Компьютер архитектурасы дегеніміз не
Обновлено: 02.07.2024
В компьютерной технике , компьютерная архитектура представляет собой набор правил и методов , которые описывают функциональность, организацию и внедрение компьютерных систем.
Некоторые определения архитектуры определяют ее как описание возможностей и модели программирования компьютера, но не конкретной реализации. В других определениях компьютерная архитектура включает в себя проектирование архитектуры набора команд, проектирование микроархитектуры, проектирование логики и реализацию .
СОДЕРЖАНИЕ
История
Первая задокументированная компьютерная архитектура была связана с перепиской Чарльза Бэббиджа и Адой Лавлейс , в которой описывалась аналитическая машина . Создавая компьютер Z1 в 1936 году, Конрад Цузе описал в двух заявках на патент для своих будущих проектов, что машинные инструкции могут храниться в том же хранилище, которое используется для данных, то есть концепцию хранимой программы . Два других ранних и важных примера:
- Статья Джона фон Неймана 1945 года « Первый проект отчета о EDVAC» , в которой описывается организация логических элементов; а также
- Более подробный « Предложенный электронный калькулятор для автоматической вычислительной машины»Алана Тьюринга , также 1945 г., в котором цитируется статья Джона фон Неймана .
Впоследствии Брукс, дизайнер Stretch, открыл главу 2 книги под названием « Планирование компьютерной системы: Project Stretch », заявив: «Компьютерная архитектура, как и другая архитектура, - это искусство определения потребностей пользователя структуры и последующего ее проектирования. максимально эффективно удовлетворять эти потребности с учетом экономических и технологических ограничений ».
Брукс продолжал помогать в разработке линейки компьютеров IBM System / 360 (теперь называемой IBM zSeries ), в которой «архитектура» стала существительным, определяющим «что нужно знать пользователю». Позже пользователи компьютеров стали использовать этот термин гораздо менее явным образом.
Самые ранние компьютерные архитектуры были спроектированы на бумаге, а затем непосредственно встроены в окончательную форму оборудования. Позже прототипы компьютерной архитектуры были физически построены в виде компьютера с транзисторно-транзисторной логикой (TTL) - такие как прототипы 6800 и PA-RISC - протестированы и настроены, прежде чем перейти к окончательной аппаратной форме. Начиная с 1990-х годов, новые компьютерные архитектуры обычно «строятся», тестируются и настраиваются внутри какой-либо другой компьютерной архитектуры в симуляторе компьютерной архитектуры ; или внутри ПЛИС как мягкий микропроцессор ; или и то, и другое - до перехода к окончательной аппаратной форме.
Подкатегории
Дисциплина компьютерной архитектуры состоит из трех основных подкатегорий:
- Архитектура набора команд (ISA): определяет машинный код, который процессор считывает и обрабатывает ,а также размер слова , режимы адресации памяти , регистры процессора и тип данных .
- Микроархитектура : также известная как «компьютерная организация», это описывает, как конкретный процессор будет реализовывать ISA. Например,размер кэша ЦП компьютера- это проблема, которая обычно не имеет ничего общего с ISA.
- Дизайн системы : включает в себя все другие аппаратные компоненты в вычислительной системе, такие как обработка данных, отличная от ЦП (например, прямой доступ к памяти ), виртуализация и многопроцессорность.
В компьютерной архитектуре есть и другие технологии. Следующие технологии используются в более крупных компаниях, таких как Intel, и, по оценкам, в 2002 году составляли 1% всей компьютерной архитектуры:
Определение
Компьютерная архитектура 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, занимающие больше места, поскольку одна инструкция может кодировать некоторую абстракцию более высокого уровня (например, инструкцию цикла x86). Однако более длинные и сложные инструкции требуют больше времени для декодирования процессором и могут быть более дорогостоящими для эффективной реализации. Повышенная сложность из-за большого набора инструкций также создает больше возможностей для ненадежности, когда инструкции взаимодействуют неожиданным образом.
Реализация включает в себя дизайн интегральной схемы, корпус, питание и охлаждение. Оптимизация дизайна требует знакомства с компиляторами, операционными системами, логическим дизайном и упаковкой.
Архитектура набора команд
Набор команд архитектуры (ISA) является интерфейсом между программным обеспечением и аппаратными средствами компьютера , а также может рассматриваться как точки зрения программиста машины. Компьютеры не понимают языков программирования высокого уровня, таких как Java, C ++, или большинства используемых языков программирования. Процессор понимает только инструкции, закодированные в некоторой числовой форме, обычно как двоичные числа . Программные инструменты, такие как компиляторы , переводят эти языки высокого уровня в инструкции, понятные процессору.
Помимо инструкций, ISA определяет в компьютере элементы, доступные 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 описывается кодирование инструкций. Кроме того, он может определять короткие (нечетко) мнемонические имена для инструкций. Имена можно распознать с помощью инструмента разработки программного обеспечения, называемого ассемблером . Ассемблер - это компьютерная программа, которая переводит читаемую человеком форму ISA в машиночитаемую форму. Дизассемблеры также широко доступны, обычно в отладчиках и программах для выявления и исправления 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 большее количество 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 эмуляции проекта 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, а виртуальным машинам может потребоваться быстрое прерывание. Иногда для определенных задач также требуются дополнительные компоненты. Например, компьютеру, на котором может быть запущена виртуальная машина, требуется оборудование с виртуальной памятью, чтобы память разных виртуальных компьютеров могла быть разделена. Организация и функции компьютера также влияют на энергопотребление и стоимость процессора.
Реализация
После разработки набора инструкций и микроархитектуры необходимо разработать практическую машину. Этот процесс проектирования называется реализацией . Реализация обычно не рассматривается архитектурное проектирование, а аппаратное проектирование . Реализацию можно разбить на несколько этапов:
- Логическая реализация проектирует схемы, необходимые на уровне логического элемента .
- Реализация цепи делает транзистор -LEVEL конструкции основных элементов (например, ворота, мультиплексоры , защелки ), а также некоторые более крупных блоков ( АЛУ , кэша и т.д.) , которые могут быть реализованы на уровне логического вентиля, или даже на физическом уровне если этого требует дизайн.
- Физическая реализация рисует физические схемы. Различные компоненты схемы размещаются на плане микросхемы или на плате, и создаются соединяющие их провода.
- Проверка проекта проверяет 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, чтобы провести реалистичный тест. Итак, после внесения исправлений на основе первого теста, прототипы конструируются с использованием программируемых пользователем вентильных матриц ( ПЛИС ). На этом этапе заканчивается большинство хобби-проектов. Последний шаг - испытание прототипов интегральных схем, которые могут потребовать нескольких доработок.
Для ЦП весь процесс реализации организован по-другому и часто называется проектированием ЦП .
Цели дизайна
Точная форма компьютерной системы зависит от ограничений и целей. В компьютерных архитектурах обычно компромисс между стандартами, мощностью и производительностью, стоимостью, объемом памяти, задержкой (задержка - это время, которое требуется для передачи информации от одного узла к источнику) и пропускной способности. 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.
Представление
Производительность современного компьютера часто описывается в инструкциях за цикл (IPC), которые измеряют эффективность архитектуры на любой тактовой частоте; более высокая скорость IPC означает, что компьютер быстрее. В старых компьютерах число IPC составляло всего 0,1, в то время как современные процессоры легко достигают почти 1. Суперскалярные процессоры могут достигать трех-пяти IPC, выполняя несколько инструкций за такт.
Подсчет инструкций на машинном языке может ввести в заблуждение, потому что они могут выполнять различный объем работы в разных ISA. «Инструкция» в стандартных измерениях - это не количество команд машинного языка ISA, а единица измерения, обычно основанная на скорости компьютерной архитектуры VAX .
Многие люди раньше 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, такие как сочетание функциональных блоков , скорости шины , доступная память, а также тип и порядок инструкций в программах.
Есть два основных типа скорости: задержка и пропускная способность. Задержка - это время между началом процесса и его завершением. Пропускная способность - это количество работы, выполненной за единицу времени. Задержка прерывания - это гарантированное максимальное время реакции системы на электронное событие (например, когда диск заканчивает перемещение некоторых данных).
На производительность влияет очень широкий спектр вариантов дизайна - например, конвейерная обработка процессора обычно увеличивает задержку, но улучшает пропускную способность. Компьютерам, которые управляют оборудованием, обычно требуется низкая задержка прерывания. Эти компьютеры работают в среде реального времени и выходят из строя, если операция не завершается в течение указанного периода времени. Например, управляемые компьютером тормоза антиблокировочной системы должны начать торможение в течение предсказуемого и ограниченного периода времени после того, как будет обнаружена педаль тормоза, иначе произойдет отказ тормоза.
Бенчмаркинг учитывает 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 именно так. 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 конкретный тест, но не предлагают аналогичных преимуществ по сравнению с общими задачами.
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 мощности на транзистор по мере роста количества транзисторов на микросхему. Это связано с тем, что каждый транзистор, который вставляется в новый чип, требует своего собственного источника питания и требует создания новых путей для его питания. Однако количество транзисторов на чип начинает увеличиваться медленнее. Следовательно, энергоэффективность становится не менее важной, если не более важной, чем установка все большего количества транзисторов в один кристалл. Последние разработки процессоров продемонстрировали этот акцент, поскольку они уделяют больше внимания энергоэффективности, а не втискивают как можно больше транзисторов в одну микросхему. В мире встраиваемых компьютеров энергоэффективность долгое время была важной целью наряду с пропускной способностью и задержкой.
Изменения рыночного спроса
Повышение тактовой частоты за последние несколько лет росло медленнее по сравнению с улучшениями в области снижения мощности. Это было вызвано отменой закона Мура и требованием увеличения времени автономной работы и уменьшения габаритов мобильных технологий. Это изменение акцента с более высоких тактовых частот на энергопотребление и миниатюризацию может быть продемонстрировано значительным снижением энергопотребления, вплоть до 50%, о котором сообщила Intel в своем выпуске микроархитектуры Haswell ; где они снизили эталонное энергопотребление с 30 до 40 Вт до 10-20 Вт. Сравнивая это с увеличением скорости обработки с 3 ГГц до 4 ГГц (с 2002 по 2006 год), можно увидеть, что центр исследований и разработок смещается с тактовой частоты в сторону меньшего потребления энергии и занимающего меньше места.
Архитектурой современного компьютера является схематическое изображение его структуры строения с указанием принципов работы комплектующих, входящих в его состав.
Понятие архитектуры компьютера
Архитектура компьютера - это ряд неких правил производства электронной системы вычисления, а также базовые способности и отличительные черты ее технологий.Архитектурой персонального компьютера обычно пользуются в качестве инструмента для отработки стандартов. Другими словами, компьютерную систему по такому стандарту реально воплотить на основе сформированных схематических решений и технологий.
Под термином «архитектура компьютера» также понимают методологию сборки компьютеров и их составляющих. Таким образом, архитектура, разработанная определённой компанией, является её интеллектуальной собственностью и может быть применена только ею, являясь инструментом её конкурентоспособности. Но, невзирая на это, различными брендами используется общая концепция, объединяющая основные базовые характеристики разных моделей компьютеров, что делает их комплектующие универсальными.
Применение единой архитектуры персональных компьютеров дает возможность фирмам по производству компьютеров тесно взаимодействовать друг с другом для создания и совершенствования различных компонентов и используемых технологий. Совмещение разных концепций в одно архитектурное решение дает возможность распространяться определенным моделям персональных компьютеров на рынке, позволяет различным компаниям спроектировать пакеты программ, которые в любом случае подойдут для персонального компьютера.
Сложно разобраться самому?
Попробуй обратиться за помощью к преподавателям
Классический вариант архитектуры компьютера
Первоначальный состав архитектуры компьютера был предложен ученым Нейманом, который был известным математиком. Он изложил основные принципы конструирования персональных компьютеров, учитывая их логическую структуру. Эта методология, которую предложил Нейман, взята за основу классической архитектуры персонального компьютера. В его состав должны входить следующие основные элементы:
- логико-арифметический блок;
- управленческий блок;
- блок устройства внешней памяти;
- блок оперативной памяти;
- блок ввода-вывода данных.
В соответствии с этой структурой, должен быть соблюден определенный порядок работы элементов компьютера. Изначально производится загрузка информации в память компьютера из программы, что выполняется. Для ввода данных используются внешние устройства компьютера. После этого блок управления переносит эти данные из блока памяти в блок обработки информации. Обработка происходит с помощью различных элементов компьютера.
Современный вариант архитектуры компьютера
Архитектура современного компьютера, хоть и отличается от классического, но основана на его базе. Определяющей отличительной чертой современного персонального компьютера является наличие у него центрального процессора, который по сути есть соединением блока управления и логико-арифметического блога в единую систему.
Ранее такое соединение было практически невозможным из-за массивного размера микросхем. На сегодняшний день развитие позволило повысить степень интеграции микросхем. Стало возможным ранее невозможное, то есть помещение широкого набора функций в небольшую по размеру деталь. Архитектурой сегодняшнего персонального компьютера также предусматривается использование контроллеров. Необходимость их использования вызвана тем, что роль процессора, как основного устройства, что выполняет функцию обмена информацией с внешними устройствами, изменилась. Функция ввода-вывода информации была убрана из процессора, благодаря новым микросхемам. Была произведена разработка различных каналов обмена информацией, а также наборов микросхем, получивших позже название контроллеров.
Не нашли что искали?
Просто напиши и мы поможем
Архитектура IBM
Архитектура персонального компьютера, спроектированная фирмой IBM, по сути являет собой мировой стандарт. Главная её отличительная особенность - это открытая структура. Другими словами, персональные компьютеры, в соответствии с этим стандартом, перестали быть окончательными завершенными брендовыми продуктами.
IBM - это фирма, которая является одной из первых на рынке производства компьютеров, кто выработал общепризнанную архитектуру.Но она не монополист при этом, то есть фирмы и компании, производящие компьютеры и их составляющие элементы, сами определяют состав сборки персональных компьютеров. В то же время, всегда остается возможным осовременить свой персональный компьютер, заменив комплектующие на более продвинутые. Реализация технологии открытой архитектуры современных компьютеров стала возможной благодаря быстрым темпам прогресса.
Программное обеспечение и его структура в компьютерах на базе архитектуры IBM
Основной особенностью, по которой можно определить, что персональный компьютер относятся к платформе IBM, есть его возможность работать на различных операционных системах. Это является возможным за счет открытой структуры данной архитектуры. В компьютерах с архитектурой IBM используются операционные системы Linux, Windows в различных конфигурациях, а также, помимо того, разные операционные системы, совместимые с аппаратным оснащением персонального компьютера с такой архитектурой.
Платформа IBM позволяет устанавливать не только программы от известных брендов, но и программы малоизвестных составителей, и при этом система не требует согласования этих программ с производителями аппаратных компонентов.На платформе IBM используется стандартная система ввода-вывода данных, именуемая BIOS, которая входит состав всех персональных компьютеров. Её задачей является обеспечение исполнения основных операций персональных компьютеров, вне зависимости от типа операционной системы, установленной на них. Этот момент также является свойством открытости архитектуры на платформе IBM, авторы системы BIOS являются толерантными к производителям других операционных систем и продуктов. Само явление выпуска системы BIOS в составе различных брендов является свойством открытости платформы IBM.
Дәріс № 2. Компьютер үлгісінің классификациясы. ДК-ң негізгі құрылғылармен олардың белгіленуі.
1. Компьютер үлгісінің классификациясы
2.Дербес компьютердің архитектурасы
3.Компьютердің негізгі құрылғылары
1. Компьютер үлгісінің классификациясы
Компьютерлік желі дегеніміз - бір-бірімен мәлімет алмаса алатын кем дегенде екі компьютердің байланыс құралдары көмегімен қарым-қатынас жасауына арналған ақпарат өңдеудің тармақталған жүйесі. Желілер әрбір қызметкерге басқалармен мәлімет алмасып, құрылғыларды ортақ пайдалануға, қашықта орналасқан қуатты компьютерлердегі мәліметтер қорымен қатынас құруға және тұтынушылармен тұрақты байланыс жасауға мүмкіндік береді.
Желі құрамына кіретін компьютерлер мынадай жұмыстар атқарады:
желімен қатынас құруды ұйымдастыру;
олардың арасында мәлімет алмасуды басқару;
желі тұтынушыларына есептеу құрылғыларын пайдалануға беріп, оларға әртүрлі қызмет көрсету.
Компьютерлерді желіге біріктірудің негізгі мақсаты:
Әрбір тұтынушыға желідегі барлық компьютерлердің меншікті құрылғыларын пайдалануға потенциалдық мүмкіндік беру.Сол себепті барлық құрылғылардың электрлік және механикалық параметрлері бір-біріне сәйкес келуі керек, оның үстіне информациялық жабдықтама-лардың да (программалар мен мәліметтер) кодталу жүйесі мен бейнелену форматтары бір-біріне ұқсас, әрі үйлесімді болуы тиіс.
Желіге қойылатын талаптар
Жұмыс өнімділігінің жоғары болуы;
Қауіпсіз және сенімді жұмыс атқаруы;
Кеңейтілетін мүмкіндігі болуы;
Жеңіл, әрі көрнекі түрде басқарылуы;
Құрылғылар мен сигналдардың өзара сәйкестігі болуы тиіс.
Компьютерлік желілер
географиялық қамтылу аймағына қарай;
өндірістік бөлімдер көлеміне (масштабына) байланысты;
топологиясына – бір-бірімен байланысу схемасына немесе құрылымына қарай;
басқарылуына байланысты болып 4 түрге бөлінеді.
2.Дербес компьютердің архитектурасы
Дербес компьютер архитектурасы – процессор, есте сақтау құрылғылары, ішкі видеожүйе, шеткері орналасқан (перифериялық) құрылғылар мен енгізу-шығару құрылғылары сияқты бөліктерінің құрастырылуы.
Дәріс № 2. Компьютер үлгісінің классификациясы. ДК-ң негізгі құрылғылармен олардың белгіленуі.
1. Компьютер үлгісінің классификациясы
2.Дербес компьютердің архитектурасы
3.Компьютердің негізгі құрылғылары
1. Компьютер үлгісінің классификациясы
Компьютерлік желі дегеніміз - бір-бірімен мәлімет алмаса алатын кем дегенде екі компьютердің байланыс құралдары көмегімен қарым-қатынас жасауына арналған ақпарат өңдеудің тармақталған жүйесі. Желілер әрбір қызметкерге басқалармен мәлімет алмасып, құрылғыларды ортақ пайдалануға, қашықта орналасқан қуатты компьютерлердегі мәліметтер қорымен қатынас құруға және тұтынушылармен тұрақты байланыс жасауға мүмкіндік береді.
Желі құрамына кіретін компьютерлер мынадай жұмыстар атқарады:
желімен қатынас құруды ұйымдастыру;
олардың арасында мәлімет алмасуды басқару;
желі тұтынушыларына есептеу құрылғыларын пайдалануға беріп, оларға әртүрлі қызмет көрсету.
Компьютерлерді желіге біріктірудің негізгі мақсаты:
Әрбір тұтынушыға желідегі барлық компьютерлердің меншікті құрылғыларын пайдалануға потенциалдық мүмкіндік беру.Сол себепті барлық құрылғылардың электрлік және механикалық параметрлері бір-біріне сәйкес келуі керек, оның үстіне информациялық жабдықтама-лардың да (программалар мен мәліметтер) кодталу жүйесі мен бейнелену форматтары бір-біріне ұқсас, әрі үйлесімді болуы тиіс.
Желіге қойылатын талаптар
Жұмыс өнімділігінің жоғары болуы;
Қауіпсіз және сенімді жұмыс атқаруы;
Кеңейтілетін мүмкіндігі болуы;
Жеңіл, әрі көрнекі түрде басқарылуы;
Құрылғылар мен сигналдардың өзара сәйкестігі болуы тиіс.
Компьютерлік желілер
географиялық қамтылу аймағына қарай;
өндірістік бөлімдер көлеміне (масштабына) байланысты;
топологиясына – бір-бірімен байланысу схемасына немесе құрылымына қарай;
басқарылуына байланысты болып 4 түрге бөлінеді.
2.Дербес компьютердің архитектурасы
Дербес компьютер архитектурасы – процессор, есте сақтау құрылғылары, ішкі видеожүйе, шеткері орналасқан (перифериялық) құрылғылар мен енгізу-шығару құрылғылары сияқты бөліктерінің құрастырылуы.
Читайте также: