Principiul von Neumann al omogenităţii memoriei înseamnă. Arhitectura calculatorului. principiile lui Von Neumann. Nodurile logice ale unui computer. Executarea programului. Principiile de bază ale arhitecturii ale lui John von Neumann
În 1946, D. von Neumann, G. Goldstein și A. Berks, în articolul lor comun, au conturat noi principii pentru construcția și funcționarea computerelor. Ulterior, pe baza acestor principii au fost produse primele două generații de calculatoare. Au existat unele schimbări în generațiile ulterioare, deși principiile lui Neumann sunt și astăzi relevante.
De fapt, Neumann a reușit să rezumă evoluțiile și descoperirile științifice ale multor alți oameni de știință și să formuleze ceva fundamental nou pe baza lor.
Principiul de control al programului: un program constă dintr-un set de comenzi executate de un procesor într-o anumită secvență.
Principiul omogenității memoriei: programele și datele sunt stocate în aceeași memorie.
Principiul de direcționare: Din punct de vedere structural, memoria principală este formată din celule numerotate. Orice celulă este disponibilă procesorului în orice moment.
Calculatoarele construite pe principiile de mai sus sunt de tip von Neumann.
Cea mai importantă consecință a acestor principii este că acum programul nu mai era o parte permanentă a mașinii (cum ar fi, de exemplu, un calculator). A devenit posibil să se schimbe ușor programul. Prin comparație, programul computerului ENIAC (care nu avea un program stocat) a fost determinat de jumperi speciali de pe panou. Ar putea dura mai mult de o zi pentru a reprograma aparatul (setati jumperii diferit). Și deși programele pentru computerele moderne pot dura ani pentru a scrie, dar funcționează pe milioane de computere, instalarea programelor nu necesită investiții semnificative de timp.
Pe lângă cele trei principii de mai sus, von Neumann a propus principiul codificării binare - Sistemul de numere binar este folosit pentru a reprezenta date și comenzi (primele mașini au folosit sistemul de numere zecimal). Dar evoluțiile ulterioare au arătat posibilitatea utilizării sistemelor de numere netradiționale.
La începutul anului 1956, la inițiativa Academicianului S.L. Sobolev, șeful Departamentului de Matematică Computațională de la Facultatea de Mecanică și Matematică a Universității din Moscova, a fost înființat un departament de electronică la centrul de calcul al Universității de Stat din Moscova și a început să funcționeze un seminar cu scopul de a crea un exemplu practic de computer digital destinat utilizării în universități, precum și în laboratoare și birouri de proiectare ale întreprinderilor industriale. A fost necesar să se dezvolte un computer mic, care să fie ușor de învățat și utilizat, fiabil, ieftin și, în același timp, eficient într-o gamă largă de sarcini. Un studiu amănunțit timp de un an al calculatoarelor disponibile la acel moment și al capacităților tehnice ale implementării lor a condus la o decizie nestandard de a utiliza în mașina creată nu un cod binar, ci un cod simetric ternar, implementând un sistem de numere echilibrat, care D. Knuth douăzeci de ani mai târziu l-ar fi numit poate cel mai elegant și, după cum a devenit cunoscut mai târziu, ale cărui avantaje au fost identificate de K. Shannon în 1950. Spre deosebire de codul binar cu numerele 0, 1, care este general acceptat în computerele moderne, care este inferior din punct de vedere aritmetic din cauza imposibilității reprezentării directe a numerelor negative în el, codul ternar cu numerele -1, 0, 1 oferă cea optimă. construirea aritmeticii numerelor cu semne. Sistemul numeric ternar se bazează pe același principiu pozițional de codificare a numerelor ca și sistemul binar adoptat în calculatoarele moderne, dar ponderea i Poziția a-lea (cifră) în ea nu este egală cu 2 i , ci 3 i . Mai mult decât atât, cifrele în sine nu sunt de două cifre (nu biți), ci de trei cifre (trite) - pe lângă 0 și 1, ele permit o a treia valoare, care într-un sistem simetric este -1, datorită căreia ambele pozitive iar numerele negative pot fi reprezentate uniform. Valoarea unui număr întreg de n biți N este determinată în mod similar cu valoarea unui număr întreg de n biți:
unde a i ∈ (1, 0, -1) este valoarea cifrei i-a.
În aprilie 1960, au fost efectuate teste interdepartamentale ale unui computer prototip numit „Setun”. Pe baza rezultatelor acestor teste, „Setun” a fost recunoscut ca primul model de lucru al unui computer universal bazat pe elemente fără lampă, care se caracterizează prin „ performanță ridicată, fiabilitate suficientă, dimensiuni reduse și ușurință de întreținere.” „Setun”, datorită naturaleței codului simetric ternar, s-a dovedit a fi un instrument de calcul cu adevărat universal, ușor de programat și foarte eficient, care s-a dovedit pozitiv, în special, ca mijloc tehnic de predare a matematicii computaționale în peste treizeci de universități. Și la Academia de Inginerie a Forțelor Aeriene. Jukovski, la „Setun” a fost implementat pentru prima dată un sistem automat de instruire pe computer.
Conform principiilor lui von Neumann, un computer este format din:
· unitate aritmetică logică - ALU(ing. ALU, Arithmetic and Logic Unit), care efectuează operații aritmetice și logice; dispozitiv de control -UU, conceput pentru a organiza execuția programelor;
· dispozitive de stocare (stocare), incl. memorie cu acces aleatoriu (RAM - memorie primară) și dispozitiv de stocare extern (ESD); în aproximativ memoria principala datele și programele sunt stocate; un modul de memorie este format din mai multe celule numerotate; fiecare celulă poate conține un număr binar care este interpretat fie ca o comandă, fie ca date;
· la dispozitive de intrare/ieșire, care servesc la transferul de date între computer și mediul extern, constând din diverse dispozitive periferice, care includ memorie secundară, echipamente de comunicații și terminale.
Oferă interacțiune între procesor (ALU și unitatea de control), memoria principală și dispozitivele de intrare/ieșire cu magistrala de sistem .
Arhitectura computerelor Von Neumann este considerată clasică; majoritatea computerelor sunt construite pe ea. În general, când oamenii vorbesc despre arhitectura von Neumann, se referă la separarea fizică a modulului procesorului de programe și dispozitivele de stocare a datelor. Ideea de a stoca programe de calculator în memoria partajată a făcut posibilă transformarea computerelor în dispozitive universale capabile să îndeplinească o gamă largă de sarcini. Programele și datele sunt introduse în memorie de la dispozitivul de intrare printr-o unitate logică aritmetică. Toate comenzile programului sunt scrise în celulele de memorie adiacente, iar datele pentru procesare pot fi conținute în celule arbitrare. Pentru orice program, ultima comandă trebuie să fie comanda de închidere.
Marea majoritate a calculatoarelor de astăzi sunt mașini von Neumann. Singurele excepții sunt anumite tipuri de sisteme pentru calculul paralel, în care nu există contor de programe, conceptul clasic de variabilă nu este implementat și există alte diferențe fundamentale semnificative față de modelul clasic (exemplele includ calculatoarele de streaming și reducere). Aparent, o abatere semnificativă de la arhitectura von Neumann va avea loc ca urmare a dezvoltării ideii de mașini de generația a cincea, în care procesarea informațiilor se bazează nu pe calcule, ci pe concluzii logice.
2.2 Comandă, formate de comandă
O comandă este o descriere a unei operații elementare pe care computerul trebuie să o efectueze.
Structura echipei.
Numărul de biți alocați pentru scrierea unei comenzi depinde de hardware-ul unui anumit model de computer. În acest sens, vom lua în considerare structura unei echipe specifice pentru cazul general.
În general, comanda conține următoarele informații:
Ø codul operatiei care se executa;
Ø instructiuni pentru definirea operanzilor sau a adreselor acestora;
Ø instructiuni pentru plasarea rezultatului rezultat.
Pentru orice mașină dată, trebuie specificat numărul de biți binari alocați în instrucțiune pentru fiecare dintre adresele sale și pentru codul operațional, precum și codurile operaționale reale în sine. Numărul de biți dintr-o instrucțiune alocați la construirea unei mașini pentru fiecare dintre adresele sale determină limita superioară a numărului de celule de memorie a mașinii care au adrese separate: dacă adresa dintr-o instrucțiune este reprezentată de n biți, atunci memoria de acces rapid nu poate conține mai mult de 2 n celule.
Comenzile se execută secvenţial, pornind de la adresa de pornire (punctul de intrare) a programului executabil, adresa fiecărei comenzi ulterioare este cu una mai mare decât adresa comenzii anterioare, dacă nu a fost o comandă de salt.
În mașinile moderne, lungimea instrucțiunilor este variabilă (de obicei de la doi până la patru octeți), iar modalitățile de specificare a adreselor variabile sunt foarte diverse.
Partea de adresă a comenzii poate conține, de exemplu:
operand;
adresa operandului;
Adresa adresei operandului (numărul de octeți de la care se află adresa operandului), etc.
Să luăm în considerare structura opțiunilor posibile pentru mai multe tipuri de comenzi.
Comenzi cu trei adrese.
Comenzi în două sensuri.
Comenzi unicast.
Comenzi neadresate.
Se consideră operația de adunare binară: c = a + b.
Pentru fiecare variabilă din memorie, definim adrese condiționale:
Fie 53 codul operației de adăugare.
În acest caz, structura de comandă cu trei adrese arată astfel:
· Comenzi cu trei adrese.
Procesul de execuție a comenzii este împărțit în următoarele etape:
Următoarea instrucțiune este selectată din celula de memorie, a cărei adresă este stocată în contorul de programe; conținutul contorului este schimbat și acum conține adresa următoarei comenzi în ordine;
Comanda selectată este transmisă dispozitivului de control către registrul de comenzi;
Dispozitivul de control decriptează câmpul de adresă al comenzii;
Pe baza semnalelor de la unitatea de control, valorile operanzilor sunt citite din memorie și scrise în ALU în registre speciale de operanzi;
Unitatea de control decriptează codul de operare și emite un semnal către ALU pentru a efectua operația corespunzătoare asupra datelor;
Rezultatul operației în acest caz este trimis în memorie (în computerele cu uniadresă și cu două adrese rămâne în procesor);
Toate acțiunile anterioare sunt efectuate până când se ajunge la comanda STOP.
2.3 Calculatorul ca automat
„Mașinile electronice digitale cu control program sunt un exemplu de unul dintre cele mai comune tipuri de convertoare de informații discrete în prezent, numite automate discrete sau digitale” (Glushkov V.M. Synthesis of digital automata)
Orice computer funcționează automat (fie că este un computer mare sau mic, un computer personal sau un supercomputer). În acest sens, un calculator ca automat poate fi descris prin schema bloc prezentată în Fig. 2.1. 
În paragrafele precedente s-a luat în considerare schema bloc a unui calculator. Pe baza diagramei bloc a computerului și a schemei de circuit a mașinii, putem compara blocurile circuitului mașinii și elementele diagramei bloc ale computerului.
Următoarele sunt incluse în mașină ca elemente executive:
Dispozitiv aritmetic-logic:
· memorie;
· dispozitive de intrare/ieșire a informațiilor.
Elementul de control al mașinii este dispozitivul de control, care asigură de fapt funcționarea automată. După cum sa menționat deja, în dispozitivele de calcul moderne elementul executiv principal este un procesor sau un microprocesor, care conține un ALU, memorie și dispozitiv de control.
Dispozitivele auxiliare ale mașinii pot fi tot felul de mijloace suplimentare care îmbunătățesc sau extind capacitățile mașinii.
Arhitectura calculatoruluieste luată în considerare reprezentarea sa la un anumit nivel general, incluzând o descriere a capabilităților de programare a utilizatorului, a sistemelor de comandă, a sistemelor de adresare, a organizării memoriei etc. Arhitectura determină principiile de funcționare, conexiunile de informații și conectarea reciprocă a principalelor noduri logice ale unui computer: procesor, memorie cu acces aleatoriu (RAM, OP), stocare externă și dispozitive periferice.
Componentele arhitecturii computerului sunt: capabilități de calcul și logice, hardware și software.
Structura computerului este un ansamblu al elementelor sale funcționale și a conexiunilor dintre ele. Elementele pot fi cele mai tipice dispozitive - de la principalele noduri logice ale unui computer la cele mai simple circuite. Structura unui computer este reprezentată grafic sub formă de diagrame bloc, cu ajutorul cărora o puteți descrie la orice nivel de detaliu.
Arhitectura unui computer trebuie distinsă de structura sa. Structura definește un set specific de dispozitive, blocuri, noduri care alcătuiesc un computer, în timp ce arhitectura definește regulile de interacțiune a componentelor computerului.
Principiile lui Von Neumann (arhitectura). Construcția majorității calculatoarelor se bazează pe următoarele principii generale, formulate în 1945 de omul de știință american John von Neumann.
1. Principiul controlului programului. Din aceasta rezultă că programul constă dintr-un set de comenzi care sunt executate de procesor automat una după alta într-o anumită secvență.
Un program este preluat din memorie folosind un contor de programe. Acest registru de procesor mărește secvențial adresa următoarei instrucțiuni stocate în el cu lungimea instrucțiunii. Deoarece comenzile programului sunt localizate în memorie una după alta, un lanț de comenzi este astfel organizat din celule de memorie situate secvenţial.
Structura unei comenzi individuale este:
<код операции> <операнды>,
Unde<код операции>determină ce operație trebuie efectuată;
<операнды>- o listă (eventual cu un singur element) a acelor constante, adrese sau nume de variabile pe care se efectuează această operație.
În funcție de numărul de operanzi, se disting instrucțiuni de mașină cu una, două și trei adrese. Fiecare comandă are o anumită dimensiune, măsurată în octeți.
2. Principiul tranziției condiționate. Dacă, după executarea unei comenzi, trebuie să treceți nu la următoarea, ci la alta, se folosesc comenzi de salt condiționate sau necondiționate (ramură), care introduc numărul celulei de memorie care conține următoarea comandă în contorul de comenzi. Preluarea comenzilor din memorie se oprește după atingerea și executarea comenzii de oprire.
Astfel, procesorul execută programul automat, fără intervenția omului.
3. Principiul omogenității memoriei. Programele și datele sunt stocate în aceeași memorie. Prin urmare, computerul nu distinge între ceea ce este stocat într-o celulă de memorie dată - un număr, text sau comandă. Puteți efectua aceleași acțiuni asupra comenzilor ca și asupra datelor. Acest lucru deschide o întreagă gamă de posibilități. De exemplu, un program poate fi procesat și în timpul execuției sale, ceea ce vă permite să stabiliți reguli pentru obținerea unora dintre părțile sale în programul propriu-zis (așa este organizată execuția ciclurilor și subrutinelor în program). Mai mult, comenzile dintr-un program pot fi obținute ca rezultate din execuția altui program. Metodele de traducere se bazează pe acest principiu - traducerea textului programului dintr-un limbaj de programare de nivel înalt în limbajul unei anumite mașini.
4. Principiul plasării unui program în memorie. Programul necesar pentru funcționarea computerului este pre-locat în memoria computerului, mai degrabă decât introducerea comandă după comandă.
5. Principiul de țintire. Din punct de vedere structural, memoria principală este formată din celule renumerotate; Orice celulă este disponibilă procesorului în orice moment. Aceasta implică capacitatea de a denumi zonele de memorie, astfel încât valorile stocate în acestea să poată fi accesate sau modificate ulterior în timpul execuției programului folosind numele atribuite.
6. Principiul ierarhiei memoriei. Memoria computerului este eterogenă. Pentru datele utilizate frecvent, este alocată memorie mai mică, dar mai rapidă; Pentru datele utilizate rar, este alocată memorie mai mare, dar mai lentă.
7. Principiul sistemului de numere binar. Pentru reprezentarea internă a datelor și programelor în memoria computerului se folosește un sistem de numere binar, care poate fi implementat mai ușor din punct de vedere tehnic.
Calculatoarele construite pe aceste principii sunt de tipul von Neumann. Există și alte clase de computere care sunt fundamental diferite de cele von Neumann. Aici, de exemplu, principiul controlului programului poate să nu fie îndeplinit, adică. ele pot funcționa fără un numărător de programe (registru de adrese) care să indice comanda programului care se execută. Pentru a accesa o variabilă stocată în memorie, aceste computere nu trebuie să-i dea un nume. Astfel de calculatoare sunt numite computere non-von Neumann.
Mașina von Neumann a constat dintr-o memorie, care era un set de registre, un ALU, un dispozitiv de intrare/ieșire și un dispozitiv de control (Fig. 3.7).
Dispozitivul de intrare a transmis comenzi și date către ALU, de unde au fost scrise în memorie. Toate echipe, a cărui totalitate se numește program, sunt scrise în memorie în celulele vecine în ordinea crescătoare a adreselor lor, iar datele care necesită procesare sunt scrise în celule cu adrese arbitrare. Ultima comandă a programului este în mod necesar comanda de oprire. Fiecare comandă conține codul operației care trebuie efectuată și adresele celulelor care conțin datele procesate de această comandă. Dispozitivul de control conține un registru special numit „ Contor de programe" După încărcarea programului și a datelor în memorie, adresa primei instrucțiuni a programului este scrisă în contorul de programe. După care computerul intră în modul de execuție automată a programului.
Orez. 3.7. mașină von Neumann
Dispozitivul de control citește din memorie conținutul celulei de memorie, a cărei adresă se află în contorul de programe și îl plasează într-un dispozitiv special - „ Registrul de comenzi" Registrul de comenzi stochează comanda în timp ce este executată. Dispozitivul de control descifrează tipul de operație de comandă, citește din memorie datele ale căror adrese sunt specificate în comandă și începe să o execute. Pentru fiecare comandă, dispozitivul de control are propriul algoritm de procesare, care constă în generarea de semnale de control pentru toate celelalte dispozitive ale mașinii. Acest algoritm ar putea fi implementat pe baza circuitelor logice combinaționale sau folosind o memorie internă specială, unde acești algoritmi au fost scriși sub formă de microinstrucțiuni combinate în microprograme. Microprogramul este executat după același principiu ca și programele din memoria principală, adică. conform principiului lui von Neumann. Fiecare microinstrucțiune conține un set de semnale de control pentru dispozitivele mașinii. Rețineți că dispozitivele pentru controlul execuției comenzilor procesorului în sistemele informatice moderne sunt, de asemenea, construite pe principiul circuitelor combinaționale sau al automatelor cu microprograme, conform cărora sunt împărțite în RISCȘi CISC procesoare, care vor fi discutate mai jos.
Microprogramul pentru executarea oricărei comenzi conține în mod necesar semnale care modifică cu unul conținutul contorului programului. Astfel, după finalizarea următoarei comenzi, contorul de program a indicat către următoarea celulă de memorie, care conținea următoarea comandă de program. Dispozitivul de control citește instrucțiunea a cărei adresă se află în contorul de programe, o plasează în registrul de instrucțiuni etc. Acest proces continuă până când următoarea comandă executabilă se dovedește a fi o comandă de oprire a execuției programului. Este interesant de observat că atât instrucțiunile, cât și datele care se află în memorie sunt seturi de numere întregi binare. Dispozitivul de control nu poate distinge o comandă de date, prin urmare, dacă programatorul a uitat să încheie programul cu o comandă de oprire, dispozitivul de control citește următoarele celule de memorie care nu mai conțin comenzi de program și încearcă să le interpreteze ca comenzi.
Un caz special poate fi considerat comenzi de sărituri necondiționate sau condiționate, atunci când trebuie să executați o comandă care nu este următoarea în ordinea celei curente, dar este separată de cea dată printr-un anumit număr de adrese. În acest caz, comanda jump conține adresa celulei către care trebuie transferat controlul. Această adresă este scrisă de dispozitivul de control direct în contorul de programe și are loc o tranziție la comanda de program corespunzătoare.
Mașină Thuring
mașină Turing (MT)- performer abstract (mașină de calcul abstractă). A fost propus de Alan Turing în 1936 pentru a oficializa conceptul de algoritm.
O mașină Turing este o extensie a unei mașini cu stări finite și, conform tezei Church-Turing, capabil să imite toți interpreții(prin precizarea regulilor de tranziție) care implementează cumva procesul de calcul pas cu pas, în care fiecare pas de calcul este destul de elementar.
Structura unei mașini Turing[
Mașina Turing include un nelimitat în ambele direcții panglică(Sunt posibile mașini Turing care au mai multe benzi infinite), împărțite în celule și dispozitiv de control(numit si cap de citire-scriere(GZCH)), capabil să fie într-unul dintre set de state. Numărul de stări posibile ale dispozitivului de control este finit și specificat cu precizie.
Dispozitivul de control se poate deplasa la stânga și la dreapta de-a lungul benzii, poate citi și scrie caractere ale unui alfabet finit în celule. Se remarcă deosebit gol un simbol care umple toate celulele benzii, cu excepția celor dintre ele (numărul final) pe care sunt scrise datele de intrare.
Dispozitivul de control funcționează conform reguli de tranziție, care reprezintă algoritmul, realizabil această mașină Turing. Fiecare regulă de tranziție instruiește mașina, în funcție de starea curentă și de simbolul observat în celula curentă, să scrie un nou simbol în această celulă, să treacă la o stare nouă și să mute o celulă la stânga sau la dreapta. Unele stări ale mașinii Turing pot fi etichetate ca Terminal, iar a merge la oricare dintre ele înseamnă sfârșitul lucrării, oprirea algoritmului.
Se numește o mașină Turing determinat, dacă fiecare combinație de simbol de stare și panglică din tabel corespunde cel mult unei reguli. Dacă există o pereche „simbol panglică - stare” pentru care există 2 sau mai multe instrucțiuni, o astfel de mașină Turing se numește nedeterminist.
Descrierea mașinii Turing[
O mașină Turing specifică este definită prin enumerarea elementelor setului de litere ale alfabetului A, setului de stări Q și setul de reguli după care funcționează mașina. Au forma: q i a j →q i1 a j1 d k (dacă capul este în starea q i, iar litera a j este scrisă în celula observată, atunci capul trece în starea q i1, în celulă se scrie a j1 în loc de j, capul face o mișcare d k, care are trei opțiuni: o celulă la stânga (L), o celulă la dreapta (R), rămâne pe loc (N)). Pentru fiecare configurație posibilă există exact o regulă (pentru o mașină Turing nedeterministă pot exista mai multe reguli). Nu există reguli doar pentru starea finală, odată în care mașina se oprește. În plus, trebuie să specificați stările finale și inițiale, configurația inițială pe bandă și locația capului mașinii.
Exemplu de mașină Turing[
Să dăm un exemplu de MT pentru înmulțirea numerelor în sistemul numeric unar. Introducerea regulii „q i a j →q i1 a j1 R/L/N” trebuie înțeleasă astfel: q i este starea în care se execută această regulă, a j este datele din celula în care se află capul, q i1 este starea la care se ajunge, un j1 - ceea ce trebuie scris în celulă, R/L/N - comandă pentru a muta.
Arhitectura computerului de John von Neumann
Arhitectura Von Neumann- un principiu binecunoscut al stocării în comun a comenzilor și datelor în memoria computerului. Sistemele de calcul de acest fel sunt adesea denumite „mașini von Neumann”, dar corespondența acestor concepte nu este întotdeauna clară. În general, când oamenii vorbesc despre arhitectura von Neumann, se referă la principiul stocării datelor și instrucțiunilor într-o singură memorie.
principiile von Neumann
Principiile lui Von Neumann[
Principiul omogenității memoriei
Comenzile și datele sunt stocate în aceeași memorie și nu se pot distinge extern în memorie. Ele pot fi recunoscute numai după metoda de utilizare; adică aceeași valoare dintr-o celulă de memorie poate fi folosită ca date, ca comandă și ca adresă, în funcție doar de modul în care este accesată. Acest lucru vă permite să efectuați aceleași operații asupra comenzilor ca și asupra numerelor și, în consecință, deschide o serie de posibilități. Astfel, prin schimbarea ciclică a părții de adresă a comenzii, este posibil să se acceseze elemente succesive ale matricei de date. Această tehnică se numește modificarea comenzii și nu este recomandată din punctul de vedere al programării moderne. Mai utilă este o altă consecință a principiului omogenității, când instrucțiunile dintr-un program pot fi obținute ca urmare a execuției unui alt program. Această posibilitate stă la baza traducerii - traducerea textului programului dintr-o limbă de nivel înalt în limba unui anumit computer.
Principiul de țintire
Din punct de vedere structural, memoria principală este formată din celule numerotate, iar orice celulă este disponibilă procesorului în orice moment. Codurile binare de comenzi și date sunt împărțite în unități de informații numite cuvinte și stocate în celule de memorie, iar pentru a le accesa se folosesc numerele celulelor corespunzătoare - adrese.
Principiul controlului programului
Toate calculele prevăzute de algoritmul pentru rezolvarea problemei trebuie prezentate sub forma unui program format dintr-o succesiune de cuvinte de control - comenzi. Fiecare comandă prescrie o operațiune dintr-un set de operații implementate de computer. Comenzile programului sunt stocate în celulele de memorie secvențiale ale computerului și sunt executate într-o secvență naturală, adică în ordinea poziției lor în program. Dacă este necesar, folosind comenzi speciale, această secvență poate fi schimbată. Decizia de modificare a ordinii de execuție a comenzilor programului se ia fie pe baza unei analize a rezultatelor calculelor anterioare, fie necondiționat.
Tipuri de procesoare
Microprocesor- acesta este un dispozitiv care este unul sau mai multe circuite integrate mari (LSI) care îndeplinesc funcțiile unui procesor de calculator.Un dispozitiv de calcul clasic este format dintr-o unitate aritmetică (AU), un dispozitiv de control (CU), un dispozitiv de stocare (SU). ) și un dispozitiv de intrare-ieșire (I/O) ).
IntelCeleron 400 Socket 370 într-o carcasă din plastic PPGA, vedere de sus.
Există procesoare de diferite arhitecturi.
CISC(ing. ComplexInstructionSetComputing) este un concept de design de procesor care este caracterizat de următorul set de proprietăți:
· un număr mare de comenzi de diferite formate și lungimi;
· introducerea unui număr mare de moduri diferite de adresare;
· are codare complexă a instrucțiunilor.
Un procesor CISC trebuie să se ocupe de instrucțiuni mai complexe de lungime inegală. O singură instrucțiune CISC se poate executa mai rapid, dar procesarea mai multor instrucțiuni CISC în paralel este mai dificilă.
Facilitarea depanării programelor în asamblare implică aglomerarea unității de microprocesor cu noduri. Pentru a îmbunătăți performanța, frecvența ceasului și gradul de integrare trebuie crescute, ceea ce necesită o tehnologie îmbunătățită și, ca urmare, o producție mai scumpă.
Avantajele arhitecturii CISC[spectacol]
Dezavantajele arhitecturii CISC[spectacol]
RISC(Setul de instrucțiuni redus de calcul). Procesor cu un set de instrucțiuni redus. Sistemul de comandă este simplificat. Toate comenzile au același format cu codare simplă. Memoria este accesată folosind comenzi de încărcare și scriere; comenzile rămase sunt de tip registru-registru. Comanda care intră în CPU este deja împărțită în câmpuri și nu necesită decriptare suplimentară.
O parte din cristal este eliberată pentru a găzdui componente suplimentare. Gradul de integrare este mai mic decât în varianta arhitecturală anterioară, astfel încât sunt permise viteze de ceas mai mici pentru performanțe ridicate. Comanda aglomera mai puțin memoria RAM, procesorul este mai ieftin. Aceste arhitecturi nu sunt compatibile cu software-ul. Depanarea programelor RISC este mai dificilă. Această tehnologie poate fi implementată în software compatibil cu tehnologia CISC (de exemplu, tehnologia superscalară).
Deoarece instrucțiunile RISC sunt simple, sunt necesare mai puține porți logice pentru a le executa, ceea ce reduce în cele din urmă costul procesorului. Dar majoritatea software-ului de astăzi este scris și compilat special pentru procesoarele Intel CISC. Pentru a utiliza arhitectura RISC, programele curente trebuie să fie recompilate și uneori rescrise.
Frecvența ceasului
Frecvența ceasului este un indicator al vitezei cu care comenzile sunt executate de procesorul central.
Tactul este perioada de timp necesară pentru efectuarea unei operații elementare.
În trecutul recent, viteza de ceas a unui procesor central a fost identificată direct cu performanța acestuia, adică cu cât viteza de ceas a procesorului este mai mare, cu atât este mai productivă. În practică, avem o situație în care procesoarele cu frecvențe diferite au aceleași performanțe, deoarece pot executa un număr diferit de instrucțiuni într-un singur ciclu de ceas (în funcție de designul nucleului, lățimea de bandă a magistralei, memoria cache).
Viteza ceasului procesorului este proporțională cu frecvența magistralei sistemului ( vezi mai jos).
Adâncime de biți
Capacitatea procesorului este o valoare care determină cantitatea de informații pe care procesorul central este capabil să o prelucreze într-un singur ciclu de ceas.
De exemplu, dacă procesorul este pe 16 biți, aceasta înseamnă că este capabil să proceseze 16 biți de informații într-un singur ciclu de ceas.
Cred că toată lumea înțelege că cu cât este mai mare adâncimea de biți a procesorului, cu atât volumele mai mari de informații pe care le poate procesa.
De obicei, cu cât capacitatea procesorului este mai mare, cu atât performanța acestuia este mai mare.
În prezent, sunt utilizate procesoare pe 32 și 64 de biți. Dimensiunea procesorului nu înseamnă că acesta este obligat să execute comenzi cu aceeași dimensiune de biți.
Memorie cache
În primul rând, să răspundem la întrebarea, ce este memoria cache?
Memoria cache este o memorie de calculator de mare viteză concepută pentru stocarea temporară a informațiilor (codul programelor executabile și al datelor) necesare procesorului central.
Ce date sunt stocate în memoria cache?
Cel mai des folosit.
Care este scopul memoriei cache?
Faptul este că performanța RAM este mult mai scăzută în comparație cu performanța procesorului. Se pare că procesorul așteaptă să sosească date din RAM - ceea ce reduce performanța procesorului și, prin urmare, performanța întregului sistem. Memoria cache reduce latența procesorului prin stocarea datelor și codului programelor executabile care au fost accesate cel mai frecvent de către procesor (diferența dintre memoria cache și RAM al computerului este că viteza memoriei cache este de zeci de ori mai mare).
Memoria cache, ca și memoria obișnuită, are o capacitate. Cu cât capacitatea memoriei cache este mai mare, cu atât poate lucra cu volume mai mari de date.
Există trei niveluri de memorie cache: memorie cache primul (L1), al doilea (L2) și al treilea (L3). Primele două niveluri sunt cel mai des folosite în computerele moderne.
Să aruncăm o privire mai atentă asupra tuturor celor trei niveluri de memorie cache.
Prima cache level este cea mai rapidă și mai scumpă memorie.
Cache-ul L1 este situat pe același cip cu procesorul și funcționează la frecvența procesorului (deci cea mai rapidă performanță) și este utilizat direct de nucleul procesorului.
Capacitatea cache-ului de prim nivel este mică (datorită costului său ridicat) și este măsurată în kiloocteți (de obicei nu mai mult de 128 KB).
cache L2 este o memorie de mare viteză care îndeplinește aceleași funcții ca cache-ul L1. Diferența dintre L1 și L2 este că acesta din urmă are o viteză mai mică, dar o capacitate mai mare (de la 128 KB la 12 MB), ceea ce este foarte util pentru îndeplinirea sarcinilor care necesită mult resurse.
cache L3 situat pe placa de baza. L3 este semnificativ mai lent decât L1 și L2, dar mai rapid decât RAM. Este clar că volumul lui L3 este mai mare decât volumul lui L1 și L2. Cache-ul de nivel 3 se găsește în computerele foarte puternice.
Numărul de nuclee
Tehnologiile moderne de fabricare a procesoarelor fac posibilă plasarea mai multor nuclee într-un singur pachet. Prezența mai multor nuclee crește semnificativ performanța procesorului, dar asta nu înseamnă că prezența n nucleele oferă performanțe crescute în n o singura data. În plus, problema procesoarelor multi-core este că astăzi există relativ puține programe scrise ținând cont de prezența mai multor nuclee în procesor.
Procesorul multi-core, în primul rând, vă permite să implementați funcția multitasking: distribuirea muncii aplicațiilor între nucleele procesorului. Aceasta înseamnă că fiecare nucleu individual rulează propria sa aplicație.
Structura plăcii de bază
Înainte de a alege o placă de bază, trebuie să luați în considerare cel puțin superficial structura acesteia. Deși este de remarcat aici că locația prizelor și a altor părți ale plăcii de bază nu joacă un rol special.
Primul lucru la care ar trebui să acordați atenție este soclul procesorului. Aceasta este o mică adâncitură pătrată cu un dispozitiv de fixare.
Pentru cei care sunt familiarizați cu termenul „overlocking” (overclockarea unui computer), ar trebui să acordați atenție prezenței unui radiator dublu. Adesea, plăcile de bază nu au un radiator dublu. Prin urmare, pentru cei care intenționează să își overclockeze computerul în viitor, este recomandabil să se asigure că acest element este prezent pe placă.
Sloturile PCI-Express alungite sunt concepute pentru plăci video, tunere TV, plăci audio și de rețea. Plăcile video necesită lățime de bandă mare și folosesc conectori PCI-Express X16. Pentru alte adaptoare se folosesc conectori PCI-Express X1.
Consultanță de specialitate!Sloturile PCI cu lățimi de bandă diferite arată aproape la fel. Merită să priviți cu atenție conectorii și să citiți etichetele de sub ei pentru a evita dezamăgirile bruște acasă la instalarea plăcilor video.
Conectorii mai mici sunt destinati stick-urilor RAM. De obicei sunt colorate în negru sau albastru.
Chipsetul plăcii este de obicei ascuns sub radiator. Acest element este responsabil pentru funcționarea comună a procesorului și a altor părți ale unității de sistem.
Micii conectori pătrați de pe marginea plăcii sunt folosiți pentru conectarea hard disk-ului. Pe de altă parte există conectori pentru dispozitivele de intrare și ieșire (USB, mouse, tastatură etc.).
Producător
Multe companii produc plăci de bază. Este aproape imposibil să le evidențiezi pe cele mai bune sau mai rele dintre ele. Plata oricărei companii poate fi numită de înaltă calitate. Adesea, chiar și producătorii necunoscuți oferă produse bune.
Secretul este că toate plăcile sunt echipate cu chipset-uri de la două companii: AMD și Intel. Mai mult, diferențele dintre chipset-uri sunt nesemnificative și joacă un rol doar atunci când rezolvă probleme de înaltă specialitate.
Factor de formă
În cazul plăcilor de bază, dimensiunea contează. Factorul de formă standard ATX se găsește în majoritatea computerelor de acasă. Dimensiunea mare și, în consecință, prezența unei game largi de sloturi, vă permite să îmbunătățiți caracteristicile de bază ale computerului.
Versiunea mATX mai mică este mai puțin comună. Posibilitățile de îmbunătățire sunt limitate.
Există și mITX. Acest factor de formă se găsește în computerele de birou bugetare. Îmbunătățirea performanței este fie imposibilă, fie nu are sens.
Adesea procesoarele și plăcile sunt vândute ca set. Cu toate acestea, dacă procesorul a fost achiziționat anterior, este important să vă asigurați că este compatibil cu placa. Privind la soclu, compatibilitatea procesorului și a plăcii de bază poate fi determinată instantaneu.
Chipset
Legătura de conectare a tuturor componentelor sistemului este chipsetul. Chipseturile sunt produse de două companii: Intel și AMD. Nu este prea mare diferență între ele. Cel puțin pentru utilizatorul mediu.
Chipseturile standard constau dintr-un pod nord și sud. Cele mai noi modele Intel constau doar din nord. Acest lucru nu a fost făcut cu scopul de a economisi bani. Acest factor nu reduce în niciun fel performanța chipset-ului.
Cele mai moderne chipset-uri Intel constau dintr-o singură punte, deoarece majoritatea controlerelor sunt acum localizate în procesor, inclusiv controlerul RAM DD3, PCI-Express 3.0 și altele.
Analogiile AMD sunt construite pe un design tradițional cu două poduri. De exemplu, seria 900 este echipată cu un southbridge SB950 și un northbridge 990FX (990X, 970).
Când alegeți un chipset, ar trebui să începeți de la capacitățile podului de nord. Northbridge 990FX poate suporta operarea simultană a 4 plăci video în modul CrossFire. În cele mai multe cazuri, o astfel de putere este excesivă. Dar pentru fanii jocurilor grele sau cei care lucrează cu editori grafici pretențioși, acest chipset va fi cel mai potrivit.
Versiunea ușor redusă a lui 990X poate suporta în continuare două plăci video în același timp, dar modelul 970 funcționează exclusiv cu o singură placă video.
Aspectul plăcii de bază
· subsistem de prelucrare a datelor;
· subsistem de alimentare cu energie electrică;
· blocuri și unități auxiliare (de serviciu).
Principalele componente ale subsistemului de procesare a datelor plăcii de bază sunt prezentate în Fig. 1.3.14.
1 – soclu procesor; 2 – anvelopă față; 3 – pod de nord; 4 – generator de ceas; 5 – magistrală de memorie; 6 – conectori RAM; 7 – conectori IDE (ATA); 8 – conectori SATA; 9 – pod de sud; 10 – conectori IEEE 1394; 11 – conectori USB; 12 – conector de rețea Ethernet; 13 – conectori audio; 14 – magistrală LPC; 15 – Controler Super I/O; 16 – port PS/2;
17 – port paralel; 18 – porturi seriale; 19 – Conector Floppy Disk;
20 – BIOS; 21 – magistrală PCI; 22 – conectori PCI; 23 – conectori AGP sau PCI Express;
24 – magistrală internă; 25 – magistrală AGP/PCI Express; 26 – conector VGA
FPM (Fast Page Mode) este un tip de memorie dinamică.
Numele său corespunde principiului de funcționare, deoarece modulul permite acces mai rapid la datele care se află pe aceeași pagină cu datele transferate în timpul ciclului anterior.
Aceste module au fost utilizate pe majoritatea computerelor bazate pe 486 și pe sistemele Pentium timpurii în jurul anului 1995.
Modulele EDO (Extended Data Out) au apărut în 1995 ca un nou tip de memorie pentru computerele cu procesoare Pentium.
Aceasta este o versiune modificată a FPM.
Spre deosebire de predecesorii săi, EDO începe să preia următorul bloc de memorie în același timp în care trimite blocul anterior către CPU.
SDRAM (Synchronous DRAM) este un tip de memorie cu acces aleatoriu care funcționează atât de rapid încât poate fi sincronizată cu frecvența procesorului, excluzând modurile de așteptare.
Microcircuitele sunt împărțite în două blocuri de celule astfel încât în timp ce se accesează un bit într-un bloc, sunt în curs de desfășurare pregătirile pentru accesarea unui bit într-un alt bloc.
Dacă timpul de accesare a primei informații a fost de 60 ns, toate intervalele ulterioare au fost reduse la 10 ns.
Începând cu 1996, majoritatea chipset-urilor Intel au început să accepte acest tip de modul de memorie, făcându-l foarte popular până în 2001.
SDRAM poate funcționa la 133 MHz, care este de aproape trei ori mai rapid decât FPM și de două ori mai rapid decât EDO.
Majoritatea computerelor cu procesoare Pentium și Celeron lansate în 1999 foloseau acest tip de memorie.
DDR (Double Data Rate) a fost o dezvoltare a SDRAM.
Acest tip de modul de memorie a apărut pentru prima dată pe piață în 2001.
Principala diferență dintre DDR și SDRAM este că, în loc să dubleze viteza de ceas pentru a accelera lucrurile, aceste module transferă date de două ori pe ciclu de ceas.
Acum acesta este standardul principal de memorie, dar deja începe să cedeze loc la DDR2.
DDR2 (Double Data Rate 2) este o variantă mai nouă a DDR, care ar trebui, teoretic, să fie de două ori mai rapidă.
Memoria DDR2 a apărut pentru prima dată în 2003, iar chipset-urile care o suportă au apărut la mijlocul anului 2004.
Această memorie, ca și DDR, transferă două seturi de date pe ciclu de ceas.
Principala diferență dintre DDR2 și DDR este capacitatea de a funcționa la viteze de ceas semnificativ mai mari, datorită îmbunătățirilor aduse designului.
Dar schema de funcționare modificată, care face posibilă obținerea de frecvențe mari de ceas, crește în același timp întârzierile atunci când lucrați cu memorie.
DDR3 SDRAM (memorie cu acces aleatoriu dinamic sincron cu viteză dublă de date, a treia generație) este un tip de memorie cu acces aleatoriu utilizat în calcul ca memorie RAM și memorie video.
A înlocuit memoria DDR2 SDRAM.
DDR3 are o reducere de 40% a consumului de energie în comparație cu modulele DDR2, ceea ce se datorează tensiunii de alimentare mai mici (1,5 V, față de 1,8 V pentru DDR2 și 2,5 V pentru DDR) tensiunii de alimentare a celulelor de memorie.
Reducerea tensiunii de alimentare se realizează prin utilizarea unei tehnologii de proces de 90-nm (inițial, ulterior 65-, 50-, 40-nm) în producția de microcircuite și utilizarea tranzistoarelor cu dublă poartă (care ajută la reducerea curenților de scurgere) .
DIMM-urile cu memorie DDR3 nu sunt compatibile mecanic cu aceleași module de memorie DDR2 (cheia se află într-o locație diferită), așa că DDR2 nu poate fi instalat în sloturile DDR3 (acest lucru se face pentru a preveni instalarea greșită a unor module în loc de altele - acestea tipurile de memorie nu sunt aceleași în funcție de parametrii electrici).
RAMBUS (RIMM)
RAMBUS (RIMM) este un tip de memorie apărut pe piață în 1999.
Se bazează pe DRAM tradițional, dar cu o arhitectură radical schimbată.
Designul RAMBUS face accesul la memorie mai inteligent, permițând pre-accesul la date în timp ce descarcă ușor CPU-ul.
Ideea principală folosită în aceste module de memorie este de a primi date în pachete mici, dar la o viteză de ceas foarte mare.
De exemplu, SDRAM poate transfera 64 de biți de informații la 100 MHz, iar RAMBUS poate transfera 16 biți la 800 MHz.
Aceste module nu au avut succes deoarece Intel a avut multe probleme cu implementarea lor.
Modulele RDRAM au apărut în consolele de jocuri Sony Playstation 2 și Nintendo 64.
RAM înseamnă Random Access Memory - memorie care este accesată prin adresă. Adresele accesate secvenţial pot lua orice valoare, astfel încât orice adresă (sau „celulă”) poate fi accesată independent.
Memoria statistică este o memorie construită din comutatoare statice. Stochează informații atâta timp cât este furnizată energie. De obicei, sunt necesare cel puțin șase tranzistoare pentru a stoca un bit într-un circuit SRAM. SRAM este utilizat în sisteme mici (până la câteva sute de KB de RAM) și este utilizat acolo unde viteza de acces este critică (cum ar fi cache-ul în interiorul procesoarelor sau pe plăcile de bază).
Memoria dinamică (DRAM) a apărut la începutul anilor '70. Se bazează pe elemente capacitive. Ne putem gândi la DRAM ca la o serie de condensatoare controlate prin comutare tranzistoare. Este necesar un singur „tranzistor condensator” pentru a stoca un bit, deci DRAM are mai multă capacitate decât SRAM (și este mai ieftină).
DRAM este organizat ca o matrice dreptunghiulară de celule. Pentru a accesa o celulă, trebuie să selectăm rândul și coloana în care se află acea celulă. De obicei, acest lucru este implementat în așa fel încât partea superioară a adresei să indice un rând, iar partea inferioară a adresei să indice o celulă din rând („coloană”). Din punct de vedere istoric (din cauza vitezei reduse și a pachetelor IC mici la începutul anilor 70), adresa a fost furnizată cipului DRAM în două faze - o adresă de rând cu o adresă de coloană pe aceleași linii. În primul rând, cipul primește adresa de rând și apoi după câteva nanosecunde adresa coloanei este transmisă pe aceeași linie.Cipul citește datele și le transmite la ieșire.În timpul ciclului de scriere, datele sunt primite de cip împreună cu adresa coloanei.Se folosesc mai multe linii de control pentru controlează cipul Semnale RAS (Row Address Strobe) care transmit adresa de rând și, de asemenea, activează întregul cip. Semnale CAS (Column Address Strobe) care transmit adresa coloanei WE (Write Enable) indicând că accesul efectuat este un acces de scriere OE ( Output Enable) deschide bufferele utilizate pentru a transfera date de pe cipul de memorie la „gazdă” (procesor).
FP DRAM
Deoarece fiecare acces la DRAM clasic necesită transferul a două adrese, a fost prea lent pentru mașinile de 25 MHz. FP (Fast Page) DRAM este o variantă a DRAM-ului clasic în care nu este nevoie să transferați adresa de rând în fiecare ciclu de acces. Atâta timp cât linia RAS este activă, rândul rămâne selectat și celulele individuale din acel rând pot fi selectate prin transmiterea numai a adresei coloanei. Deci, în timp ce celula de memorie rămâne aceeași, timpul de acces este mai mic, deoarece este necesară o singură fază de transfer de adrese în majoritatea cazurilor.
EDO (Extended Data Out) DRAM este o variantă a FP DRAM. În FP DRAM, adresa coloanei trebuie să rămână corectă pe toată perioada de transfer de date. Bufferele de date sunt activate numai în timpul ciclului de transmitere a adresei coloanei, de către semnalul de nivel al activității semnalului CAS. Datele trebuie citite din magistrala de date de memorie înainte ca noua adresă de coloană să fie primită pe cip. Memoria EDO stochează date în bufferele de ieșire după ce semnalul CAS revine la starea inactivă și adresa coloanei este eliminată. Adresa coloanei următoare poate fi transmisă în paralel cu citirea datelor. Acest lucru oferă posibilitatea de a utiliza potrivirea parțială atunci când citiți. În timp ce celulele de memorie RAM EDO au aceeași viteză ca și FP DRAM, accesul secvenţial poate fi mai rapid. Deci EDO ar trebui să fie ceva mai rapid decât FP, mai ales pentru acces masiv (ca în aplicațiile grafice).
RAM video se poate baza pe oricare dintre arhitecturile DRAM enumerate mai sus. Pe lângă mecanismul de acces „normal” descris mai jos, VRAM are unul sau două porturi seriale speciale. VRAM este adesea denumită memorie cu două porturi sau cu trei porturi. Porturile seriale conțin registre care pot stoca conținutul unei întregi serii. Este posibil să transferați date dintr-un întreg rând al unei matrice de memorie într-un registru (sau invers) într-un singur ciclu de acces. Datele pot fi apoi citite sau scrise în registrul serial în bucăți de orice lungime. Deoarece un registru este format din celule rapide, statice, accesul la acesta este foarte rapid, de obicei de câteva ori mai rapid decât o matrice de memorie. În majoritatea aplicațiilor obișnuite, VRAM este folosit ca un buffer de memorie pentru ecran. Portul paralel (interfață standard) este folosit de procesor, iar portul serial este folosit pentru a transmite date despre punctele de pe afișaj (sau pentru a citi date dintr-o sursă video).
WRAM este o arhitectură de memorie proprietară dezvoltată de Matrox și (cine altcineva, să-mi amintesc... - Samsung?, MoSys?...). Este similar cu VRAM, dar permite accesul mai rapid de către gazdă. WRAM a fost folosit pe plăcile grafice Matrox Millenium și Millenium II (dar nu și pe Millenium G200 modern).
SDRAM este o reproiectare completă a DRAM, introdusă în anii 90. „S” înseamnă Synchronous, deoarece SDRAM implementează o interfață complet sincronă (și, prin urmare, foarte rapidă). În interiorul SDRAM-ului conține (de obicei două) matrice DRAM. Fiecare matrice are propriul său propriul registru de pagină, care este (un pic) ca registrul de acces serial pe VRAM.SDRAM-ul funcționează mult mai inteligent decât DRAM-ul obișnuit.Întregul circuit este sincronizat cu un semnal de ceas extern.La fiecare bifă de ceas, cipul primește și execută o comandă transmisă de-a lungul liniilor de comandă.Numele liniei de comandă rămân aceleași ca în cipurile DRAM clasice, dar funcțiile lor sunt doar similare cu cele originale.Există comenzi pentru transferul de date între matricea de memorie și registrele de pagină și pentru accesarea datelor din registrele de pagină. Accesul la un registru de pagină este foarte rapid - SDRAM-urile moderne pot transfera un cuvânt nou de date la fiecare 6..10 ns.
Synchronous Graphics RAM este o variantă de SDRAM concepută pentru aplicații grafice. Structura hardware este aproape identică, așa că în cele mai multe cazuri putem schimba SDRAM și SGRAM (vezi carduri Matrox G200 - unele folosesc SD, altele SG). Diferența constă în funcțiile îndeplinite de registrul paginii. SG poate scrie mai multe locații într-un singur ciclu (acest lucru permite umplerea foarte rapidă a culorilor și ștergerea ecranului) și poate scrie doar câțiva biți pe cuvânt (biții sunt selectați printr-o mască de biți stocată de circuitul de interfață). Prin urmare, SG este mai rapid în aplicațiile grafice, deși nu este mai rapid din punct de vedere fizic decât SD în utilizarea „normală”. Funcțiile suplimentare ale SG sunt utilizate de acceleratoarele grafice. Cred că capacitățile de ștergere a ecranului și Z-buffer în special sunt foarte utile.
RAMBUS (RDRAM)
RAMBUS (marca înregistrată a RAMBUS, Inc.) a început să fie dezvoltat în anii 80, deci nu este nou. Tehnologiile RAMBUS moderne combină idei vechi, dar foarte bune și tehnologiile de producere a memoriei de astăzi. RAMBUS se bazează pe o idee simplă: luăm orice bun DRAM, construim un buffer static în cip (ca în VRAM și SGRAM) și oferim o interfață specială, configurabilă electronic, care funcționează la 250..400 MHz. Interfața este de cel puțin două ori mai rapidă decât cea utilizată în SDRAM și, în timp ce timpul de acces aleatoriu este de obicei mai lent, accesul secvenţial este foarte, foarte, foarte rapid.Rețineți că atunci când au fost introduse RDRAM-urile de 250 MHz, majoritatea DRAM-urilor funcționau la frecvențe de 12..25 MHz. RDRAM necesită o interfață specială și o plasare fizică foarte atentă pe Cele mai multe cipuri RDRAM arată foarte diferit de alte DRAM-uri: toate au toate liniile de semnal pe o parte a pachetului (deci au aceeași lungime) și doar 4 linii de alimentare pe cealaltă parte. RDRAM-urile sunt folosite în plăcile grafice bazate pe cipuri Cirrus 546x. Vom vedea în curând RDRAM-urile folosite ca memorie principală în PC-uri.
Dispozitiv cu hard disk.
Hard disk-ul conține un set de plăci, cel mai adesea reprezentând discuri metalice, acoperite cu un material magnetic - platou (oxid de ferită gamma, ferită de bariu, oxid de crom...) și conectate între ele cu ajutorul unui ax (ax, ax).
Discurile în sine (aproximativ 2 mm grosime) sunt realizate din aluminiu, alamă, ceramică sau sticlă. (vezi poza)
Ambele suprafețe ale discurilor sunt folosite pentru înregistrare. Se folosesc 4-9 farfurii. Arborele se rotește cu o viteză mare constantă (3600-7200 rpm)
Rotirea discurilor și mișcarea radicală a capetelor se realizează cu 2 motoare electrice.
Datele sunt scrise sau citite folosind capete de scriere/citire, câte unul pe fiecare suprafață a discului. Numărul de capete este egal cu numărul de suprafețe de lucru ale tuturor discurilor.
Informațiile sunt înregistrate pe disc în locuri strict definite - piste concentrice (piese). Traseele sunt împărțite în sectoare. Un sector conține 512 octeți de informații.
Schimbul de date între RAM și NMD este realizat secvenţial de un număr întreg (cluster). Cluster - lanțuri de sectoare secvențiale (1,2,3,4,...)
Un motor special, folosind un suport, poziționează capul de citire/scriere peste o pistă dată (o mișcă în direcția radială).
Când discul este rotit, capul este situat deasupra sectorului dorit. Evident, toate capetele se mișcă simultan și citesc informații; capetele de date se mișcă simultan și citesc informații de pe piese identice pe unități diferite.
Piesele de hard disk cu același număr de serie pe diferite hard disk-uri se numesc cilindru.
Capetele de citire-scriere se deplasează de-a lungul suprafeței platoului. Cu cât capul este mai aproape de suprafața discului fără a-l atinge, cu atât densitatea de înregistrare admisă este mai mare .
Interfețe pentru hard disk.
IDE (ATA – Advanced Technology Attachment) este o interfață paralelă pentru conectarea unităților, motiv pentru care a fost schimbată (cu ieșire SATA) în PATA (Parallel ATA). Anterior folosit pentru a conecta hard disk-uri, dar a fost înlocuit de interfața SATA. Folosit în prezent pentru conectarea unităților optice.
SATA (Serial ATA) – interfață serială pentru schimbul de date cu unități. Pentru conectare se folosește un conector cu 8 pini. Ca și în cazul PATA, este învechit și este folosit doar pentru lucrul cu unități optice. Standardul SATA (SATA150) a furnizat un debit de 150 MB/s (1,2 Gbit/s).
SATA 2 (SATA300). Standardul SATA 2 a dublat debitul, până la 300 MB/s (2,4 Gbit/s) și permite funcționarea la 3 GHz. SATA standard și SATA 2 sunt compatibile între ele, totuși, pentru unele modele este necesară setarea manuală a modurilor prin rearanjarea jumperilor.
SATA 3, deși conform specificațiilor este corect să-l numim SATA 6Gb/s. Acest standard a dublat viteza de transfer de date la 6 Gbit/s (600 MB/s). Alte inovații pozitive includ funcția de control al programului NCQ și comenzile pentru transferul continuu de date pentru un proces cu prioritate ridicată. Deși interfața a fost introdusă în 2009, nu este încă deosebit de populară în rândul producătorilor și nu se găsește des în magazine. Pe lângă hard disk-uri, acest standard este utilizat în SSD-uri (unități cu stare solidă). Este de remarcat faptul că, în practică, lățimea de bandă a interfețelor SATA nu diferă în ceea ce privește viteza de transfer de date. În practică, viteza de scriere și citire a discurilor nu depășește 100 MB/s. Creșterea performanței afectează doar lățimea de bandă dintre controler și memoria cache a unității.
SCSI (Small Computer System Interface) - un standard utilizat în servere unde este necesară o viteză crescută de transfer de date.
SAS (Serial Attached SCSI) este o generație care a înlocuit standardul SCSI, folosind transmisia de date în serie. La fel ca SCSI, este folosit în stațiile de lucru. Complet compatibil cu interfața SATA.
CF (Compact Flash) – Interfață pentru conectarea cardurilor de memorie, precum și pentru hard disk-uri de 1,0 inchi. Există 2 standarde: Compact Flash Type I și Compact Flash Type II, diferența este de grosime.
FireWire este o interfață alternativă la USB 2.0 mai lent. Folosit pentru a conecta hard disk-uri portabile. Suportă viteze de până la 400 Mb/s, dar viteza fizică este mai mică decât cele obișnuite. La citire și scriere, pragul maxim este de 40 MB/s.
Tipuri de plăci video
Calculatoarele moderne (laptop-urile) sunt disponibile cu diferite tipuri de plăci video, care afectează direct performanța în programele grafice, redarea video și așa mai departe.
În prezent, sunt utilizate 3 tipuri de adaptoare care pot fi combinate.
Să aruncăm o privire mai atentă la tipurile de plăci video:
- integrat;
- discret;
- hibrid;
- două discrete;
- SLI hibrid.
Placa grafica integrata- Aceasta este o opțiune ieftină. Nu are memorie video și procesor grafic. Cu ajutorul chipset-ului, grafica este procesată de procesorul central, RAM este folosită în locul memoriei video. Un astfel de sistem de dispozitiv reduce semnificativ performanța computerului în general și procesarea grafică în special.
Adesea folosit în configurații bugetare de PC sau laptop. Vă permite să lucrați cu aplicații de birou, să vizionați și să editați fotografii și videoclipuri, dar este imposibil să jucați jocuri moderne. Sunt disponibile doar opțiunile vechi cu cerințe minime de sistem.
John von Neumann știa deja la vârsta de opt ani elementele de bază ale matematicii superioare și mai multe limbi străine și clasice. După ce a absolvit Universitatea din Budapesta în 1926, von Neumann a predat în Germania, iar în 1930 a emigrat în Statele Unite și a devenit bursier la Institutul Princeton pentru Studii Avansate.
În 1944, von Neumann și economistul O. Morgenstern au scris cartea „Teoria jocurilor și comportamentul economic”. Această carte conține nu numai teoria matematică a jocurilor, ci și aplicațiile acesteia la științe economice, militare și de altă natură. John von Neumann a fost repartizat grupului de dezvoltare ENIAC ca consultant pe problemele matematice cu care grupul le-a întâlnit.
În 1946, împreună cu G. Goldstein și A. Burks, a scris și publicat raportul „Discuție preliminară asupra designului logic al unui computer electronic”. Deoarece numele lui von Neumann ca fizician și matematician remarcabil era deja bine cunoscut în cercurile științifice largi, i-au fost atribuite toate afirmațiile făcute în raport. Mai mult, arhitectura primelor două generații de calculatoare cu execuție secvențială a instrucțiunilor într-un program a fost numită „arhitectura computerului von Neumann”.
1. Principiul controlului programului
Acest principiu asigură automatizarea proceselor de calcul pe un computer.
Un program constă dintr-un set de comenzi care sunt executate de procesor automat una după alta într-o anumită secvență. Un program este preluat din memorie folosind un contor de programe. Acest registru de procesor mărește secvențial adresa următoarei instrucțiuni stocate în el cu lungimea instrucțiunii. Deoarece comenzile programului sunt localizate în memorie una după alta, un lanț de comenzi este astfel organizat din celule de memorie situate secvenţial. Dacă, după executarea unei comenzi, este necesar să treceți nu la următoarea, ci la alta, se folosesc comenzi de salt condiționate sau necondiționate, care introduc numărul celulei de memorie care conține următoarea comandă în contorul de comenzi. Preluarea comenzilor din memorie se oprește după ce ajungeți și executați comanda „stop”. Astfel, procesorul execută programul automat, fără intervenția omului
2. Principiul omogenității memoriei
Absența unei diferențe fundamentale între program și date a făcut posibil ca computerul să formeze un program pentru el însuși în conformitate cu rezultatul calculelor.
Programele și datele sunt stocate în aceeași memorie. Prin urmare, computerul nu distinge între ceea ce este stocat într-o celulă de memorie dată - un număr, text sau comandă. Puteți efectua aceleași acțiuni asupra comenzilor ca și asupra datelor. Acest lucru deschide o întreagă gamă de posibilități. De exemplu, un program poate fi procesat și în timpul execuției sale, ceea ce vă permite să stabiliți reguli pentru obținerea unora dintre părțile sale în programul propriu-zis (așa este organizată execuția ciclurilor și subrutinelor în program). Mai mult, comenzile dintr-un program pot fi obținute ca rezultate din execuția altui program. Metodele de traducere se bazează pe acest principiu - traducerea textului programului dintr-un limbaj de programare de nivel înalt în limbajul unei anumite mașini.
3. Principiul de țintire
Din punct de vedere structural, memoria principală este formată din celule renumerotate. Orice celulă este disponibilă procesorului în orice moment. Aceasta implică capacitatea de a denumi zonele de memorie, astfel încât valorile stocate în acestea să poată fi accesate sau modificate ulterior în timpul execuției programului folosind numele atribuite.
Von Neumann a descris cum ar trebui să fie un computer pentru ca acesta să fie un instrument universal și convenabil pentru procesarea informațiilor. În primul rând, trebuie să aibă următoarele dispozitive:
- Un dispozitiv aritmetico-logic care efectuează operații aritmetice și logice.Un dispozitiv de control care organizează procesul de execuție a programelor.Un dispozitiv de stocare pentru stocarea programelor și a datelor.Dispozitive externe de intrare/ieșire a informațiilor.
Calculatoarele construite pe aceste principii sunt clasificate ca computere von Neumann.
Astăzi, marea majoritate a calculatoarelor, inclusiv IBM PC, sunt compatibile. Dar există și sisteme informatice cu o arhitectură diferită - de exemplu, sisteme pentru calcul paralel.
Principiul coloană-modular al construcției calculatoarelor
Arhitectura computerului se referă la organizarea sa logică, structura, resursele, adică mijloacele unui sistem de calcul. Arhitectura PC-urilor moderne se bazează pe principiul backbone-modular.
Principiul modular permite consumatorului să aleagă configurația computerului de care are nevoie și, dacă este necesar, să o facă upgrade. Organizarea modulară a sistemului se bazează pe principiul coloana vertebrală (bus) al schimbului de informații. O magistrală sau magistrală de sistem este un set de linii electronice care leagă împreună procesorul, memoria și dispozitivele periferice pentru adresarea memoriei, transferul de date și semnalele de service.
Schimbul de informații între dispozitivele computerizate individuale se face prin trei magistrale multi-biți care conectează toate modulele - magistrala de date, magistrala de adrese și magistrala de control.
Conectarea modulelor individuale de calculator la magistrală la nivel fizic se realizează cu ajutorul controlerelor, iar la nivel de software este asigurată de drivere. Controlerul primește semnalul de la procesor și îl decriptează, astfel încât dispozitivul corespunzător să poată primi semnalul și să răspundă la acesta. Procesorul nu este responsabil pentru răspunsul dispozitivului - aceasta este o funcție a controlerului. Prin urmare, dispozitivele externe de computer sunt înlocuibile, iar setul de astfel de module este arbitrar.
Lățimea magistralei de date este determinată de adâncimea de biți a procesorului, adică de numărul de biți binari pe care procesorul îi prelucrează într-un ciclu de ceas.
Datele de pe magistrala de date pot fi transmise atât de la procesor la orice dispozitiv, cât și în direcția opusă, adică magistrala de date este bidirecțională. Principalele moduri de operare ale procesorului care utilizează magistrala de date includ următoarele: scrierea/citirea datelor din RAM și dispozitivele de stocare externe, citirea datelor de la dispozitivele de intrare, trimiterea datelor către dispozitivele de ieșire.
Alegerea unui abonat pentru schimbul de date se face de către procesor, care generează codul de adresă al dispozitivului, iar pentru RAM - codul de adresă al celulei de memorie. Codul de adresă este transmis de-a lungul magistralei de adrese, iar semnalele sunt transmise într-o singură direcție, de la procesor la dispozitive, adică această magistrală este unidirecțională.
Autobuzul de control transmite semnale care determină natura schimbului de informații și semnale care sincronizează interacțiunea dispozitivelor care participă la schimbul de informații.
Dispozitivele externe sunt conectate la magistrală printr-o interfață. O interfață este înțeleasă ca un set de diferite caracteristici ale unui dispozitiv periferic PC care determină organizarea schimbului de informații între acesta și procesorul central. În cazul incompatibilității interfețelor (de exemplu, interfața magistralei de sistem și interfața hard diskului), se folosesc controlere.
Pentru ca dispozitivele incluse în computer să poată interacționa cu procesorul central, calculatoarele compatibile IBM au un sistem de întrerupere. Sistemul de întrerupere permite computerului să întrerupă activitatea curentă și să treacă la altele ca răspuns la o solicitare, cum ar fi apăsarea unei taste de pe tastatură. La urma urmei, pe de o parte, este de dorit ca computerul să fie ocupat cu munca care i-a fost atribuită și, pe de altă parte, este necesar un răspuns instantaneu la orice cerere care necesită atenție. Întreruperile oferă un răspuns imediat al sistemului.
Progresul tehnologiei informatice are loc cu salturi și limite. În fiecare an apar noi procesoare, plăci, unități și alte dispozitive periferice. Creșterea capacităților potențiale ale unui PC și apariția unor componente noi, mai productive, vă fac inevitabil să doriți să vă actualizați computerul. Cu toate acestea, este imposibil să apreciezi pe deplin noile progrese în tehnologia computerelor fără a le compara cu standardele existente.
Dezvoltarea de lucruri noi în domeniul PC-urilor se bazează întotdeauna pe standarde și principii vechi. Prin urmare, cunoașterea lor este un factor fundamental pentru (sau împotriva) alegerii unui nou sistem.
Computerul include următoarele componente:
- unitate centrală de procesare (CPU); RAM (memorie);
- dispozitive de stocare;
- dispozitive de intrare;
- dispozitive de ieșire;
- dispozitive de comunicare.
Arhitectura computerului și principiile von Neumann
Termenul „arhitectură” este folosit pentru a descrie principiul de funcționare, configurare și interconectare a principalelor noduri logice ale unui computer. Arhitectură este o ierarhie pe mai multe niveluri de hardware și software din care este construit un computer.
Bazele doctrinei arhitecturii computerelor au fost puse de remarcabilul matematician american John von Neumann. Primul computer Eniak a fost creat în SUA în 1946. Grupul de creatori inclus von Neumann, care a sugerat principiile de bază ale construcției calculatoarelor: trecerea la sistemul de numere binar pentru reprezentarea informațiilor și principiul unui program stocat.
S-a propus plasarea programului de calcul în dispozitivul de stocare al calculatorului, care să asigure executarea automată a comenzilor și, în consecință, să crească viteza computerului. (Reamintim că anterior toate computerele stocau numere procesate în formă zecimală, iar programele erau specificate prin instalarea de jumperi pe un panou de corecție special.) Neumann a fost primul care a ghicit că un program poate fi stocat și ca un set de zerouri și unu, și în aceeași memorie ca și numerele pe care le prelucrează.
Principii de bază ale construcției calculatoarelor:
1. Orice computer este format din trei componente principale: procesor, memorie și dispozitiv. intrare-ieșire (I/O).
2. Informațiile cu care funcționează computerul sunt împărțite în două tipuri:
- un set de comenzi de procesare (programe); datele de prelucrat.
3. Atât comenzile, cât și datele sunt introduse în memorie (RAM) – principiul programului stocat .
4. Prelucrarea este controlată de procesor, a cărui unitate de control (CU) selectează comenzile din RAM și organizează execuția acestora, iar unitatea aritmetic-logică (ALU) efectuează operații aritmetice și logice asupra datelor.
5. Dispozitivele de intrare/ieșire (I/O) sunt conectate la procesor și RAM.
Von Neumann nu numai că a prezentat principiile fundamentale ale structurii logice a computerelor, dar a propus și o structură care a fost reprodusă în timpul primelor două generații de calculatoare.
|
Orez. 1. Arhitectura computerului Sfârșitul formularului,
|
von Neumann
- direcția fluxurilor de informații; - direcția semnalelor de control de la procesor către alte noduri de calculator
Fundamentele arhitecturii dispozitivelor de calcul dezvoltate de von Neumann s-au dovedit a fi atât de fundamentale încât au primit numele de „arhitectură von Neumann” în literatură. Marea majoritate a VM-urilor de astăzi sunt mașini von Neumann.
Apariția celei de-a treia generații de calculatoare s-a datorat trecerii de la tranzistori la circuite integrate, ceea ce a dus la creșterea vitezei procesorului. Acum procesorul a fost forțat să rămână inactiv, așteptând informații de la dispozitivele de intrare/ieșire mai lente, iar acest lucru a redus eficiența întregului computer în ansamblu. Pentru a rezolva această problemă, au fost create circuite speciale pentru a controla funcționarea dispozitivelor externe, sau pur și simplu controlorii.
Arhitectura computerelor personale moderne se bazează pe coloana vertebrală-principiu modular. Comunicarea informațională între dispozitivele computerizate se realizează prin magistrala de sistem(un alt nume este autostrada de sistem).
O magistrală este un cablu format din mai mulți conductori. Un grup de conductori - magistrala de date informațiile prelucrate sunt transmise, pe de altă parte - magistrala de adrese- adrese de memorie sau dispozitive externe accesate de procesor. A treia parte a autostrăzii - magistrala de control, prin acesta sunt transmise semnale de control (de exemplu, un semnal că dispozitivul este gata de funcționare, un semnal de pornire a funcționării dispozitivului etc.).
Cum funcționează magistrala de sistem? Am spus deja că biții unu și zero există doar în capul programatorilor. Pentru un procesor, doar tensiunile la contactele sale sunt reale. Fiecare pin corespunde unui bit, iar procesorul trebuie doar să facă distincția între două niveluri de tensiune: da/nu, mare/scăzut. Prin urmare, adresa unui procesor este o secvență de tensiuni pe contacte speciale numite magistrală de adrese. Vă puteți imagina că, după ce tensiunile sunt setate pe contactele magistralei de adrese, tensiunile apar pe contactele magistralei de date, codificând numărul stocat la adresa specificată. Această imagine este foarte dură, deoarece este nevoie de timp pentru a prelua datele din memorie. Pentru a evita confuzia, funcționarea procesorului este controlată de un generator de ceas special. Produce impulsuri care împart munca procesorului în etape separate. Unitatea de timp a procesorului este un ciclu de ceas, adică intervalul dintre două impulsuri ale generatorului de ceas.
Tensiunile care apar pe magistrala de adrese a procesorului se numesc adresa fizica. În modul real, procesorul funcționează numai cu adrese fizice. Dimpotrivă, modul protejat al procesorului este interesant deoarece programul funcționează cu adrese logice, iar procesorul le convertește invizibil în adrese fizice. Sistemul Windows folosește modul protejat pentru procesor. Sistemele de operare și programele moderne necesită atât de multă memorie încât modul protejat al procesorului a devenit mult mai „real” decât modul său real.
Busul de sistem este caracterizat ceas frecvența și adâncimea de biți. Se apelează numărul de biți transmiși simultan pe magistrală latimea autobuzului. Frecvența ceasului caracterizează numărul de operațiuni elementare de transfer de date într-o secundă. Lățimea magistralei este măsurată în biți, frecvența ceasului este măsurată în megaherți.
Orice informație transmisă de la procesor către alte dispozitive prin intermediul magistralei de date este însoțită de abordare transmis prin magistrala de adrese. Aceasta poate fi adresa unei celule de memorie sau adresa unui dispozitiv periferic. Este necesar ca lățimea magistralei să permită transmiterea adresei celulei de memorie. Astfel, în cuvinte, lățimea magistralei limitează cantitatea de RAM al computerului; aceasta nu poate fi mai mare decât , unde n este lățimea magistralei. Este important ca performanța tuturor dispozitivelor conectate la magistrală să fie consecventă. Nu este înțelept să aveți un procesor rapid și o memorie lentă, sau un procesor și memorie rapide, ci un hard disk lent.
Orez. 2. Diagrama unui computer construit pe principiul coloanei vertebrale
În calculatoarele moderne este implementat principiul arhitecturii deschise, permițând utilizatorului să monteze configurația computerului de care are nevoie și, dacă este necesar, să o facă upgrade.
Configurare Un computer se referă la colecția reală de componente ale computerului care alcătuiesc un computer. Principiul arhitecturii deschise vă permite să schimbați compoziția dispozitivelor computerizate. Dispozitivele periferice suplimentare pot fi conectate la autostrada informațională, iar unele modele de dispozitive pot fi înlocuite cu altele.
Conexiunea hardware a unui dispozitiv periferic la coloana vertebrală la nivel fizic se realizează printr-un bloc special - controlor(alte denumiri - adaptor, placă, card). Există conectori speciali pentru instalarea controlerelor pe placa de bază - sloturi.
Controlul software al funcționării unui dispozitiv periferic se realizează prin programul - conducător auto, care este o componentă a sistemului de operare. Deoarece există o mare varietate de dispozitive care pot fi instalate pe un computer, fiecare dispozitiv vine de obicei cu un driver care interacționează direct cu acest dispozitiv.
Computerul comunică cu dispozitivele externe prin porturi– conectori speciali pe panoul din spate al computerului. Distinge secvenţialȘi paralel porturi. Seriale (COM – porturi) sunt folosite pentru a conecta manipulatoare, un modem și pentru a transmite cantități mici de informații pe distanțe lungi. Paralele (LPT - porturi) sunt folosite pentru a conecta imprimante, scanere și pentru a transmite cantități mari de informații pe distanțe scurte. Recent, s-au răspândit pe scară largă porturile seriale universale (USB), la care puteți conecta diverse dispozitive.