Архитектура вычислительных машин — это структурная организация вычислительных машин, которая определяет методы преобразования информации в данные и принципы совместного функционирования технических модулей и программного обеспечения.
Введение
Архитектурой вычислительной машины является концепция структурной организации вычислительной машины, которая определяет выполнение информационной обработки и включает способы преобразования информации в данные и принципы совместного функционирования аппаратного и программного обеспечения. Известны Принстонская и Гарвардская архитектура вычислительной машины. Данные архитектурные версии были разработаны ещё в конце сороковых годов прошлого века специалистами Принстонского и Гарвардского университетов Соединённых Штатов для проектируемых ими вариантов электронных вычислительных машин (ЭВМ).
Архитектура вычислительных машин
Принстонскую архитектуру вычислительной машины часто называют архитектурой фон Неймана. Для неё характерно применение общей оперативной памяти как для сохранения программ, так и для информационных данных, а, кроме того, для реализации стека. Для информационного обмена с оперативной памятью служит общая системная шина, через которую процессор отправляет команды, получает данные и так далее.
Архитектурная организация сегодняшних вычислительных машин базируется на использовании магистрально-модульного принципа. Эта архитектура изображена на рисунке ниже:
Рисунок 1. Современная архитектура ЭВМ. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Главными составными частями любой вычислительной машины являются следующие компоненты:
- Модуль центрального процессора.
- Модули памяти.
- Набор устройств ввода и вывода информационных данных.
Информационный обмен между модулями компьютера выполняется при помощи системной шины, или иначе системной магистрали. Шина представляет собой кабель, который состоит из большого количества проводников. Число проводников, образующих шину, считается наибольшей возможной разрядностью шины.
Системная шина также делится на следующие составляющие элементы:
- Шина информационных данных, которая предназначена для информационной передачи.
- Шина адреса, которая задаёт конечную точку пересылки информации.
- Шина управления, которая осуществляет общую синхронизацию всех процессов информационных пересылок.
- Шина питания, которая обеспечивает электропитанием все блоки вычислительной машины.
Основными характеристиками системной шины являются тактовая частота и разрядность. Число одновременно пересылаемых по каналам шины битов именуется разрядностью шины. Тактовая частота определяет количество элементарных операций по трансляции информационных данных за одну секунду. Мерой разрядности считается бит, а тактовая частота измеряется в мегагерцах или гигагерцах.
Устройство управления (УУ) осуществляет формирование адреса команды, подлежащей исполнению в текущем цикле, и посылает управляющий сигнал на выборку информации из определённой ячейки памяти. Код команды пересылается в устройство управления. Информация, закодированная в полях команды, определяет адреса операндов, которые использует устройство управления для их выборки из запоминающего устройства и дальнейшей передачи вместе с управляющими сигналами в арифметико-логическое устройство (АЛУ). По завершению пересылки операндов устройство управления согласно коду операции, который располагается в команде, отправляет в АЛУ необходимые для исполнения операции сигналы. Сформированный итоговый результат пересылается в запоминающее устройство по адресу приёмника итогов, управляемый сигналами записи данных. Признаки итогового результата, а именно, знак, присутствие переполнения, признак нулевого итога и тому подобное, отправляются в устройство управления, где запоминаются в специальном регистре признаков. Данная информация может быть востребована при исполнении последующих программных команд, к примеру, это могут быть команды условных переходов.
Устройство ввода служит для занесения исполняемой программы и необходимых начальных данных в оперативную память компьютера. Исходя из вида устройства ввода, начальные данные, требуемые для разрешения задачи, могут заноситься через клавиатуру, или же они сначала размещаются на каком-нибудь информационном носителе, например, на дисковом накопителе.
Устройство вывода требуется, чтобы вывести из компьютера итоговые результаты работы с начальными информационными данными. Наиболее часто это информация в символьном формате, выводимая на устройство печати или на экран монитора.
Запоминающее устройство или просто память является набором ячеек, служащих для сохранения некоторых кодов. Все ячейки памяти имеют свои номера, именуемые адресами. Записанные в ячейке памяти информационные данные, могут быть как командами, представленными в машинных кодах, так и информационными данными.
Арифметико-логическое устройство, которое предназначено для непосредственного исполнения машинных команд по сигналам устройства управления, осуществляет обработку команд и информационных данных. Арифметико-логическое устройство и устройство управления в совокупности являются центральным процессорным устройством, или иначе модулем центрального процессора. Далее итоговые результаты информационной обработки пересылаются в соответствующие ячейки памяти.
Управляющая программа составлена из последовательности команд, исполняемых процессором в порядке их очерёдности. Программы, представляющие собой набор команд, и информационные данные сохраняются в одних и тех же модулях памяти, а также кодируются при помощи одной и той же системы счисления, как правило, это двоичная система счисления. Команды могут подвергаться таким же операциям, как и информационные данные.
Основной модуль памяти структурно является набором пронумерованных ячеек, и процессорному модулю в любой момент времени доступны все эти ячейки.
