» » Что такое архитектура компьютера

Что такое архитектура компьютера

Глоссарий.ru: Архитектуры компьютеров

Архитектура компьютера

Архитектура компьютера - логическая организация, структура и ресурсы компьютера,
которые может использовать программист. Архитектура определяет принципы действия,
информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера.

Быстродействие: сотни тысяч операций в секунду.

Компьютер PDP-7

По сравнению с электронными лампами использование транзисторов позволило уменьшить размеры вычислительной техники, повысить надежность, увеличить скорость работы (до 1 млн. операций в секунду) и почти свести на нет теплоотдачу. Развиваются способы хранения информации: широко используется магнитная лента, позже появляются диски. В этот период была замечена первая компьютерная игра.

Первый компьютер на транзисторах TX стал прототипом для компьютеров ветки PDP фирмы DEC, которые можно считать родоначальниками компьютерной промышленности, т.к появилось явление массовой продажи машин. DEC выпускает первый миникомпьютер (размером со шкаф). Зафиксировано появление дисплея.

Фирма IBM также активно трудится, производя уже транзисторные версии своих компьютеров.

Компьютер 6600 фирмы CDC, который разработал Сеймур Крей, имел преимущество над другими компьютерами того времени – это его быстродействие, которое достигалось за счет параллельного выполнения команд.

Третье поколение. Компьютеры на интегральных схемах (1965-1980)

Быстродействие: миллионы операций в секунду.

PDP-11. Компьютер третьего поколения

Интегральная схема представляет собой электронную схему, вытравленную на кремниевом кристалле. На такой схеме умещаются тысячи транзисторов. Следовательно, компьютеры этого поколения были вынуждены стать еще мельче, быстрее и дешевле.

Последнее свойство позволяло компьютерам проникать в различные сферы деятельности человека. Из-за этого они становились более специализированными (т.е. имелись различные вычислительные машины под различные задачи).

Появилась проблема совместимости выпускаемых моделей (программного обеспечения под них). Впервые большое внимание совместимости уделила компания IBM.

Было реализовано мультипрограммирование (это когда в памяти находится несколько выполняемых программ, что дает эффект экономии ресурсов процессора).

Дальнейшее развитие миникомпьютеров (PDP-11).

Четвертое поколение. Компьютеры на больших (и сверхбольших) интегральных схемах (1980-…)

Быстродействие: сотни миллионов операций в секунду.

IBM PC

Появилась возможность размещать на одном кристалле не одну интегральную схему, а тысячи. Быстродействие компьютеров увеличилось значительно. Компьютеры продолжали дешеветь и теперь их покупали даже отдельные личности, что ознаменовало так называемую эру персональных компьютеров. Но отдельная личность чаще всего не была профессиональным программистом. Следовательно, потребовалось развитие программного обеспечения, чтобы личность могла использовать компьютер в соответствие со своей фантазией.

В конце 70-х – начале 80-х популярностью пользовался компьютера Apple, разработанный Стивом Джобсом и Стивом Возняком. Позднее в массовое производство был запущен персональный компьютер IBM PC на процессоре Intel.

Позднее появились суперскалярные процессоры, способные выполнять множество команд одновременно, а также 64-разрядные компьютеры.

Пятое поколение?

Сюда относят неудавшийся проект Японии (хорошо описан в Википедии). Другие источники относят к пятому поколению вычислительных машин так называемые невидимые компьютеры (микроконтроллеры, встраиваемые в бытовую технику, машины и др.) или карманные компьютеры.

Также существует мнение, что к пятому поколению следует относить компьютеры с двухядерными процессорами. С этой точки зрения пятое поколение началось примерно с 2005 года.

Типы компьютеров: персональные, микроконтроллеры, серверы, мейнфреймы и др.

Фотографии к статье взяты с проекта Wikipedia

Персональные компьютеры, знакомые большинству людей, являются далеко не единственным типом вычислительных машин.
Обычно компьютеры классифицируют по производительности и способу использования.

Персональные компьютеры (ПК)

Различают стационарные и портативные (ноутбуки).

Для персональных компьютеров обязательно наличие монитора и ряда других периферийных устройств. В блоке ПК находятся материнская (системная) плата, процессор, различная память (ОЗУ, жесткий диск), устройства ввода-вывода, интерфейсы периферийных устройств и др.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, представленную на рисунке 1.


Рис. 1.

  1. Программное
    управление ЭВМ
    . Работа ЭВМ
    контролируется программой, состоящей
    из набора команд. Команды выполняются
    последовательно друг за другом. Созданием
    машины с хранимой в памяти программой
    было положено начало тому, что мы сегодня
    называем программированием.

  2. Память
    компьютера используется не только для
    хранения данных, но и программ
    . При
    этом и команды программы и данные
    кодируются в двоичной системе счисления,
    т.е. их способ записи одинаков. Поэтому
    в определенных ситуациях над командами
    можно выполнять те же действия, что и
    над данными.

  3. Ячейки
    памяти ЭВМ имеют адреса, которые
    последовательно пронумерованы
    .В любой момент можно обратиться к любой
    ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип
    открыл возможность использовать
    переменные в программировании.

  4. Возможность
    условного перехода в процессе выполнения
    программы
    .Не смотря на то, что
    команды выполняются последовательно,
    в программах можно реализовать
    возможность перехода к любому участку
    кода.

Программное
управление ЭВМ
. Работа ЭВМ
контролируется программой, состоящей
из набора команд. Команды выполняются
последовательно друг за другом. Созданием
машины с хранимой в памяти программой
было положено начало тому, что мы сегодня
называем программированием.

Память
компьютера используется не только для
хранения данных, но и программ
. При
этом и команды программы и данные
кодируются в двоичной системе счисления,
т.е. их способ записи одинаков. Поэтому
в определенных ситуациях над командами
можно выполнять те же действия, что и
над данными.

Ячейки
памяти ЭВМ имеют адреса, которые
последовательно пронумерованы
.В любой момент можно обратиться к любой
ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип
открыл возможность использовать
переменные в программировании.

Возможность
условного перехода в процессе выполнения
программы
.Не смотря на то, что
команды выполняются последовательно,
в программах можно реализовать
возможность перехода к любому участку
кода.


Самым главным
следствием этих принципов можно назвать
то, что теперь программа уже не была
постоянной частью машины (как например,
у калькулятора). Программу стало возможно
легко изменить. А вот аппаратура, конечно
же, остается неизменной, и очень простой.


Для
сравнения, программа компьютера ENIAC
(где не было хранимой в памяти программы)
определялась специальными перемычками
на панели. Чтобы перепрограммировать
машину (установить перемычки по-другому)
мог потребоваться далеко не один день.
И хотя программы для современных
компьютеров могут писаться годы, однако
они работают на миллионах компьютеров
после несколько минутной установки на
жесткий диск.


Компьютер –
это техническое средство преобразования
информации, в основу работы которого
заложены те же принципы обработки
электрических сигналов, что и в любом
электронном устройстве:


  1. входная
    информация, представленная различными
    физическими процессами, как электрической,
    так и неэлектрической природы (буквами,
    цифрами, звуковыми сигналами и т.д.),
    преобразуется в электрический сигнал;


  2. сигналы
    обрабатываются в блоке обработки;


  3. с помощью
    преобразователя выходных сигналов
    обработанные сигналы преобразуются в
    неэлектрические сигналы (изображения
    на экране).


входная
информация, представленная различными
физическими процессами, как электрической,
так и неэлектрической природы (буквами,
цифрами, звуковыми сигналами и т.д.),
преобразуется в электрический сигнал;


сигналы
обрабатываются в блоке обработки;

Архитектура современных
персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе.
Модульный
принцип позволяет пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию

компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная
организация системы опирается на магистральный принцип обмена информацией.

Все контроллеры устройств взаимодействуют с микропроцессором и оперативной
памятью через системную магистраль передачи данных, называемую системной

шиной. Системная шина выполняется в виде печатного мостика на материнской
плате.


— это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления
работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических
операций над информацией. Микропроцессор


является основной интерфейсной системой компьютера, обеспечивающей сопряжение
и связь всех его устройств между собой. Системная шина обеспечивает три
направления передачи информации: Системная шина

  • между микропроцессором
    и основной памятью;
  • между микропроцессором
    и портами ввода-вывода внешних устройств;
  • между основной
    памятью и портами ввода-вывода внешних устройств.

Оперативная память является необходимой частью любого вычислительного устройства, даже простейшего калькулятора. В компьютерах транзисторы памяти реализованы в микросхемах, припаянных к планке текстолита с рядом медных скользящих контактов. Каждая планка вставляется в соответствующий разъем материнской платы. Класс CPU определяет поддерживаемое поколение модулей оперативной памяти. Например, если процессор Intel Core2Duo предназначен для работы с памятью DDR2, то последующий Core предполагает использование только DDR3.

Для расширения возможностей ПК и повышения функциональных характеристик микропроцессора дополнительно может поставляться математический сопроцессор, служащий для расширения набора команд МП. Например, математический сопроцессор IBM-совместимых ПК расширяет возможности МП для вычислений с плавающей точкой; сопроцессор в локальных сетях (LAN-процессор) расширяет функции МП в локальных сетях.

Самой важной характеристикой процессора является его быстродействие (производительность, тактовая частота) — количество операций, выполняемых в секунду.
Посредством выработки и передачи другим его компонентам управляющих импульсов, поступающих от кварцевого тактового генератора, который при включении ПК начинает вибрировать с постоянной частотой (100 МГц, 200-400 МГц и выше). Эти колебания и задают темп работы всей системной платы;

2. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – RAM – Random Access Memory – это запоминающее устройство, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и временного хранения  выполняемых программ и данных

ОЗУ обеспечивает хранение информации лишь в течение сеанса работы с ПК – после выключения компьютера из сети данные, хранимые в ОЗУ, теряются безвозвратно, то есть ОЗУ – энергозависимое устройство.

3. Кэш-память или сверхоперативная память. Скорость обработки информации центральным процессором уже так высока, что современные устройства ОЗУ не справляются с функцией посредника между ЦП и внешней памятью.
Поэтому было добавлено еще одно устройство – кэш-память – служащее посредником между ОЗУ и ЦП.
Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память.


5. форматы данных;

[Ctrl] – от английского слова Control (управление);

[Alt] – от английского слова Alternative (альтернатива).

Эти клавиши так же, как и клавиша [Shift], предназначены для изменений значений других клавиш. Они используются в комбинации с другими клавишами, и при этом выполняемая программа может особым образом реагировать на эти комбинации.

Компакт-диск


Раздел: 


Архитектура компьютера

  • Компакт-диски (CD) предназначены для хранения и переноса информации.
  • CD представляют собой круг диаметром 12 сантиметров с отверстием в центре.
  • Изготавливаются из отражающего материала, покрытого прозрачным защитным слоем.
  • Запись и считывание информации выполняется с помощью лазера. На отражающей поверхности диска лазером создаются изменения, также лазером эти изменения считываются. При считывании луч отслеживает неравномерности на поверхности диска.

Форматы компакт-дисков эволюционировали от CD-DA до CD-R и CD-RW популярных и поныне. На сегодняшний день также распространены DVD и Blu-ray-диски. Несмотря на то, что, например, диск DVD вмещает намного больше информации и имеет другие преимущества, CD в определенных случаях куда удобнее. Например, если вам надо отдать кому-то ряд текстовых и графических файлов, общий размер которых не превышает примерно 600 МБ, то дешевле и проще записать их на CD.
Формат CD-DA («compact disk – digital audio» – «компакт-диск с цифровым звуком») использовался в производстве аудиозаписей.

Потом появился формат CD-ROM («compact disk – read only memory» – «компакт-диск с постоянной памятью»). Позже появились CD-R и CD-RW. Формат CD-R, в отличие от CD-ROM, позволяет записывать данные уже после изготовления диска. Формат CD-RW предполагает многократную перезапись данных.

CD и магнитный диск имеют различия не только в способе чтения/записи, но и в устройстве диска. В магнитном диске информация записывается на отдельных дорожках-окружностях, где самая короткая (маленькая) расположена ближе к центру, а самая длинная (большая) – у самого края. При этом количество секторов на каждой дорожке такое же как на других (хотя количество данных в каждом секторе одинаково). В результате получается, что «плотность» записанных данных на внутренних дорожках выше, чем на внешних. Поэтому скорость вращения диска не зависит от того, на какой дорожке происходит чтение/запись, и она постоянна. Ведь даже если при чтении с внешней дорожки головка проходит большее расстояние, чем при чтении с внутренней, все-равно за одно и тоже время считывается одинаковое количество данных не зависимо от расположения дорожки (т. к. данные на внешней более разреженные).

В отличие от магнитного диска на CD есть только одна спиралевидная дорожка. Она начинается от внутренней части диска и по спирали закручивается до внешнего края диска. Дорожка также разделена на одинаковые по количеству данных сектора, но, в отличие от магнитного диска, на CD одинакова и плотность данных в секторах, т. е. сектора имеют одинаковую длину. Значит, чтобы данные считывались с одинаковой скоростью диск должен вращаться с разной скоростью. Чем ближе к центру читаются/записываются данные лазерным лучом, тем быстрее должен вращаться диск, чем ближе к краю – тем медленнее.

[рисунок: сравнение магнитного диска и CD]

Из-за особенностей своего устройства CD быстрее работают с непрерывными данными, чем магнитные диски. В свою очередь, магнитные диски лучше работают с данными, предполагающими произвольный доступ к ним (т. е. «разбросанными» по диску).

Нейрокомпьютеры, нейросети и нейроинформатика

Особенности нейрокомпьютеров можно свести к следующему:

  1. Нейрокомпьютеры дают стандартный способ решения многих нестандартных задач. И неважно, что специализированная машина лучше решит один класс задач. Важнее, что один нейрокомпьютер решит и эту задачу, и другую, и третью – и не надо каждый раз проектировать специализированную ЭВМ – нейрокомпьютер сделает все сам и не хуже.
  2. Вместо программирования – обучение. Нейрокомпьютер учится – нужно только формировать учебные задачники. Труд программиста замещается новым трудом – учителя (тренера). Программист предписывает машине все детали работы, учитель – создает «образовательную среду», к которой приспосабливается нейрокомпьютер. Появляются новые возможности для работы.
  3. Нейрокомпьютеры особенно эффективны там, где нужно подобие человеческой интуиции – для распознавания образов (узнавания лиц, чтения рукописных текстов), перевода с одного естественного языка на другой и т.п. Именно для таких задач обычно трудно сочинить явный алгоритм.
  4. Гибкость структуры: можно различными способами комбинировать простые составляющие нейрокомпьютеров – нейроны и связи между ними. За счет этого на одной элементной базе и даже внутри «тела» одного нейрокомпьютера можно создавать совершенно различные машины. Появляется еще одна новая профессия – «нейроконструктор» (конструктор мозгов).
  5. Нейронные сети позволяют создать эффективное программное обеспечение для высокопараллельных компьютеров. Для высокопараллельных машин хорошо известна проблема: как их эффективно использовать – как добиться, чтобы все элементы одновременно и без лишнего дублирования вычисляли что-нибудь полезное? Создавая математическое обеспечение на базе нейронных сетей, можно для широкого класса задач решить эту проблему.

Если перейти к еще более прозаическому уровню повседневной работы, то нейронные сети – это всего-навсего сети, состоящие из связанных между собой простых элементов – формальных нейронов. Значительное большинство работ по нейроинформатике посвящено переносу различных алгоритмов решения задач на такие сети.

Ядром используемых представлений является идея о том, что нейроны можно моделировать довольно простыми автоматами, а вся сложность мозга, гибкость его функционирования и другие важнейшие качества определяются связями между нейронами. Каждая связь представляется как совсем простой элемент, служащий для передачи сигнала. Предельным выражением этой точки зрения может служить лозунг: «структура связей – все, свойства элементов – ничто».

Совокупность идей и научно-техническое направление, определяемое описанным представлением о мозге, называется коннекционизмом (по-английски connection – связь). Как все это соотносится с реальным мозгом? Так же, как карикатура или шарж со своим прототипом-человеком – весьма условно. Это нормально: важно не буквальное соответствие живому прототипу, а продуктивность технической идеи.

С коннекционизмом тесно связан следующий блок идей:

  1. однородность системы (элементы одинаковы и чрезвычайно просты, все определяется структурой связей);
  2. надежные системы из ненадежных элементов и «аналоговый ренессанс» - использование простых аналоговых элементов;
  3. «голографические» системы – при разрушении случайно выбранной части система сохраняет свои полезные свойства.

Предполагается, что система связей достаточно богата по своим возможностям и достаточно избыточна, чтобы скомпенсировать бедность выбора элементов, их ненадежность, возможные разрушения части связей.

Коннекционизм и связанные с ним идеи однородности, избыточности и голографичности еще ничего не говорят нам о том, так же такую систему научить решать реальные задачи. Хотелось бы, чтобы это обучение обходилось не слишком дорого.

На первый взгляд кажется, что коннекционистские системы не допускают прямого программирования, то есть формирования связей по явным правилам. Это, однако, не совсем так. Существует большой класс задач: нейронные системы ассоциативной памяти, статической обработки, фильтрации и др., для которых связи формируются по явным формулам. Но еще больше (по объему существующих приложений) задач требует неявного процесса. По аналогии с обучением животных или человека этот процесс мы также называем обучением.

Обучение обычно строится так: существует задачник – набор примеров с заданными ответами. Эти примеры предъявляются системе. Нейроны получают по входным связям сигналы – «условия примера», преобразуют их, несколько раз обмениваются преобразованными сигналами и, наконец, выдают ответ – также набор сигналов. Отклонение от правильного ответа штрафуется. Обучение состоит в минимизации штрафа как (неявной) функции связей.

Неявное обучение приводит к тому, что структура связей становится «непонятной» - не существует иного способа ее прочитать, кроме как запустить функционирование сети. Становится сложно ответить на вопрос: «Как нейронная сеть получает результат?» - то есть построить понятную человеку логическую конструкцию, воспроизводящую действия сети.

Это явление можно назвать «логической непрозрачностью» нейронных сетей, обученных по неявным правилам. В работе с логически непрозрачными нейронными сетями иногда оказываются полезными представления, разработанные в педагогике и психологии, и обращение с обучаемой сетью как с дрессируемой зверушкой или с обучаемым младенцем – это еще один источник идей. Возможно, со временем возникнет такая область деятельности – «нейропедагогика» - обучение искусственных нейронных сетей.

С другой стороны, при использовании нейронных сетей в экспертных системах на PC возникает потребность прочитать и логически проинтерпретировать навыки, выработанные сетью.

Итак, очевидно наличие двух источников идеологии нейроинформатики. Это представления о строении мозга и о процессах обучения. Существуют группы исследователей и научные школы, для которых эти источники идей имеют символическое, а иногда даже мистическое или тотемическое значение.

Наверх