Все лекции по ААС

1. Лекция №4 Принципы организации ЭВМ

ЛЕКЦИЯ №4
ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЭВМ
План лекции
1. Базовые представления об архитектуре ЭВМ
2. Принципы фон Неймана (1945 г.)
3. Простейшие типы архитектур
4. Магистрально-модульный принцип организации ЭВМ
5. Принцип открытой/закрытой архитектуры
6. Классификация параллельных компьютеров и систем по Флинну

2. Цели и задачи лекции

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ЛЕКЦИИ
Цель: понять, как устроены компьютеры на фундаментальном уровне, и научиться
разбираться в основных архитектурных принципах, которые определяют их работу.
Задачи:
1. Разобраться с основами архитектуры ЭВМ
2. Изучить принципы фон Неймана
3. Познакомиться с разными типами архитектур
4. Понять магистрально-модульный принцип
5. Сравнить открытую и закрытую архитектуры
6. Освоить классификацию параллельных систем
7. Научиться классифицировать вычислительные системы

3. Базовые представления об архитектуре ЭВМ

БАЗОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ
АРХИТЕКТУРЕ ЭВМ
Определение 1. Структура ЭВМ — это конкретная физическая или логическая реализация
вычислительной машины, описывающая как она устроена изнутри.
Определение 2. Архитектура ЭВМ — это абстрактное, обобщённое представление компьютера на
уровне, который важен для программиста, создающего программы на машинном языке.
Архитектура включает:
Систему команд (Instruction Set): Набор инструкций, которые понимает процессор (например, ADD,
MOV, JMP).
Способы адресации данных: Как процессор определяет местоположение операндов в памяти.
Организацию памяти: Как память выглядит для программы.
Модель работы процессора: Набор регистров, которые доступны программисту.
Общность архитектуры (например, архитектуры x86-64) разных компьютеров обеспечивает
их совместимость на программном уровне. Программа, написанная для одного x86-64 компьютера,
сможет работать и на другом, даже если их структуры (количество ядер, тип и объём памяти, модель
материнской платы) radically отличаются.

4. Принципы фон Неймана (1945 г.)

ПРИНЦИПЫ ФОН НЕЙМАНА (1945 Г.)
В 1945 году математик Джон фон Нейман опубликовал доклад, в
котором систематизировал и обобщил идеи, лежавшие в основе
построения первых ЭВМ. Эти принципы стали фундаментом для
(большинства) компьютеров на десятилетия вперёд.
Определение 3. Архитектура фон Неймана — это архитектура
вычислительной машины, основанная на трёх фундаментальных
принципах.

5. Принципы фон Неймана

ПРИНЦИПЫ ФОН НЕЙМАНА
1. Принцип программного управления.
Суть: Вся работа компьютера управляется программой, состоящей из
набора команд. Команды выполняются процессором автоматически друг
за другом в определённой последовательности
Как это работает? Для реализации этого принципа в процессоре
существует специальный регистр — Счётчик Команд (Program Counter,
PC или Instruction Pointer, IP). Он хранит адрес следующей команды в
памяти. После выполнения каждой команды значение счётчика
автоматически
увеличивается,
указывая
на
следующую.
Команды перехода (условные и безусловные) явным образом изменяют
значение счётчика, нарушая линейную последовательность.

6. Принципы фон Неймана

ПРИНЦИПЫ ФОН НЕЙМАНА
2. Принцип однородности памяти.
Суть: Программы и данные хранятся в одной и той же оперативной
памяти (ОЗУ). Компьютер не различает, что хранится в данной ячейке
памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие
же действия, как и над данными (например, их можно копировать,
модифицировать).
Следствие: Это позволяет программам в процессе выполнения
модифицировать самих себя или генерировать код "на лету", что
используется, например, в компиляторах или для организации циклов и
подпрограмм.

7. Принципы фон Неймана

ПРИНЦИПЫ ФОН НЕЙМАНА
3. Принцип адресности.
Суть: Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек,
каждая из которых имеет свой уникальный адрес. Процессор в
произвольный момент времени имеет прямой доступ к любой ячейке по её
адресу.
Следствие: Это даёт возможность давать имена областям памяти
(переменным в программировании) и обращаться к данным, используя эти
имена (адреса).

8. Принципы фон Неймана

ПРИНЦИПЫ ФОН НЕЙМАНА
Как эти принципы выглядят в современном компьютере?
Память: ОЗУ организована как массив машинных слов фиксированной разрядности (32 или
64 бита).
Адресное пространство: Вся ОЗУ представляет собой единое адресное пространство, где
адреса возрастают от младших к старшим.
Разделение: В памяти нет физического разделения на область данных и область команд. Это
разделение — условность, определяемая тем, как процессор интерпретирует содержимое
ячейки.
Существуют ли не-фон-неймановские архитектуры?
Да. Например, гарвардская архитектура, где память команд и память данных физически разделены и
имеют отдельные каналы связи с процессором. Это позволяет одновременно выбирать команду и
данные, что резко повышает производительность. Сегодня гарвардская архитектура часто используется
внутри современных процессоров (в кэш-памяти L1: есть отдельный I-Cache для команд и D-Cache для
данных), хотя в целом компьютер сохраняет фон-неймановскую модель.

9. Простейшие типы архитектур

ПРОСТЕЙШИЕ ТИПЫ АРХИТЕКТУР
1.
2.
Архитектура «Звезда» (или Классическая фон Неймана):
Описание: Центральный процессор (ЦП) является "звездой", к которому по радиальным линиям подключены все
остальные устройства (память, устройства ввода/вывода). ЦП централизованно управляет всеми операциями.
Это однопроцессорная модель.

10. Простейшие типы архитектур

ПРОСТЕЙШИЕ ТИПЫ АРХИТЕКТУР
Принстонская vs Гарвардская архитектура
Принстонская (Архитектура фон
Неймана): Характеризуется
использованием единой памяти для команд и
данных. Один канал (шина) между
процессором и памятью создаёт "узкое
горлышко" (Конфликт фон Неймана), так как
команда и данные не могут передаваться
одновременно.
Гарвардская: Имеет физически
разделённые память команд и память
данных с независимыми шинами. Это
позволяет процессору одновременно
читать команду из памяти команд и
читать/записывать данные из/в память
данных.
Современный пример:
Принстонская: Классические настольные ПК (архитектура x86) на системном уровне.
Гарвардская: Микроконтроллеры (например, популярные Arduino и большинство DSPпроцессоров), а также кэш-память внутри ядер современных CPU (Intel, AMD). У ядра
есть быстрый I-Cache и D-Cache, что является реализацией гарвардской архитектуры на
уровне процессора.

11. Простейшие типы архитектур

ПРОСТЕЙШИЕ ТИПЫ АРХИТЕКТУР
Иерархическая архитектура
Описание: Для разгрузки центрального процессора от управления медленными устройствами ввода-вывода вводятся
специализированные периферийные процессоры (каналы, контроллеры). ЦП отдаёт общую команду ("прочитать блок
данных с диска"), а дальнейшей работой с устройством управляет периферийный процессор, освобождая ЦП для других
задач.

12. Магистрально-модульный принцип организации ЭВМ

МАГИСТРАЛЬНО-МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП
ОРГАНИЗАЦИИ ЭВМ
Определение 4. Магистрально-модульный принцип — это способ построения ЭВМ, при котором все
устройства (модули) соединяются между собой через общую коммуникационную систему —
магистраль (системную шину).
Определение 5. Магистраль (System Bus) — это совокупность проводников, протоколов и средств
управления, предназначенная для передачи информации между компонентами компьютера.

13. Магистрально-модульный принцип организации ЭВМ

МАГИСТРАЛЬНО-МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП
ОРГАНИЗАЦИИ ЭВМ
Состав системной шины:
1. Шина данных (Data Bus):
• Назначение: Передача данных между процессором, памятью и устройствами
ввода-вывода.
• Характер: Двунаправленная (данные могут передаваться как к процессору, так и
от него).
• Разрядность: Определяется разрядностью процессора (количество бит,
передаваемых одновременно). 64-битный процессор имеет 64-линейную шину
данных.

14. Магистрально-модульный принцип организации ЭВМ

МАГИСТРАЛЬНО-МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП
ОРГАНИЗАЦИИ ЭВМ
Состав системной шины:
2. Шина адреса (Address Bus):
o
o
o
Назначение: Передача адреса ячейки памяти или порта ввода-вывода, к которому
обращается процессор.
Характер: Однонаправленная (сигналы передаются только от процессора к
другим устройствам).
Разрядность: Определяет объем адресуемой памяти. Например, 32-битная
адресная шина позволяет адресовать 2^32 = 4 ГБ памяти.

15. Магистрально-модульный принцип организации ЭВМ

МАГИСТРАЛЬНО-МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП
ОРГАНИЗАЦИИ ЭВМ
Состав системной шины:
3. Шина управления (Control Bus):
o
o
Назначение: Передача управляющих и синхронизирующих сигналов (чтение,
запись, готовность, сброс, прерывание и т.д.).
Характер: Большинство линий — однонаправленные.

16. Магистрально-модульный принцип организации ЭВМ

МАГИСТРАЛЬНО-МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП
ОРГАНИЗАЦИИ ЭВМ
Как происходит обмен?
1. Процессор выставляет на шину адреса адрес ячейки памяти.
2. По шине управления процессор отправляет сигнал "ЧТЕНИЕ".
3. Устройство памяти, распознав свой адрес, помещает данные из указанной ячейки
на шину данных.
4. Процессор считывает данные с шины данных.
Определение 6. Контроллер (Adapter) — это специализированный процессор, который
обеспечивает сопряжение устройства (модуля) с системной шиной.
Система прерываний (Interrupt System) — механизм, позволяющий процессору реагировать на
асинхронные события от внешних устройств. Когда устройству требуется внимание процессора
(например, пришёл пакет по сети, нажата клавиша), оно посылает сигнал прерывания.

17. Принцип открытой/закрытой архитектуры

ПРИНЦИП ОТКРЫТОЙ/ЗАКРЫТОЙ АРХИТЕКТУРЫ
Определение 7. Открытая архитектура — это подход к проектированию компьютеров, при
котором публикуются все (или ключевые) спецификации на аппаратные интерфейсы и программные
средства.
Пример: IBM PC (1981 г.). IBM сознательно
опубликовала спецификации своего персонального
компьютера. В результате сотни компаний начали
производить "IBM PC-совместимые" компьютеры,
платы расширения, драйверы. Это привело к
доминированию платформы PC на рынке.
Преимущества: Массовая конкуренция, снижение
цен, свобода выбора и модернизации для
пользователя.
Недостатки: Возможная несовместимость
компонентов от разных производителей, сложность
оптимизации.

18. Принцип открытой/закрытой архитектуры

ПРИНЦИП ОТКРЫТОЙ/ЗАКРЫТОЙ АРХИТЕКТУРЫ
Определение 8. Закрытая архитектура — это подход, при котором аппаратные и программные
спецификации являются собственностью одного производителя и держатся в секрете. Компьютер
представляет собой интегрированную "чёрный ящик".
Пример: Классические компьютеры Apple
Macintosh (до перехода на процессоры Intel и, в
некоторой степени, современные Mac на Apple
Silicon), игровые консоли (PlayStation, Xbox).
Преимущества: Жёсткий контроль качества, полная
совместимость и оптимизация между "железом" и ПО,
высокая стабильность, уникальный дизайн.
Недостатки: Высокая цена, ограниченный выбор,
сложность самостоятельной модернизации.

19. Классификация параллельных компьютеров и систем по Флинну

КЛАССИФИКАЦИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ
КОМПЬЮТЕРОВ И СИСТЕМ ПО ФЛИННУ
Определение 9. Классификация Флинна (Flynn's Taxonomy) — это наиболее известная
классификация компьютерных архитектур, основанная на понятиях потока команд и потока
данных.
SISD (Single Instruction, Single Data) —
Один поток команд, один поток данных.
o
o
Описание: Классическая
однопроцессорная фоннеймановская архитектура. Один
процессор выполняет одну команду
за раз над одним элементом данных.
Пример: Одноядерный процессор
старого образца.

20. Классификация параллельных компьютеров и систем по Флинну

КЛАССИФИКАЦИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ
КОМПЬЮТЕРОВ И СИСТЕМ ПО ФЛИННУ
SIMD (Single Instruction, Multiple Data) — Один
поток команд, множество потоков данных.
o
o
o
Описание: Один блок управления выдаёт
одну команду, но несколько процессорных
элементов (АЛУ) выполняют эту одну и ту
же команду одновременно над разными
данными.
Применение: Векторные вычисления,
обработка графики, звука, видео.
Пример: Мультимедийные расширения
процессоров (MMX, SSE, AVX у Intel/AMD).
Команда ADD может сложить 8 пар чисел
одновременно. Современные графические
процессоры (GPU) сильно используют
SIMD-принципы.

21. Классификация параллельных компьютеров и систем по Флинну

КЛАССИФИКАЦИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ
КОМПЬЮТЕРОВ И СИСТЕМ ПО ФЛИННУ
MISD (Multiple Instruction, Single Data) —
Множество потоков команд, один поток
данных.
o
o
Описание: Несколько процессоров
выполняют разные
команды над одними и теми же
данными. На практике такая
архитектура встречается крайне редко.
Гипотетический пример: Система
отказоустойчивости, где несколько
процессоров независимо проверяют
одни и те же вычисления на ошибки.

22. Классификация параллельных компьютеров и систем по Флинну

КЛАССИФИКАЦИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ
КОМПЬЮТЕРОВ И СИСТЕМ ПО ФЛИННУ
MIMD (Multiple Instruction, Multiple
Data) — Множество потоков команд,
множество потоков данных.
Описание: Наиболее общая и
распространённая форма параллелизма.
Несколько
процессоров независимо выполняют разн
ые команды над разными данными

23. Проверим знания?

ПРОВЕРИМ ЗНАНИЯ?
1. В чём состоит принципиальное различие между архитектурой и структурой ЭВМ?
2. Назовите три основных принципа фон Неймана
3. Чем отличается гарвардская архитектура от принстонской?
4. Из каких основных шин состоит системная магистраль?
5. В чём преимущества и недостатки открытой архитектуры?
6. Дайте характеристику классам архитектур по классификации Флинна

24. Домашнее задание

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ
• Задание 1. Теоретическое (базовый уровень) – оценка 3
• Составьте сравнительную таблицу принципов фон Неймана, указав для
каждого принципа:
• Сущность принципа
• Как реализуется в современных компьютерах
• Практическое значение
• Объясните, почему современные процессоры используют гибридную
архитектуру (фон-неймановскую на системном уровне и гарвардскую на
уровне кэш-памяти)

25. Домашнее задание

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ
• Задание 2. Аналитическое (продвинутый уровень) – оценка 4 с учетом 1 задания.
1.Проанализируйте конфигурацию домашнего или учебного компьютера и определите:
1. К какому типу архитектуры он относится
2. Какие компоненты можно заменить благодаря принципу открытой архитектуры
3. Какие шины используются для связи между компонентами
2.Исследуйте спецификации современного процессора (Intel Core i5/i7 или AMD Ryzen) и
определите:
1. Разрядность шины данных
2. Объём адресуемой памяти (на основе разрядности шины адреса)
3. Наличие кэш-памяти гарвардского типа

26. Домашнее задание

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ
Задание 3. Исследовательское (дополнительное) – оценка 5 включая 1 и 2 задание.
Найдите информацию о современных не-фон-неймановских архитектурах (например,
нейроморфные компьютеры, квантовые компьютеры) и подготовьте краткий доклад:
• В чём их принципиальное отличие от классической архитектуры
• Какие преимущества они предлагают
• В каких областях применяются или могут применяться

27. Домашнее задание

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ
Задание 4. Практическое (творческий уровень) – взамен всем 3 задачам – на оценку 5!
(по желанию)
1.Разработайте схему вычислительной системы для одной из задач:
1. Видеомонтаж и обработка графики
2. Научные вычисления и моделирование
3. Сервер для многопользовательской онлайн-игры
2.Для выбранной системы обоснуйте:
1. Тип архитектуры (MIMD, SIMD)
2. Метод управления (централизованный, децентрализованный)
3. Принцип архитектуры (открытая/закрытая)
4. Оборудование и его характеристики