Классическая архитектура

   На разных этапах развития техники и технологии компьютеры назывались по-разному: арифметическо-логическое устройство. (АЛУ), программируемое электронно-вычислительное устройство (ПЭВМ или ЭВМ), вычислительная машина, компьютер.

   Основные принципы построения логической схемы и структура вычислительной машины, изложенные выдающимся математиком Джоном фон Нейманом, реализованы в первых двух (трех) поколениях ЭВМ.

   Необходимо отметить огромную роль американского математика фон Неймана в становлении техники первого поколения. В отчете фон Неймана и его коллег Г. Голдстайна и А.Беркса (июнь 1946 года) были четко сформулированы требования к структуре компьютеров. Отметим важнейшие из них:

• машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления;
• программа, как и исходные данные, должна размещаться в памяти машины;
• программа, как и числа, должна записываться в двоичном коде;
• трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем, требуют иерархической организации памяти (то есть выделения оперативной, промежуточной и долговременной памяти);
• арифметическое устройство (процессор) конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения; создание специальных устройств для выполнения других арифметических и иных операций нецелесообразно;
• в машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над числами производятся одновременно по всем разрядам).

   Практически все рекомендации фон Неймана впоследствии использовались в машинах первых двух поколений, их совокупность получила название «архитектура фон Неймана». Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 году английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 года Джон фон Нейман.

   В докладе были утверждены следующие принципы:

1. Принцип программного управления (программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определённой последовательности).
2. Принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными).
3. Принцип адресности (основная память структурно состоит из нумерованных ячеек).

   Классическая архитектура ЭВМ, построенная по принципу фон Неймана (фон-неймановская архитектура) и реализованная в вычислительных машинах двух (трех) поколений, представлена ниже и содержит следующие основные блоки:

• арифметическо-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции;
• управляющее устройство (УУ), организующее процесс выполнения программ;
• внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), или память, для хранения программ и данных;
• оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
• устройства ввода и вывода информации (УВВ).

   Появление ЭВМ третьего поколения было обусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам. В них не только были значительно уменьшены размеры базовых функциональных узлов, но и появилась возможность существенно повысить быстродействие процессора. При этом возникло противоречие между высокой скоростью обмена информацией внутри ЭВМ и медленной работой устройств ввода/вывода. Решение проблемы было найдено путем освобождения центрального процессора от функций обмена и передачей их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы имели различные названия: каналы обмена, процессоры ввода/вывода, периферийные процессоры. В последнее время все чаще используется термин «контроллер внешнего устройства», или «контроллер».

   Контроллер можно представить как специализированный процессор, управляющий работой какого-либо внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Например, контроллер дисковода (накопителя на магнитных дисках) обеспечивает позиционирование головки, чтение или запись информации. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором. CPU, в свою очередь, выдает задание на выполнение контроллеру. Дальнейший обмен информацией может происходить под руководством контроллера, без участия CPU. Наличие таких интеллектуальных контроллеров — внешних устройств стало важной отличительной чертой ЭВМ третьего и четвертого поколений.

   Шинная архитектура ЭВМ, содержащей интеллектуальные контроллеры (К), представлена на рисунке ниже.

   Для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая магистраль — шина, состоящая из трех частей: шины данных, шины адреса и шины управления.

   Следует отметить, что в некоторых моделях компьютеров шины данных и адреса объединены: на шину сначала выставляется ад¬рес, а потом данные. Сигналы по шине управления определяют, для какой цели используется шина в каждый конкретный момент.

   Такая открытость архитектуры ЭВМ позволяет пользователю свободно выбирать состав внешних устройств, т.е. конфигурировать компьютер.

   Современный компьютер включает в себя:

1. Системный блок
   • блок питания
   • корпус
   • материнская плата
   • процессор
   • жесткий диск
   • оперативная память
   • видеоадаптер
   • звуковой адаптер
   • приводы дисков
   • внутренний модем
   • ТВ/FM-тюнер
   • шлейфы, кабели для подключения и связи устройств между собой и т.д.
2. Монитор
3. Клавиатура
4. Мышь
5. Периферийные устройства

1. Классическая архитектура фон Неймана.
2. Шинная архитектура ЭВМ.

1. Краткая характеристика периферийных устройств компьютера