Часть 5. Что такое архитектура и структура компьютера

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру.

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание системы команд, системы адресации, организации памяти, пользовательских возможностей программирования, 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 представленная графически в виде структурной схемы совокупность его функциональных элементов и связей между ними.

Элементами могут быть различные устройства - от основных логических узлов компьютера до простейших схем.

Эту схему можно доводить до любого уровня детализации.

Наиболее распространены следующие архитектурные решения:

· Классическая архитектура;

· Многопроцессорная архитектура;

· Многомашинная вычислительная система;

· Архитектура с параллельными процессорами.

Несколько слов о каждой их них.

1. 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 (см. рис. 1).

То есть это 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.

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магис­трали разделяется на отдельные группы:

· шину адреса;

· шину данных;

· шину управления.

Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры - устройства управления периферийными устройствами.

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

2. Многопроцессорная архитектура. В этом случаев компьютере имеется несколько процессоров и во время его работы может быть параллельно организовано несколько потоков данных и потоков команд

Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной зада­чи. Структурная схема такой машины, имеющей общую опе­ративную память и несколько процессоров, представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Архитектура многопроцессорного компьютера

3. Многомашинная вычислительная система. В этом случае несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную) память.

При этом каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения многомашинной системы может быть получен только при решении задач, имеющих специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многома­шинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.

4. Архитектура с параллельными процессорами. В этом случае несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной и той же программе (т. е. по одному потоку команд).

Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных.

Структура таких компьютеров представлена на рисунке 4.

Рис. 4. Архитектура с параллельными процессорами

В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и такие архитектурные решения, которые радикально отличаются от рассмотренных.