Факультет информационных технологий
Кафедра информатики
РЕФЕРАТ
Компьютерные вирусы
Содержание:
Оглавление
- Введение. 3
- Понятие архитектуры.. 4
3 . Общие принципы программного управления современной архитектуры.. 6
- Общие классификации компьютеров. 7
4.1 Классификация по назначению.. 7
4.2 Классификация по уровню специализации. 7
4.3 Классификация по размеру. 7
5.Классическая архитектура ЭВМ. Принципы фон Неймана. 8
- Гарвардская архитектура. 10
Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительным признаком которой является раздельное хранение и обработка команд и данных. Архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете. 10
В 30-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру ЭВМ для военно-морской артиллерии. Победила разработка Принстонского университета (более известная как архитектура фон Неймана, названная так по имени разработчика, первым предоставившего отчет об архитектуре), так как она была проще в реализации. Гарвардская архитектура использовалась советским учёным А. И. Китовым в М-100 (ВЦ-1 МО СССР, 1958. 11
Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие. 11
Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток — высокую стоимость. При разделении каналов передачи команд и данных на кристалле процессора последний должен иметь почти в два раза больше выводов (так как шины адреса и данных составляют основную часть выводов микропроцессора). Способом решения этой проблемы стала идея использовать общую шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой. 11
- Гибридные модификации с архитектурой фон Неймана. 11
Существуют гибридные модификации архитектур, сочетающие достоинства как Гарвардской, так и фон Неймановской архитектур. Современные CISC-процессоры обладают раздельной кэш-памятью 1-го уровня для инструкций и данных, что позволяет им за один такт получать одновременно как команду, так и данные для её выполнения, то есть процессорное ядро, формально, является гарвардским, но с программной точки зрения выглядит как фон Неймановское, что упрощает написание программ. Обычно в данных процессорах одна шина используется и для передачи команд, и для передачи данных, что упрощает конструкцию системы. Современные варианты таких процессоров могут иногда содержать встроенные контроллеры сразу нескольких разнотипных шин для работы с различными типами памяти — например, DDR RAM и Flash. Тем не менее, и в этом случае шины, как правило, используются и для передачи команд, и для передачи данных без разделения, что делает данные процессоры еще более близкими к фон Неймановской архитектуре при сохранении плюсов Гарвардской архитектуры. 11
- Классификация Флинна. 12
8.1 SISD.. 12
8.2 SIMD (ОКМД) 12
8.3 MISD (МКОД) 12
8.4 MIMD (МКМД) 13
Общий случай МПС, несколько потоков данных и команд. 13
- Классификация Шора. 13
9.1 SMP-архитектура. 13
9.2 PVP-архитектура. 13
9.3 MBC-архитектура. 13
9.4 NUMA-архитектура. 13
Non-Uniform Memory Access. Состав: однородные базовые модули, небольшое число процессоров и блок памяти. Модули объединяются между собой с помощью коммуникационной сети. Поддерживает единое адресное пространство. Аппаратно поддерживает доступ к удаленной памяти. Масштабируемость: Ограничена объемом адресного пространства, возможностями аппаратуры, возможностями ОС по управлению процессорами. Максимум – 256 процессоров. Обычно под управлением единой ОС. 13
- Совершенствование и развитие внутренней структуры ЭВМ. 14
- Основной цикл работы ЭВМ. 16
- Система команд ЭВМ... 17
- Структура машинной команды. 18
14.Типы интерфейсов. 19
- Заключение: 19
В настоящее время наибольшее распространение в ЭВМ получили 2 типа архитектуры: принстонская (неймановская) и гарвардская. Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных. 20
Внутренняя структура вычислительной техники постоянно совершенствовалась, и будет совершенствоваться. Вместе с тем, на данный момент подавляющее большинство существующих ЭВМ, несмотря на имеющиеся различия, по-прежнему состоит из одинаковых узлов и основано на общих принципах фон-неймановской архитектуры. 20
- Список литературы.. 20
- Введение. 4
- Понятие архитектуры.. 5
3 . Общие принципы программного управления современной архитектуры.. 7
- Общие классификации компьютеров. 8
4.1 Классификация по назначению.. 8
4.2 Классификация по уровню специализации. 8
4.3 Классификация по размеру. 8
5.Классическая архитектура ЭВМ. Принципы фон Неймана. 9
- Гарвардская архитектура. 11
- Гибридные модификации с архитектурой фон Неймана. 12
- Классификация Флинна. 13
8.1 SISD.. 13
8.2 SIMD (ОКМД) 13
8.3 MISD (МКОД) 13
8.4 MIMD (МКМД) 14
- Классификация Шора. 14
9.1 SMP-архитектура. 14
9.2 PVP-архитектура. 14
9.3 MBC-архитектура. 14
9.4 NUMA-архитектура. 14
- Совершенствование и развитие внутренней структуры ЭВМ. 15
- Основной цикл работы ЭВМ. 17
- Система команд ЭВМ... 18
- Структура машинной команды. 19
14.Типы интерфейсов. 20
- Заключение: 20
- Список литературы.. 21
вопрос
|
ваврианты |
приа |
ороп |
тмпра |
|
Количество ответи |
5 |
7 |
|
|
% |
|
|
Итого19 |
- Введение
Термин "архитектура" используется в популярной литературе по вычислительной технике достаточно часто. К сожалению, определение этого понятия и его содержание могут у разных авторов достаточно отличаться. Поэтому попробуем разобраться в этом вопросе более тщательно.
Начать целесообразно с происхождения термина. Слово "архитектура" в изначальном своем смысле используется в градостроении. Будучи достаточно сложной структурой, современный город состоит из районов, площадей, улиц, домов и т.п., расположенных определенным образом. Жителей города обычно мало интересует, как выглядит конкретный дом и из каких материалов он построен. Зато очень важно знать район, где этот дом расположен, улицы, ведущие к нему, и транспорт, пользуясь которым можно сократить время в пути.
Для того, чтобы ориентироваться в хитросплетении улиц и площадей, в любом городе существует исторически сложившаяся система названий, а также определенная нумерация домов. Наличие общепринятой адресации позволяет однозначно определить положение любого строения и в случае необходимости быстро отыскать его. Именно на существовании такой адресной системы построена работа почты.
Во многих случаях расположение улиц и присвоение им имен носит беспорядочный характер. В то же время бывает, что эта деятельность тщательно продумана и является продолжением общей планировки города, т.е. фактически частью его архитектуры. Классическим примером может служить известная система взаимно-перпендикулярных улиц (авеню и стриты) города Нью-Йорка. Используя аналогию с градостроительством, можно перенести термин в сферу информатики.
- Понятие архитектуры
С середины 60-х годов очень сильно изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо разработки аппаратуры и средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из синтеза аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на главный план выдвинулась концепция взаимодействия. Так возникло новое понятие — архитектура ЭВМ.
Под архитектурой ЭВМ принято понимать совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их основных характеристик, определяющая функциональные возможности вычислительной машины при решении соответствующих типов задач.
Это, прежде всего, основные устройства и блоки ЭВМ, а также структура связей между ними.
Однако описание внутренней структуры ЭВМ вовсе не является самоцелью: с точки зрения архитектуры представляют интерес лишь те связи и принципы, которые являются наиболее общими, присущими многим конкретным реализациям вычислительных машин.
Важно отметить, что целью такой общности в конечном счете служит вполне понятное стремление: все машины одного семейства независимо от их конкретного устройства и фирмы-производителя должны быть способны выполнять одну и ту же программу (на практике из-за постоянного роста вычислительной мощности техники чаще используется менее жесткий принцип совместимости снизу вверх: все программы данной модели выполнимы на более старших, но не обязательно наоборот.
Ниже - основной перечень тех наиболее общих принципов построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре:
- способы доступа к памяти и внешним устройствам;
- структура памяти ЭВМ;
- принципы программного управления;
- система команд;
- форматы данных;
- организация интерфейса;
- способ взаимодействия машин в сети
- разрядность;
В более подробное описание, определяющее конкретную архитектуру, также входят: организация и разрядность интерфейсов ЭВМ, набор и доступность регистров, орган, способы адресации, набор и формат машинных команд процессора, способы представления и форматы данных, правила обработки прерываний и многое другое
Суммируя все вышеизложенное, получаем следующее определение архитектуры: архитектура - это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов.
Архитектура вычислительной машины — концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.
В настоящее время наибольшее распространение в ЭВМ получили 2 типа архитектуры: принстонская (неймановская) и гарвардская. Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.
В более подробное описание, определяющее конкретную архитектуру, также входят: структурная схема ЭВМ, средства и способы доступа к элементам этой структурной схемы, организация и разрядность интерфейсов ЭВМ, набор и доступность регистров, организация памяти и способы её адресации, набор и формат машинных команд процессора, способы представления и форматы данных, правила обработки прерываний.
По перечисленным признакам и их сочетаниям среди архитектур выделяют:
- По разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-, 128- разрядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности);
- По особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW;
- По количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные;
- многопроцессорные по принципу взаимодействия с памятью: симметричные многопроцессорные (SMP), масcивно-параллельные (MPP), распределенные
3 . Общие принципы программного управления современной архитектуры
Современную архитектуру компьютера определяют следующие принципы:
Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера.
Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения.
Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.
На основании этих принципов можно утверждать, что современный компьютер - техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных в виде цифровых кодов и программы их обработки, способно автоматически осуществить вычислительный процесс, заданный программой, и выдать готовые результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия
Скорость работы компьютера существенным образом зависит от быстродействия оперативной памяти. Поэтому, постоянно ведутся поиски элементов для оперативной памяти, затрачивающих меньше времени на операции чтения-записи.
- Общие классификации компьютеров
Номенклатура видов компьютеров сегодня огромная: машины различаются по назначению, мощности, размерам, элементной базе и т.д. Поэтому классифицируют ЭВМ по разным признакам. Рассмотрим распространенные критерии классификации компьютеров.
4.1 Классификация по назначению
- большие электронно-вычислительные машины (ЭВМ);
- миниЭВМ;
- микроЭВМ;
4.2 Классификация по уровню специализации
- универсальные;
- специализированные.
- персональные компьютеры.
4.3 Классификация по размеру
- настольные (desktop);
- портативные (notebook);
- карманные (palmtop).
5.Классическая архитектура ЭВМ. Принципы фон Неймана.
Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман (1903-1957). Он подключился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ "ЭНИАК" в 1944 году, когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г.Голдстайном и А.Берксом, фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 году ученые изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье "Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства". С тех пор прошло полвека, но выдвинутые в ней положения сохраняют актуальность и сегодня.
В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел (нелишне напомнить, что ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде). Авторы убедительно продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации: текстовую, графическую, звуковую и другие. Но по-прежнему двоичное кодирование данных составляет информационную основу любого современного компьютера.
Еще одной поистине революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является предложенный Нейманом принцип "хранимой программы". Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы "ЭНИАК" требовалось несколько дней (в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут - выходили из строя лампы). Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ей числа.
Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течении первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяются в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Следует отметить, что внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Так, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, клавиатура - устройство ввода, а дисплей и печать - устройства вывода.
Рис.1 Архитектура ЭВМ, построенная на принципах фон Неймана. Стрелки указывают направление обмена. Символом "У" помечены управляющиесвязи между процессором и остальными узлами ЭВМ.
Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок - процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств. Сюда относятся выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных (в том числе и арифметических) операций, согласование работы узлов компьютера. Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. ЗУ у современных компьютеров "многоярусно" и включает:
- ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необходимых для нее данных, некоторые управляющие программы),
- ВЗУ (внешние запоминающие устройства) гораздо большей емкости чем ОЗУ, но с гораздо более медленным доступом (и гораздо меньшей стоимостью в расчете на 1 байт хранимой информации).
- ПЗУ (постоянное запоминающее устройство).
На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается - определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство) существуют и другие подвиды компьютерной памяти.
В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством - счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.
Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название "фон-неймановской архитектуры". Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день - это фон-неймановские машины. Реальная структура компьютера значительно сложнее, чем рассмотренная выше (ее можно назвать логической структурой). В современных компьютерах, в частности персональных, все чаще происходит отход от традиционной архитектуры фон Неймана, обусловленный стремлением разработчиков и пользователей к повышению качества и производительности компьютеров.
- Гарвардская архитектура
Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительным признаком которой является раздельное хранение и обработка команд и данных. Архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете.
В 30-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру ЭВМ для военно-морской артиллерии. Победила разработка Принстонского университета (более известная как архитектура фон Неймана, названная так по имени разработчика, первым предоставившего отчет об архитектуре), так как она была проще в реализации. Гарвардская архитектура использовалась советским учёным А. И. Китовым в М-100 (ВЦ-1 МО СССР, 1958
Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие.
Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток — высокую стоимость. При разделении каналов передачи команд и данных на кристалле процессора последний должен иметь почти в два раза больше выводов (так как шины адреса и данных составляют основную часть выводов микропроцессора). Способом решения этой проблемы стала идея использовать общую шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой.
- Гибридные модификации с архитектурой фон Неймана
Существуют гибридные модификации архитектур, сочетающие достоинства как Гарвардской, так и фон Неймановской архитектур. Современные CISC-процессоры обладают раздельной кэш-памятью 1-го уровня для инструкций и данных, что позволяет им за один такт получать одновременно как команду, так и данные для её выполнения, то есть процессорное ядро, формально, является гарвардским, но с программной точки зрения выглядит как фон Неймановское, что упрощает написание программ. Обычно в данных процессорах одна шина используется и для передачи команд, и для передачи данных, что упрощает конструкцию системы. Современные варианты таких процессоров могут иногда содержать встроенные контроллеры сразу нескольких разнотипных шин для работы с различными типами памяти — например, DDR RAM и Flash. Тем не менее, и в этом случае шины, как правило, используются и для передачи команд, и для передачи данных без разделения, что делает данные процессоры еще более близкими к фон Неймановской архитектуре при сохранении плюсов Гарвардской архитектуры.
- Классификация Флинна
По особенностям набора регистров, формата команд и данных:
I – instruction, D – data, S – Sole, M – Multiple.
8.1 SISD
SISD – один поток команд и данных (ОКОД). Совмещение выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельная обработка работы устройств ввода-вывода и процессора. Однопроцессорная ЭВМ.
8.2 SIMD (ОКМД)
Матричная структура. Система содержит некоторое число одинаковых сравнительно простых быстродействующих процессоров, соединенных друг с другом и с памятью данных регулярным образом так, что образуется сетка (матрица), в узлах которой размещаются процессоры. В системе имеется несколько потоков данных и один общий поток команд, т.е. все процессоры выполняют одновременно одну и ту же команду.
8.3 MISD (МКОД)
Конвейрная МПС. Система имеет регулярную структуру в виде цепочки последовательно соединенных процессоров, так что информация на выходе одного процессора является входной для другого. Процессоры образуют процессорный конвейер.Каждый процессор обрабатывает соответствующую часть задачи, передавая результаты соседнему процессору, который использует их в качестве исходных данных.
8.4 MIMD (МКМД)
Общий случай МПС, несколько потоков данных и команд.
- Классификация Шора
По принципу взаимодействия с памятью:
9.1 SMP-архитектура
Symmetrical Multiprocessing. Архитектура: несколько однородных процессоров и массив общей памяти. Масштабируемость – не более 32-х процессоров. Наличие общей памяти упрощает взаимодействие между собой. Для построения масштабируемых систем на базе SMP используются кластерные или номо-архитектуры. ОС – вся система работает под управлением одной ОС (обычно Unix-подобной).
9.2 PVP-архитектура
Parallel Vector Processing. (SIMD). Присутствуют конвейерные процессы. Команды однотипной обработки. Работает в рамках МП объединенных посредством коммутатора. Векторизация циклов, распараллеливание.
9.3 MBC-архитектура
Многопроцессорная вычислительная машина с массивно-параллельной архитектурой. Принципы построения: 1) По модульному принципу. 2) Структурная единица – вычислительный модуль из стандартных промышленных компонент. 3) Состав вычислительного модуля – вычислительный процессор и коммуникационный процессор. Взаимодействуют через разделяемую память.
9.4 NUMA-архитектура
Non-Uniform Memory Access. Состав: однородные базовые модули, небольшое число процессоров и блок памяти. Модули объединяются между собой с помощью коммуникационной сети. Поддерживает единое адресное пространство. Аппаратно поддерживает доступ к удаленной памяти. Масштабируемость: Ограничена объемом адресного пространства, возможностями аппаратуры, возможностями ОС по управлению процессорами. Максимум – 256 процессоров. Обычно под управлением единой ОС.
- Совершенствование и развитие внутренней структуры ЭВМ.
Появление третьего поколения ЭВМ было обусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам. Значительные успехи в миниатюризации электронных схем не просто способствовали уменьшению размеров базовых функциональных узлов ЭВМ, но и создали предпосылки для существенного роста быстродействия процессора. механически движущиеся части. Процессор, руководивший работой внешних устройств. Возникло существенное противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой устройств ввода-вывода, в большинстве своем содержащими значительную часть времени был бы вынужден простаивать в ожидании информации "из внешнего мира", что существенно снижало бы эффективность работы всей ЭВМ в целом. Для решения этой проблемы возникла тенденция к освобождению центрального процессора от функций обмена и к передаче их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы имели различные названия: каналы обмена, процессоры ввода-вывода, периферийные процессоры. Последнее время все чаще используется термин "контроллер внешнего устройства (или просто контроллер).
Наличие интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой машин третьего и четвертого поколения.
Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой "вверенного ему" внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена.
Перейдем теперь к обсуждению вопроса о внутренней структуре ЭВМ, содержащей интеллектуальные контроллеры. Для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая шина (часто ее называют магистралью). Шина состоит из трех частей:
- шина данных, по которой передается информация;
- шина адреса, определяющая, кому передаются данные;
- шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.
Отметим, что существуют модели компьютеров, у которых шины данных и адреса для экономии объединены. У таких машин сначала на шину выставляется адрес, а затем через некоторое время данные; для какой именно цели используется шина в данный момент, определяется сигналами на шине управления.
Описанную схему легко пополнять новыми устройствами - это свойство называют открытостью архитектуры. Для пользователя открытая архитектура означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости от круга решаемых задач.
Рис.2 Шинная архитектура ЭВМ.
Остановимся еще на одной важной особенности структуры современных ЭВМ. Поскольку процессор теперь перестал быть центром конструкции, стало возможным реализовывать прямые связи между устройствами ЭВМ. На практике чаще всего используют передачу данных из внешних устройств в ОЗУ и наоборот. Режим, при котором внешнее устройство обменивается непосредственно с ОЗУ без участия центрального процессора, называется прямым доступом к памяти (ПДП). Подчеркнем, что режим ПДП в машинах первого и второго поколения не существовал. Поэтому встречающаяся в популярных книгах схема ЭВМ, на которой данные из устройств ввода напрямую поступают в ОЗУ, не соответствует действительности: данные при отсутствии контроллера ПДП всегда сначала принимаются во внутренние регистры процессора, и лишь затем в память.
Завершая обсуждение особенностей внутренней структуры современных ЭВМ, укажем несколько характерных тенденций в ее развитии.
Во-первых, постоянно расширяется и совершенствуется набор внешних устройств, что приводит, как описывалось выше, к усложнению системы связей между узлами ЭВМ.
Во-вторых, вычислительные машины перестают быть однопроцессорными. Помимо центрального, в компьютере могут быть специализированные процессоры для вычисления с плавающей запятой (так называемые математические сопроцессоры), видеопроцессоры для ускорения вывода информации на экран дисплея и т.п. Развитие методов параллельных вычислений также вызывает к жизни вычислительные системы достаточно сложной структуры, в которых одна операция выполняется сразу несколькими процессорами.
В-третьих, наметившееся стремление иметь быстродействующие машины не только для вычислений, но и для логического анализа информации, также может привести в ближайшие годы к серьезному пересмотру традиционной фон-неймановской архитектуры.
Таким образом, внутренняя структура вычислительной техники постоянно совершенствовалась и будет совершенствоваться. Вместе с тем, на данный момент подавляющее большинство существующих ЭВМ, несмотря на имеющиеся различия, по-прежнему состоит из одинаковых узлов и основано на общих принципах фон-неймановской архитектуры.
- Основной цикл работы ЭВМ.
В данном разделе коротко рассмотрена последовательность действий при выполнении команды в ЭВМ. Можно утверждать, что рабочий цикл в общем виде одинаков для всех машин.
Каждая программа состоит из отдельных машинных команд. Каждая машинная команда, в свою очередь, делится на ряд элементарных унифицированных составных частей, которые принято называть тактами. В зависимости от сложности команды, она может быть реализована за разное количество тактов.
При выполнении каждой команды ЭВМ проделывает определенные стандартные действия, описанные ниже.
- Согласно содержимому счетчика адреса команд, считывается очередная команда программы , код которой обычно заносится на хранение в специальный регистр УУ, который носит название регистра команд.
- Счетчик команд автоматически изменяется так, чтобы в нем содержался адрес следующей команды. В простейшем случае для этой цели достаточно к текущему значению счетчика прибавить некоторую константу, определяющуюся длиной команды.
- Считанная в регистр команд операция расшифровывается, извлекаются необходимые данные и над ними выполняются требуемые действия. Затем во всех случаях, за исключением команды останова, все описанные действия циклически повторяются.
После выборки команды останова ЭВМ прекращает обработку программы. Для выхода из этого состояния требуется либо запрос от внешних устройств, либо перезапуск машины.
Рассмотренный основной алгоритм работы ЭВМ позволяет шаг за шагом выполнить хранящуюся в ОЗУ линейную программу. Если же требуется изменить порядок вычислений для реализации развилки или цикла , достаточно в счетчик команд занести требуемый адрес ( именно так происходит условный или безусловный переход ).
- Система команд ЭВМ
Важной составной частью архитектуры ЭВМ является система команд.. Система команд любой ЭВМ обязательно содержит следующие группы команд обработки информации.
- Команды передачи данных (перепись), копирующие информацию из одного места в другое.
- Арифметические операци, которым фактически обязана своим названием вычислительная техника.
- Логические операции, позволяющие компьютеру анализировать отображаемую информацию. Простейшими примерами могут служить сравнение, а также известные логические операции И, ИЛИ, НЕ (инверсия).
- Сдвиги двоичного кода влево и вправо. Для доказательства важности этой группы команд достаточно вспомнить правило умножения столбиком: каждое последующее произведение записывается в такой схеме со сдвигом на одну цифру влево.
- Команды ввода и вывода информации для обмена со внешними устройствами. В некоторых ЭВМ внешние устройства являются специальными служебными адресами памяти, поэтому ввод и вывод осуществляется с помощью команд переписи.
- Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы. Сюда прежде всего следует отнести условный и безусловный переход, а также команды обращения к подпрограмме (переход с возвратом).
Подводя итог, еще раз подчеркнем, что основной набор команд довольно слабо изменился в ходе бурной эволюции ЭВМ. В то же время способы указания адреса расположения информации в памяти претерпели значительное изменение и заслуживают особого рассмотрения.
- Структура машинной команды.
Команда ЭВМ обычно состоит из двух частей - операционной и адресной. Операционная часть (иначе она еще называется кодом операции - КОП) указывает, какое действие необходимо выполнить с информацией. Адресная часть описывает, где используемая информация хранится.
Команды могут быть одно-, двух- и трехадресные в зависимости от количества участвующих в них операндов.
Первые ЭВМ имели наиболее простую и наглядную трехадресную систему команд. Например: взять числа из адресов памяти А1 и А2, сложить их и сумму поместить в адрес А3. Если для операции требовалось меньшее количество адресов, то лишние просто не использовались. Скажем, в операции переписи указывались лишь ячейки источника и приемника информации А1 и А3, а содержимое А2 не имело никакого значения.
Трехадресная команда легко расшифровывалась и была удобна в использовании, но с ростом объемов ОЗУ ее длина становилась непомерно большой. Затем появились двухадресные машины, длина команды в которых сокращалась за счет исключения адреса записи результата.
Дальнейшее упрощение команды привело к созданию одноадресных машин. Может показаться, что одноадресной машине для решения задачи потребуется втрое больше команд, чем трехадресной.
Ради полноты изложения следует сказать о возможности реализации безадресной (нуль-адресной) машины, использующей особый способ организации памяти - стек.
14.Типы интерфейсов
Деление в зависимости от типов соединяющих устройств.
1) внутренний интерфейс (системная шина, и т.п.)
2) интерфейс ввода-вывода (сопряжение с внешними устройствами)
3) интерфейсы межмашинного обмена (вычислительные сети)
4) интерфейса человек-машина.
- Заключение:
В настоящее время наибольшее распространение в ЭВМ получили 2 типа архитектуры: принстонская (неймановская) и гарвардская. Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.
Внутренняя структура вычислительной техники постоянно совершенствовалась, и будет совершенствоваться. Вместе с тем, на данный момент подавляющее большинство существующих ЭВМ, несмотря на имеющиеся различия, по-прежнему состоит из одинаковых узлов и основано на общих принципах фон-неймановской архитектуры.
- Список литературы
- Гутер Р.С., Полунов Ю.Л. От абака до компьютера. - М.: Знание, 1975.
- Кондрашов А. П. «Справочник необходимых знаний» , Москва: 2000.
- Лин В. PDP-11 и VAX-11. Архитектура ЭВМ и программирование на языке ассемблера. - М.: Радио и связь, 1989.
- Могилёв А.В.,. Пак Н.И. Хённер Е.К Информатика: - М., 1999; 816 с.
- Смит Б.Э., Джонсон М.Т. Архитектура и программирование процессора INTEL 80386. - М.: Конкорд. 1992.
- Частиков А.П. Журнал «Информатика и образование», 1996.
Скачать: