Подходы к усовершенствованию архитектуры современных ВС

Основные направления развития архитектур – это разработка новой элементной базы, позволяющей создавать вычислительные системы, базирующиеся на принципах, отличных от традиционных (например, нейрокомпьютеры, оптические и квантовые компьютеры и т.п.), и усовершенствование традиционной архитектуры, направленное на повышение степени параллелизма вычислений.

Для повышения производительности используются различные способы совершенствования показанной на рисунке схемы. В частности, для того чтоб разгрузить центральный процессор от выполнения операций ввода/вывода, управления медленными внешними устройствами, используется асинхронный ввод/вывод, при котором операции ввода и вывода выполняются под управлением специальных устройств – контроллеров прямого доступа к памяти и контроллеров внешних устройств, адаптеров. Реализация идей конвейеризации вычислений через использование отдельных функциональных блоков в составе процессора, реализующих различные шаги при выполнении команд, позволяет распараллелить действия по преобразованию данных с загрузкой из памяти данных и команд и сохранением результатов. Использование кэш-памяти снижает нагрузку на шину и ускоряет доступ к данным.

Эти способы усовершенствования ВС с традиционной архитектурой рассматриваются ниже на примере процессоров Intel.

Более подробно структура процессора и организация его работы рассматривается ниже, на примере процессоров семейства Intel 80x86.

Вопросы для самопроверки

1. Назовите основные архитектурные принципы фон Неймана охарактеризуйте их.

2. Определите, что такое процессор? Каковы основные характеристики процессоров?

3. Каково назначение оперативной памяти в ВС с традиционной архитектурой? Опишите ее организацию.

4. Опишите принцип функционирования ВС с архитектурой фон Неймана.

5. Что такое семантический разрыв? Приведите примеры, подтверждающие его наличие.

6. В чем отличие представления данных и команд в памяти компьютеров с традиционной архитектурой?

7. Назовите основные типы данных, аппаратно поддерживаемые компьютерами. В чем их отличие с точки зрения представления данных в памяти?

8. Перечислите основные функциональные блоки профессоров и опишите их назначение.

9. Дайте понятие шины. Каковы особенности взаимодействия устройств ВС через шину?

10. Что означает принцип модульности?

11. Что такое порт? Каковы способы адресации портов?

12. Каковы основные направления усовершенствования архитектур?

4. Организация памяти

Основная функция любого процессора, ради которой он и создается, – это выполнение программ. Программа представляет собой последовательность инструкций (команд), выполняемых процессором. Система команд процессора определяет логику работы процессора при выполнении программы, его реакцию на внешние события.

Идея хранимой в памяти программы составляет концептуальную основу обычных ВС (ВС с «традиционной» архитектурой фон Неймана). В памяти хранятся также и данные, операции над которыми выполняются процессором.

Современные ВС имеют многоуровневую организацию: иерархия запоминающих устройств включает внутреннюю «сверхоперативную» регистровую память процессора, различные типы кэш-памяти, основную память и внешние запоминающие устройства.