архитектура вычислительных машин, Информатика – Реферат

Введение

Актуальность. С распространением электронно-вычислительных машин нетрудно
предсказать рост в потребности ЭВМ. На сегодняшний день в мире существует более
130 миллионов компьютеров. Вся работа компьютеризирована, все документы в
электронном виде, все данные хранятся на ПК и т.д. И каждый человек, работающий
с компьютером, должен знать, где и для чего все расположено, поэтому тема
«Современная архитектура ЭВМ» актуальна для сегодняшнего общества.

Цель работы исследовать общие принципы построения современных компьютеров. В
основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие
принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом

. Принцип программного управления.
Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются
процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

. Принцип однородности памяти.
Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не
различает, что хранится в данной ячейке памяти число, текст или команда. Над
командами можно выполнять такие же действия, как и над данными

. Принцип адресуемости. Структурно
основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный
момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена
областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было
впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с
использованием присвоенных имен. Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся
к типу фон-неймановских.

1. Происхождение термина
«Архитектура»

архитектура
оптический квантовый компьютерный

Термин «архитектура» используется в
популярной литературе по вычислительной технике достаточно часто, однако
определение этого понятия и его содержание могут у разных авторов достаточно
различаться. Разберемся в этом вопросе более тщательно.

Начать целесообразно с происхождения
термина. Слово «архитектура» в изначальном своем смысле используется в
градостроении. Будучи достаточно сложной структурой, современный город состоит
из районов, площадей, улиц, домов и т.п., расположенных определенным образом.
Жителей города обычно мало интересует, как выглядит конкретный дом и из каких
материалов он построен. Зато очень важно знать район, где этот дом расположен,
улицы, ведущие к нему, и транспорт, пользуясь которым можно сократить время в
пути.

Для того чтобы ориентироваться в
хитросплетении улиц и площадей, в любом городе существует исторически
сложившаяся система названий, а также определенная нумерация домов. Наличие
общепринятой адресации позволяет однозначно определить положение любого
строения и в случае необходимости быстро отыскать его. Помимо чисто
практической, архитектура города может иметь еще и художественную ценность (что
обычно больше интересует приезжих). Но этот аспект понятия «архитектура» вряд
ли переносим на вычислительную технику.

Используя аналогию с
градостроительством, естественно понимать под архитектурой ЭВМ ту совокупность
их характеристик, которая необходима пользователю. Это, прежде всего, основные
устройства и блоки ЭВМ, а также структура связей между ними. И действительно,
если заглянуть, например, в «Толковый словарь по вычислительным системам», мы
прочтем там, что термин «архитектура ЭВМ используется для описания принципа
действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов ЭВМ
(вследствие чего термин «архитектура» оказывается ближе к обыденному значению
этого слова)».

Однако описание внутренней структуры
ЭВМ вовсе не является самоцелью: с точки зрения архитектуры представляют
интерес лишь те связи и принципы, которые являются наиболее общими, присущими
многим конкретным реализациям вычислительных машин. Часто говорят даже о
семействах ЭВМ. т.е. группах моделей, совместимых между собой. В пределах одного
семейства основные принципы устройства и функционирования машин одинаковы, хотя
отдельные модели могут существенно различаться по производительности, стоимости
и другим параметрам. Ярким примером могут служить различные модификации
компьютеров PDP фирмы DEC (более известные нашим пользователям по отечественным
аналогам – серии ДВК), семейство MSX-машин, к которому принадлежит широко
распространенная YAMAHA, а также заполонившие мир IBM-совместимые персональные
компьютеры.

Именно то общее, что есть в строении
ЭВМ, и относят к понятию архитектуры. Важно отметить, что целью такой общности,
в конечном счете, служит вполне понятное стремление: все машины одного
семейства, независимо от их конкретного устройства и фирмы-производителя,
должны быть способны выполнять одну и ту же программу (на практике из-за
постоянного роста вычислительной мощности техники чаще используется менее
жесткий принцип совместимости снизу вверх: все программы данной модели
выполнимы на более старших). Отсюда неизбежно следует вывод, что с точки зрения
архитектуры важны не все сведения о построении ЭВМ, а только те, которые могут
как-то использоваться при программировании и «пользовательской» работе с ЭВМ.
Равно как максимально подробная архитектура города не нуждается в описании
марок кирпичей, из которых построены дома, и растворов, которыми эти кирпичи
скреплены, так и архитектура ЭВМ не содержит описания электронных схем, других
деталей реализации, «невидимых» для пользователя (например, внутреннего
ускорителя доступа к памяти).

Ниже приводится перечень тех
наиболее общих принципов построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре:

• структура памяти ЭВМ;

• способы доступа к памяти и внешним
устройствам;

• возможность изменения конфигурации
компьютера;

• система команд;

• форматы данных;

• организация интерфейса.

Суммируя все вышеизложенное,
получаем следующее определение архитектуры:

«Архитектура – это наиболее общие
принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и
взаимодействием основных ее функциональных узлов».

2. Классическая архитектура ЭВМ и принципы фон Неймана

Основы учения об архитектуре
вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман.
Он подключился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 г., когда ее
конструкция была уже выбрана. В процессе работы во время многочисленных
дискуссий со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом фон Нейман высказал
идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 г. ученые изложили свои принципы
построения вычислительных машин в ставшей классической статье «Предварительное
рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства». С
тех пор прошло полвека, но выдвинутые в ней положения сохраняют актуальность и
сегодня.

В статье убедительно обосновывается
использование двоичной системы для представления чисел (нелишне напомнить, что
ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном
виде). Авторы убедительно продемонстрировали преимущества двоичной системы для
технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и
логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды
информации – текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование
данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.

Архитектура ЭВМ, построенной на
принципах фон Неймана. Сплошные линии со стрелками указывают направление
потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов от процессора к
остальными узлам ЭВМ

Еще одной поистине революционной
идеей, значение которой трудно переоценить, является предложенный Нейманом
принцип «хранимой программы». Первоначально программа задавалась путем
установки перемычек на специальной коммутационной панели. Нейман первым
догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц,
причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа.

Разработанные фон Нейманом основы
архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что
получили в литературе название «фон-неймановской архитектуры». Подавляющее
большинство вычислительных машин на сегодняшний день – фон-неймановские машины.

2.2 Совершенствование и
развитие внутренней структуры ЭВМ

В предыдущем разделе была описана
классическая структура ЭВМ, соответствующая вычислительным машинам первого и
второго поколений. Естественно, что в результате бурного развития технологии
производства средств вычислительной техники такая структура не могла не
претерпеть определенных прогрессивных изменений.

Как отмечалось выше, появление
третьего поколения ЭВМ было обусловлено переходом от транзисторов к
интегральным микросхемам. Значительные успехи в миниатюризации электронных схем
не просто способствовали уменьшению размеров базовых функциональных узлов ЭВМ,
но и создали предпосылки для существенного роста быстродействия процессора.
Возникло существенное противоречие между высокой скоростью обработки информации
внутри машины и медленной работой устройств ввода-вывода, в большинстве своем
содержащих механически движущиеся части. Процессор, руководивший работой
внешних устройств, значительную часть времени был бы вынужден простаивать в
ожидании информации «из внешнего мира», что существенно снижало бы
эффективность работы всей ЭВМ в целом. Для решения этой проблемы возникла
тенденция к освобождению центрального процессора от функций обмена и к передаче
их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие
схемы имели различные названия: каналы обмена, процессоры ввода-вывода,
периферийные процессоры. Последнее время все чаще используется термин
«контроллер внешнего устройства» (или просто контроллер).

Таким образом, наличие
интеллектуальных внешних устройств может существенно изменять идеологию обмена.
Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его
осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под
руководством контроллера без участия центрального процессора. Последний
получает возможность «заниматься своим делом», т.е. выполнять программу дальше
(если по данной задаче до завершения обмена ничего сделать нельзя, то можно в
это время решать другую).

Перейдем теперь к обсуждению вопроса
о внутренней структуре ЭВМ, содержащей интеллектуальные контроллеры,
изображенной на рис. 2. Из рисунка видно, что для связи между отдельными
функциональными узлами ЭВМ используется общая шина (часто ее называют
магистралью). Шина состоит из трех частей:

• шина данных, по которой передается
информация;

• шина адреса, определяющая, куда
передаются данные;

• шина управления, регулирующая
процесс обмена информацией.

Отметим, что существуют модели
компьютеров, у которых шины данных и адреса для экономии объединены. У таких
машин сначала на шину выставляется адрес, а затем через некоторое время данные;
для какой именно цели используется шина в данный момент, определяется сигналами
на шине управления.

Описанную схему легко пополнять
новыми устройствами – это свойство называют открытостью архитектуры. Для
пользователя открытая архитектура означает возможность свободно выбирать состав
внешних устройств для своего компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости
от круга решаемых задач.

На рис. 2 представлен новый по
сравнению с рис. 1 вид памяти – видео-ОЗУ (видеопамять). Его появление связано
с разработкой особого устройства вывода – дисплея. Основной частью дисплея
служит электронно-лучевая трубка, которая отображает информацию примерно так
же, как это происходит в телевизоре (к некоторым дешевым домашним моделям
компьютеров просто подключается обычный телевизор). Очевидно, что дисплей, не
имея механически движущихся частей, является «очень быстрым» устройством
отображения информации. Поэтому для ЭВМ третьего и четвертого поколений он
является неотъемлемой частью (хотя впервые дисплей был реализован на некоторых
ЭВМ второго поколения.

Рис. 2. Шинная архитектура ЭВМ

Для получения на экране монитора
стабильной картинки ее надо где-то хранить. Для этого и существует видеопамять.
Сначала содержимое видеопамяти формируется компьютером, а затем контроллер
дисплея выводит изображение на экран. Объем видеопамяти существенно зависит от
характера информации (текстовая или графическая) и от числа цветов изображения.
Конструктивно она может быть выполнена как обычное ОЗУ или содержаться
непосредственно в контроллере дисплея (именно поэтому на рис. 2 она показана
пунктиром).

При описании магистральной структуры
мы упрощенно предполагали, что все устройства взаимодействуют через общую шину.
С точки зрения архитектуры этого вполне достаточно. Упомянем все же, что на
практике такая структура применяется только для ЭВМ с небольшим числом внешних
устройств. При увеличении потоков информации между устройствами ЭВМ
единственная магистраль перегружается, что существенно тормозит работу
компьютера. Поэтому в состав ЭВМ могут вводиться одна или несколько
дополнительных шин. Например, одна шина может использоваться для обмена с
памятью, вторая – для связи с «быстрыми», а третья – с «медленными» внешними
устройствами. Отметим, что высокоскоростная шина данных ОЗУ обязательно
требуется при наличии режима ПДП.

Еще одной особенностью развития
современных ЭВМ является все ускоряющееся возрастание роли межкомпьютерных
коммуникаций. Все большее количество компьютеров объединяются в сети и
обрабатывают имеющуюся информацию совместно.

Таким образом, внутренняя структура
вычислительной техники постоянно совершенствовалась, и будет
совершенствоваться. Вместе с тем, на данный момент подавляющее большинство
существующих ЭВМ, несмотря на имеющиеся различия, по-прежнему состоит из
одинаковых узлов и основано на общих принципах фон-неймановской архитектуры.

3. Основной цикл работы
ЭВМ

Теперь попробуем посмотреть по
какому пути пойдет развитие архитектуры ЭВМ в ближайшем будущем.

.1 Суперскалярная
архитектура

Суперскалярные процессоры конца 90-х
годов могли исполнять до 4-6 инструкций за один машинный цикл. На практике они
выполняют в среднем 1,5 инструкции за такт. «Продвинутые» суперскалярные
процессоры (Advanced superscalar) смогут выполнять от 16 до 32 инструкций за
такт. Чем это обернется на практике, пока сказать трудно, но и для
«суперскалярной» архитектуры существенным ограничением является поток
обрабатываемых данных.

В общем виде «продвинутая»
суперскалярная архитектура состоит из 24-48 высокооптимизированных конвейерных
блоков (например, блоков, выполняющих операции с плавающей точкой или
обрабатывающих целые числа). Как и в простых суперскалярных архитектурах,
каждый блок получает свою собственную «резервацию» – временное место хранения,
где накапливается очередь инструкций, выполняемых данным блоком.

Для сокращения доступа к памяти
предполагается использовать наряду с обычным кешем так называемый
«трассирующий» кеш, который объединяет логически смежные блоки в физически
смежные хранилища.

Более совершенное предсказание ветвлений
– еще одна задача ближайшего будущего, и она тесно связана с предсказанием
адресации: процессор попытается предсказать адреса ячеек памяти, которые будут
затребованы последующими инструкциями, и вызвать их содержимое заранее. Для
того чтобы снизить эффект задержки сигналов в соединениях, предполагается
сгруппировать их в кластеры.

3.2 Суперспекулятивная
архитектура

Эта архитектура подразумевает
предсказание, как ветвлений, так и данных. Это означает, что предсказываются
адреса ячеек памяти и хранящиеся в них величины. Один из способов достичь этого
– пошаговое предсказание: обнаружив постоянное приращение в величинах данных и
адресах памяти (шаги), можно «догадаться» о будущих величинах, используемых
вычислениях (такое может происходить в циклах или матрицах).

Основное преимущество таких
архитектур в том, что они не требуют изменений в компиляторах, да и программный
код должен выполняться быстрее. Они должны выполнять по 10 инструкций за один
машинный такт. С другой стороны, дизайн процессора в этом случае более сложный,
и то, что он не делится на блоки, может вызвать проблемы с задержкой сигналов.

.3 Трассирующая
архитектура

В обычных архитектурах инструкция
представляет собой исполняемую единицу. В трассирующих процессорах исполняемая
единица – «трасса» – последовательность инструкций. Каждый маршрут передается
своему суперскалярному процессорному элементу, напоминающему суперскалярный
микропроцессор и имеющему собственный набор локальных и глобальных регистров,
что обеспечивает как внутримаршрутный, так и межмаршрутный параллелизм.

Применение трассирующих процессоров
способствует решению проблемы задержек сигналов в межсоединениях, однако
требует соответствующего кеша, что увеличивает его архитектурную сложность.
Более того, это никак не решает проблему увеличения скорости обращения к
памяти.

Буква ‘I’ здесь означает
‘intelligent’. Возможно, это один из наиболее радикальных шагов в области
архитектуры, направленный на ускорение доступа к памяти и снижения
энергопотребления. Согласно IRAM большая часть RAM перемещается непосредственно
на чип, исключая необходимость в кеше. Низкое энергопотребление означает, что
данная архитектура больше всего подходит для мобильных компьютеров. Однако тот
факт, что максимальное количество памяти, которое можно перенести на чип,
составляет всего 96 Мбайт, лишает эту архитектуру надежд на широкое
использование.

.4 Многопотоковый
процессор

Данные процессоры по архитектуре
напоминают трассирующие: весь чип делится на процессорные элементы,
напоминающие суперскалярный микропроцессор. В отличие от трассирующего
процессора, здесь каждый элемент обрабатывает инструкции различных потоков в
течение одного такта, чем достигается параллелизм на уровне потоков.
Разумеется, каждый поток имеет свой программный счетчик и набор регистров.

.5 Многоядернаяархитектура

Эта архитектура подразумевает
интегрирование нескольких простых микропроцессорных ядер на одном чипе. Каждое
ядро выполняет свой поток инструкций. Каждое микропроцессорное ядро значительно
проще, чем ядро многопотокового процессора, что упрощает проектирование и
тестирование чипа. Но между тем усугубляется проблема доступа к памяти,
необходима замена компиляторов.

3.6 «Плиточная»
архитектура

Сторонники считают, что ПО должно
компилироваться прямо в «железе», так как это даст максимальный параллелизм.
Такой подход требует достаточно сложных компиляторов, которые пока еще не
созданы.

Процессор в данном случае состоит из
множества «плиток» (tiles), каждая из которых имеет собственное ОЗУ и связана с
другими «плитками» в своеобразную решетку, узлы которой можно включать и
отключать. Очередность выполнения инструкций задается ПО.

.7 Многоэтажная
архитектура

Здесь речь идет не о логической, а о
физической структуре. Идея состоит в том, что чипы должны содержать вертикальные
«штабеля» микроцепей, изготовленных по технологии тонкопленочных транзисторов,
заимствованной из производства TFT-дисплеев. При этом относительно длинные
горизонтальные межсоединения превращаются в короткие вертикальные, что снижает
задержку сигнала и увеличивает производительность процессора. Идея «трехмерных»
чипов уже реализована в виде работающих образцов восьмиэтажных микросхем
памяти. Вполне возможно, что она приемлема и для микропроцессоров, и в
недалеком будущем все микрочипы будут наращиваться, не только горизонтально, но
и вертикально.

Теперь рассмотрим архитектуры,
которые основаны не на кремниевых технологиях и которые могут прийти к нему на
смену:

.1 Оптическая (фотонная)
архитектура

Оптические технологии давно уже
используются в компьютеростроении. Например, это различные оптические
накопители информации, в системах коммуникации используются световые импульсы
для передачи потоков информации. Идея использования света для обработки информации
стала осуществимой лишь недавно. Главной преградой для оптических (фотонных)
вычислений долгое время была невозможность обрабатывать световую информацию без
использования промежуточных электронных компонентов между вводом и выводом.
Открытие интерференции, основанной на оптической логике, решило эту проблему.

Оптическая логика основана на
простом факте: когда встречаются два когерентных (с постоянным фазовым сдвигом)
световых импульса одинаковой интенсивности, они образуют конструктивную
интерференцию (интенсивность света удваивается) при совпадении фаз и
деструктивную (уничтожают друг друга) при фазовом сдвиге 180 градусов. Когда
два импульса взаимодействуют в одном канале, на интерференцию накладывается
дифракция: за щелевой преградой образуются участки как конструктивной, так и
деструктивной интерференции. Таким образом, помещая детектор выходного сигнала
в соответствующих точках, можно получать нужные логические операции с
изначальной парой световых импульсов.

Главное преимущество оптической
логики перед кремниевой в том, что фотоны распространяются гораздо быстрее
электронов. Более того, в оптической логике данные поддаются конвейеризации.
Оптическим компонентам не нужно формировать выходной сигнал до того, как они
воспримут новый выходной сигнал, а значит, они могут обрабатывать целый поток
данных.

Оптическая логика имеет также и ряд
недостатков, особенно если говорить о последовательном соединении оптических
затворов для построения компьютера. При построении сложного компьютера простая
оптическая модель переходит в область голографии, и для построения логики
требуются разного рода световые шины. Еще более сложная проблема вытекает из
того факта, что световые импульсы, которые образует оптическая логика, могут
иметь удвоенную интенсивность или иметь один из двух возможных файловых сдвигов
в зависимости от того, какой из двух входных сигналов включен. Это означает,
что фазу и интенсивность импульсов необходимо контролировать по всей системе
посредством оптических усилителей. Если эти проблемы будут решены, практическая
реализация оптических микропроцессоров на подножке из стекла или пластика
станет вполне возможной.

.2 Квантовая архитектура

В основе квантовых вычислений лежит
атом – мельчайшая единица вещества. Квантовые вычисления принципиально отличаются
от традиционных, так как на атомном уровне в силу вступают законы квантовой
физики. Один из них – закон суперпозиции: квант может находиться в двух
состояниях одновременно. Обычно бит может иметь значение либо 1, либо 0, а
квантовы бит(qubit) может быть единицей и нулем одновременно.

Атом – «удобное» хранилище
информационных битов: его электроны могут занимать лишь ограниченное число
дискретных энергетических уровней. Так, атом высокого энергетического уровня
мог бы служить логической единицей, а низкого – логическим нулем. Очевидным
недостатком здесь является нестабильность атома, поскольку он легко меняет
энергетический уровень в зависимости от внешних условий.

Поскольку управлять энергетическим
уровнем одного атома нереально, предполагается использовать длинные молекулы
(цепи из миллиардов атомов) таким образом, чтобы величину их содержимого можно
было менять путем бомбардировки первого атома в цепи лазерным лучом. Длинные
молекулы тоже весьма нестабильны, и их надо хранить при сверхнизкой температуре.
Да и сбор данных требует весьма сложного оборудования, так что до массового
производства подобных систем еще далеко.

.3 Нейроархитектура

Для решения некоторых задач
требуется создание эффективной системы искусственного интеллекта, которая могла
бы обрабатывать информацию, не затрачивая много вычислительных ресурсов. Мозг и
нервная система живых организмов позволяют решать задачи управления и
эффективно обрабатывать сенсорную информацию, а это огромный плюс для
создаваемых вычислительных систем. Именно это послужило предпосылкой создания
искусственных вычислительных систем на базе нейронных систем живого мира.

Создание компьютера на основе
нейронных систем живого мира базируется на теории персептронов, разработчиком
которой был Розенблатт. Он предложил понятие персептрона – искусственной
нейронной сети, которая может обучаться распознаванием образов.

Перспективность создания компьютеров
по теории Розенблатта состоит в том, что структуры, имеющие свойства мозга и
нервной системы, имеют ряд особенностей, которые помогают при решении сложных
задач:

. Параллельность обработки
информации.

. Способность к обучению.

. Способность к автоматической
классификации.

. Высокая надежность.

. Ассоциативность.

Нейрокомпьютеры (биокомпьютер) – это
совершенно новый тип вычислительной техники. Их можно строить на базе
нейрочипов, которые функционально ориентированы на конкретный алгоритм, на
решение конкретной задачи. Для решения задач разного типа требуется нейронная
сеть разной топологии (топология – специальное расположение вершин, в данном
случае нейрочипов и пути их соединения).

Нейронные вычисления отличаются от
классических представлением и обработкой информации. Любая задача ставиться как
поиск соответствия между множествами входных и выходных данных, представляемых в
виде векторов n-мерного пространства, принадлежащего некоторой предметной
области. Входные вектора подаются на входные нейроны, а выходная реакция
снимается с выходов элементов нейронной сети. При этом вычислительные процессы
представляют собой параллельные взаимодействия между нейронами через нейронные
связи и преобразование данных в нейронах. Соответствие между входными
воздействиями и выходной реакцией устанавливается через процедуру обучения,
которая определяется для каждой модели нейронных сетей отдельно. Возможность
обучения нейронных сетей является важнейшей особенностью нейросетевого подхода
к построению систем обработки информации.

Список литературы

1.     Брусенцов Н.П.
Начала информатики. – М.: Фонд «Новое тысячелетие», 2021.

2.      В.Л. Бройдо,
О.П. Ильина, Архитектура ЭВМ и систем-Питер-2009

.        Вильховченко С.
Модем 96.-М.: ABF-Москва, 2021

.        Гельтищева Е.А.
Организация работы с видеодисплейными терминалами и персональными
электронно-вычислительными машинами в домашних условиях // Информатика.-декабрь
2021. – №45. – 2021

.        Дж. Гленн
Брукшир Структурная организация и архитектура компьютерных систем

.        Ефимова О.,
Морозов В., Угринович Н. Курс компьютерной технологии с основами информатики.
М.: Издательство ACT; ABF, 2000.

.        Королев Л.Н.
Архитектура ЭВМ, Научный мир, 2008