Архитектура ЭВМ, построенная на принципах фон Неймана
Начало изменений в классической архитектуре относится к 3-му поколению ЭВМ (переход от транзисторов к интегральным схемам). Это было обусловлено возникновением противоречия между высокой скоростью обработки данных внутри машины и медленной работой устройств ввода-вывода (у них механические части). Процессор вынужден простаивать в ожидании данных извне. Стало необходимо освободить центральный процессор от функции обмена данными с внешними устройствами.
В современных ЭВМ эта функция передана контроллеру. Контроллер (адаптер) – устройство, которое связывает периферийное оборудование и каналы связи с центральным процессором, освобождая его от непосредственного управления функционированием данного оборудования, т.е. контроллер – это специализированный процессор с собственной системой команд (контроллер НГМФ, контроллер принтера, видеоадаптер и др.). Сейчас любое внешнее устройство имеет контроллер.
Схема работы. Центральный процессор при необходимости обмена с внешним устройством выдает задание контроллеру на его осуществление. Контроллер создает канал связи между ОЗУ и внешним устройством. Дальнейшая передача идет под управлением контроллера без использования центрального процессора
Следующие изменение архитектуры. Появилось принципиально новое устройство – общая шина (магистраль, системная шина) для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ.
Системная шина – это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.
Системная шина включает:
1. Кодовую шину данных, которая служит для параллельной передачи всех разрядов числового кода. В ПК на базе Intel Pentium шина данных 64-х разрядная, за один такт на обработку поступает сразу 8 байт данных. Что передается.
2. Кодовую шину адреса, которая служит для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода – вывода внешнего устройства. Данные, передаваемые по адресной шине – трактуются как адреса ячеек оперативной памяти. Именно из этой шины процессор считывает адреса команд, которые необходимо выполнить. В современных процессорах шина адреса 32-разрядная (состоит из 32 параллельных проводников). Куда передается.
3. Кодовую шину управления (командная шина) – служит для передачи управленческих сигналов во все блоки машины. Большинство современных компьютеров имеют 32 разрядную командную шину, но бывают и 64-разрядные. Как передается.
Шинная архитектура ЭВМ
Как видно такую структуру легко пополнять новыми устройствами – открытость архитектуры.
Появление блока видеопамяти связано с разработкой особого устройства вывода – дисплея (монитора). Для получения на экране стабильной картинки ее нужно где-то хранить. Для этого и существует видеопамять. Сначала содержимое видеопамяти формируется компьютером. Затем контроллер дисплея выводит изображение на экран. Конструктивно видеопамять может быть выполнена как часть обычного ОЗУ или содержаться в контроллере дисплея.
Еще особенность современной ЭВМ. Существует режим прямого доступа к памяти (ПДП), при котором внешнее устройство обменивается непосредственно с ОЗУ без участия ЦП. Для этого существует специальный контроллер ПДП. Режим ПДП появился только в машинах III поколения.
Пример использования ПДП. Работа звуковой карты. Воспроизведение звуков с точки зрения процессора очень медленное (процессор - частота 500 МГц, частота дискретизации CD – 44 Гц) В этом случае процессор лишь помещает в ОЗУ необходимые данные и сообщает контроллеру ПДП их адрес и количество. Последний, не спеша, обеспечивает передачу данных, которая требуется звуковой карте.
При описании магистральной структуры с точки зрения архитектуры упрощенно предполагалось, что все устройства взаимодействуют через общую шину. На практике при увеличении потоков данных между устройствами ЭВМ вводится одна или несколько дополнительных шин. Например, одна – для обмена с памятью, вторая для связи с «быстрыми», третья – с «медленными» внешними устройствами.
