Архитектура ЭВМ. Принцип построение ЭВМ фон-Неймана

Архитектура ЭВМ включает в себя как структуру, отражающую состав ПК, так и программно – математическое обеспечение. Структура ЭВМ - совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин были заложены Джон фон Нейманом. Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ.

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

Положения фон Неймана:

Компьютер состоит из нескольких основных устройств (арифметико-логическое устройство, управляющее устройство, память, внешняя память, устройства ввода и вывода)

Арифметико-логическое устройство – выполняет логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти

Управляющее устройство – обеспечивает управление и контроль всех устройств компьютера (управляющие сигналы указаны пунктирными стрелками)

Данные, которые хранятся в запоминающем устройстве, представлены в двоичной форме

Программа, которая задает работу компьютера, и данные хранятся в одном и том же запоминающем устройстве

Для ввода и вывода информации используются устройства ввода и вывода

Один из важнейших принципов – принцип хранимой программы – требует, чтобы программа закладывалась в память машины так же, как в нее закладывается исходная информация.

Арифметико-логическое устройство и устройство управления в современных компьютерах образуют процессор ЭВМ. Процессор, который состоит из одной или нескольких больших интегральных схем называется микропроцессором или микропроцессорным комплектом.

Процессор – функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Процессор является преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств.

Запоминающие устройства обеспечивают хранение исходных и промежуточных данных, результатов вычислений, а также программ. Они включают: оперативные (ОЗУ), сверхоперативные СОЗУ), постоянные (ПЗУ) и внешние (ВЗУ) запоминающие устройства.

Оперативные ЗУ хранят информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (резидентная часть операционной системы, прикладная программа, обрабатываемые данные). В СОЗУ хранится наиболее часто используемые процессором данные. Только та информация, которая хранится в СОЗУ и ОЗУ, непосредственно доступна процессору.

Внешние запоминающие устройства (накопители на магнитных дисках, например, жесткий диск или винчестер) с емкостью намного больше, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом, используются для длительного хранения больших объемов информации. Например, операционная система (ОС) хранится на жестком диске, но при запуске компьютера резидентная часть ОС загружается в ОЗУ и находится там до завершения сеанса работы ПК.

ПЗУ (постоянные запоминающие устройства) и ППЗУ (перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства) предназначены для постоянного хранения информации, которая записывается туда при ее изготовлении, например, ППЗУ для BIOS.

В качестве устройства ввода информации служит, например, клавиатура. В качестве устройства вывода – дисплей, принтер и т.д.

В построенной по схеме фон Неймана ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в устройстве управления.

20. Факторы, влияющие на производительность компьютера:

Конвейерные прерывания - Один из методов увеличения производительности компьютера - выполнение нескольких команд одновременно. Это достигается при помощи конвейерной технологии: несколько последовательных команд находятся на разных стадиях выполнения - от декодирования до запоминания результата. В этом случае при передаче управления происходит отбрасывание частично выполненных команд, оставшихся на конвейере. Такие прерывания существенно ограничивают производительность.

Быстродействие ОЗУ - Если процессор по своей производительности значительно превосходит оперативную память системы, то при каждом обращении к ней процессор несколько циклов отрабатывает " вхолостую". В случае, когда 32-разрядный процессор работает с 16-разрядным ОЗУ, процессор должен ожидать завершения обработки двух последовательных запросов.

Исчезновение циклов памяти - В компьютерах, где системное ОЗУ используется центральным процессором и видеоадаптером совместно, то, поскольку, эти обращения не могут происходить одновременно, в самом простом случае, процессору и видеоадаптеру присваиваются альтернативные циклы доступа к памяти. По сути дела видеоадаптер как бы ворует циклы процессора по мере необходимости.

Низкая эффективность программного обеспечения - Программное обеспечение не может само по себе научиться использовать преимущества новейших достижений в сфере увеличения производительности аппаратуры. Если операционные системы обычно проверяют наличие сопроцессора или расширенной системы команд, то прикладные пакеты, как правило, такой проверки не производят, и, соответственно, все дополнительные возможности аппаратуры просто игнорируются.

Немаловажным фактором, влияющим на производительность системы, является и то, что время, необходимое на выполнение одной операции доступа к памяти или к диску, подвержено влиянию других операций доступа. В данном случае ограничения налагает полоса пропускания сигналов. С другой стороны дисковый накопитель может обрабатывать одновременно только один запрос, таким образом образуется очередь, в которой новые запросы ожидают завершения обработки предыдущих программ.

Наилучшим способом измерения производительности вычислительной системы является временная оценка работы тех прикладных программ, которые в дальнейшем будут на ней использоваться. Это основа тестирования, которое действительно будет иметь смысл для конкретного пользователя.

Быстродействие дисковой памяти - Производительность дисковой подсистемы очень сильно влияет на общую производительность компьютера.

Основные причины, приводящие к замедлению работы диска:

- неправильный выбор фактора чередования при форматировании диска на низком уровне;

- сильная фрагментация файлов;

- отсутствие буферизации дискового ввода/вывода или неправильное использование такой буферизации;

- отсутствие драйвера кэширования дисковой памяти;

- неправильная установка переменной среды PATH операционной системы MS-DOS;

Фактор чередования - Обычно секторы на дорожке располагаются в порядке возрастания и порядковых номеров. Процедура чтения заключается в том, что контроллер диска устанавливает головки на нужную дорожку и начинает сканировать подряд все секторы для того чтобы найти требуемый сектор. Контроллер при поиске пользуется номером сектора, записанным в области служебной информации. После того как головка окажется над искомым сектором, начинается процесс считывания данных (512 байт) и записи их в оперативную память, как только все данные записаны в память, компьютер выдает контроллеру команду чтения следующего сектора.

Однако пока контроллер записывал данные пока компьютер выдавал команду на чтение следующего сектора, диск, разумеется, продол жал вращаться. И если производительность контроллера диска недостаточна, к моменту начала чтения второго сектора головка уже может проскочить управляющую запись второго сектора. Поэтому следующий сектор, который обнаружит контроллер, будет иметь номер 3.

Теперь контроллер будет ждать, пока диск повернется на один оборот, и только тогда он сможет прочитать второй сектор. Таким образом, если программа будет читать несколько секторов подряд, на чтение каждого сектора будет потрачено время равное времени оборота диска.

Чтобы улучшить временные характеристики можно, например, располагать секторы через один, в таком случае после чтения одного сектора будет достаточно времени для чтения следующего и вся дорожка может быть считана за 2 оборота диска.

Кэширование дисковой памяти - Во время работы операционная система и прикладные программы часто обращаются к одним и тем же файлам или к одним и тем же областям диска. Чтобы избежать повторения операции чтения диска при обращении к наиболее часто используемым программам применяется кэширование дисковой памяти: в области оперативной памяти выделяется некоторое пространство для хранения содержимого секторов диска – кэш буфер. Вначале вся эта область свободна. Когда программа начинает работать с диском, затребованные ею секторы копируются в кэш буфер. Теперь если программе нужен сектор, кэш драйвер проверяет, нет ли его в кэш буфере. Если есть, физическое чтение диска не выполняется, программа пользуется копией сектора из буфера.

Если требуемого сектора в кэш буфере нет, он читается с диска и записывается в кэш буфер. Кэширование диска для некоторых программ дает увеличение быстродействия в несколько раз.

Электронный диск - Если в вашем компьютере имеется расширенная или дополнительная память, вы можете организовать так называемый электронный диск. Подключив в файле CONFIG.SYS драйвер RAMDRIVE.SYS, вы получите дополнительный псевдодиск, организованный в оперативной памяти. От обычного диска он будет отличаться более высоким быстродействием. Кроме того, т. к. данные, записанные на электронный диск, хранятся в оперативной памяти, при выключении питания компьютера содержимое электронного диска будет потеряно.

Буферизация - Еще один путь к увеличению быстродействия дисковой подсистемы лежит в использовании буферизации ввода/вывода. Команда BUFFERS имеет следующий формат: BUFFERS=n

n задает количество буферов, которые MS-DOS использует для ввода/вывода. Буфера используются следующим образом: все читаемые с диска секторы записываются в буферы. Если в последствии какой-либо программе требуются прочитанный ранее и записанный в буфер сектор, он извлекается из буфера. Физического чтения сектора с диска не происходит.

 

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться: