Архитектура с параллельными процессорами

Архитектура с параллельными процессорами

Классическая архитектура фон Неймана

Компьютер — это многофункциональное электронное автоматическое устройство для накопления, обработки и печати информации. Основные формы представления информации — числа, тексты, коды, графические изображения. Именно в таком виде человек вводит информацию в компьютер. Персональные ЭВМ предназначены для работы в диалоге с человеком, поэтому в их составе имеются все компоненты, обеспечивающие поступление информации в компьютер, ее хранение и обработку в нем, а также извлечение из компьютера обработанной информации. В соответствии с основными информационными процессами все устройства компьютера можно разделить на:

  • устройства хранения (память) информации;
  • устройства обработки информации;
  • устройства ввода информации;
  • устройства вывода информации;

Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация. Перечисленные группы устройств являются обязательными компонентами любой ЭВМ, независимо то ее конструктивных особенностей. Общая логическая структура компьютера, схематически описывающая взаимодействия основных устройств, называется его архитектурой. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Представленная схематически архитектура считается классической. Стрелками обозначено направление информационных потоков. В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены общие принципы , сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом . Поэтому описанная классическая архитектура носит название архитектуры фон Неймана .

При разработке принципов архитектуры компьютеров широко используется идея о разделении отдельных операций процесса решения задачи (процесса вычислений) между отдельными "специализированными" устройствами.

К центральным (системным) устройствам ПК относятся прежде всего центральный процессор и оперативная память.

Функции памяти:

  • приём информации из других устройств;
  • запоминание информации;
  • выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Функции процессора:

  • обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;
  • программное управление работой устройств компьютера.

Периферийными устройствами компьютера являются: дисплей, клавиатура, манипуляторы — мышь, джойстик, световое перо и т.п., винчестер, дисководы — для гибких дисков, компакт-дисков и т.п., принтер, плоттер, сканер, модем и пр.

Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе организации обмена информации. В соответствии с этим принципом центральные устройства компьютера взаимодействуют между собой (обмениваются информацией) и с периферийными устройствами через системную (информационную) магистраль .

Системная магистраль предназначена для передачи данных, адресов, команд управления. Центральные устройства подсоединены к шине непосредственно, а периферийные — через устройства сопряжения ( контроллеры или адаптеры ). Для того, чтобы устройства работали в комплексе, нужны специальные программы управления устройством (для каждого устройства — своя). Такие программы называются драйверами .

Устройства компьютера целесообразно характеризовать по следующим признакам: класс устройств (название), назначение, принципы работы, основные технические характеристики (потребительские свойства), особенности, программная поддержка.

"Открытая архитектура", положенная в основу современных ПК, позволяет каждому пользователю в зависимости от решаемых им задач подобрать необходимый ПК или модернизировать уже имеющийся. При недостатке вычислительной мощности процессора можно установить сопроцессор или заменить основную плату, сохранив корпус, монитор, все контроллеры и накопители. Если недостаточен информационный объем жесткого диска, то возможна установка дополнительного диска или замена на накопитель большей емкости. Таким образом, может быть создан компьютер необходимой конфигурации.

Компьютер, как формальный исполнитель алгоритмов

Работа компьютера имитирует (моделирует) информационную деятельность человека. Но компьютер — техническое устройство, поэтому для того, чтобы он выполнил определенные действия, им нужно управлять. Компьютер действует как автоматический формальный исполнитель алгоритмов обработки информации. Это главное свойство любого компьютера. Автоматизм в его работе означает, что некоторые свои действия он выполняет без вмешательства человека в соответствии со следующими общими принципами:

  1. двоичное кодирование информации;
  2. программное управление работой компьютера (идея Чарльза Бэббиджа);
  3. хранимая программа ( по предложению американского математика Джона фон Неймана (1903 — 1957) наряду с данными каждая команда программы работы компьютера кодируемая определенной последовательностью из нулей и единиц, помещается как число в одной из ячеек оперативной памяти.
Читайте также:  Hp pavilion dv6 3104er

Как в действительности происходит реализация этих принципов и осуществляется формальная автоматическая работа компьютера? Современный компьютер — это единство аппаратных средств (hardware) и программного обеспечения (software). Компьютерная программа — это закодированная информация о действиях, которые предписываются выполнить компьютеру, алгоритм для исполнения компьютером, записанный или на языке машинных двоичных кодов, или на специальном языке программирования. Чтобы на компьютере можно было решать задачи. Нужна совокупность программ — программное обеспечение. Человек вводит с клавиатуры команды компьютерной программы, написанной им на языке программирования. Команды накапливаются в оперативной памяти, автоматически переводясь в машинные коды благодаря программе-переводчику — транслятору с языка программирования на язык машинных кодов. Устройство управления (УУ) процессора воспринимает, считывая из оперативной памяти, команду за командой, анализирует, а затем организует ее выполнение. Используя соответствующие устройства компьютера. Эти устройства произведут действие: напечатают на бумаге, выведут на экран, воспримут с клавиатуры, занесут на магнитный диск и.т.д. Для выполнения команд самим процессором в нем предусмотрено арифметико-логическое устройство (АЛУ). Выполнив одну команду из оперативной памяти. Компьютер переходит к следующей команде и так, пока не встретит команду на окончание работы или команду, которую не сможет выполнить. Он не сможет выполнить команду, если она предназначается устройству, не подключенному к компьютеру, или отсутствует в его системе команд, или содержит синтаксическую ошибку. Если программа составлена правильно, то компьютер выполнит ее за конечное число шагов и выдаст человеку результат решение задачи. Выполнение команд компьютером осуществляется с помощью электронных схем, реализующих логические функции формальной, булевой алгебры, например логическое умножение, сложение, отрицание. Кроме того, программы составляются программистами по алгоритмам для решения определенных задач. Человек не объясняет исполнителю-компьютеру свои цели и смысл команд программы. Очевидно, что компьютер и не сможет понять смысла совершаемых им действий. Более того, компьютер не обладает способностью к анализу результатов, например, относительно их соответствия постановке задачи. Компьютер не может обойтись без программы и исходных данных, подготовить которые под силу только человеку. Таким образом, и с этой точки зрения решение задачи компьютером — также формальное исполнения алгоритма ее решения, закодированного и хранимого вместе с данными в оперативной памяти. Человек принимая тот факт, должен понимать ограниченность возможностей компьютера как исполнителя и предусматривать тонкость в задании команд, поручаемых компьютеру для исполнения, так как вся ответственность за использование компьютеров лежит только на людях.

Многопроцессорная архитектура

Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Структура такой машины имеет общую оперативную память и несколько процессоров, таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи.

Многомашинная вычислительная система

Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе. Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.

Архитектура с параллельными процессорами

Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе — то есть по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных. В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и такие архитектурные решения, которые радикально отличаются от рассмотренных выше.

Читайте также:  Активация учетной записи администратора windows 10

1. Что такое компьютер?

Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) содержит
одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных,
одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа.
Это однопроцессорный компьютер. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.
Периферийные устройства (устройства ввода, вывода) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами.

Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Данная архитектура (рис. 3.9) предполагает одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа.

Рис. 3.9. Общая схема компьютера

Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной, подробно рассмотренная в ниже (рис. 3.30). Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами.

Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Многопроцессорная архитектура

Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров, представлена на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Архитектура многопроцессорного компьютера

Многомашинная вычислительная система

Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.

Архитектура с параллельными процессорами

Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе — то есть по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных. Структура таких компьютеров представлена на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Архитектура с параллельным процессором

В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и такие архитектурные решения, которые радикально отличаются от рассмотренных выше.

3.2. Базовая аппаратная конфигурация пк

Персональным компьютером (ПК) называют сравнительно недорогой универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя. Персональные компьютеры обычно проектируются на основе принципа открытой архитектуры.

Принцип открытой архитектуры заключается в следующем:

Регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями.

Читайте также:  Play store на русском

Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями.

Существует понятие базовой конфигурации. В настоящее время в базовую конфигурацию включают четыре устройства (рис. 3.12):

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру.

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Наиболее распространены следующие архитектурные решения.

Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных , и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа (рис. 4.1). Это однопроцессорный компьютер .

К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной , подробно рассмотренная в разделе 5 (рис. 5.1). Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью .

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами.

Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Многопроцессорная архитектура . Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд . Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи . Структура такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров, представлена на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Архитектура многопроцессорного компьютера

Многомашинная вычислительная система . Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко.

Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру : она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач , сколько компьютеров в системе.

Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.

Архитектура с параллельными процессорами . Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ . Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе — то есть по одному потоку команд.

Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных. Структура таких компьютеров представлена на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Архитектура с параллельным процессором

В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и такие архитектурные решения, которые радикально отличаются от рассмотренных выше.

Ссылка на основную публикацию
Андроид панель быстрого доступа
Доброго времени! Сегодня будем проводить настройку быстрой панели ( шторки ) на своем устройстве! Большинство пользователей не знают, что такое...
Windows app cert kit что это
Используйте комплект сертификации приложений для Windows, чтобы протестировать приложение перед его отправкой в Microsoft Store или проверить существующие классические приложения....
Windows defender exe что это
Windows Defender Основное окно программы Защитник Windows Тип Антивирусная программа Операционная система Windows 2000, XP, Server 2003, Windows Vista, Windows...
Андроид не видит контакты на телефоне
Иногда встречается неприятная ситуация, когда телефон не отображает список людей, сохранённый на SIM-карте. Их, как известно, можно сохранять как в...
Adblock detector