Архитектура и структура компьютера

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру.

Архитектурой компьютера называется его описание на общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем.

Наиболее распространены следующие архитектурные решения.

Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа. Данная архитектура может быть реализована на однопроцессорном компьютере (рис. 7.1).

Рисунок 7.1 – Однопроцессорный компьютер

К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью, (рис. 7.2).

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем, представляющих собой различные устройства и память компьютера. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса ША, шину данных ШД и шину управления ШУ.

Для управления компьютером существует пульту управления, в качестве которого служит клавиатура, а вся работа центрального процессора осуществляется по импульсам тактового генератора, представляющего собой «сердце» компьютера. Конструктивно центральный процессор, оперативная память, магистраль и другие устройства объединены в системном блоке
(рис. 7.3), к которому подключены все остальные периферийные устройства. Для подключения этих устройств в системном блоке располагают контроллеры и адаптеры.

Контроллер — это устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Адаптер – это устройство, которое обеспечивает только канал связи.

Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров называется многопроцессорной и представлена на рисунке 7.4.

Рисунок 7.4 – Структура многопроцессорного компьютера

Если несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). При этом каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, то такая структура называется многомашинная вычислительной системой.

Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

Если несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе — то есть по одному потоку команд. Такая структура называется системой с параллельными процессорами.

Высокое быстродействие такой структуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных. Структура таких компьютеров представлена на рисунке 7.5.

Рисунок 7.5 – Структура с параллельным процессором

В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов структурных решений.