1. Класична архітектура фон Неймана
2. Архітектура сучасних ПК
3. Многопроцессорная архітектура ПК
4. Багатомашинна обчислювальна система
5. Архітектура з паралельними процесорами

Архітектура персонального комп'ютера (ПК) включає в себе структуру, яка відображає склад ПК, і програмне забезпечення.

Структура ПК - це набір його функціональних елементів (від основних логічних вузлів до найпростіших схем) і зв'язків між ними.

Архітектура визначає принципи дії , Інформаційні зв'язки і взаємне з'єднання основних логічних вузлів ПК, до яких відносять процесор, оперативний пристрій, зовнішні пристрої, що запам'ятовують і периферійні пристрої.

Основним принципом побудови всіх сучасних ПК є програмне керування.

Класична архітектура фон Неймана

В $ 1946 $ році американські математики Джон фон Нейман, Герман Голдштейн і Артур Беркс в спільній статті виклали нові принципи побудови і функціонування ЕОМ. На основі цих принципів вироблялося $ 1 $ -е і $ 2 $ -е покоління комп'ютерів. У наступних поколіннях відбувалися деякі зміни, але принципи фон Неймана (Як вони були названі) зберігалися.

Основні принципи фон Неймана:

1. Використання двійкової системи числення в ПК, в якій пристроїв набагато простіше виконувати арифметико-логічні операції, ніж в десяткової.
2. Програмне управління ПК. Робота ПК управляється програмою, яка складається з набору команд, що виконуються послідовно одна за одною. Створення машини з зберiгається в пам'ятi поклало початок програмування.
3. Дані та програми зберігаються в пам'яті ПК. Команди дані кодуються однаково в двійковій системі.
4. Осередки пам'яті ПК мають послідовно пронумеровані адреси. Можливість звернення до будь-якої комірки пам'яті на її адресу дозволила використовувати змінні в програмуванні.
5. Можливість умовного переходу при виконанні програми. Команди в ПК виконуються послідовно, але при необхідності можна реалізувати перехід до будь-якої частини коду.

Нічого не зрозуміло?

Спробуй звернутися за допомогою до викладачів

Основним принципом було те, що програма вже стала не постійною частиною машини, а змінною, на відміну від апаратури, яка залишається незмінною і дуже простий.

Фон Нейманом також була запропонована структура ПК (рис. 1).

Малюнок 1. Структура ПК

До складу машини фон Неймана входили:

• пристрій (ЗУ);
• арифметико-логічний пристрій (АЛП), яке виконувало всі арифметичні і логічні операції;
• пристрій управління (УУ), яке координує дії всіх вузлів машини відповідно до програми;
• пристрої введення-виведення.

Програми та дані вводилися в ЗУ з пристрою введення через АЛУ. Всі команди програми записувалися в осередку пам'яті послідовно, а дані для обробки - в довільні комірки.

Команда складалася з вказівки операції, яку необхідно виконати, і адрес комірок пам'яті, в яких зберігаються дані і над якими необхідно виконати потрібну операцію, а також адреси осередку, в яку необхідно записати результат (для зберігання в ЗУ).

З АЛУ результати виводяться в ЗУ або пристрій виводу. Принципово ці пристрої відрізняються тим, що в ЗУ дані зберігаються в зручному для обробки ПК вигляді, а на пристрою виведення (Монітор, принтер і т.п.) в зручному для людини.

Від УУ на інші пристрої надходять сигнали з командами, а від інших пристроїв УУ отримує інформацію про результат їх виконання.

У УУ міститься спеціальний регістр (осередок) - лічильник команд, в який записується адреса першої команди програми. УУ зчитує з пам'яті вміст відповідної комірки пам'яті і поміщає його в спеціальний пристрій - регістр команд. УУ визначає операцію команди, «відзначає» в пам'яті дані, адреси яких вказані в команді, і контролює виконання команди. Операцію виконує АЛП або апаратні засоби комп'ютера.

Після виконання команди лічильник команд збільшується на $ 1 $ і вказує на наступну команду програми. При необхідності виконання команди, яка не слід по порядку за поточною, спеціальна команда переходу містить адресу комірки, в яку потрібно передати управління.

Архітектура сучасних ПК

В основу архітектури сучасних ПК закладений магістральної-модульний принцип. ПК складається з окремих частин - модулів, які є відносно самостійними пристроями ПК (напрмер, процесор, оперативна пам'ять, контролер, дисплей, принтер, сканер і т.д.).

Модульний принцип дозволяє користувачеві самостійно комплектувати необхідну конфігурацію ПК і виробляти при необхідності його оновлення. Модульна організація системи спирається на магістральний принцип обміну інформацією. Для роботи ПК як єдиного механізму необхідно здійснювати обмін даними між різними пристроями, за що відповідає системна (магістральна) шина, яка виконується у вигляді друкованого містка на материнській платі.

Основні особливості архітектури ПК зводяться до принципів компонування апаратури, а також до вибраного набору системних апаратних засобів.

Подібна архітектура характеризується її відкритістю - можливістю включення в ПК додаткових пристроїв (системних і периферійних), а також можливістю простого вбудовування програм користувача на будь-якому рівні програмного забезпечення ПК.

зауваження 1

Також вдосконалення архітектури ПК пов'язано з максимальним прискоренням обміну інформацією з системною пам'яттю. Саме з системної пам'яті, в якій зберігаються дані, ПК зчитує всі виконувані команди. Таким чином найбільше звернень центральний процесор здійснює до пам'яті та прискорення обміну з пам'яттю призведе до істотного прискорення роботи всієї системи в цілому.

Оскільки при використанні системної магістралі для обміну процесора з пам'яттю доводиться враховувати швидкісні обмеження самої магістралі, то істотного прискорення обміну даними за допомогою магістралі домогтися неможливо.

Для вирішення цього питання був запропонований наступний підхід. Системна пам'ять замість системної магістралі підключається до спеціальної високошвидкісної шині, яка дистанційно знаходиться ближче до процесора і не вимагає складних буферів і великих відстаней. У цьому випадку обмін з пам'яттю йде з максимально можливою для процесора швидкістю, і системна магістраль не уповільнює його. Особливо актуальним це рішення стало з ростом швидкодії процесора.

Таким чином, структура ПК з одношинної, яка застосовувалася тільки в перших комп'ютерах, стає трехшінной.

Малюнок 2. Трехшінная структура ПК

АЛУ і УУ в сучасних ПК утворюють процесор. Процесор, який складається з однієї або декількох великих інтегральних схем, називається мікропроцесором або мікропроцесорним комплектом.

Многопроцессорная архітектура ПК

Наявність в ПК декількох процесорів означає, що паралельно може бути організовано багато потоків даних і команд, тобто одночасно можуть виконуватися декілька фрагментів одного завдання.

Малюнок 3. Архітектура многопроцессорного ПК

Багатомашинна обчислювальна система

В архітектурі многомашинной обчислювальної системи кожен процесор має свою оперативну пам'ять. Застосування многомашинной обчислювальної системи ефективно при вирішенні завдань, які мають дуже спеціальну структуру, яка повинна складатися з такої кількості ПК, на скільки слабо пов'язаних підзадач розбита система.

Багатопроцесорні і багатомашинні обчислювальні системи мають перевагу перед однопроцесорними в швидкодії.

Архітектура з паралельними процесорами

У даній архітектурі кілька АЛУ працюють під управлінням одного УУ. Це означає, що безліч даних може оброблятися за однією програмою, т. Е. По одному потоку команд. Висока швидкодія такої архітектури можна отримати тільки на завданнях, в яких однакові обчислювальні операції виконуються одночасно на різних однотипних наборах даних.

Малюнок 4. Архітектура з паралельним процесором

У сучасних машинах часто присутні елементи різних типів архітектурних рішень. Існують і інші архітектурні рішення, відмінні від розглянутих вище.