Архитектура компьютеров.

Содержит сведения о последних достижениях в области архитектур вычислительных систем (компьютеров), в том числе многоядерных, графических и квантовых процессоров. Актуальность книги обусловлена отсутствием соответствующей отечественной учебной литературы в данной предметной области.

Дисциплина «Архитектура компьютеров» изучает внутреннюю организацию вычислительной системы, знание которой позволяет программистам любого уровня рационально использовать все ресурсы системы и проектировать эффективные программы.

В книге уделяется внимание как теоретическим аспектам, так и реальным архитектурам, воплощенным в действующих вычислительных системах и способствующим развитию существующих и генерации новых идей в этой области.

Каждая глава учебника представляет отдельный интерес, что дает возможность некоторые главы включать в смежные курсы («Высокопроизводительные вычисления», «Операционные системы», «Компьютерные сети», «Системы параллельного действия», «Проектирование процессорной обработки» и т.д.).

Это позволяет работать с учебником, не обязательно придерживаясь порядка, предложенного автором.

Архитектура компьютера, характеризующая его логическую организацию, может быть представлена как множество взаимосвязанных компонент, включающих, на первый взгляд, элементы различной природы – программное обеспечение (software), аппаратное обеспечение (hardware), алгоритмическое обеспечение (brainware), специальное фирменное обеспечение (firmware) – и поддерживающих его слаженное функционирование в форме единого архитектурного ансамбля, позволяющего вести эффективную обработку различных объектов.

Архитектура вычислительной системы – это совокупность основных функциональных возможностей системы, сфер применения (научно-техническая, экономическая, управление и т.д.), режимов работы (пакетный, мультипрограммный, разделения времени, диалоговый и т.д.), характеристик ВС (быстродействие, набор и объем памяти, набор периферийных устройств и т.д.), особенностей структуры (однопроцессорная, многопроцессорная) и реализующей базы, т.е. совокупность software, hardware, brainware и firmware.

Архитектура и структура компьютера

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т. д. 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 различные устройства – от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Наиболее распространены следующие архитектурные решения:

– 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 (рис. 2). Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью. Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления. Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры – устройства управления периферийными устройствами.

Рис. 2. Общая структура персонального компьютера

Контроллер – 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. Структурная схема такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров, представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Архитектура многопроцессорного компьютера

Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессо­ров, входящих 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 достаточно широко. Однако эффект от применения многомашинной системы может быть получен только при решении задач, имеющих специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ ра­ботают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе, т. е. по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных. Структура таких компьютеров представлена на рисунке 4.

Рис. 4. Архитектура с параллельными процессорами

Архитектура компьютера – это описание его организации и принципов

Обычно, описывая архитектуру ЭВМ, особое внимание уделяют тем принципам ее организации, которые характерны для большинства машин, относящихся к описываемому семейству, а также оказывающие влияние на возможности программирования.

Просмотр содержимого документа
«Архитектура компьютера – это описание его организации и принципов»

Архитектура компьютера

Архитектура компьютера – это описание его организации и принципов функционирования его структурных элементов. Включает основные устройства ЭВМ и структуру связей между ними.
Обычно, описывая архитектуру ЭВМ, особое внимание уделяют тем принципам ее организации, которые характерны для большинства машин, относящихся к описываемому семейству, а также оказывающие влияние на возможности программирования.
Поскольку от архитектуры компьютера зависят возможности программирования на нем, поэтому при описании архитектуры ЭВМ уделяют внимание описанию команд и памяти.

• Аналоговые и цифровые вычислительные машины
• Поколения компьютеров – история развития вычислительной техники
• Типы компьютеров: персональные, микроконтроллеры, серверы, мейнфреймы и др.
• История персональных компьютеров
• Принципы фон Неймана (Архитектура фон Неймана)
• Основные принципы работы компьютера
• Устройство процессора и его назначение
• Оперативная память компьютера (ОЗУ, RAM)
• Устройство и принцип работы магнитных дисков
• Логическая структура магнитных дисков
• Разделы жесткого диска
• Периферийные устройства персонального компьютера
• Контроллеры и шина
• Клавиатура
• Компакт-диск
• Нейрокомпьютеры, нейросети и нейроинформатика

При подготовке материала использовались источники:
http://www.kavserver.ru/library/ComputerArchitecture.pdf
https://studfile.net/preview/4614792/page:3/
https://multiurok.ru/index.php/files/arkhitektura-kompiutera-eto-opisanie-ego-organizat.html