Участник:Alexsmail/Программирование 2020/новый черновик: различия между версиями

Содержимое удалено Содержимое добавлено
Строка 353:
 
В предыдущем разделе была описана классическая структура компьютера, соответствующая вычислительным машинам первого и второго поколений. Естественно, что в результате бурного развития технологии производства средств вычислительной техники такая структура не могла не претерпеть определенных прогрессивных изменений.
 
Появление третьего поколения компьютера было обусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам. Значительные успехи в миниатюризации электронных схем не просто способствовали уменьшению размеров базовых функциональных узлов компьютера, но и создали предпосылки для существенного роста быстродействия процессора. Возникло существенное противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой устройств ввода-вывода, в большинстве своем содержащими механически движущиеся части. Процессор, руководивший работой внешних устройств , значительную часть времени был бы вынужден простаивать в ожидании информации "из внешнего мира", что существенно снижало бы эффективность работы всего компьютера в целом. Для решения этой проблемы возникла тенденция к освобождению центрального процессора от функций обмена и к передаче их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы имели различные названия: каналы обмена, процессоры ввода-вывода, периферийные процессоры. Последнее время все чаще используется термин "контроллер внешнего устройства" (или просто контроллер).
 
Наличие интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой машин третьего и четвертого поколения.
 
Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой "вверенного ему" внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Такой процессор имеет собственную систему команд. Например, контроллер на гибких магнитных дисках (дисковода) умеет позиционировать головку на нужную дорожку диска, читать или записывать сектор, форматировать дорожку и т.п. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера, которые могут быть в дальнейшем прочитаны центральным накопителяпроцессором.
 
Таким образом, наличие интеллектуальных внешних устройств может существенно изменять идеологию обмена. Центральный процессор, при необходимости произвести обмен, выдает задание на его осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия центрального процессора. Последний получает возможность "заниматься своим делом", т.е. выполнять программу дальше (если по данной задаче до завершения обмена ничего сделать нельзя, то можно в это время решать другую...).
 
Перейдем теперь к обсуждению вопроса о внутренней структуре компьютера, содержащей интеллектуальные контроллеры. Для связи между отдельными функциональными узлами компьютера используется общая шина. Шина состоит из трех частей:
 
• шина данных, по которой передается информация;
 
• шина адреса, определяющая, кому передаются данные;
 
• шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.
 
Отметим, что существуют модели компьютеров, у которых шины данных и адреса для экономии объединены. У таких машин сначала на шину выставляется адрес, а затем через некоторое время данные; для какой именно цели используется шина в данный момент, определяется сигналами на шине управления.
 
Описанную схему легко пополнять новыми устройствами - это свойство называют ''открытостью архитектуры''. Для пользователя открытая архитектура означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости от круга решаемых задач.
 
Существует ещё один вид памяти - видео-ОЗУ (видеопамять). Его появление связано с разработкой особого устройства вывода - монитора (дисплея). Очевидно, что дисплей, не имея механически движущихся частей, является "очень быстрым" устройством отображения информации. Поэтому для компьютера третьего и четвертого поколений монитор является неотъемлемой частью.
 
[[Файл:Шинная архитектура ЭВМ.jpg]]
 
Для получения на экране монитора стабильной картинки её надо где-то хранить. Для этого и существует видеопамять. Сначала содержимое видеопамяти формируется компьютером, а затем контроллер дисплея выводит изображение на экран.
 
Объем видеопамяти существенно зависит от характера информации (текст или графика) и от количества цветов изображения. Конструктивно она может быть выполнена как обычное ОЗУ, или содержаться непосредственно в контроллере дисплея. (на рисунке выше она показана пунктиром).
 
Остановимся еще на одной важной особенности структуры современных компьютеров. Поскольку процессор теперь перестал быть центром конструкции, стало возможным реализовывать прямые связи между устройствами компьютера. На практике чаще всего используют передачу данных из внешних устройств в ОЗУ и наоборот. Режим, при котором внешнее устройство обменивается непосредственно с ОЗУ без участия центрального процессора, называется прямым доступом к памяти (ПДП). Для его реализации необходим специальный контроллер. Подчеркнём, что режим ПДП в машинах первого и второго поколения не существовал. В них всегда данные сначала принимаются во внутренние регистры процессора, и лишь затем в память.
 
При описании магистральной структуры мы упрощённо предполагали, что все устройства взаимодействуют через общую шину. С точки зрения архитектуры этого вполне достаточно. Упомянем всё же, что на практике такая структура применяется только для компьютера с небольшим количеством внешних устройств. При увеличении потоков информации между устройствами компьютера единственная магистраль перегружается, что существенно тормозит работу компьютера. Поэтому в состав компьютера могут вводиться одна или несколько дополнительных шин. Например, одна шина может использоваться для обмена с памятью, вторая - для связи с "быстрыми", а третья - с "медленными" внешними устройствами. Отметим, что высокоскоростная шина данных ОЗУ обязательно требуется при наличии режима ПДП.
 
Отметит, что постоянно расширяется и совершенствуется набор внешних устройств, что приводит, как описывалось выше, к усложнению системы связей между узлами компьютера.
 
Отметим также, что компьютеры давно перестали быть однопроцессорными. Помимо центрального, в компьютере могут быть специализированные процессоры для вычисления с плавающей запятой (так называемые математические сопроцессоры), видеопроцессоры для ускорения вывода информации на экран дисплея и т.п. Развитие методов параллельных вычислений также вызывает к жизни вычислительные системы, в которых одна операция выполняется сразу несколькими процессорами или несколькими ядрами.
 
Также отметим, всё ускоряющееся возрастание роли межкомпьютерных коммуникаций. Всё большее количество компьютеров объединяются в сети и обрабатывают имеющуюся информацию совместно.
 
Таким образом, внутренняя структура вычислительной техники постоянно совершенствовалась и будет совершенствоваться. Вместе с тем, на данный момент подавляющее большинство существующих компьютеров, несмотря на имеющиеся различия, по-прежнему состоит из одинаковых узлов и основано на общих принципах фон-неймановской архитектуры.