинам гораздо проще использовать двоичный код счисления и руководствоваться им при выполнении различных операций.
  2. Для корректной и системной работы компьютера, ему необходима операционная система. Она служит некой главной программой, которая запускает и контролирует внутренние процессы устройства. Без открытия этого факта, было бы невозможным развитие программирования, так как операционная система в современных компьютерах является базисом его работы.
  3. У персонального компьютера есть память, которая позволяет хранить какой-то объём данных, включая различные программы. При этом все данные и произведённые с ними операции кодируются в двоичном коде.
  4. Благодаря тому, что каждая ячейка памяти имеет свой адрес, компьютер в любой момент времени может обратиться к какой-то из них. Данное открытие позволило программированию перейти к использованию переменных.
  5. Любая часть кода доступна практически в любой момент. Это доказывается тем, что при использовании какой-либо программы, пользователь имеет возможность перейти к использованию другой. Причём эти процессы происходят параллельно друг другу.

особенность заключается в том, что аппаратура остаётся статичной, в то время как набор программ может меняться.

Структура персонального компьютера, предложенная Д. Нейманом, изображена на данной схеме (рис. 1).

Рисунок 1. Структура персонального компьютера

Таким образом, в состав компьютера входили такие части как внешнее и оперативное запоминающее устройство, устройство ввода, устройство вывода, устройство управления (координация) и устройство выполнения арифметико-логических операций.

Последовательность работы компьютера

  • В запоминающее устройство вводились данные и программы.
  • Через устройство арифметико-логических операций проходили данные из запоминающего устройства. Запись в память происходила посредством последовательных команд, направляющих содержимое в ячейки, чего не сказать о данных обработки, которые направлялись в ячейки произвольно.
  • Из арифметико-логического устройства результаты обработки переходят в запоминающее устройство, если информацию сохраняют, или в устройство вывода, если её нужно распространить. Особенность здесь заключается в том, что все команды кодируются в понятном для компьютера формате, а когда происходит вывод информации, она становится пригодной для использования человеком, и понятна ему без дешифровки.
  • Команда для компьютера заключается в том, что необходимо установить связь между запросом пользователя и адресом ячейки. Таким образом реализуется определённая операция, которая проводит эту связь и записывает результат, в зависимости от запроса, в определённую ячейку. Затем эта память остаётся на хранение в запоминающем устройстве.
  • В управляющем устройстве содержится ячейка, которая позволяет В случае с управляющим устройством, команды могут быть двух видов – поступающие от управляющего устройства и получаемые управляющим устройством результаты команд. После обработки команды управляющего устройства, содержимое ячеек помещается в регистр команд, что даёт ему возможность зафиксировать процессы, проходящие в памяти и проконтролировать их. Тем не менее, все операции на этом этапе переходят в компетенции арифметико-логических операций и аппаратных средств.
  • Затем счётчик команд увеличивает показатели на 1 соответствующе и прописывается новая команда. При этом возможен переход из определённой ячейки в конкретно отведённую, то есть в командах есть последовательность.

Архитектура современных компьютеров: структура и принципы работы

В качестве основополагающего условия работы персональных компьютеров в наше время можно назвать работу по магистрально-модульному принципу. Это реализуется за счёт того, что персональный компьютер состоит из модулей, каждый из которых является самобытной единицей. К таковым можно отнести, например, принтер или даже процессор.

Архитектура современного компьютера позволяет компоновать аппаратуру и делать самостоятельный выбор в пользу использования тех или иных средств – она открыта и предполагает возможность встраивания в систему дополнительных средств для достижения установленных целей и реализации задач.

Установленный принцип позволяет пользователю самостоятельно определять комплектацию своих устройств и даже самостоятельно обновлять их. Магистральный аспект позволяет качественно и своевременно обмениваться информацией при помощи установления связей, за что отвечает магистральная шина.

Она представляет собой элемент, располагающийся на материнской плате.

Примечание 1
Принципа архитектуры компьютера постоянно усовершенствуется для того, чтобы иметь возможность устанавливать всё новые и новые связи, при этом делать это быстро, мобильно и качественно.

Современные потоки информации предполагают совершенствование аппаратных средств.

Все команды компьютера реализуются за счёт средств системной памяти, поэтому в связке с процессором, ускорение процесса обмена информацией между элементами компьютера, приводит к ускорению работы компьютера, в целом.

Однако существует одна важная деталь: чтобы эти процессы проходили быстрее, необходимо учитывать скоростные возможности магистрали. Как же решить эту задачу? Решение нашлось. Чтобы ускорение стало возможным, необходимо подключить системную память не к магистрали, а к высокоскоростной шине. В связи с особенностями работы этого элемента, обмен будет реализовываться проще и быстрее.

Таким образом, использование компьютера с магистралью сходит на нет и на смену ему приходит компьютер с шиной, а затем – с тремя шинами. Что мы и имеем на данный момент времени.

Рисунок 2. Трехшинная структура ПК

Процессор в современных компьютерах состоит из управляющего устройства и арифметико-логического устройства. Если спустится ещё на один структурный уровень, то структуру процессора, в частности, составляют интегральные схемы. В зависимости от количества этих схем, можно говорить о микропроцессорах или микропроцессорных комплектах.

Многопроцессорная архитектура ПК: особенности и нюансы

Если в компьютере несколько процессоров, то его работа выглядит следующим образом – много различных потоков информации реализуются одновременно. Конечно, такие компьютеры имеют преимущества перед компьютерами с одним процессором.

Рисунок 3. Архитектура многопроцессорного ПК

Устройство компьютера: архитектура с параллельными процессорами

В такой архитектуре работает одно управляющее устройство, но под его управлением находятся несколько арифметико-логических устройств. Это подразумевает то, что команд много, но все они обрабатываются аналогичным образом.

Рисунок 4. Архитектура с параллельным процессором

05 – Архитектура персонального компьютераТема 3 – Общие принципы организации архитектуры компьютера Краткий конспект

Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития
адаптер, архитектура компьютера, архитектура с параллельными процессорами.

, интерфейс, классическая архитектура, контролер, машина фон Неймана, многомашинная вычислительная система, многопроцессорная архитектура, персональный компьютер, порт, структура компьютера

В основу строения подавляющего большинства компьютеров положены общие принципы, которые были сформулированы в 1945 году. Д.

 фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей общей статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В следствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. Основные тезисы этих принципов изложены ниже:

  • Использование двоичной системы исчисления в вычислительных машинах.
  • Программное управление ЭВМ. 
  • Выборка программы по памяти осуществляется с помощью счетчика команд. 
  • Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. 
  • Принцип адресности: элементы памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. 
  • Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. 

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, которые принципиально отличаются от последних.

Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, то есть они могут работать без “счетчика команд”, который указывает текущую выполняемую команду программы.

Для обращения к какой-нибудь переменной, что хранится в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

3.2 Принцип работы машины фон Неймана

Машина фон Неймана  – устройство, которое состоит из запоминающего устройства (памяти) ‒ ЗУ, арифметико-логического устройства ‒ АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода (рис. 3.1).

Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние элементы памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных каморках. В любой программе последняя команда должна быть командой завершения работы.

Рисунок 3.1 – Схема машины фон Неймана

Команда состоит из указания, какую операцию нужно выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов элементов памяти, где хранятся данные, над которыми нужно выполнить указанную операцию, а также адреса ячеек, куда нужно записать результат (если его нужно сохранить в ЗУ).

Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными.

Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное отличие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройстве вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку.

УУ руководит всеми частями компьютера. От устройства, которое управляет, на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии.

Устройство, которое управляет, содержит специальный регистр, который называется «Счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы.

УУ прочитывает из памяти содержимое элемента памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство – «Регистр команд».

УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.

3.3 Архитектура и структура ПК

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, который включает описание предназначенных для пользователя возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и так далее.

Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств.

Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые разные устройства – от основных логических узлов компьютера до простых схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Наиболее распространенными есть такие архитектурные решения (рис. 3.2):

Рисунок 3.2 – Существующие типы архитектур компьютеров

Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) – одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд – программа. Это однопроцессорный компьютер.

Контролер – устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы 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, которая имеет общую оперативную память и несколько процессоров, представленная на рис.3.2.

Многомашинная вычислительная система -несколько процессоров, которые входят в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется довольно широко.

Однако эффект от употребления такой вычислительной системы может быть получен лишь при решении задач, которые имеют очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.

Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это значит, что множество данных может обрабатываться одной программой – то есть по одним потоком команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить лишь на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на разных однотипных наборах данных.

3.4 Строение компьютера

Персональным компьютером (ПК) называют сравнительно недорогой универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя. Персональные компьютеры по обыкновению проецируются на основе принципа открытой архитектуры.

Принцип открытой архитектуры состоит в следующем:

  • регламентируются и стандартизируются лишь описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собрать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-производителями;
  • компьютер легко расширяется и модернизируется за счет наличия внутренних расширяющих гнезд, в которые пользователь может вставлять всяческие устройства, которые удовлетворяют заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины согласно своим личным преимуществам.

Упрощенная блок-схема, которая отображает основные функциональные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи, представлена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – Общая структура персонального компьютера

Интерфейс – это средство согласования двух приборов, в которых все физические и логические параметры соглашаются между собой.

Если интерфейс есть общепринятым, например, утвержденным на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.

Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связанный с шиной определенного типа – адресной, управляющей или шиной данных.

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не непосредственно, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты приблизительно по такой схеме (рис. 3.4):

Рисунок 3.4 – Схема подключения прибора к шины

Контролерами и адаптерами являются наборы электронных цепей, которыми обеспечиваются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контролеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Портами называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы). Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами – побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно

Принципы открытой архитектуры: как персональные компьютеры стали массовым явлением

Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития

Расцветом эпохи компьютеростроения считается переход от производства больших электронно-вычислительных машин к развитию сегмента микрокомпьютеров, или, как принято их сейчас называть, ПК.

Ассортиментом современных “персоналок” пользователи во многом обязаны компании IBM и принципам открытой архитектуры, которыми руководствовались ее разработчики при создании культового IBM PC.

Домашние компьютеры, какими их привыкли видеть теперь, унаследовали эту концепцию и обрели мировую популярность, перестав быть достоянием энтузиастов в сфере электроники и программирования. Так в чем заключается принцип открытой архитектуры?

Предпосылки: архитектурная открытость ЭВМ

Период 60-70-х годов в мире вычислительной техники ознаменовался возникновением электронно-вычислительных машин третьей волны. Тогда индустрия впервые перешла от создания единичных моделей ЭВМ к наладке серийного производства. Безусловным лидером на рынке считалась корпорация International Business Machines.

Представленная ею в 1964 году серия мейнфреймов System/360 стала поистине революционным решением. В нее вошли 6 универсальных компьютеров, отличающихся по стоимости и мощности. Главное отличие от ряда конкурирующих экземпляров – взаимная совместимость.

Программы или устройства ввода-вывода одного компьютера запускались и на других продуктах серии.

Раньше подход к созданию продукции отличался: каждая модель разрабатывалась с нуля – со своим процессором, написанными под него программами и конкретным пакетом периферийных устройств.

Это затрудняло обмен данными между машинами разных моделей и влекло затраты, связанные с несовместимостью. Концепция, предложенная IBM, призывала утвердить некий стандарт и сократить расходы на обслуживание малосовместимых ЭВМ.

Позднее такая унификация привела к созданию комплементарных модулей, выпускаемых другими фирмами.

До этого пользователи ограничивались стандартными конфигурациями вычислительной техники. Впоследствии же ее модифицировали согласно личным нуждам для решения большего количества задач, нежели заложено заводскими предустановками. Модульность и техническая совместимость стали основой принципа открытой архитектуры компьютера.

Первый микрокомпьютер на открытой архитектуре

У любителей-радиоэлектронщиков ЭВМ вызывали досаду: стоили дорого, использовались только организациями, а люди, обслуживавшие такие машины, считались избранными.

Это привело к тому, что в среде энтузиастов предпринимались попытки «спаять» собственный компьютер. Но владения практическими навыками в сборке было недостаточно.

Требовались по меньшей мере базовые знания программных языков, чтобы «завести» собранную машину.

Ключевым поворотом в истории, давшим импульс эпохе персональных ЭВМ, стала разработка микрокомпьютера Altair-8800 компанией MITS в 1974 году. Модель представляла собой набор печатных плат, заключенный в пластиковую коробку с переключателями и лампочками. Не было ни монитора, ни клавиатуры, столь привычных в нынешнем понимании.

Но для общественности эта модель представляла немалый интерес, поскольку продавалась как в собранном виде, так и в комплектах деталей. Такой конструктор сопровождался инструкцией и техпаспортом. Политика производителя по разглашению этой информации и предоставлению возможности самостоятельной сборки воплощала принцип открытой архитектуры компьютера.

Что было дальше?

IBM PC как стандарт принципов открытой архитектуры

Спустя шесть лет после дебюта «Альтаира» мир увидел IBM PC, ставший заключительным этапом в формировании понятия «персональный компьютер». Видя, как рынок микрокомпьютеров стремительно заполняют конкуренты вроде Apple и Commodore, руководство IBM решило не упускать шанс и спроектировать собственную персоналку.

Прежде компания производила необходимые комплектующие, не прибегая к помощи третьих лиц. Однако на этот раз времени на разработку не хватало – IBM рисковала опоздать и не запрыгнуть в уходящий поезд.

Поэтому корпорация назначила команду, отвечавшую за поиск новых высокопроизводительных деталей, которые только предлагал рынок микроэлектроники того времени.

Так, за процессором обратились к Intel, операционную систему предложила еще только развивающаяся фирма Microsoft, принтер взят у Epson, а монитор – у IBM Japan. Корпоративными усилиями создана только клавиатура и конечная комплектация.

В модель изначально закладывалась идея апгрейда. Конкурентную продукцию в большинстве представляли статичные машины, подверженные неизменному устареванию.

Тогда как этот PC предусматривал наращивание производительности.

Кроме того, наработки оказались доступными для желающих, что дало сторонним фирмам право на изготовление системных и периферийных устройств без необходимости покупки лицензии.

Стандартизация комплектующих, открытое лицензирование и свободное замещение деталей раскрыли суть принципа открытой архитектуры, породив настоящий бум персональных компьютеров. С тех пор аббревиатура ПК ассоциировалась с IBM-PC-совместимыми микрокомпьютерами. В похожем контексте этот термин употребляется по сей день.

Наше время

Ассортимент персональных компьютеров представлен преимущественно ПК с открытой архитектурой. Их владельцы вправе собственноручно модифицировать программную и аппаратную часть. К числу популярных марок относят:

  • Acer;
  • ASUS;
  • Dell;
  • Hewlett-Packard;
  • Lenovo.

Компьютеры Apple, напротив, представляют закрытый тип архитектуры. Компания сама создает компоненты и ПО, так что улучшить Mac рядовому юзеру не представляется возможным.

Наряду с завышенной стоимостью это считается недостатком, который, впрочем, компенсируется гарантией качества продукции. Архитектурная открытость хоть и предполагает наличие некоторых уязвимостей, но не представляет угрозы при грамотной эксплуатации.

Взамен же владелец получает простор для модификаций и волен персонализировать ПК, опираясь на личные цели и предпочтения.

Архитектура персонального компьютера

Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития

Классическая архитектура фон Неймана

Архитектура современных ПК

Многопроцессорная архитектура ПК

Многомашинная вычислительная система

Архитектура с параллельными процессорами

Архитектурой ПК (персонального компьютера) принято называть совокупность структуры, отражающей состав и обслуживающее ПО. Структурой называется комплекс функциональных систем ПК и их связующих элементов.

Особенности архитектуры являются определяющими факторами при рассмотрении принципов действия ПК, программно-информационных связей и последовательности соединения всех узлов логики компьютера.

К узлам логики относят: ОЗУ (оперативная память), ЦП (центральный процессор), внешнее устройство памяти (жесткий диск), графический модуль (видеокарта), периферийные модули.

Основным, принципиальным элементом архитектуры любого ПК, являются блоки программного управления.

Классическая архитектура фон Неймана

Группа ученых, в составе которой были американцы Г.Голдштейн, Дж. фон Нейман и А. Беркс, в 1946 году провели колоссальную работу по разработке новых принципов и архитектуры ЭВМ.

Работа математиков легла в основу при создании компьютеров первого и второго поколений.

Принципы фон Неймана были сохранены, хоть и существенно видоизменились, во время работ по созданию машин следующих поколений.

Основные принципы фон Неймана:

Интеграция методов двоичного счисления позволила упростить работу устройств и сделать ее выполнение гораздо быстрее, чем это было при использовании десятичной системы.

Программное управление ПК

Функционал ПК зависит от исправной работы программного обеспечения. Программа, управляющая компьютерной системой представляет собой набор последовательно исполняющихся команд.

Проблема низких показателей быстродействия, актуальная для ранних ПК, была решена интеграцией модуля памяти, применяемого для записи программных данных. Кодированные в двоичной системе данные и командные коды, расположены в пронумерованных адресных блоках.

Возможность быстрого доступа к адресной ячейки сделало возможной работу в переменных программных средах.

Условный переход при исполнении программы

По умолчанию программные компоненты имеют последовательную модель исполнения, но существует возможность реализации перехода к любому месту кода. Главным преимуществом подобного механизма стало превращение программного продукта из постоянной величины в изменяемую, аппаратная же часть осталась статичной и достаточно простой.

Фон Нейман предложил собственную структура персонального компьютера (рис. 1).

Рис. 1.

Структура ПК

В состав ПК предложенного математиком входили:

  • Устройство памяти или ЗУ;
  • Устройство исполнения арифметико-логических задач или АЛУ;
  • Управляющее устройство (УУ) задействованное в работе по координации работы узловых элементов ПК;
  • Периферийные устройства ввода/вывода.

В данной модели ПК любой тип данных вводится в устройство запоминания опосредованно через АЛУ посредствам устройств ввода/вывода. Программные команды фиксируются последовательно в блоках памяти, тогда как обрабатываемые данные записываются в блоках произвольно.

Простейшая команда содержала в себе информацию об операции требующей выполнения и адресов памяти, хранящей данные требуемые для выполнения данной операции. Кроме этого в команде прописывались адреса блоков памяти доступных для сохранения результата выполнения команды.

Арифметико-логическое устройство выводило обработанные данные в устройство запоминания или в выводное устройство.

Существенным отличием систем подобного рода является форма данных удобная для сохранения и обработки, а также для восприятия человека при передачи на устройство вывода (печатающее устройство или монитор).

Устройство управление одного компьютера способно взаимодействовать с аналогичным компонентом другого ПК, получая и передавая информацию. Адрес первой команды ПК записывается в регистре УУ, регистрируясь счетчиком.

После записи устройство управления осуществляет считывание памяти и перемещает содержимое заданной ячейки в командный регистр. Следующей операцией является определение командной операции и «выставление отметки» о ней в ячейке памяти, также регистрируются адреса и командные данные.

В ходе текущих операций происходит контроль выполняемой команды.

Выполнение операции осуществляется аппаратная оснастка компьютера или АЛУ. По завершению выполнения команд значение счетчика увеличивается на единицу, что является сигналом для запуска следующей команды. При необходимости запуска команд без стандартной очередности, запускается команда переадресации, содержащая целевой адрес ячейки запуска управляющей команды.

Архитектура современных ПК

Современные компьютеры имеют магистрально-модульный тип архитектуры, то есть состоят из относительно самостоятельных компонентов, связанных между собой через ЦП.

Принцип модульности позволяет осуществлять произвольную комплектацию ПК устанавливая совместимые компоненты. Кроме этого современные ПК имеют возможность модернизации и улучшения.

В данной системе функционирует магистральный тип обмена информацией. Для обеспечения взаимосвязи компонентов ПК используется магистральная шина, располагаемая на материнской плате в виде печатной платы.

Преимуществом подобного вида ПК является возможность добавления или замены комплектующих.

Благодаря принципиальным переменам в архитектуре ПК произошло значительное повышение скорости обработки и обмена информации.

Считываемая информация хранится в системной памяти, что позволяет работать напрямую с ЦП и значительно ускоряет работу ПК в целом.

Максимум быстродействия ограничен скоростью обработки данных самой магистрали, чем выше данный показатель, тем выше скорость работы ПК в целом.

Для решения вопроса предпринято следующее:

  • Системная память напрямую (без буферов) подключается к шине, вместо магистрали, что избавляет ПК от проблем со скоростью обмена данных. Данное решение актуализировалось максимально с выходом высокопроизводительных ПК. Новшества привели к существенным изменением архитектуры и замене одношинных ПК трехшинными.
  • Рис. 2.

  • Логическое и управленческое устройство ПК нового поколения, являются компонентами центрального процессора, формируя его как единицу. В сущности, микропроцессор — это совокупность интегральных схем.

Многопроцессорная архитектура ПК

Существуют компьютеры с несколькими процессорами, работающими параллельно. Такие ПК называются многопроцессорными и используются при необходимости обработать очень большой объем информации за максимально короткое время.

Рис. 3.

Многомашинная вычислительная система

В отличие от многопроцессорных ПК, имеющих единый канал оперативной памяти, в многомашинных ПК, каждому процессору доступен свой блок ОЗУ.

Эффективность подобных систем проявляется при выполнении сложных задач, требующих работы специальной структуры с тем количеством ПК, сколько подзадач необходимо выполнить.

Комплексы с несколькими процессорами или многомашинные системы значительно отличаются от «обычных» ПК по показателю быстродействия.

Архитектура с параллельными процессорами

Подобная система работает под управлением одного УУ, взаимодействующего с несколькими АЛУ. Подобный принцип позволяет обрабатывать большой объем информации в одном потоке. Актуален данный принцип только при выполнении однотипных задач с различным набором данных.

Рис. 4.

В настоящее время встречаются более сложные архитектурные решения, а также вариации ПК, в которых применяется несколько классических архитектурных принципов.

Просто напишите, с чем нужна помощьМне нужна помощь

Процессор и его компоненты

Системное программное обеспечение

Архитектура компьютера – что это такое, основные характеристики ПК, современные тенденции развития, назначение шин, состав ЭВМ

Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития

Компьютерная архитектура (computer architecture) – это разработанный Джоном фон Нейманом набор правил и методов описания функций, которые участвуют в организации работы компьютерных систем. Впервые документальное упоминание данного термина найдено в переписке английского ученого Чарльза Бэббиджа с писательницей и математиком Адой Лавлейс в первой половине ХХ века.

Понятие архитектуры персонального компьютера (ПК) дает нам представление о том, как он устроен, как разные устройства взаимодействуют друг с другом. Они подсоединяются по определенной схеме, а ее вариации и будут разновидностями архитектурных систем.

Любой современный персональный компьютер или ноутбук – это сложное многофункциональное устройство, а не просто мультиплатформенная игровая приставка. Всего можно выделить пять уровней архитектуры электронно вычислительных машин (ЭВМ):

  • нулевой уровень;
  • первый уровень – микроархитектура компьютера;
  • второй – системные команды;
  • третий – операционная система;
  • четвертый – прикладные и системные программы;
  • пятый – уровень высокого языка.

Основные узлы компьютера

Комплекс нескольких логических схем и элементов памяти, создающих выходные сигналы, является узлом ПК. Абсолютно все компьютерные программы или игры имеют требования к основным характеристикам для корректной работы. Все узлы компьютера должны быть максимально совместимы друг с другом. В противном случае работать в программах будет некомфортно.

К перечню подобных узлов системного блока обычно относят:

  1. Процессор – основополагающий элемент всего функционала компьютера;
  2. Системная плата, ее еще называют «материнской»;
  3. Блок питания – необходим для энергоснабжения ПК;
  4. Жесткий диск – хранилище информации на ПК или ноутбуке;
  5. Оптический привод – устройство для чтения с внешних носителей, который редко встречается на новейших системах;
  6. Разъемы для подключаемых устройств.

Классическая архитектура

Классическую концепцию построения компьютера по готовой логической схеме предложил математик Нейман в 1945 году.

В ходе обсуждений и в рамках проектирования компьютера EDVAC было решено использовать память для хранения ряда инструкций и данных.

Принципиально новая концепция Джона фон Неймана стала общепринятым стандартом и основой не для одного поколения персональных компьютеров. Главный ее принцип заключен в наличии пяти важных компонентов:

  1. Блока арифметики и логики;
  2. Управленческого устройства;
  3. Оперативного блока;
  4. Внешнего блока памяти;
  5. Устройства, предназначенного для вывода и ввода информации.

  Как поиграть по сети в Майнкрафт или другую сетевую игру

В условиях данной схемы функционирования, должен прослеживаться определенный алгоритм.

Если в память ПК направляются данные для обработки из какой-либо программы, то потом они должны выводиться при помощи наружного устройства.

После, управляющее устройство должно проанализировать полученную информацию и отправить на дальнейшее выполнение. Возможно придется задействовать другие составляющие ПК.

Современные тенденции развития архитектуры персонального компьютера

В современных персональных компьютерах архитектура характеризуется наличием контроллеров. Их появление – это итог пересмотра классической концепции. Теперь микропроцессор берет на себя функцию обмена данными с внешними устройствами.

Производители смогли отделить микропроцессор от многофункционального компонента при помощи обнаруженных особенностей интегральных схем. Так возникли разные каналы обмена, в том числе и периферийные микросхемы, позднее их стали называть контроллерами.

Сегодня подобные аппаратные компоненты в компьютерах научились управлять практически любым оборудованием.

Новейшие архитектуры ПК преимущественно используют шины. Эти каналы связи обеспечивают взаимодействие всех аппаратных элементов и обычно выглядят как электрическое соединение с проводниками. В ее структуру могут включаться специализированные модули, которые отвечают за различные функции.

Графически архитектура современного компьютера выглядит так:

Архитектура IBM

Такой тип как открытая архитектура позволяет свободно подключать любую периферию к компьютеру. Достигнуто это благодаря использовании информационной шины (ее объем можно узнать из характеристик материнской платы). Она позволила производителям периферийного оборудования разработать контроллеры для любых стандартов.

Управление системой осуществляется непосредственно процессором. Под его же управлением находятся информационная шина. Современный принцип открытой архитектуры ПК подразумевает наличие функциональных и центральных контроллеров.

Функциональные контроллеры обеспечивают подключение модема, мыши, клавиатуры и принтера.

Архитектура IBM предоставляет собой набор инструкции по созданию приложений в облаке. Эталоном считается базовый шаблон в то время как реализация – это определенные технологии, методы и выбор инструмента для создания и развертывания этого шаблона.

  6 электромобилей, которые вы и в самом деле можете себе позволить

Многопроцессорная архитектура

Архитектура по типу МВС (многопроцессорных вычислительных систем) включает в себя несколько самостоятельных ЭВМ, каждая из которых имеет свой собственный набор периферийных устройств, оперативную память, процессор и управляется своей операционной системой. Различают три вида связи между ними: слабую (косвенную), прямую и сателлитную.

https://www.youtube.com/watch?v=CsSPFYzh4wMu0026t=189s

В косвенно-связанных системах машины связаны только внешним запоминающим устройством.

При этом каждая ЭВМ, согласно своим программам, помещает информацию на внешнее запоминающее устройство, а другая, руководствуясь собственной программой, извлекает ее.

Такая связь используется для повышения надежности комплекса путем создания резервных вычислительных машин, которые при необходимости возьмут на себя задачи основной ЭВМ.

Прямосвязанные МВС обладают особенной гибкостью поскольку могут связываться между собой через общее запоминающее устройство, напрямую от процессора к процессору и через адаптер. Связь осуществляется на информационно-командном уровне, но более эффективно.

Для сателлитных систем свойственно опираться не на способ связи, а на принцип взаимодействия ЭВМ. Но в тоже время структура связи не отличается от предыдущих.

ЭВМ с несколькими процессорами способны организовать множество потоков данных и команд, а несколько фрагментов одной задачи выполнять параллельно.

Таким образом создание различных архитектур вызвано растущими потребностями человека – скоростью, эффективностью и мобильностью.

Архитектура современных компьютеров

Комп-мастер
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: