Что такое магистрально модульная архитектура в чем ее главное достоинство кратко

Обновлено: 02.07.2024

Современные ЭВМ могут иметь различную архитектуру, но обязательно содержат в своей структуре следующие элементы (Арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции. Устройство управления (УУ), которое организует процесс выполнения программ. Запоминающее устройство (память) для хранения программ и данных. Внешние устройства для ввода–вывода информации (ВУ).) и используют основной принцип функционирования ЭВМ – принцип программируемости, дополненный новыми принципами, к которым можно отнести принципы модульности, магистральности и микропрограммируемости.

Модульность – это способ построения компьютера на основе набора модулей. Модулем называется конструктивно и функционально законченный электронный блок в стандартном исполнении. Это означает, что с помощью модуля может быть реализована какая-то функция либо самостоятельно, либо совместно с другими модулями.

Магистральность – это способ соединения между различными модулями компьютера, когда входные и выходные устройства модулей соединяются одними и теми же проводами, совокупность которых называется шиной. Магистраль компьютера состоит из нескольких групп шин, разделяемых по функциональному признаку — шина адреса, шина данных, шина управления.

Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры ЭВМ. Централизованное управление осуществляет устройство управления главного, или центрального, процессора. Подключаемые к центральному процессору модули (контроллеры и КВВ) могут, в свою очередь, использовать специальные шины или магистрали для обмена управляющими сигналами, адресами и данными. Инициализация работы модулей обеспечивается по командам центральных устройств, после чего они продолжают работу по собственным программам управления. Результаты выполнения требуемых операций представляются ими “вверх по иерархии” для правильной координации всех работ.

Иерархический принцип построения и управления характерен не только для структуры ЭВМ в целом, но и для отдельных ее подсистем.

Использование рассмотренных принципов и объединение в одном устройстве, названом центральный процессор (ЦП), АЛУ и УУ, привели к видоизмененной структуре современной ЭВМ, изображенной на рис. 1.

Наиболее распространенной является структура вычислительной системы (ВС), имеющая две или три (в большинстве случаев) общих магистрали (шины), к которым под воздействием устройств управления могут поочередно подключаться, входящие в систему узлы (см. рис. 2).

В приведенной на рис. 2. схеме, обработку информации осуществляет ЦП, синхронизируемый тактовыми импульсами устройства синхронизации. Обмен информацией между МП и остальными блоками ВС осуществляется по трем магистралям (шинам): адресной, данных и управляющей. Магистраль адреса (МА, ША) служит для передачи кода адреса, по которому производится обращение к устройствам памяти ввода-вывода и прочим внешним устройствам. Обрабатываемая информация и результаты вычислений передаются по магистрали данных (МД, ШД). Магистраль управления (МУ) передает управляющие сигналы на все блоки ВС, настраивая устройства, участвующие в выполняемой команде, на нужный режим работы.

Использование в ВС трех магистралей обеспечивает высокое быстродействие и упрощает процесс вычисления. Возможно построение ВС с одной или двумя магистралями, по которым последовательно передаются код адреса и обрабатываемая информация, но при этом значительно возрастает время выполнения команды и усложняется организация обмена информацией между узлами.

Магистрально-модульный принцип архитектуры компьютера — это возможность для пользователя самостоятельно выбирать комплектацию компьютера и впоследствии её модернизировать.

Магистрально-модульный принцип

В основе архитектурного построения сегодняшних электронных вычислительных машин положены магистрально-модульные принципы. Модульность конструкции даёт возможность пользователям самим определять комплектацию и, как следствие, конфигурацию своих компьютеров, а в дальнейшем и модернизировать их, по мере необходимости.

Главной опорой модульности можно считать магистральную методику передачи информационных данных между модулями и устройствами. Магистраль, она же системная шина, состоит из трёх многоразрядных шин:

Шина данных.
Шина адреса.
Шина управления.

По шине данных выполняется обмен данным между модулями. К примеру, осуществляется выборка данных из оперативной памяти и передача их процессору, который их обрабатывает и направляет обратно в оперативную память или на модули вывода. Возможна передача данных между модулями в разных направлениях. Число разрядов шины данных равно разрядности процессора, то есть числу двоичных разрядов, обрабатываемых процессором за один тактовый период.

Шина адреса служит для определения процессором модуля или ячейки памяти, с которой будет выполняться обмен информационными данным. Всем модулям и ячейкам памяти присвоены свои оригинальные адреса. Код адреса пересылается по шине адреса, при этом посылаются эти коды только в направлении от процессора к другим устройствам. Число разрядов адресной шины определяет формат адресного пространства процессора. При 32-х разрядном процессоре его адресное пространство составит четыре Гбайта.

Шина управления служит для передачи управляющих сигналов, определяющих какой тип операции следует исполнить (запись или считывание данных, синхронизацию обмена и так далее).

Готовые работы на аналогичную тему

Компоненты компьютера

Процессор является основным вычислительным компонентом. Главным его параметром является тактовая частота, то есть число выполняемых операций за одну секунду. Для сегодняшних компьютерных процессоров она измеряется в гигагерцах (ГГц). Важным параметром является также производительность процессора, которая зависит от нескольких характеристик, таких как тактовая частота, разрядность и архитектурное построение процессора. Производительность можно определить при тестировании компьютера по быстроте выполнения некоторых операций.

Оперативная память является составной частью электронной памяти. Существуют несколько типов электронной памяти, которые используется почти в любой вычислительной системе:

Оперативная или основная память (Main Memory). Этот тип памяти применяется для информационных обменов процессора с внешней памятью (например, ПЗУ) и устройствами ввода-вывода. Данный вид памяти обозначается как RAM ((Random Access Memory, что в переводе означает память с возможностью произвольной выборки). В России эту память принято называть ОЗУ (оперативное запоминающее устройство).
Память КЭШ (Cache Memory) или сверхоперативная память (СОЗУ). Она выступает как буфер обмена между центральным процессором и оперативной памятью. КЭШ-память сохраняет скопированные массивы данных тех адресов оперативной памяти, с которыми происходил последний обмен, и есть вероятность, что следующий обмен данными с этой же областью адресов будет выполнен более быстро.
Полупостоянная память. Этот тип памяти применяется для запоминания информационных данных о структуре вычислительной системы, и, кроме того, сохранения времени и даты системы. Для гарантированного сохранения информации применяется питание от аккумулятора.

Системный блок является основной частью компьютера к которой подсоединяются все другие модули и устройства (периферийные или внешние устройства). В состав системного блока входят все главные электронные элементы компьютера.

Персональный компьютер выполняется на базе сверхбольших интегральных микросхем, и практически все они располагаются в системном блоке на отдельных платах. Главной платой системного блока можно считать системную или материнскую плату. На ней расположены центральный процессор, сопроцессор, оперативная память и ряд разъёмов для установки контроллеров внешних устройств или соединения с ними. То есть она представляет собой комплект разных модулей, которые обеспечивают функционирование компьютера.

Блок питания обеспечивает преобразование переменного напряжения электрической сети в несколько постоянных напряжений разной величины и полярности, которые необходимы для работы материнской платы и остальных устройств внутри системного блока. Для охлаждения компонентов системного блока и исключения перегрева, используется регулируемый вентилятор.

Системная шина или магистраль, находящаяся в системном блоке, представляет собой набор электрических соединений для связи процессора с памятью и внешними устройствами.

Клавиатура компьютера предназначается для ввода информационных данных в память компьютера посредством нажатия пользователем нужных клавиш. Обычная клавиатура, как правило, состоит из ста клавиш.

Мышь манипуляторного типа представляет собой устройство, позволяющее синхронизировать движение корпуса мыши по плоскости (коврику) с движением указателя на экране дисплея. Ввод данных выполняется расположением курсора в нужной экранной позиции и нажатием одной из клавиш на корпусе мыши.

Под монитором понимается устройство, которое обеспечивает диалог пользователя с компьютером посредством отображения на экране дисплея информационных данных в виде символов или графики. Графический режим дисплея представляет собой набор точек (пикселей), которые получаются при разбиении экранной поверхности на строки и столбцы. Число экранных пикселей принято называть разрешением дисплея в текущем режиме работы.

С развитием техники классическая архитектура Неймана не могла не претерпеть определенных прогрессивных изменений.

Для решения этой проблемы возникла тенденция к освобождению центрального процессора от функций обмена и к передаче их специальным электронным схемам – контроллерам.

Передача данных и управляющих сигналов между всеми устройствами компьютера происходит через магистраль (системная шина, общая шина) микропроцессора, включающую шину адреса, двунаправленную шину данных и шину управления. Магистраль – это кабель, состоящий из множества проводов.

Шина адреса используется для передачи адресов ячеек памяти и регистров для обмена информацией с внешними устройствами.

Шина данных обеспечивает передачу обрабатываемой информации между МП, памятью и периферийными устройствами. Шина двунаправленная, т.е. позволяет осуществлять пересылку данных как в прямом, так и в обратном направлении.

Шина управления предназначена для передачи управляющих сигналов - управления памятью, управления обменом данных, запросов на прерывание и т.д.

Схема магистрально-модульной или шинной архитектуры компьютера (рис. 3)

к – контроллер или адаптер

Для большинства современных персональных компьютеров реализован принцип открытой архитектуры (или магистрально-модульный принцип), согласно которому можно легко менять состав устройств персонального компьютера благодаря тому, что все блоки компьютера подключаются к магистрали.

Схема магистрально-модульной или шинной архитектуры компьютера (рис. 3)

к – контроллер или адаптер

Компьютер – это многофункциональное электронное автоматическое устройство для накопления, обработки и передачи информации.

В 1946–1948 годах в Принстонском университете (США) коллектив исследователей под руководством Джона фон Неймана разработал проект ЭВМ, который никогда не был реализован, но идеи данного используются и по сей день. Этот проект получил название машины фон Неймана, или Принстонской машины. В его состав входили схема (рассматривается ниже) и принципы функционирования вычислительной машины:

1) Принцип программного управления: работа ЭВМ регламентируется программой, что позволяет, вводя разные программы, решать разные задачи. Команды, из которых состоит программа, интерпретируются специально введенным в схему устройством – устройством управления. Структура отдельной команды имеет вид:

, где определяет, какая операция должна выполняться,

– список (возможно, одноэлементный) тех констант, адресов или имен переменных, над которыми выполняется данная операция.

В зависимости от числа операндов различают одно-, двух– и трехадресные машинные команды. Каждая команда имеет определенный объем, измеряемый байтами.

Этот принцип был самым прогрессивным среди включенных в проект, поскольку обеспечивал универсальность ЭВМ. В соответствии с принципом программного управления любая ЭВМ – это совокупность аппаратной (технической) и программной частей;

2) Принцип условного перехода: команды из программы не всегда выполняются одна за другой. Возможно присутствие в программе команд условного перехода, которые меняют последовательное выполнение команд в зависимости от значений данных;

3) Принцип размещения программы в памяти: программа, требуемая для работы ЭВМ, предварительно размещается в памяти компьютера, а не вводится команда за командой;

4) Принцип иерархии памяти: память ЭВМ неоднородна. Для часто используемых данных выделяется память меньшего объема, но большего быстродействия; для редко используемых данных выделяется память большего объема, но меньшего быстродействия;

5) принцип двоичной системы счисления: для внутреннего представления данных и программ в памяти ЭВМ применяется двоичная система счисления, которую можно проще реализовать технически.

Рисунок 3.1. Схема Принстонской машины

Рассмотрим назначение отдельных элементов этой схемы и их взаимосвязь в процессе функционирования ЭВМ.

Через устройство ввода (УВв) в память (П) вводится программа – набор команд, предписывающих ЭВМ выполнять требуемые действия (на схеме связь 1). При вводе программы (а позже и данных) выполняется отображение вводимой информации во внутреннее представление, принятое в ЭВМ.

После размещения программы в памяти устройство управления (УУ) выбирает последовательно команду за командой из памяти (связь 2) и интерпретирует ее по следующим правилам:

• если выбранная команда является командой ввода данных, УУ посылает управляющий сигнал (связь 3) в УВв для начала ввода данных. Данные также вводятся по связи 1 и размещаются в памяти П;

• если выбранная команда связана с выполнением арифметических или логических операций, то в память П из УУ посылается сигнал (связь 4) на выборку указанных в команде данных с последующей их пересылкой в арифметико-логическое устройство (АЛУ) (связь 5), а в само АЛУ передается сигнал с кодом нужной операции (связь 7). АЛУ выполняет арифметические и логические действия над переданными операндами. После выполнения требуемых действий, АЛУ возвращает результат в память П (связь 6);

• если выбранная команда является командой вывода, УУ генерирует управляющий сигнал устройству вывода (УВыв) (связь 8) на начало операции по выводу данных. Сами данные выбираются из памяти П по связи 9.

УВыв выводит информацию из ЭВМ и преобразует ее из внутреннего представления во внешнее.

В соответствии с принципом иерархии памяти блок Память на рис. 3.1 делится на два блока – внешняя и внутренняя память. Внешняя память традиционно отводится для долговременного хранения данных и программ, а сама оперативная обработка данных в соответствии с программой, как это было рассмотрено выше, выполняется во внутренней памяти.

В современных компьютерах блоки УУ и АЛУ объединены в блок, называемый процессором. В состав процессора, кроме указанных блоков, входят также несколько регистров – специальных небольших областей памяти, куда процессор помещает промежуточные результаты и некоторую другую информацию, необходимую ему в ближайшие такты работы.

Под архитектурой компьютера понимаются его логическая организация, структура, ресурсы, то есть средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени. В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип (рис. 3.2).

Рисунок 3.2. Магистрально-модульный принцип строения ЭВМ

Магистраль (системная шина) – это набор электронных линий, связывающих центральный процессор, основную память и периферийные устройства воедино относительно передачи данных, служебных сигналов и адресации памяти. Благодаря модульному принципу построения потребитель сам может комплектовать компьютер нужной ему конфигурации и производить при необходимости ее модернизацию.

Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией. Процессор выполняет арифметические и логические операции, взаимодействует с памятью, управляет и согласует работу периферийных устройств.

Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производится по образующим магистраль трем многоразрядным шинам (многопроводным линиям связи), соединяющим все модули, – шине данных, шине адресов, шине управления. Разрядность шины определяется количеством бит информации, передаваемых по шине параллельно.

Магистраль включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления.

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т. е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. За 25 лет, прошедших со времени создания первого персонального компьютера (1975 г.), разрядность шины данных увеличилась с 8 до 64 бит. К основным режимам работы процессора с использованием шины передачи данных можно отнести:

• запись/чтение данных из оперативной памяти (оперативное запоминающее устройство – ОЗУ);

• запись/чтение данных из внешних запоминающих устройств (ВЗУ);

• чтение данных с устройств ввода;

• пересылка данных на устройства вывода.

Шина адреса. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине. Разрядность шины адреса определяет адресное пространство процессора, т. е. количество ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

N = 2m, где N – разрядность шины адреса.

В первых персональных компьютерах разрядность шины адреса составляла 16 бит, а количество адресуемых ячеек памяти – N = 216= 65 536.

В современных персональных компьютерах разрядность шины адреса составляет 32 бита, а максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно: N = 232 = 4 294 967 296. Выбор абонента по обмену данными производит процессор, формируя код адреса данного устройства, а для ОЗУ – код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении – от процессора к устройствам (однонаправленная шина).

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления определяют, какую операцию – считывание или запись информации из памяти – нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т. д.

Классификации электронно-вычислительных машин

По назначению выделяют следующие виды компьютеров:

а) универсальные – предназначены для решения различных задач, типы которых не оговариваются. Эти ЭВМ характеризуются:

• разнообразием форм обрабатываемых данных (числовых, символьных и т. д.) при большом диапазоне их изменения и высокой точности представления;

• большой емкостью внутренней памяти;

• развитой системой организации ввода-вывода информации, обеспечивающей подключение разнообразных устройств ввода-вывода.

б) проблемно-ориентированные – служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами, регистрацией, накоплением и обработкой небольших объемов данных, выполнением расчетов по несложным правилам. Они обладают ограниченным набором аппаратных и программных средств.

в) специализированные – применяются для решения очень узкого круга задач. Это позволяет специализировать их структуру, снизить стоимость и сложность при сохранении высокой производительности и надежности. К этому классу ЭВМ относятся компьютеры, управляющие работой устройств ввода-вывода и внешней памятью в современных компьютерах. Такие устройства называются адаптерами, или контроллерами.

По размерам и функциональным возможностям различают четыре вида компьютеров: суперЭВМ, большие, малые и микроЭВМ.

СуперЭВМ являются мощными многопроцессорными компьютерами с огромным быстродействием. Многопроцессорность позволяет распараллеливать решение задач и увеличивает объемы памяти, что значительно убыстряет процесс решения. Они часто используются для решения экспериментальных задач, например, для проведения шахматных турниров с человеком.

Большие ЭВМ (их называют мэйнфреймами от англ. mainframe) характеризуются многопользовательским режимом (до 1000 пользователей одновременно могут решать свои задачи). Основное направление – решение научно-технических задач, работа с большими объемами данных, управление компьютерными сетями и их ресурсами.

Малые ЭВМ используются как управляющие компьютеры для контроля над технологическими процессами. Применяются также для вычислений в многопользовательских системах, в системах автоматизации проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.

По назначению микроЭВМ могут быть универсальными и специализированными. По числу пользователей, одновременно работающих за компьютером – много– и однопользовательские. Специализированные многопользовательские микроЭВМ (серверы – от англ. server) являются мощными компьютерами, используемыми в компьютерных сетях для обработки запросов всех компьютеров сети. Специализированные однопользовательские (рабочие станции – workstation, англ.) эксплуатируются в компьютерных сетях для выполнения прикладных задач. Универсальные многопользовательские микроЭВМ являются мощными компьютерами, оборудованными несколькими терминалами. Универсальные однопользовательские микроЭВМ общедоступны. К их числу относятся персональные компьютеры – ПК. Наиболее популярным представителем ПК в нашей стране является компьютер класса IBM PC (International Business Machines – Personal Computer).

По конструктивным особенностям ПК делятся на стационарные (настольные – тип DeskTop) и переносные.

Рисунок 3.3. Классификация персональных компьютеров по конструктивным особенностям

Переносные компьютеры обычно нужны руководителям предприятий, менеджерам, ученым, журналистам, которым приходится работать вне офиса – дома, на презентациях или во время командировок.

Notebook (блокнот, записная книжка) по размерам ближе к книге крупного формата. Имеет вес около 3 кг. Помещается в портфель-дипломат. Для связи с офисом его обычно комплектуют модемом. Ноутбуки зачастую снабжают приводами CD-ROM.

Многие современные ноутбуки включают в себя взаимозаменяемые блоки со стандартными разъемами. Такие модули предназначены для очень разных функций. В одно и то же гнездо можно по мере надобности вставлять привод компакт-дисков, накопитель на магнитных дисках, запасную батарею или съемный винчестер. Ноутбук устойчив к сбоям в энергопитании. Даже если он получает энергию от обычной электросети, в случае какого-либо сбоя он мгновенно переходит на питание от аккумуляторов.

Palmtop (наладонник) – самые маленькие современные персональные компьютеры. Умещаются на ладони. Магнитные диски в них заменяет энергонезависимая электронная память. Нет и накопителей на дисках – обмен информацией с обычными компьютерами идет по линиям связи. Если Palmtop дополнить набором деловых программ, записанных в его постоянную память, получится персональный цифровой помощник (Personal Digital Assistant).

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

9.5. Пример построения диаграммы кооперации

9.5. Пример построения диаграммы кооперации В качестве примера рассмотрим построение диаграммы кооперации для моделирования процесса телефонного разговора с использованием обычной телефонной сети (см. главу ф. Напомним, что объектами в этом примере являются два

§ 76. Два главных принципа построения интерфейсов

§ 76. Два главных принципа построения интерфейсов 21 декабря 2001По своему управлению микросистема Radiotehnika R-100 принципиально отличается от всех музыкальных систем, представленных сегодня на рынке. В Студии Лебедева придумана концепция с двумя идентичными пультами, каждый

Управление точностью построения объектов

Управление точностью построения объектов На вкладке построений Drafting диалогового окна Options, показанной на рис. 3.10, можно сделать следующие назначения. Рис. 3.10. Диалоговое окно управления точностью построения объектов• В области AutoSnap Settings назначаются следующие

1.2.1. Принципы построения модели IDEF0

1.2.1. Принципы построения модели IDEF0 На начальных этапах создания информационной системы необходимо понять, как работает организация, которую собираются автоматизировать. Для описания работы предприятия необходимо построить модель. Такая модель должна быть адекватна

Управление точностью построения объектов

Управление точностью построения объектов На вкладке построений Drafting диалогового окна Options, показанной на рис. 3.19, можно сделать следующие назначения. Рис. 3.19. Диалоговое окно управления точностью построения объектов• В области AutoSnap Settings назначаются следующие параметры

1.2.1. Принципы построения модели IDEF0

1.2.1. Принципы построения модели IDEF0 На начальных этапах создания ИС необходимо понять, как работает организация, которую собираются автоматизировать. Никто в организации не знает, как она работает в той мере подробности, которая необходима для создания ИС. Руководитель

Глава 6 Точность построения объектов

Глава 6 Точность построения объектов Объектная привязка координат Объектная привязка – наиболее быстрый способ точно указать точку на объекте, не обязательно зная ее координаты, а также построить вспомогательные линии. Например, объектная привязка позволяет построить

Варианты построения разрезов

Варианты построения разрезов Построение разреза с ограниченной глубинойДля построения разреза с ограниченной глубиной необходимо выбрать один из способов:• установить переключатель Horizontal Range (Глубина разреза), расположенный в области General (Общие настройки) окна

Для кого Google строит модульный смартфон? И останется ли Ara только смартфоном? Евгений Золотов

Модульный рюкзак-трансформер для современного горожанина Николай Маслухин

Принципы построения Fidonet

Принципы построения Fidonet В построении системы для обмена информацией, будь она в бумажной, электронной или любой другой форме, существует два различных подхода.Допустим, необходимо обеспечить некоему обществу людей возможность обмениваться информацией при помощи

Читайте также: