Из чего состоит компьютер?

Любой IBM PC-совместимый компьютер представляет собой реализацию так называемой фон-неймановской архитектуры вычислительных машин. Эта ар­хитектура была представлена Джорджем фон Нейманом (George von Neumann) еще в 1945 году и имеет следующие основные признаки. Машина состоит из блока управления, арифметико-логического устройства (АЛУ), памяти и уст­ройств ввода-вывода. В ней реализуется концепция хранимой программы: про­граммы и данные хранятся в одной и той же памяти. Выполняемые действия определяются блоком управления и АЛУ, которые вместе являются основой центрального процессора. Центральный процессор выбирает и исполняет ко­манды из памяти последовательно, адрес очередной команды задается «счетчи­ком адреса» в блоке управления. Этот принцип исполнения называется после-довательной передачей управления. Данные, с которыми работает программа, могут включать переменные — именованные области памяти, в которых сохра­няются значения с целью дальнейшего использования в программе. Фон-ней­мановская архитектура — не единственный вариант построения ЭВМ, есть и другие, которые не соответствуют указанным принципам (например, потоко­вые машины). Однако подавляющее большинство современных компьютеров основаны именно на указанных принципах, включая и сложные многопроцес­сорные комплексы, которые можно рассматривать как объединение фон-нейма­новских машин. Конечно же, за более чем полувековую историю ЭВМ класси­ческая архитектура прошла длинный путь развития. Тем не менее ПК можно «разложить по полочкам» следующим образом.

Центральный процессор (АЛУ с блоком управления) реализуется микропро­цессором семейства х86 — от 8086/88 до новейших процессоров Pentium, Ath­lon и Opteron (и это не конец истории). При всей внутренней суперскалярности, суперконвейеризированности и спекулятивности (см. главу 7) современного процессора внешне он соблюдает вышеупомянутый принцип последовательной передачи управления. Набор арифметических, логических и прочих инструк­ций насчитывает несколько сотен, а для потоковой обработки придуман прин­цип SIMD (Single Instruction Multiple Data — множество комплектов данных, обрабатываемых одной инструкцией), по которому работают расширения ММХ, 3DNow!, SSE. Процессор имеет набор регистров, часть которых доступ­на для хранения операндов, выполнения действий над ними и формирования адреса инструкций и операндов в памяти. Другая часть регистров используется процессором для служебных (системных) целей, доступ к ним может быть огра­ничен (есть даже программно-невидимые регистры). Все компоненты компьюте­ра представляются для процессора в виде наборов ячеек памяти или/и портов ввода-вывода, в которые процессор может записывать и/или из которых может считывать содержимое.

Память «расползлась» по многим компонентам. Оперативная память (ОЗУ) — самый большой массив ячеек памяти со смежными адресами — реализуется, как правило, на модулях (микросхемах) динамической памяти. Для повышения производительности обмена данными (включая и считывание команд) опера­тивная память кэшируется сверхоперативной памятью (см. 7.3). Два уровня кэ­ширования территориально располагаются в микропроцессоре. Оперативная память вместе с кэшем всех уровней (в настоящее время — до трех) представля­ет собой единый массив памяти, непосредственно доступный процессору для записи и чтения данных, а также считывания программного кода. Помимо опе­ративной память включает также постоянную (ПЗУ), из которой можно только считывать команды и данные, и некоторые виды специальной памяти (напри­мер, видеопамять графического адаптера). Вся эта память (вместе с оператив­ной) располагается в едином пространстве с линейной адресацией. В любом компьютере обязательно есть энергонезависимая память, в которой хранится программа начального запуска компьютера и минимально необходимый набор сервисов (ROM BIOS).

Процессор (один или несколько), память и необходимые элементы, связываю­щие их между собой и с другими устройствами, называют центральной частью,или ядром, компьютера (или просто центром). То, что в фон-неймановском компьютере называлось устройствами ввода-вывода (УВВ), удобнее называть периферийными устройствами.

Периферийные устройства (ПУ) — это все программно-доступные компоненты компьютера, не попавшие в его центральную часть. Их можно разделить по на­значению на несколько классов:

♦ Устройства хранения данных (устройства внешней памяти) — дисковые
(магнитные, оптические, магнитооптические), ленточные (стримеры), твер­
дотельные (карты, модули и USB-устройства на флэш-памяти). Эти устрой­
ства используются для сохранения информации, находящейся в памяти, на
энергонезависимых носителях и загрузки этой информации в оперативную
память. В каком виде хранится информация на этих устройствах, нам не так
уж важно (главное — правильно считать то, что сохранили).

♦ Устройства ввода-вывода служат для преобразования информации из внут­
реннего представления компьютера (биты и байты) в форму, понятную ок­
ружающим, и обратно. Под окружающими подразумеваются человек (и другие
биологические объекты) и различные технические устройства (компьютер
можно приспособить для управления любым оборудованием, были бы дат­
чики и исполнительные устройства). В какую форму эти устройства преоб­
разуют двоичную информацию — определяется их назначением.

♦ Коммуникационные устройства служат для передачи информации между
компьютерами и/или их частями. Сюда относят модемы (проводные, радио,
оптические, инфракрасные...), адаптеры локальных и глобальных сетей. В дан­
ном случае преобразование формы представления информации требуется толь­
ко для передачи ее на расстояние.

Процессор, память и периферийные устройства взаимодействуют между собой с помощью шин и интерфейсов, аппаратных и программных; стандартизация интерфейсов делает архитектуру компьютеров открытой.

Поиск по сайту: