Архитектура современных ЭВМ

В основу архитектуры современных ЭВМ положен магистрально-модульный принцип (рисунок 2). Модульная организация позволяет пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию и при необходимости производить ее модернизацию.

Рисунок 2

Элементы или устройства ЭВМ с такой архитектурой обмениваются информацией через общею магистраль. Магистраль включает в себя три многоразрядные шины:

Шина данных по ней данные передаются между различными устройствами в любом направлении.

Шина адресов. Каждое устройство и ячейка памяти имеет свой адрес, а процессор осуществляет выбор устройства и ячейки памяти, откуда считываются или куда пересылаются данные по шине данных. По ней адреса передаются в одном направлении от процессора к устройствам памяти (оперативной и др.).

Шина управления, по ней передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали (считывание или запись информации из памяти) и синхронизирующие этот обмен.

Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информацией.

Подключение устройств к шине осуществляется в соответствии со стандартом шины. Подключение устройств, не соответствующих стандарту общей шины, осуществляется через специальные устройства – контроллеры.

Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора. Контроллеры подключаются к шине специальными устройствами – портами ввода-вывода. Каждый порт имеет свой номер, и обращение к нему процессора происходит, также как и к ячейке памяти, по этому номеру. Процессор имеет специальные линии управления, сигнал на которых определяет, обращается ли процессор к ячейке памяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнего устройства.

Конструктивно контроллер каждого устройства размещается на общей плате с центральным процессором и запоминающим устройством или, если устройство не является стандартом, входящим в состав компьютера, на специальной плате, вставляемой в специальные разъемы на общей плате – слоты расширения.

При описании магистральной структуры предполагали, что все устройства взаимодействуют через общую шину. С точки зрения архитектуры этого вполне достаточно. Упомянем все же, что на практике такая структура применяется только для ЭВМ с небольшим числом внешних устройств. При увеличении потоков информации между устройствами ЭВМ единственная магистраль перегружается, что существенно «тормозит» работу компьютера.

Поэтому дальнейшее развитие микроэлектроники позволило размещать несколько функциональных узлов ЭВМ и контроллеры стандартных устройств в одной микросхеме СБИС. Это сократило количество микросхем на общей плате и дало возможность ввести дополнительные шины для обмена данными устройствами. Например, одна шина может использоваться для обмена с памятью, вторая -для связи с “быстрыми”, а третья – с “медленными” внешними устройствами.

С учетом всего выше сказанного структуру современного ПК можно представить следующей схемой (рисунок 3).

Рисунок 3

Центральный контроллер распределяет потоки информации между процессором, памятью, устройством отображения и остальными узлами ПК. Центральный контроллер включает системный таймер, устройство прямого доступа к памяти, которое обеспечивает обмен данными между внешними устройствами и памятью в периоды, когда это не требуется процессору, устройство обработки прерываний, которое обеспечивает быструю реакцию процессора на запрос внешних устройств.

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, 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.

Еще одной особенностью развития современных ЭВМ является все ускоряющееся возрастание роли межкомпьютерных коммуникаций. Все большее количество компьютеров объединяются в сети и обрабатывают имеющуюся информацию совместно.

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.