Архитектура компьютера
Предмет: Информатика, 5 класс
Автор: Попов Владислав Сергеевич

Введение

Добрый день. Сегодня мы поговорим об архитектуре компьютера. Само слово «архитектура» пришло к нам из Древней Греции и образовано от слов «главный» и «плотник». Под архитектурой обычно понимают здания, сооружения, а также искусство их проектирования и строительства.

Но что же такое архитектура компьютера? Эндрю Тененбаум, всемирно известный специалист в области информационных технологий приводит следующую схему уровней, из которых состоят современные компьютеры: цифровой логический уровень, уровень микроархитектуры, уровень архитектуры набора команд, уровень операционной системы, уровень ассемблера, уровень языка прикладных программистов. Архитектура по Тененбауму – это набор типов данных, операций и характеристик каждого отдельно взятого уровня, которые мы только что перечислили.

Рисунок: Э. Тененбаум, Т. Остин, Архитектура компьютера, 6-е изд.

Не пугайтесь, всё не настолько сложно, ведь вы пока что учитесь в седьмом классе, а не в университете. В своём бестселлере «Архитектура компьютера» Тененбаум подчёркивает, что «компьютерная архитектура» и «компьютерная организация» употребляются как синонимы. Так что и мы будем считать, что архитектура – это то же самое, что и организация. Сегодня мы разберём то, как организован компьютер, а на следующем уроке уделим особое внимание двум важнейшим составляющим любого компьютера – процессору и памяти.

По пяти приведённым уровням архитектуры легко заметить, что, говоря о компьютерной архитектуре, можно выделить архитектуру аппаратную и архитектуру программную. Под аппаратным обеспечением компьютера понимают физические устройства, благодаря которым компьютер может работать. На сленге специалистов по информационным технологиям аппаратное обеспечение называется «железом», а по-английски – hardware. Под программным обеспечением понимают программы, представляющие из себя последовательности инструкций, записанных на понятном компьютеру языке, благодаря которым происходит управление аппаратным обеспечением. На сленге программное обеспечение называют «софт», от английского названия этого термина – «software».

Как нули и единицы передаются по проводам внутри компьютера

Рассмотрим цифровой логический уровень. На предыдущих уроках мы изучили, что абсолютно вся информация в компьютере представлена в виде двоичных кодов, то есть в виде единиц и нулей. Но каким образом единицы и нули представлены в компьютере? Оказывается, они могут быть представлены с помощью электричества. Чаще всего в компьютерной технике представление нулей и единиц происходит с помощью разных уровней, разных значений напряжения, реже – через разные значения тока. Например, если напряжение на цифровой линии в данный момент времени равняется пяти вольтам, то будем считать, что по линии передаётся единица, а если напряжение равно нулю, то передаётся ноль. Мы, дорогие ребята, только что увидели, как связаны информатика и физика – нули и единицы представлены или напряжением, или током.

Напряжение может меняться, и это создаёт сигнал, то есть изменение некоторого параметра (в данном случае – напряжения) во времени. Так передаётся последовательность нулей и единиц.

Используют не только цифровые линии, но и наборы линий, идущих параллельно. Такие наборы линий, по каждой из которых передаются нули и единицы, называют шинами или магистралями.

Микропроцессорная система

По цифровым линиям и шинам внутри компьютера передаются данные между важнейшими устройствами микропроцессорной системы – процессором, оперативной памятью и портами ввода-вывода. Эти устройства называются внутренними.

Процессор обрабатывает информацию и осуществляет управление всей микропроцессорной системой, в то время как оперативная память хранит данные и команды. Данные – это информация в форме, пригодной для обработки на компьютере. Эту информацию, эти данные как раз обрабатывает процессор с помощью команд.

Пожалуйста, не путайте порты ввода-вывода и устройства ввода или вывода, о которых мы поговорим на следующих уроках. Как говорят в Нью-Йорке, это не одно и то же, и вот почему: оказывается, все другие устройства подключаются к микропроцессорной системе через порты ввода-вывода.

Процессор, оперативную память и устройства ввода-вывода соединяет системная шина, состоящая из шины адреса, шины данных и шины управления. По шине данных, само-собой, передаются данные, по шине управления процессор передаёт управляющие сигналы, а по шине адреса – адреса устройств и адреса в оперативной памяти, в которые или из которых нужно записать или прочитать данные.

Цикл фон Неймана

Процессор работает по алгоритму, называемому циклом фон Неймана, который состоит в следующем:

1. На первом шаге микропроцессор выставляет на шину адреса значение из счётчика команд, который является частью микропроцессора.

2. Далее оперативная память, получив адрес команды, передаёт по шине данных машинный код команды. Фактически, передаётся информация о действии, которое должен выполнить процессор.

3. В-третьих, процессор, получив код команды, выполняет её.

4. Наконец, процессор переходит к следующей команде, увеличивая счётчик команд.

Цикл Джона фон Неймана – главный пример того, как аппаратное обеспечение взаимодействует с программным.

Гарвард или Принстон?

Вы, конечно же, заметили, что в цикле фон Неймана процессор получает как команду, так и данные из одной и той же оперативной памяти. Аппаратная архитектура, при которой в оперативной памяти соседствуют данные и программы, называется архитектурой фон Неймана или Принстонской – по названию известного частного университета из Соединённых Штатов Америки, где работал этот учёный.

Другая архитектура – Гарвардская, над ней работал другой известный американский университет. В ней отделены друг от друга память команд и память данных, за счёт чего можно ускорить работу микропроцессорной системы, поскольку команды и данные можно получать параллельно. Шина данных в гарвардской архитектуре разделена, выделяется шина данных памяти программ и шина данных памяти данных.

Материнская (системная) плата

В современных компьютерах процессор и оперативная память устанавливаются на материнской плате, которую также принято называть системной. Со временем компьютеры становились всё сложнее и сложнее, обрабатывая всё больше и больше информации. И в 80-х годах прошлого века обработку графической информации передали устройству под названием видеокарта. Видеокарта – тот же процессор, но созданный специально для обработки графической информации. На материнской плате видеокарта, процессор и оперативная память соединены через микросхему под названием северный мост, а устройства ввода-вывода подключаются через другую микросхему – южный мост.

Домашнее задание

Выучить устройства микропроцессорной системы, составляющие системной шины, цикл фон Неймана.

Рисунок: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/12/Motherboard_diagram_ru.svg