Архитектура компьютеров 4-того поколения

СОДЕРЖАНИЕ

Введение                                                                                                                                                3

1. Архитектура                                                                                                                                    4

2. Другие типы архитектуры                                                                                                               5

3. Третье поколение                                                                                                                             6

4. Архитектура компьютеров  4-того поколения                                                                              9

Заключение                                                                                                                                          11

Список используемых источников                                                                                                    12

                           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Архитектура компьютера — логическая организация и структура аппаратных и программных ресурсов вычислительной системы. Архитектура заключает в себе требования к функциональности и принципы организации основных узлов ЭВМ.

В настоящее время наибольшее распространение в ЭВМ получили 2 типа архитектуры: принстонская (фон Неймана) и гарвардская. Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.

В более подробное описание, определяющее конкретную архитектуру, также входят: структурная схема ЭВМ, средства и способы доступа к элементам этой структурной схемы, организация и разрядность интерфейсов ЭВМ, набор и доступность регистров, организация памяти и способы её адресации, набор и формат машинных команд процессора, способы представления и форматы данных, правила обработки прерываний.

По перечисленным признакам и их сочетаниям среди архитектур выделяют:

-по разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-, 86-разрядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности);

-по особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW;

-по количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 АРХИТЕКТУРА

 

 

Термин «архитектура» по отношению к компьютеру во многом означает то же самое, что и по отношению к сооружению. Например, цифровые компьютеры, подобно большинству зданий, имеют общую базовую архитектуру. Базовая схема для большинства цифровых компьютеров была предложена в конце 1940-х годов Дж.фон Нейманом.

 

       

Рис.1.1     

           

Компьютер, подобно зданию, является системой, т.е. логическим соединением основных блоков, каждый из которых имеет специфическое назначение. Часто эти укрупненные блоки называются подсистемами и состоят из меньших блоков, служащих какой-то конкретной цели, которые зачастую включают в себя еще меньшие блоки и компоненты.

В состав цифрового компьютера входит пять основных подсистем: устройство управления, арифметико-логическое устройство, подсистемы памяти, ввода-вывода и внутренних связей.

 

 

2 ДРУГИЕ ТИПЫ АРХИТЕКТУРЫ

 

 

Хотя большинство компьютеров имеет архитектуру фон Неймана, используются и другие архитектуры. Есть два типа ЦП с архитектурой фон Неймана, обозначаемых CISC (для компьютеров со сложным набором команд) и RISC (для компьютеров с упрощенным набором команд). Традиционный ЦП относится к типу CISC, позволяющему выполнять огромное разнообразие команд; RISC имеет меньше команд, но работает быстрее. RISC-процессор больше подходит для решения таких задач, где имеются многочисленные операции при относительно простых вычислениях, например приложения с интенсивным использованием графики; CISC-процессоры более предпочтительны в универсальных приложениях.

Для процессоров обоих этих типов приближается ситуация, когда скорость вычислений ограничивается необходимостью выполнять все на одном процессоре. Некоторые суперкомпьютеры, такие, как многопроцессорная машина, решают эту проблему путем использования параллельных матриц неймановских процессоров. Многопроцессорные машины используются там, где должны обрабатываться большие массивы сходных данных, например при прогнозировании погоды и в графике высокого разрешения. Параллельная машина распределяет данные между процессорами и выполняет расчеты одновременно. Еще один вид машины с параллельными процессорами – кластерный, или нейрокомпьютер, – использует очень простые микропроцессоры. Каждый из них действует подобно нейрону, отвечая на сигналы от нескольких различных входов. В нейрокомпьютере имеется сильно взаимосвязанная сеть таких микропроцессоров. Нейрокомпьютеры могут обучаться: при поступлении новых данных они настраивают реакции индивидуальных микропроцессоров и/или изменяют пути взаимосвязей. Эти компьютеры не программируются с помощью алгоритмов, используемых в других цифровых компьютерах; связи, алгоритмы отклика и законы обучения задаются программистом.

   

 

 

 

 

 

3 ТРЕТЬЕ ПОКОЛЕНИЕ

 

 

Третье поколение  ЭВМ разрабатывалось с 1964 по 1974год на новой элементной базе, осуществился переход к интегральной технологии.

Совершенствование технологии позволило усложнить микросхемы, появились микросхемы средней интеграции (СИС).  Затем из всего многообразия микросхем были выделены  функционально - полные комплекты интегральных схем, предназначенные для построения контроллеров и вычислительных машин. Для вычислительной техники характерно использование большого количества однотипных логических элементов, особенно в устройствах памяти. Технология изготовления интегральных схем памяти проще, отличается повторяемостью соединений, поэтому первыми  большими интегральными схемами стали БИС памяти. БИС содержали от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч элементов на кристалле. Благодаря интегральным схемам удалось значительно улучшить технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ. В ЭВМ третьего поколения появился расширенный набор внешних устройств. Были разработаны устройства внешней памяти с увеличенной емкостью и скоростью передачи данных. Первые устройства внешней памяти на магнитных дисках  появились в начале 60-х годов, после того как в 1956г. фирма IBM разработала плавающие магнитные головки на магнитной подушке. Емкость магнитных дисков была на порядок больше, чем емкость магнитных барабанов, применявшихся ранее. Появились устройства ввода графической информации с чертежа, оптические читающие устройства, графопостроители, устройства для чтения перфокарт или перфолент.

Для повышения быстродействия в супер-ЭВМ использовались методы конвейерной и параллельной обработки при помощи процессора сложной структуры, состоящего из матрицы процессоров обработки данных и специального управляющего процессора, который распределяет задачи и управляет потоком данных в системе.

В начале 70-х годов были выпущены первые машины класса мини-ЭВМ, предназначенные для управления технологическими процессами, семейства PDP11, объединенные единой архитектурой , отличающиеся не очень высокой производительностью и, соответственно, ценой. Эта архитектура стала образцовой в классе мини-ЭВМ.

Подведем итог особенности архитектуры компьютеров 3-го поколения:

Это, прежде всего введение системы совместимых ЭВМ, реализация программной совместимости и аппаратной совместимости.

Основные изменения в архитектуре:

- многофункциональность центрального процессора;

 -усложнение структуры иерархии памяти; 

 -введение мультиплексных и селекторных каналов; 

 -развитие устройств ввода/вывода (периферии).  

     Многофункциональность центрального процессора  -  центральный процессор включает в себя несколько сопроцессоров ( для вычислений с удвоенной точностью, для работы с символьной информацией). В таком процессоре возможна оптимизация вычислительного    процесса за счет совмещения операций, выполняемых в разных устройствах.  В устройстве управления центрального процессора появляется устройство формирования адресов для обеспечения многопользовательского режима работы. 

     Усложнение структуры иерархии памяти  - вводится дополнительная память между внешним запоминающим устройством и оперативной памятью, что обеспечивает организацию обращений к единой памяти (виртуальной памяти, появляется возможность распределять виртуальные ресурсы между пользователями, организовать работу в многопользовательском режиме, когда каждый пользователь имеет в распоряжении свою виртуальную машину).

         Мультиплексный канал обеспечивает обмен с однородными устройствами (терминалами).  Обслуживается несколько медленных устройств одновременно.

     Селекторный канал служит для скоростного обмена между основной памятью и быстродействующими внешними устройствами. Особенно важно организовать быстрый обмен с видеосистемой компьютера при обработке графической информации. Селекторный канал работает в монопольном режиме и обслуживает только одно устройство.

Разработаны устройства внешней памяти с увеличенной скоростью и емкостью, введены стандарты на связь с внешними устройствами (интерфейсы), широкое применение получили терминальные устройства, обеспечившие доступ к компьютеру широкого числа пользователей. Основная концепция: совместное использование ресурсов и введение принципов виртуального распределения ресурсов, ресурсы предоставляются пользователю по его потребностям.

Рис. 1.3. Архитектура компьютера 3-го поколения

Режимы использования ресурсов: 

-однопрограммный (вычислительная система обслуживает одного пользователя и решает только одну задачу);

-многопрограммный (несколько программ одновременно выполняются в системе,при этом выполнение любой программы может быть на некоторое время прервано для выполнения другой). 

     В многопрограммном режиме (мультипрограммном) должны быть четко определены правила перехода от одной программе к другой. Используются два режима работы:

Режим разделения времени- вычислительная система работает с различными пользователями. На каждое устройство (каждому пользователю) выделено определенное время работы процессора С Т.  С учетом инерции человека - пользователя время ответа системы равно времени ответа при индивидуальной работе. Возрастает эффективность использования вычислительной системы; 

Режим реального времени - применяется в информационно-поисковых системах. При этом вычислительная система выполняет фоновую задачу. К системе имеет доступ несколько удаленных терминалов. При обращении пользователя фоновая задача прерывается, система переходит к обработке программы прерывания (к обслуживанию данного пользователя ) и по окончании возвращается в фоновый режим.  

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 АРХИТЕКТУРА КОМПЬЮТЕРОВ 4-ГО ПОКОЛЕНИЯ.

      

 

Четвертое поколение компьютеров создавалось на БИС и СБИС. Быстрыми темпами развивалась технология производства больших интегральных схем. В 1971 году фирма Intel выпустила первый 4-разрядный микропроцессор, выполненный на одном кристалле и способный выполнять набор из 45 команд, в то время его называли микропрограммным компьютером на одном кристалле.

Высокая степень интеграции БИС, повышенное быстродействие, высокая степень надежности, снижение стоимости, все это позволило значительно уменьшить размеры компьютеров, достигнуть быстродействия порядка сотен миллионов операций в секунду, объем основной памяти достиг десятков Мбайт. Появился новый класс машин - микро-ЭВМ.

     Впервые была применена концепция ²открытой архитектуры², которая позволила пользователям добавлять новые компоненты к их компьютерам без замены всего устройства.

     В 1983 году  фирма IBM выпустила компьютер PC/XT, он был укомплектован жестким диском на10 Мбайт, с памятью до 640 Кбайт и операционной системой MS-DOS. Начиная с XT произошел взрыв в индустрии персональных компьютеров. Появились такие компьютеры, как графические станции, домашние компьютеры, Desktop- компьютеры (доска объявлений), Laptop компьютеры (наколенники), блокнотные персональные компьютеры (Notebook), Palmtop - компьютеры (наладонники).

     Две тенденции - распределение вычислительных ресурсов , оснащение персональными компьютерами рабочих мест и необходимость объединения вычислительных ресурсов для решения общих задач большого объема - привели к сетевому буму. Для объединения рабочих групп  (вычислительных станций, в качестве которых чаще всего используют персональные компьютеры)  в вычислительные сети  необходимы  специализированные машины - серверы.

В архитектуре серверов и суперсерверов используется несколько процессоров, высокоскоростная система шин.

Технология заказных СБИС позволила перейти к ЭВМ на специализированных процессорах, процессорах ассоциативного типа, основной операцией которых является операция сравнения.