Лекция 3
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. |
