Структурная схема ЭВМ. Классификация ЭВМ

Архитектура ЭВМ – это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное распределение (построение) и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ.

ЭВМ – это устройство, выполненное на электронных приборах, предназначенное для автоматического преобразования информации под управлением программы. Структурная схема ЭВМ представлена на рис. 2.1.

Рис.2.1. Структурная схема ЭВМ

АЛУ – арифметико-логическое устройство

РОН – устройство регистров общего назначения

КЭШ – КЭШ память

УУ – устройство управления

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство

ВЗУ – внешнее запоминающее устройство

Процессор выполняет логические и арифметические операции, определяет порядок выполнения операций, указывает источники данных и приемники результатов. Процессором управляет программа.

Промежуточные результаты сохраняются в РОН. КЭШ память служит для повышения быстродействия процессора путем уменьшения времени его непроизводительного простоя. УУ отвечает за формирование адресов очередных команд, т.е. за порядок выполнения команд, из которых состоит программа. Команда обеспечивает выработку в УУ управляющих сигналов, под действием которых процессор выполняет элементарные операции.

КЭШ память или память блокнотного типа представляет собой буферное запоминающее устройство для хранения активных страниц, объемом десятки и сотни Кбайтов. В современных ПК она делится на уровни: на КЭШ L1, L2 и L3 (Е_n = 2-4Мбайт с временем доступа 8-10 тактов).

КЭШ память, как более быстродействующая, предназначается для ускорения выборки команд программы и обрабатываемых данных. Основной объем программ пользователей и данных размещается в ОЗУ (емкость млн. машинных слов, время выборки – 10-20 тактов процессора).

Основной функцией системной шины является передача информации между процессором и остальными устройствами ЭВМ. Системная шина состоит из трех шин:

· шины управления

· шины данных

· адресной шины

По этим шинам циркулируют управляющие сигналы, данные (числа, символы), адреса ячеек памяти и номера устройств ввода-вывода.

Память предназначена для записи, хранения, выдачи команд и обрабатываемых данных.

Существуют несколько разновидностей памяти:

· оперативная

· постоянная

· внешняя

· КЭШ память

· CMOS (КМОП)

· регистровая

Существование иерархии видов памяти объясняется их различием по быстродействию, энергозависимости, назначению, объему и стоимости.

Память современных компьютеров строится на нескольких уровнях, причем память более высокого уровня меньше по объему, быстрее и в пересчете на один байт имеет большую стоимость, чем память более низкого уровня.

Регистровая память – наиболее быстрая (ее иногда называют сверхоперативной). Она представляет собой несколько регистров общего назначения (РОН), которые размещены внутри процессора. Регистры используются при выполнении процессором простейших операций: пересылка, сложение, счет и т.д.

КЭШ память по сравнению с регистровой памятью имеет большой объем, но меньшее быстродействие. КЭШ память 1-го уровня располагается внутри процессора, а КЭШ память 2-го уровня – вне процессора (на так называемой материнской плате).

КЭШ память используется для ускорения выполнения операций за счет запоминания на некоторое время полученных ранее данных, которые будут использоваться процессором в ближайшее время. Работа КЭШ памяти строится так, чтобы до минимума сократить время непроизводительного простоя процессора (время ожидания новых данных и команд).

Энергозависимая память CMOS (КМОП-память) служит для запоминания конфигурации данного компьютера (текущего времени, даты, выбранного системного диска и т.д.).

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) используется для хранения переменной информации, программ, составляемых пользователем, исходных, конечных и промежуточных данных, получающихся при работе процессора. ОЗУ допускает изменения своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций.

В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится информация, которая не изменяется при работе ЭВМ. Такую информацию составляет тест – мониторные программы (они проверяют работоспособность ПК в момент его включения), драйверы (программы, управляющие работой отдельных устройств ЭВМ, например, клавиатурой) и др.

Внешние запоминающие устройства предназначены для долговременного хранения информации. К ВЗУ относятся накопители на магнитных лентах, накопители на жестком диске (винчестеры), накопители на гибких дисках и т.д.

К устройствам ввода информации относятся клавиатура; ручные манипуляторы; мышь, трекбол, джойстик, трекпойн, джойстринг, диджитайзер трекпад, сканер; световое перо; информационные перчатки; костюм; шлем; цифровая видеокамера; микрофон и т.д.

К устройствам вывода информации относятся дисплей, принтер, плоттер, акустические колонки и др.

Конструкции современной ЭВМ намного сложнее рассмотренной конструкции. Например, на структурной схеме не изображен тактовый генератор, который подключен к процессору, адаптеры (или контролеры), включенные между системной шиной и каждым устройством ввода-вывода и др. блоки.

Приведенный вид структурной схемы ЭВМ является фоннеймановской структурой, названной так в честь американского ученого венгерского происхождения Фон Неймана.

Качество ЭВМ характеризуется многими показателями. Это набор инструкций (команд), которые ЭВМ способна понимать и выполнять, и скорость работы (быстродействие) центрального процессора, и количество устройств ввода-вывода (периферийных устройств), которые можно присоединить к ней одновременно, и потребление электроэнергии и другие. Главной характеристикой является быстродействие, т. е. количество операций, которое центральный процессор способен выполнить в единицу времени.

Скорость работы ЭВМ существенно зависит от работы ОЗУ или от продолжительности обращения к ОЗУ. ОЗУ складывается из двух-трех частей: основная часть большой емкости, строится на относительно медленных (но более дешевых) элементах, а дополнительная часть (КЭШ память) состоит из быстродействующих элементов. Те данные, к которым АЛУ обращается наиболее часто, содержатся в КЭШ памяти, больший же объем оперативной памяти хранится в основной памяти. Распределением информации между составными частями ОЗУ управляет специальный блок ЦП. Объем ОЗУ, и КЭШ памяти принадлежит к числу важнейших характеристик ЭВМ.

ЭВМ различаются в настоящее время по назначению, мощности, размером, используемой элементной базе, устойчивости к неблагоприятным условиям и т. д.

Классификация ЭВМ представлена в следующей таблице.

Класс ЭВМ	Основное назначение	Основные технические данные	Цена в условных единицах	Некоторые модели и/или изготовители
Супер-ЭВМ	Сложные научные работы	Интегральное быстродействие до десятки млрд. оп/сек, число параллельно работающих процессоров до 10	До 10 000 000	GRAY VAX-1000 MYLTICON

Большие ЭВМ (мэйн-фреймы)	Обработка больших объемов информации банков, крупных предприятии.	Мультипроцессорная архитектура, подключение, до 200 рабочих мест	До 250 000	Tandem Computer EC 1066
Супер мини ЭВМ	Системы управления предприятий: много пультовые вычислительные системы	Мультипроцессорная архитектура, подключение до 200 терминалов, дисковые ЗУ до 10 Гбайт	До 180 000	Семейства VAX SPARC
Мини ЭВМ	Системы управления предприятии среднего размера, много-пультовые ВС	Однопроцессорная архитектура, разветвленная периферия	До 100 000	ES/9000 ES/9370 (IBM)
Рабочие станции	Система автома-тизированного проектирова-ния, система автоматизации экспериментов	Однопроцессорная архитектура, высокое быстродействие процессора, ОЗУ 32-64 Мбайт, специализиров-онная периферия	До 50 000	MerVA-2 (IBM RS 6000)
Микро ЭВМ	Индивидуальное обслуживание пользователя, работа в ло-кальных АСУ	Однопроцессорная архитектура, гибкость конфигурация, возможность подключения разно-образных внешних устройств	До 10 000	Широчайший перечень моделей и изгото-вителей