Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ

ри рассмотрении компьютеров принято различать их архитектуру и структуру. 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. Структура компьютера представляется графически в виде структурных схем с различным уровнем детализации.

Архитектура компьютера – это его описание на общем уровне. Под архитектурой понимают логическую организацию и структуру аппаратных и программных ресурсов вычислительной системы компьютера, то есть все то, что однозначно определяет процесс обработки информации на данном компьютере. Архитектура заключает в себе требования к функциональности и принципы организации основных узлов ЭВМ.

К архитектуре относятся следующие принципы построения ЭВМ:

– структура памяти ЭВМ;

– способы доступа к памяти и внешним устройствам;

– возможность изменения конфигурации;

– система команд;

– форматы данных;

– организация интерфейса.

Архитектура состоит из тех же основных подсистем, которые характерны для классической модели ЭВМ: ввод-вывод, память, связь, управление и обработка. Различают внешнюю архитектуру – это то, что видит пользователь, и внутреннюю – то, из чего состоит компьютер и на чем основан процесс накопления, обработки и передачи данных внутри ЭВМ и между компьютерами.

С точки зрения пользователя общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость, то есть способность различных объектов (устройств и программ) к взаимодействию. Важнейшую роль в развитии и распространении IBM PC-совместимых компьютеров (клонов) сыграл заложенный фирмой IBM принцип открытой архитектуры, который означает применение при сборке компьютера готовых блоков и устройств (модулей), а также стандартизацию способов их соединения. Любой узел может быть заменен другим и, кроме того, к компьютеру могут быть дополнительно подсоединены другие узлы. Реализация открытости архитектуры была обеспечена благодаря использованию общей шины (магистрали) – принципиально нового устройства связи между отдельными узлами ЭВМ. Принцип построения ЭВМ, в соответствии с которым обмен информацией между устройствами организуется с помощью магистрали, получил название магистрально-модульного принципа. Таким образом, модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между модулями.

Один из признаков, по которым классифицируют архитектуры компьютеров, – это разрядность интерфейсов и машинного слова. Разрядности компьютеров могут быть равными 8, 16, 32, 64 двоичных разрядов. Некоторые ЭВМ имеют другие разрядности.

Принцип однородности памяти характерен для принстонской (фон-неймановской) архитектуры вычислительной системы. Так, например IBM PC-совместимые компьютеры имеют фон-неймановскую архитектуру. В настоящее время существуют модели компьютеров, архитектура которых несколько отличается от фон-неймановской. Например, в гарвардской архитектуре память программ и данных разделена, что позволяет распараллелить выборку данных из памяти.

Любая вычислительная система достигает своей наивысшей производительности благодаря использованию высокоскоростных элементов и параллельному выполнению большого числа операций. Параллельное выполнение нескольких процессов (программ) реализуется путем следующих аппаратных решений:

– многомашинности;

– мультипроцессорности (многопроцессорности);

– однопроцессорности с несколькими исполнительными устройствами;

– конвейеризации обработки данных.

В настоящее время все параллельные вычислительные системы являются мультипроцессорными с различной архитектурой. Главная задача многопроцессорных систем – обеспечение надежности и сверхбольших скоростей на основе распараллеливания вычислений. При их описании часто используют классификацию Флинна, в которой определен параллелизм потока команд и параллелизм потока данных в системе. Согласно этой классификации системы делятся на четыре категории.

– SISD (S ingle Instruction stream over a Single Data stream) – вычислительная система с одним потоком команд и данных. SISD относят к типу однопроцессорных ЭВМ. Архитектура вычислительной системы с одним процессором является фон-неймановской.

– SIMD (Single Instruction Multiple Data) – многопроцессорная вычислительная система с общим потоком команд (одиночный поток команд) и множественным потоком данных. Архитектура SIMD характеризуется тем, что все процессоры выполняют одну и ту же команду, но каждый над своими данными из своей локальной памяти. Такую архитектуру часто называют векторной.

– MISD (Multiple Instruction Single Data) – многопроцессорная вычислительная система со множественным потоком команд и одиночным потоком данных (конвейерная ЭВМ). Конвейерная архитектура – это принцип построения компьютера, состоящий в параллельном выполнении команд множеством процессоров над одним потоком данных. Каждый процессор цепочки использует в качестве входных данных выходные данные предыдущего процессора.

– MIMD (Multiple Instruction Multiple Data) – многопроцессорная вычислительная система со множественным потоком команд и данных. Каждый процессор здесь функционирует под управлением собственного потока команд, то есть компьютер может параллельно выполнять совершенно разные программы. Современные суперкомпьютеры, как правило, строятся по данной архитектуре.

Тесты

№ п/п	Вопрос	Варианты ответов
	Логическая организация и структура аппаратных и программных ресурсов вычислительной системы составляет …	1. Чипсет. 2. Топологию. 3. Архитектуру. 4. Системную шину.
	В фон-неймановской архитектуре компьютера часть процессора, которая выполняет команды, называется…	1. Памятью. 2. Устройством управления (УУ). 3. Устройством ввода. 4. Арифметико-логическим устройством.
	К принципам работы вычислительной системы, сформулированным Джоном фон Нейманом, не относитсяпринцип…	1. Программного управления. 2. Адресности. 3. Однородности памяти. 4. Разделения памяти программ и данных.
	Гарвардская архитектура вычислительной системы отличается от принстонской …	1. Принципом программного управления. 2. Принципом однородности памяти. 3. Принципом адресности. 4. Раздельной памятью для команд и данных.
	Согласно классификации параллельных архитектур по Флинну ЭВМ, построенные по принципам фон Неймана, относят к типу …	1. SIMD – одиночный поток команд и множественный поток данных. 2. MISD – множественный поток команд и одиночный поток данных. 3. SISD – один поток команд, один поток данных. 4. MIМD – множественный поток команд, множественный поток данных.
	Конвейерной обработке данных наиболее соответствует архитектура ЭВМ …	1. SIMD – одиночный поток команд и множественный поток данных. 2. MIМD – множественный поток команд, множественный поток данных. 3. MISD – множественный поток команд и одиночный поток данных. 4. SISD – один поток команд, один поток данных.
	Вычислительная система объединяет …	1. Технические и программные средства. 2. Интерфейс пользователя и прикладные программы. 3. Модели и системы компьютерного моделирования. 4. Служебное программное обеспечение и техническое обслуживание.
	Укажите, какие из следующих высказываний являются ИСТИННЫМИ.	1. IBM PС-совместимые компьютеры относят к типу фон-неймановских. 2. Компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. 3. Счетчик команд – это регистр арифметико-логического устройства (АЛУ). 4. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка памяти.
	Методы и средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами называются _________________ интерфейсом	1. Аппаратно – программным. 2. Пользовательским. 3. Программным. 4. Аппаратным.
	Состав вычислительной системы называют…	1. Классификацией. 2. Аппаратным обеспечением. 3. Информационным обеспечением. 4. Конфигурацией.
	Компьютер – это…	1. Электронный прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки данных. 2. Устройство записи, хранения и считывания информации. 3. Устройство для автоматизации создания, хранения и обработки информации.
	Основу современных компьютеров составляют _________ элементы.	1. Катодные. 2. Электроламповые. 3. Диодные. 4. Полупроводниковые.
	Обязательным критерием качества вычислительных систем является…	1. Понятный интерфейс. 2. Мобильность. 3. Функциональность. 4. Легкость применения.
	Центральный процессор, оперативная память, устройства обмена информацией, это…	1. Внешняя часть вычислительной системы. 2. Интерфейсный блок. 3. Периферийная часть вычислительной системы. 4. Внутренняя часть вычислительной системы.
	Что такое драйвер?	1. Средство обеспечения пользовательского интерфейса. 2. Программа, отвечающая за взаимодействие с конкретным устройством ПК. 3. Графический редактор. 4. Средство для просмотра Web-документов.
	Теоретические основы функционирования и структуры ЭВМ разработаны группой ученых под руководством…	1. Джона фон Неймана. 2. Билла Гейтса. 3. Эмиля Поста. 4. Алана Тьюринга.
	Драйвер устройства – это…	1. Программа, управляющая работой конкретного устройства ввода-вывода. 2. Устройство сопряжения компьютера с конкретным устройством. 3. Программа, управляющая работой всех внешних устройств. 4. Плата, управляющая работой всех устройств компьютера.
	К основным принципам организации современного компьютера относятся: А. Программное управление. Б. Открытая архитектура. В. Самообучаемость. Г. Модульность. Д. Магистральность. Е. Взаимозаменяемость устройств.	1. БВГД 2. АБВГ 3. АБГД 4. АБГЕ
	Какое из приведенных словосочетаний не относится к принципам организации работы современных ПК?	1. Drag&Drop. 2. Plug&Play. 3. What You See Is What You Get. 4. Wash&Go.
	Принцип открытой архитектуры был впервые применен в ПК…	1. ЭНИАК. 2. IBM PC. 3. Apple Macintosh. 4. Commodore Amiga.
	Арифметико-логическое устройство входит в состав…	1. Системной шины. 2. Оперативной памяти. 3. Процессора. 4. Контроллера.
	Преимущества концепции открытой архитектуры состоят в том, что…	1. Пользователь сам может модифицировать свой ПК. 2. Нет необходимости замены системы в целом. 3. Возможно обновление ПК по частям. 4. Возможно оптимизировать структуру ПК.
	Выберите наиболее точное высказывание. Кластер – это совокупность ЭВМ…	1. Процессоры которых используют единую ОС. 2. Объединенных в региональную сеть. 3. Совместно используемых для обеспечения высокой производительности при решении задач повышенной сложности. 4. Единой архитектуры в составе сети.
	Функциональная схема ЭВМ была предложена …	1. Готфридом Лейбницем. 2. Норбертом Винером. 3. Дж. фон Нейманом. 4.Биллом Гейтсом.