Назовите основные архитектуры компьютерных систем и кратко определите в чем суть каждой из них

Обновлено: 07.07.2024

Архитектурой ПК (персонального компьютера) принято называть совокупность структуры, отражающей состав и обслуживающее ПО. Структурой называется комплекс функциональных систем ПК и их связующих элементов.

Особенности архитектуры являются определяющими факторами при рассмотрении принципов действия ПК, программно-информационных связей и последовательности соединения всех узлов логики компьютера. К узлам логики относят: ОЗУ (оперативная память), ЦП (центральный процессор), внешнее устройство памяти (жесткий диск), графический модуль (видеокарта), периферийные модули. Основным, принципиальным элементом архитектуры любого ПК, являются блоки программного управления.

Классическая архитектура фон Неймана

Группа ученых, в составе которой были американцы Г.Голдштейн, Дж. фон Нейман и А. Беркс, в 1946 году провели колоссальную работу по разработке новых принципов и архитектуры ЭВМ. Работа математиков легла в основу при создании компьютеров первого и второго поколений. Принципы фон Неймана были сохранены, хоть и существенно видоизменились, во время работ по созданию машин следующих поколений.

Основные принципы фон Неймана:

Интеграция методов двоичного счисления позволила упростить работу устройств и сделать ее выполнение гораздо быстрее, чем это было при использовании десятичной системы.

Программное управление ПК

Функционал ПК зависит от исправной работы программного обеспечения. Программа, управляющая компьютерной системой представляет собой набор последовательно исполняющихся команд. Проблема низких показателей быстродействия, актуальная для ранних ПК, была решена интеграцией модуля памяти, применяемого для записи программных данных. Кодированные в двоичной системе данные и командные коды, расположены в пронумерованных адресных блоках. Возможность быстрого доступа к адресной ячейки сделало возможной работу в переменных программных средах.

Условный переход при исполнении программы

По умолчанию программные компоненты имеют последовательную модель исполнения, но существует возможность реализации перехода к любому месту кода. Главным преимуществом подобного механизма стало превращение программного продукта из постоянной величины в изменяемую, аппаратная же часть осталась статичной и достаточно простой.

Фон Нейман предложил собственную структура персонального компьютера (рис. 1).

В состав ПК предложенного математиком входили:

Устройство памяти или ЗУ;
Устройство исполнения арифметико-логических задач или АЛУ;
Управляющее устройство (УУ) задействованное в работе по координации работы узловых элементов ПК;
Периферийные устройства ввода/вывода.

В данной модели ПК любой тип данных вводится в устройство запоминания опосредованно через АЛУ посредствам устройств ввода/вывода. Программные команды фиксируются последовательно в блоках памяти, тогда как обрабатываемые данные записываются в блоках произвольно.

Простейшая команда содержала в себе информацию об операции требующей выполнения и адресов памяти, хранящей данные требуемые для выполнения данной операции. Кроме этого в команде прописывались адреса блоков памяти доступных для сохранения результата выполнения команды. Арифметико-логическое устройство выводило обработанные данные в устройство запоминания или в выводное устройство. Существенным отличием систем подобного рода является форма данных удобная для сохранения и обработки, а также для восприятия человека при передачи на устройство вывода (печатающее устройство или монитор).

Выполнение операции осуществляется аппаратная оснастка компьютера или АЛУ. По завершению выполнения команд значение счетчика увеличивается на единицу, что является сигналом для запуска следующей команды. При необходимости запуска команд без стандартной очередности, запускается команда переадресации, содержащая целевой адрес ячейки запуска управляющей команды.

Архитектура современных ПК

Современные компьютеры имеют магистрально-модульный тип архитектуры, то есть состоят из относительно самостоятельных компонентов, связанных между собой через ЦП.

Принцип модульности позволяет осуществлять произвольную комплектацию ПК устанавливая совместимые компоненты. Кроме этого современные ПК имеют возможность модернизации и улучшения. В данной системе функционирует магистральный тип обмена информацией. Для обеспечения взаимосвязи компонентов ПК используется магистральная шина, располагаемая на материнской плате в виде печатной платы. Преимуществом подобного вида ПК является возможность добавления или замены комплектующих.

Благодаря принципиальным переменам в архитектуре ПК произошло значительное повышение скорости обработки и обмена информации. Считываемая информация хранится в системной памяти, что позволяет работать напрямую с ЦП и значительно ускоряет работу ПК в целом. Максимум быстродействия ограничен скоростью обработки данных самой магистрали, чем выше данный показатель, тем выше скорость работы ПК в целом.

Для решения вопроса предпринято следующее:

Многопроцессорная архитектура ПК

Существуют компьютеры с несколькими процессорами, работающими параллельно. Такие ПК называются многопроцессорными и используются при необходимости обработать очень большой объем информации за максимально короткое время.

Многомашинная вычислительная система

Архитектура с параллельными процессорами

Подобная система работает под управлением одного УУ, взаимодействующего с несколькими АЛУ. Подобный принцип позволяет обрабатывать большой объем информации в одном потоке. Актуален данный принцип только при выполнении однотипных задач с различным набором данных.

В настоящее время встречаются более сложные архитектурные решения, а также вариации ПК, в которых применяется несколько классических архитектурных принципов.

Аннотация: В лекции подробно рассмотрена архитектура компьютерной системы: управление прерываниями, памятью, вводом-выводом, иерархия памяти, ассоциативная память (кэширование), защита памяти, аппаратная защита памяти в системах с теговой архитектурой.

Презентацию к данной лекции Вы можете скачать здесь.

Введение

В данной лекции рассмотрим более подробно архитектуру компьютерной системы. Будут рассмотрены следующие вопросы:

функционирование компьютерной системы
архитектура ввода-вывода
структура памяти
иерархия памяти
аппаратная защита памяти
общая архитектура системы.

Архитектура компьютерной системы

Компьютерная система имеет модульную структуру. Для каждого устройства ( память , внешние устройства ) в системе имеется специальное устройство управления (иначе говоря, специальный процессор ), называемый контроллером устройства. Все модули ( центральный процессор , память и контроллер памяти, внешние устройства и их контроллеры) соединены между собой системной шиной (system bus),через которую они обмениваются сигналами. Как мы уже знаем, работой каждого контроллера управляет драйвер - специализированная низкоуровневая программа , являющаяся частью ОС.

Вот типичная структура современной настольной или портативной компьютерной системы, с указанием наиболее распространенных типов устройств и их характеристик.

Центральный процессор – устройство, выполняющее команды (instructions) компьютерной системы. В современных компьютерах, как правило, он является многоядерным (см. "Особенности ОС для различных классов компьютерных систем. ОС реального времени. ОС для облачных вычислений" ), т.е. имеет в своем составе от 2 до 32 ядер (копий) процессора, параллельно работающих на общей памяти, либо гибридным (см. "История ОС. Отечественные ОС. Диалекты UNIX. Режимы пакетной обработки, мультипрограммирования, разделения времени" ), состоящим из центрального и графического процессоров. Производительность каждого ядра – 3 – 3.2 GHz . Заметим, что под производительностью понимается в данном случае тактовая частота процессора (ядра) – время выполнения им одной самой простой машинной команды. Однако есть и другие важные факторы, определяющие общую производительность системы, - тактовая частота памяти и системной шины. Фактически итоговую производительность системы можно оценить по самой медленной из этих частей системы (обычно это системная шина ). Эти характеристики необходимо принимать во внимание при выборе и покупке компьютера.

Оперативная (основная) память, или просто память – устройство, хранящее обрабатываемые данные. Объем памяти – 1 – 16 гигабайт и более; меньший объем памяти использовать не рекомендуется, так как это может привести к значительному замедлению системы. Тактовая частота памяти – 667 MHz – 1.5 GHz .

Системная шина – устройство, к которому подсоединены все модули компьютера и через которое они обмениваются сигналами, например, о прерываниях. Тактовая частота шины – 1 – 1.5 GHz (это и есть фактически некая суммарная производительность системы). Обычно используется шина типа PCI (Peripheral Component Interconnect).К ней могут быть подсоединены процессор , память , диски, принтер, модем и другие внешние устройства .

Порты – устройства с разъемами для подключения к компьютеру внешних устройств . Каждый порт имеет свой контроллер (и, соответственно, свой драйвер ).

Чаще всего используется порт USB (Universal Serial Bus),с характерным плоским разъемом, размером порядка 1 см, с изображением трезубца. К портам USB могут подключаться большинство видов устройств, причем для этого не требуется предварительно отключать компьютер и подключаемое устройство, что очень удобно. Имеется несколько стандартов USB с различным быстродействием. Наиболее распространен ныне стандарт USB 2.0, обеспечивающий быстродействие порта 240 – 260 мегабит в секунду. Для сравнения, предыдущий стандарт – USB 1.0 – обеспечивал лишь 10 – 12 мегабит в секунду (как говорится, почувствуйте разницу). Распознать тип USB -порта на Вашем компьютере можно, если вывести информацию об устройствах; в Windows : Мой компьютер / (правая кнопка мыши) Свойства / Оборудование / Диспетчер устройств / Устройства USB. При этом контроллер порта USB 2.0 будет обозначен как расширенный (enhanced).Если это не так, Вам необходимо модернизировать порты USB или сам компьютер , иначе при переписи на флэшку Вам придется ждать в 20 раз дольше (!). Существуют также "переходники" USB 1.0 -> USB 2.0. Новейший стандарт USB 3.0, реализация которого только началась, обеспечит быстродействие не менее 1 гигабита в секунду. К порту USB можно подключать клавиатуру, мышь , принтеры, сканеры, внешние жесткие диски, флэшки и даже TV-тюнеры - устройства для приема телевизионного сигнала с антенны и показа телевизионного изображения на компьютере. Рекомендуется каждое устройство подключать всегда к одному и тому же порту USB , иначе для некоторых устройств (например, того же TV -тюнера) могут возникнуть проблемы.

Порты COM (communication ports) – порты для подключения различных коммуникационных устройств, например, модемов – устройств для выхода в Интернет и передачи информации по аналоговой или цифровой телефонной линии. Более старое название стандарта COM -порта – RS-232. В компьютерах 10-15 – летней давности к COM -порту часто подключалась мышка (сейчас она, разумеется, подключается через USB ). Разъемы COM -портов имеют два формата – "большой" (с 25 контактами - pins ) и "малый" (с 9 контактами). В современных компьютерах часто разъемы COM -порты отсутствуют, но операционная система , по традиции, имитирует наличие в системе виртуальных COM-портов – воображаемых COM -портов, которые ОС как бы инсталлирует в систему при установке, например, драйверов для взаимодействия через Bluetooth или через кабель компьютера с мобильным устройством . При этом физически мобильный телефон или органайзер может быть подключен к порту USB (или соединен с компьютером беспроводной связью), но все равно для взаимодействия с ним ОС использует виртуальный COM - порт , обычно с большим номером (например, 10 или 15). COM - порт иначе называют последовательным портом (serial port),так как, с точки зрения ОС и драйверов, COM - порт – это символьное устройство последовательного действия.

Порт LPT (от line printer ), или параллельный порт – это ныне уже устаревший вид порта для подключения принтера или сканера, с толстым в сечении кабелем и большим разъемом. Все новые модели принтеров и сканеров работают через USB -порты. Однако иногда приходится решать задачу подключения к новому компьютеру старого принтера. Если на компьютере нет LPT-порта , приходится покупать специальный переходник, подключаемый к USB или другим портам. Однако и здесь возможен сюрприз ( по личному опыту автора) – разъем LPT-порта имеет несколько не совместимых друг с другом модификаций. Лучше всего иметь в домашнем "вычислительном центре" один старый компьютер с LPT -портом и через него и подключать старые принтеры, обеспечивая обращение к ним с других компьютеров через домашнюю локальную сеть . Неудобство LPT-порта в том, что он требует предварительно выгрузить ОС и выключить принтер, и только после этого выполнять подсоединение к компьютеру, иначе возможен выход из строя принтера или компьютера. LPT - порт может, как правило, работать и для ввода информации, например, со сканером, но для этого требуется в низкоуровневой утилите Setup , запустив ее при загрузке ОС (обычно – клавишей Del ), установить для LPT-порта специальный режим работы: EPP – Extended Parallel Port.

Порты SCSI и SCSI-устройства. SCSI (Small Computer System Interface ; произносится " скАзи",с ударением на первом слоге) – интерфейс , адаптеры и порты для подключения широкого спектра внешних устройств – жестких дисков, CD-ROM / DVD-ROM , сканеров и др. Стандарт SCSI был предложен в начале 1980-х гг. и получил широкое распространение, благодаря фирме Sun , которая широко использовала его в своих рабочих станциях. Характерной удобной возможностью SCSI является возможность подключения к одному SCSI -порту гирлянды (цепочки) SCSI-устройств (до 10), каждый из которых имеет уникальный для данного соединения SCSI ID – число от 0 до 9, устанавливаемое обычно на задней панели SCSI -устройства. Например, по традиции, SCSI ID сканера обычно равен 4. На одном из концов цепочки – SCSI - порт с контроллером, на другом – терминатор – переключатель на задней панели устройства, устанавливаемый в определенное положение как признак конца SCSI -цепочки. Каждое устройство, кроме последнего, соединено со следующим SCSI -устройством специальным кабелем. SCSI - разъем напоминает разъем порта LPT , однако имеет по бокам специальные металлические захваты ("лапки") для большей надежности подключения. Преимущество SCSI , кроме возможности использования гирлянд устройств, в его быстродействии, а также надежности. Ранние модели SCSI имели скорость обмена информацией до 10-12 мегабит в секунду, сейчас – 240-250 мегабит в секунду. Имеется несколько стандартов SCSI (в том числе – Wide SCSI , Ultra Wide SCSI ), к сожалению, не совместимых по разъемам. Автор до сих пор использует SCSI - сканер 10-летней давности, подключенный к старому компьютеру, и имеет большой положительный опыт использования SCSI -устройств для рабочих станций SPARC .

Порт VGA (Video Graphic Adapter) используется для подключения монитора (дисплея),управляемого графическим контроллером (процессором).

IEEE 1394 (FireWire) – порты для подключения цифровых видеокамер или фотоаппаратов. Характерная особенность – небольшой блестящий плоский разъем шириной 3-5 мм (имеются два его стандарта). Порт работает в дуплексном режиме, т.е. позволяет управлять не только вводом информации с камеры в компьютер , но и установками самой камеры (например, перемоткой ленты) с помощью компьютерной программы (например, Windows Movie Maker). С помощью такого же порта может быть подключен также телевизор , имеющий интерфейс FireWire . Характерной особенностью современных компьютеров является то, что FireWire -порты монтируются прямо на материнской плате (motherboard) – основной печатной плате компьютера, на которой смонтированы процессор и память , - столь большое значение придают производители компьютеров портам для обмена мультимедийной информацией. В таких случаях в технических характеристиках компьютера обычно указывается: "FireWire on board (на борту)".Читателям рекомендуется не путать FireWire с Wi-Fi (см. "История ОС. Отечественные ОС. Диалекты UNIX. Режимы пакетной обработки, мультипрограммирования, разделения времени" ) – стандартом быстрой беспроводной связи; эти сокращения забавно напоминают друг друга из-за привязанности американцев к аббревиатурам в "детском стиле".

HDMI (High Definition Multimedia Interface) – интерфейс и порт . позволяющий подключить к компьютеру телевизор или другое видеооборудование, обеспечивающее наилучшее качество воспроизведения (HD – High Definition ). Разъем HDMI напоминает разъем USB . HDMI - порт входит в комплектацию всех современных портативных компьютеров.

Bluetooth – устройства для беспроводного подключения (с помощью радиосвязи) к компьютеру мобильных телефонов, органайзеров, а также наушников, плейеров и многих других полезных устройств. Удобство Bluetooth в том, что компьютер и телефон остаются соединенными, даже если отойти от компьютера с телефоном на некоторое расстояние (например, в другую комнату), не более 10-15 метров ( Bluetooth 2.0). Новый стандарт Bluetooth 3.0 обеспечивает взаимодействие на расстоянии 200-250 м. Обычно портативные компьютеры комплектуются встроенными адаптерами Bluetooth , либо можно приобрести адаптер Bluetooth , подключаемый через USB . Недостаток Bluetooth – относительно маленькая суммарная скорость передачи информации. Например, при пересылке на компьютер через Bluetooth с мобильного телефона Nokia 3230 цифровой фотографии объемом 500 килобайт требуется ждать порядка 10 – 15 секунд.

Инфракрасный порт (IrDA) – порт для подключения ноутбука к мобильному телефону (или двух ноутбуков друг к другу) через инфракрасную связь . Неудобство портов IrDA – необходимость установки двух соединяемых устройств рядом, на расстоянии 20-30 см друг от друга, без физических препятствий между ними. Скорость передачи информации – 10-12 мегабит в секунду. Современные ноутбуки уже не комплектуются портами IrDA .

Имеются также сетевые устройства – порты и адаптеры – для подключения компьютера к локальной сети.

Блок-схема базового компьютера с однопроцессорным процессором. Черные линии обозначают поток данных, а красные линии - поток управления. Стрелки указывают направление потока.

В компьютерная инженерия, компьютерная архитектура представляет собой набор правил и методов, описывающих функциональность, организацию и реализацию компьютер системы. Некоторые определения архитектуры определяют ее как описание возможностей и модели программирования компьютера, но не конкретной реализации. [1] В других определениях компьютерная архитектура включает архитектура набора команд дизайн, микроархитектура дизайн, логический дизайн, и выполнение. [2]

Содержание

История

Первая задокументированная компьютерная архитектура находилась в соответствии между Чарльз Бэббидж и Ада Лавлейс, описывая аналитическая машина. При сборке компьютера Z1 в 1936 г., Конрад Зузе описал в двух патентных заявках для своих будущих проектов, что машинные инструкции могут храниться в том же хранилище, которое используется для данных, т.е. сохраненная программа концепция. [3] [4] Два других ранних и важных примера:

Предлагаемый электронный калькулятор

Подкатегории

Дисциплина компьютерной архитектуры состоит из трех основных подкатегорий: [13]

Архитектура набора команд (ISA): определяет Машинный код который процессор читает и действует, а также размер слова, режимы адресации памяти, регистры процессора, и тип данных.
Микроархитектура: также известный как "компьютерная организация", это описывает, как конкретный процессор будет реализовывать ISA. [14] Размер компьютера Кэш процессора например, это проблема, которая обычно не имеет ничего общего с ISA.
Системный дизайн: включает в себя все другие аппаратные компоненты в вычислительной системе, такие как обработка данных, кроме ЦП (например, прямой доступ к памяти), виртуализация, и многопроцессорность

В компьютерной архитектуре есть и другие технологии. Следующие технологии используются более крупными компаниями, такими как Intel, и были оценены в 2002 году. [13] для расчета 1% всей компьютерной архитектуры:

Определение

Архитектура компьютера связана с балансом производительности, эффективности, стоимости и надежности компьютерной системы. Случай с архитектурой набора команд может использоваться, чтобы проиллюстрировать баланс этих конкурирующих факторов. Более сложные наборы инструкций позволяют программистам писать программы с меньшим объемом памяти, поскольку одна инструкция может кодировать некоторую абстракцию более высокого уровня (например, инструкцию цикла x86). [16] Однако процессору для декодирования более длинных и сложных инструкций требуется больше времени, и их эффективная реализация может быть более затратной. Повышенная сложность из-за большого набора инструкций также создает больше возможностей для ненадежности, когда инструкции взаимодействуют неожиданным образом.

Реализация включает в себя проектирование интегральной схемы, корпус, питание и охлаждение. Оптимизация дизайна требует знакомства с компиляторами, операционными системами, логическим дизайном и упаковкой. [17]

Архитектура набора команд

An архитектура набора команд (ISA) - это интерфейс между программным обеспечением и оборудованием компьютера, который также может рассматриваться как взгляд программиста на машину. Компьютеры не понимают языки программирования высокого уровня такие как Java, C ++ или большинство используемых языков программирования. Процессор понимает только инструкции, закодированные в некоторой числовой форме, обычно как двоичные числа. Программные инструменты, такие как компиляторы, перевести эти языки высокого уровня в инструкции, понятные процессору.

Помимо инструкций, ISA определяет элементы в компьютере, которые доступны программе, например, типы данных, регистры, режимы адресации, и память. Инструкции находят эти доступные элементы с помощью индексов (или имен) регистров и режимов адресации памяти.

ISA компьютера обычно описывается в небольшом руководстве по эксплуатации, в котором описано, как кодируются инструкции. Кроме того, он может определять короткие (нечетко) мнемонические имена для инструкций. Имена могут быть распознаны с помощью инструмента разработки программного обеспечения, называемого ассемблер. Ассемблер - это компьютерная программа, которая переводит читаемую человеком форму ISA в машиночитаемую форму. Дизассемблеры также широко доступны, обычно в отладчики и программное обеспечение для выявления и устранения неисправностей в двоичных компьютерных программах.

ISA различаются по качеству и полноте. Хороший ISA компромисс между удобством программиста (насколько легко понять код), размером кода (сколько кода требуется для выполнения определенного действия), стоимостью компьютера для интерпретации инструкций (большая сложность означает больше оборудования, необходимого для декодировать и выполнять инструкции), и скорость компьютера (с более сложным аппаратным обеспечением декодирования увеличивается время декодирования). Организация памяти определяет, как инструкции взаимодействуют с памятью и как память взаимодействует сама с собой.

Во время проектирования подражание, эмуляторы могут запускать программы, написанные с использованием предложенного набора команд. Современные эмуляторы могут измерять размер, стоимость и скорость, чтобы определить, соответствует ли конкретный ISA своим целям.

Компьютерная организация

Компьютерная организация помогает оптимизировать продукты, основанные на производительности. Например, программистам необходимо знать вычислительную мощность процессоров. Возможно, им потребуется оптимизировать программное обеспечение, чтобы получить максимальную производительность по самой низкой цене. Для этого может потребоваться довольно подробный анализ организации компьютера. Например, в SD-карте дизайнерам может потребоваться расположить карту так, чтобы большая часть данных могла быть обработана максимально быстро.

Компьютерная организация также помогает спланировать выбор процессора для конкретного проекта. Мультимедийным проектам может потребоваться очень быстрый доступ к данным, тогда как виртуальным машинам может потребоваться быстрое прерывание. Иногда для определенных задач также требуются дополнительные компоненты. Например, компьютер, на котором можно запустить виртуальную машину, нуждается в виртуальная память аппаратное обеспечение, чтобы память разных виртуальных компьютеров могла быть разделена. Организация и функции компьютера также влияют на энергопотребление и стоимость процессора.

Выполнение

После разработки набора инструкций и микроархитектуры необходимо разработать практическую машину. Этот процесс проектирования называется выполнение. Реализация обычно не считается архитектурным проектированием, а скорее аппаратной частью. проектирование. Реализацию можно разбить на несколько этапов:

Логическая реализация проектирует схемы, необходимые на логический вентиль уровень.
Схема реализации делает транзистор-уровневые конструкции основных элементов (например, ворот, мультиплексоры, защелки), а также некоторых более крупных блоков (ALU, кеши и т. д.), которые могут быть реализованы на уровне логического элемента или даже на физическом уровне, если этого требует дизайн.
Физическая реализация рисует физические схемы. Различные компоненты схемы помещены в микросхему поэтажный план или на плате и создаются соединяющие их провода.
Проверка дизайна тестирует компьютер в целом, чтобы убедиться, что он работает во всех ситуациях и в любое время. Как только начинается процесс проверки дизайна, дизайн на логическом уровне тестируется с использованием логических эмуляторов. Однако обычно это слишком медленно для проведения реалистичного теста. Итак, после внесения исправлений на основе первого теста, прототипы создаются с использованием программируемых пользователем вентильных массивов (ПЛИС). На этом этапе заканчивается большинство хобби-проектов. Последним шагом является тестирование прототипов интегральных схем, которые могут потребовать нескольких переделок.

За Процессоры, весь процесс внедрения организован по-разному и часто упоминается как Дизайн процессора.

Цели дизайна

Точная форма компьютерной системы зависит от ограничений и целей. Компьютерные архитектуры обычно идут вразрез со стандартами, мощностью и производительностью, стоимостью, объемом памяти, задержка (задержка - это время, необходимое для передачи информации от одного узла к источнику) и пропускная способность. Иногда другие факторы, такие как характеристики, размер, вес, надежность и расширяемость, также являются факторами.

Наиболее распространенная схема выполняет углубленный анализ мощности и выясняет, как сохранить низкое энергопотребление при сохранении адекватной производительности.

Спектакль

Производительность современного компьютера часто описывается в инструкций за цикл (IPC), который измеряет эффективность архитектуры на любой тактовой частоте; более высокая скорость IPC означает, что компьютер быстрее. У старых компьютеров показатель IPC составлял всего 0,1, в то время как у современных процессоров он легко приближался к 1. Суперскаляр процессоры могут достичь от трех до пяти IPC, выполняя несколько инструкций за такт. [ нужна цитата ]

Многие люди измеряли скорость компьютера по тактовой частоте (обычно в МГц или ГГц). Это относится к числу циклов в секунду основных часов ЦП. Однако этот показатель несколько вводит в заблуждение, поскольку машина с более высокой тактовой частотой не обязательно может иметь более высокую производительность. В результате производители отказались от тактовой частоты как показателя производительности.

На скорость влияют и другие факторы, например, сочетание функциональные единицы, автобус скорости, доступной памяти, а также типа и порядка инструкций в программах.

Есть два основных типа скорости: задержка и пропускная способность. Задержка - это время между началом процесса и его завершением. Пропускная способность - это объем работы, выполненной за единицу времени. Задержка прерывания - это гарантированное максимальное время отклика системы на электронное событие (например, когда диск завершает перемещение некоторых данных).

На производительность влияет очень широкий спектр вариантов дизайна - например, конвейерная обработка процессор обычно увеличивает задержку, но увеличивает пропускную способность. Компьютерам, которые управляют оборудованием, обычно требуется низкая задержка прерывания. Эти компьютеры работают в в реальном времени среды и завершится ошибкой, если операция не будет завершена за указанный промежуток времени. Например, антиблокировочные тормоза с компьютерным управлением должны начать торможение в течение предсказуемого и ограниченного периода времени после того, как будет обнаружена педаль тормоза, иначе произойдет отказ тормоза.

Сравнительный анализ принимает во внимание все эти факторы, измеряя время, необходимое компьютеру для выполнения серии тестовых программ. Несмотря на то, что бенчмаркинг показывает сильные стороны, вы не должны выбирать компьютер. Часто измеряемые машины разделяются по разным параметрам. Например, одна система может быстро обрабатывать научные приложения, а другая - более плавно отображать видеоигры. Кроме того, дизайнеры могут нацеливать и добавлять в свои продукты специальные функции с помощью оборудования или программного обеспечения, которые позволяют быстро выполнять определенный тест, но не предлагают преимуществ, аналогичных общим задачам.

Энергоэффективность

Энергоэффективность - еще одно важное измерение в современных компьютерах. Более высокий КПД часто можно обменять на более низкую скорость или более высокую стоимость. Типичное измерение энергопотребления в компьютерной архитектуре - MIPS / Вт (миллионы инструкций в секунду на ватт).

Современные схемы требуют меньше энергии на транзистор по мере роста количества транзисторов на микросхему. [18] Это связано с тем, что каждый транзистор, который вставляется в новую микросхему, требует собственного источника питания и требует создания новых путей для его питания. Однако количество транзисторов на чип начинает увеличиваться медленнее. Таким образом, энергоэффективность становится не менее важной, если не более важной, чем установка все большего и большего количества транзисторов в один кристалл. Недавние разработки процессоров продемонстрировали этот акцент, поскольку они уделяют больше внимания энергоэффективности, а не заполнению как можно большего количества транзисторов в одном кристалле. [19] В мире встраиваемых компьютеров энергоэффективность долгое время была важной целью наряду с пропускной способностью и задержкой.

Изменения рыночного спроса

Увеличение тактовой частоты за последние несколько лет росло медленнее по сравнению с улучшениями в области снижения мощности. Это было вызвано концом Закон Мура и потребность в увеличении срока службы батарей и уменьшении габаритов мобильных технологий. Это смещение акцента с более высоких тактовых частот на энергопотребление и миниатюризацию может быть продемонстрировано значительным снижением энергопотребления на целых 50%, о котором Intel сообщила в своем выпуске Микроархитектура Haswell; где они снизили эталонное энергопотребление с 30 до 40 Вт до 10-20 Вт. [20] По сравнению с увеличением скорости обработки с 3 ГГц до 4 ГГц (с 2002 по 2006 год) [21] можно увидеть, что фокус в исследованиях и разработках смещается с тактовой частоты в сторону меньшего потребления энергии и занимающего меньше места.

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Курс лекций

Разработчики

Максимова О.Г., преподаватель.

Максимова А.В., студент.

3.1 Архитектура компьютеров

Основные характеристики компьютеров

Архитектура компьютера – это его устройство и принципы взаимодействия его основных элементов – логических узлов, среди которых основными являются

внутренняя память (основная и оперативная),

устройства ввода-вывода информации (периферийные).

Каждый логический узел компьютера выполняет свои функции.

Центральный процессор 1 — электронный блок либо интегральная схема, исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.

Рисунок 1 – Процессор

обработка данных (выполнение над ними арифметических и логических операций);

управление всеми остальными устройствами компьютера.

Тактовая частота (в МГц, ГГц) и подразумевает под собой количество тактов (вычислений) в секунду.

Частота шины – тактовая частота (в МГц), с которой происходит обмен данными между процессором и системной шиной материнской платы.

Множитель – коэффициент умножения, на основании которого производится расчет конечной тактовой частоты процессора, методом умножения частоты шины на коэффициент (множитель).

Разрядность (32/64 bit) — максимальное количество бит информации, которые процессор может обрабатывать и передавать одновременно.

Кэш-память первого уровня, L1 — это блок высокоскоростной памяти, который расположен на ядре процессора, в него помещаются данные из оперативной памяти. Сохранение основных команд в кэше L1 повышает быстродействие процессора, так как обработка данных из кэша происходит быстрее, чем при непосредственном взаимодействии с ОЗУ.

Кэш-память второго уровня, L2 — это блок высокоскоростной памяти, выполняющий те же функции, что и кэш L1, однако имеющий более низкую скорость и больший объем.

Кэш-память третьего уровня обычно присутствует в серверных процессорах или специальных линейках для настольных ПК.

Ядро – определяет большинство параметров центрального процессора: тип сокета, диапазон рабочих частот и частоту работы FSB. характеризуется следующими параметрами:

Техпроцесс Масштаб технологии (мкм), которая определяет размеры полупроводниковых элементов, составляющих основу внутренних цепей процессора.

Напряжение, которое необходимо процессору для работы и характеризует энергопотребление.

Тепловыделение – мощность (Вт), которую должна отводить система охлаждения, чтобы обеспечить нормальную работу процессора.

Тип сокета – то есть разъём для установки процессора на материнской плате.

Оперативная память 2 или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) — энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код (программы), а также входные, выходные и промежуточные данные, обрабатываемые процессором.

Рисунок 2 – Оперативная память

Функции оперативной памяти:

прием информации от других устройств;

передача информации по запросу в другие устройства компьютера.

Характеристики оперативной памяти:

тип DDR — 1, 2, 3, 4;

тайминги – длительность импульсов и пауз обновления ячеек памяти;

тактовая частота оперативной памяти — частота в МГц (количество импульсов в секунду), с которой работает оперативная память;

тактовая частота шины — частота канала, по которому идёт обмен данными между оперативной памятью и процессором;

Жёсткий диск, винчестер (накопитель на жёстких магнитных дисках, или НЖМД) 3 — запоминающее устройство произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи.

Винчестер является основным накопителем данных в большинстве компьютеров. Именно на жёсткий диск устанавливается операционная система или другое программное обеспечение.

Рисунок 3 – Жёсткий диск

Характеристики жёстких дисков:

скорость вращения шпинделя;

наработка на отказ;

среднее время ожидания;

энергопотребление и тепловыделение.

Видеокарта 4 — устройство, преобразующее графический образ, хранящийся как содержимое памяти компьютера (или самого адаптера), в форму, пригодную для дальнейшего вывода на экран монитора.

Рисунок 4 – Видеокарта

производитель видеопроцессора (GPU);

частота GPU, МГц;

количество занимаемых слотов на материнской плате;

объем видеопамяти, ГБ;

тактовая частота видеопамяти, МГц;

шина обмена данными с памятью, бит;

поддержка SLI и CrossFire;

поддержка разных версий DirectX;

необходимость дополнительного питания.

В основе архитектуры современных ЭВМ лежит магистрально-модульный принцип (рис. 26), который позволяет комплектовать нужную конфигурацию и производить необходимую модернизацию. Он опирается на шинный принцип обмена информацией между модулями

Рисунок 5 – Магистрально-модульный принцип построения компьютера

Системная шина или магистраль компьютера включает в себя три многоразрядные шины:

шину данных – для передачи различных данных между устройствами компьютера;

шину адреса – для адресации пересылаемых данных, то есть для определения их местоположения в памяти или в устройствах ввода/вывода;

шину управления, которая включает в себя управляющие сигналы, которые служат для временного согласования работы различных устройств компьютера, для определения направления передачи данных, для определения форматов передаваемых данных и т. д.

Основой построения модульного устройства компьютера является материнская (или системная) плата 5 — печатная плата, которая содержит основную часть устройства (рис. 6).

Рисунок 6 – Материнская плата

На системной (материнской) плате размещаются:

генератор тактовых импульсов;

контроллеры внешних устройств;

звуковая и видеокарты;

Многообразие компьютеров

В настоящее время рынок персональных компьютеров представлен огромным количеством моделей различных конфигураций. Основными факторами, влияющими на дальнейшее развитие компьютерной индустрии, станет снижение цен, появление в этом сегменте рынка все большего числа производителей. Компьютерный бизнес — одна из самых динамично развивающихся сфер как российской, так и мировой экономики.

Существует различные системы классификации ЭВМ:

по производительности и быстродействию;

по уровню специализации;

по типу используемого процессора;

по особенностям архитектуры;

Рассмотрим одну из таких классификаций.

1. Персональные компьютеры

1.1 Стационарные компьютеры. Занимают постоянное место, например, компьютерный стол. Обладают большими вычислительными мощностями чем переносные гаджеты. Выделим основные виды подобных устройств:

Десктопы. Самые мощные и производительные персональные компьютеры, основным компонентом которого является системный блок, занимающий постоянное место. К блоку подключаются периферийные устройства – клавиатура, мышь, монитор и прочее. Такое устройство является модульным, то есть отдельные его части подлежат замене, что позволяет постоянно обновлять и улучшать показатели работы компьютера.

Неттопы. По сути это те же десктопы, но они обладают меньшими габаритами и более экономным энергопотреблением. Их производительность меньше, но для некоторых задач она не настолько важна, а вот отсутствие шума для некоторых покупателей является приоритетом. Такой девайс занимает меньше места и его значительно проще разместить в домашних или офисных условиях, что также имеет высокую ценность в некоторых ситуациях.

Моноблоки. У данного вида стационарных ПК отсутствует видимый системный блок – все его компоненты размещены в мониторе, который так же служит корпусом для комплектующих. Такие устройства обладают высокой эстетичностью и меньшими требованиями к наличию свободного места, а топовые моноблоки практически не уступают по характеристикам привычным десктопам.

1.2. Портативные компьютеры – переносные персональные компьютеры, имеют высокие требования к мобильности конструкции и ее весу, способны работать в автономном режиме, для увеличения которого производители зачастую жертвуют производительностью системы. Этот вид ПК классифицируют следующим образом:

Ноутбуки – переносные компьютеры, оснащенные батареей, которая позволяет устройство работать без подключения к электрической сети. В одном корпусе такого гаджета одновременно находятся все необходимые элементы – монитор, клавиатура, процессор и прочая начинка.

Нетбуки – это компактные ноутбуки, которые приносят производительность в жертву легкости веса и упрощения мобильности, они отлично подходят для тех, кто любит работать не только за определенным рабочим местом, но и буквально где придется – в поезде, кафе или библиотеке.

Планшеты – нечто среднее между смартфонами и ноутбуками. Обладают довольной большой диагональю экрана порядка 10 дюймов, весят заметно меньше ноутбуков. Управляются посредством сенсорного дисплея, хотя, например, планшетные ноутбуки обладают полноценной клавиатурой.

Карманные компьютеры и смартфоны. Форм-фактор КПК был крайне популярен на заре нулевых, когда мобильные телефоны еще не предоставляли широких возможностей. Пришедшие на смену КПК смартфоны проигрывают в производительности более тяжелым и мощным ноутбукам, зато они имеют неоспоримое достоинство – они умещаются в карман и их всегда можно иметь под рукой.

2. Вычислительные серверы – благодаря таким компьютерам обеспечивается доступ к сетям, в том числе и интернету. Все файлы и информация, которую пользователь видит на экране монитора при веб-серфинге, хранится на таких серверах. Для таких компьютеров огромную роль играет производительность, но есть и более важная характеристика подобных систем – надежность. Вычислительные серверы должны без сбоев работать весь срок своей службы. Такие типы компьютеров всегда имеют резервные копии данных, что сказывается на общей концепции их архитектуры.

В основе такой аппаратуры лежит параллельная обработка информации, потому серверы стали пионерами в развитии многопроцессорности и многоядерности, которая сегодня используется уже повсеместно.

3. Суперкомпьютеры –профессиональные машины с наиболее высокой на сегодняшний день производительностью, они используются в научных лабораториях и крупном бизнесе. Такое устройство представляет собой целый комплекс компьютерных устройств, который может занимать огромные помещения. Каждый составной элемент подобной махины отвечает за свою конкретную задачу, подобная структуризация и векторная организация позволяют решать самые сложные проблемы, требующие невероятного объема расчетов.

4. Другие виды – многие устройства, которые привычно воспринимаются опосредовано от компьютерной составляющей, например, банкоматы или игровые приставки, также по большому счету являются компьютерами. Бытовая техника тоже имеет в себе встроенные компьютеры, ответственные за выполнение ряда функций. Роботы, которые постепенно получают все большее распространение в нашей жизни, так же являются компьютерными устройствами.

Многообразие внешних устройств, подключаемых к компьютеру

Периферийные 6 (внешние) устройства персонального компьютера подключаются к его интерфейсам и предназначены для выполнения вспомогательных операций. Благодаря этим устройствам компьютерная система приобретает гибкость и универсальность.

По назначению периферийные устройства можно подразделить на:

устройства ввода данных;

устройства вывода данных;

устройства хранения данных.

Рисунок 7 – Классификация периферийных устройств

Виды программного обеспечения компьютеров

Программное обеспечение (ПО, англ. software) – это совокупность программ, обеспечивающих функционирование компьютеров и решение с их помощью задач предметных областей. Программное обеспечение – неотъемлемая часть компьютерной системы, является логическим продолжением технических средств и определяет сферу применения компьютера.

ПО современных компьютеров включает множество разнообразных программ, которые можно условно разделить на две группы:

1. Системное программное обеспечение (системные программы);

2. Прикладное программное обеспечение (прикладные программы);

Системное программное обеспечение – это программы, управляющие работой компьютера и выполняющие различные вспомогательные функции, например, управление ресурсами компьютера, создание копий информации, проверка работоспособности устройств компьютера, выдача справочной информации о компьютере и др. Они предназначены для всех категорий пользователей, используются для эффективной работы компьютера и пользователя, а также эффективного выполнения прикладных программ.

Центральное место среди системных программ занимают операционные системы (англ. operating systems).

Операционная система управляет работой компьютера с момента включения до момента выключения питания. Она загружается автоматически при включении компьютера, ведет диалог с пользователем, осуществляет управление компьютером, его ресурсами (оперативной памятью, дисковым пространством и т.д.), запускает другие программы на выполнение и обеспечивает пользователю и программам удобный способ общения – интерфейс – с устройствами компьютера. Другими словами, операционная система обеспечивает функционирование и взаимосвязь всех компонентов компьютера, а также предоставляет пользователю доступ к его аппаратным возможностям.

Сервисные системы расширяют возможности ОС по обслуживанию системы, обеспечивают удобство работы пользователя. К этой категории относят системы технического обслуживания, программные оболочки и среды ОС, а также служебные программы.

Системы технического обслуживания – это совокупность программно-аппаратных средств ПК, которые выполняют контроль, тестирование и диагностику и используются для проверки функционирования устройств компьютера и обнаружения неисправностей в процессе работы компьютера. Они являются инструментом специалистов по эксплуатации и ремонту технических средств компьютера.

Служебные программы (утилиты, лат. utilitas – польза) – это вспомогательные программы, предоставляющие пользователю ряд дополнительных услуг по реализации часто выполняемых работ или же повышающие удобство и комфортность работы. К ним относятся:

программы-упаковщики (архиваторы), которые позволяют более плотно записывать информацию на дисках, а также объединять копии нескольких файлов в один, так называемый, архивный файл (архив);

антивирусные программы, предназначенные для предотвращения заражения компьютерными вирусами и ликвидации последствий заражения;

программы оптимизации и контроля качества дискового пространства;

программы восстановления информации, форматирования, защиты данных;

драйверы – программы, расширяющие возможности операционной системы по управлению устройствами ввода/вывода, оперативной памятью и т.д. При подключении к компьютеру новых устройств необходимо установить соответствующие драйверы;

коммуникационные программы, организующие обмен информацией между компьютерами и др.

Прикладное программное обеспечение предназначено для решения задач пользователя. В его состав входят прикладные программы пользователей и пакеты прикладных программ различного назначения.

Прикладная программа пользователя – это любая программа, способствующая решению какой-либо задачи в пределах данной проблемной области. Прикладные программы могут использоваться либо автономно, либо в составе программных комплексов или пакетов.

Пакеты прикладных программ – это специальным образом организованные программные комплексы, рассчитанные на общее применение в определенной проблемной области и дополненные соответствующей технической документацией.

1 англ . central processing unit, CPU

2 англ . Random Access Memory , RAM , память с произвольным доступом

3 англ . hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD

4 также видеоадаптер, графический адаптер, графическая плата, графическая карта, графический ускоритель

Читайте также: