Что понимают под архитектурой компьютера
Архитектура современных компьютеров
Архитектурой современного компьютера является схематическое изображение его структуры строения с указанием принципов работы комплектующих, входящих в его состав.
Понятие архитектуры компьютера
Архитектурой персонального компьютера обычно пользуются в качестве инструмента для отработки стандартов. Другими словами, компьютерную систему по такому стандарту реально воплотить на основе сформированных схематических решений и технологий.
Под термином «архитектура компьютера» также понимают методологию сборки компьютеров и их составляющих. Таким образом, архитектура, разработанная определённой компанией, является её интеллектуальной собственностью и может быть применена только ею, являясь инструментом её конкурентоспособности. Но, невзирая на это, различными брендами используется общая концепция, объединяющая основные базовые характеристики разных моделей компьютеров, что делает их комплектующие универсальными.
Применение единой архитектуры персональных компьютеров дает возможность фирмам по производству компьютеров тесно взаимодействовать друг с другом для создания и совершенствования различных компонентов и используемых технологий. Совмещение разных концепций в одно архитектурное решение дает возможность распространяться определенным моделям персональных компьютеров на рынке, позволяет различным компаниям спроектировать пакеты программ, которые в любом случае подойдут для персонального компьютера.
Сложно разобраться самому?
Попробуй обратиться за помощью к преподавателям
Классический вариант архитектуры компьютера
Первоначальный состав архитектуры компьютера был предложен ученым Нейманом, который был известным математиком. Он изложил основные принципы конструирования персональных компьютеров, учитывая их логическую структуру. Эта методология, которую предложил Нейман, взята за основу классической архитектуры персонального компьютера. В его состав должны входить следующие основные элементы:
В соответствии с этой структурой, должен быть соблюден определенный порядок работы элементов компьютера. Изначально производится загрузка информации в память компьютера из программы, что выполняется. Для ввода данных используются внешние устройства компьютера. После этого блок управления переносит эти данные из блока памяти в блок обработки информации. Обработка происходит с помощью различных элементов компьютера.
Современный вариант архитектуры компьютера
Архитектура современного компьютера, хоть и отличается от классического, но основана на его базе. Определяющей отличительной чертой современного персонального компьютера является наличие у него центрального процессора, который по сути есть соединением блока управления и логико-арифметического блога в единую систему.
Ранее такое соединение было практически невозможным из-за массивного размера микросхем. На сегодняшний день развитие позволило повысить степень интеграции микросхем. Стало возможным ранее невозможное, то есть помещение широкого набора функций в небольшую по размеру деталь. Архитектурой сегодняшнего персонального компьютера также предусматривается использование контроллеров. Необходимость их использования вызвана тем, что роль процессора, как основного устройства, что выполняет функцию обмена информацией с внешними устройствами, изменилась. Функция ввода-вывода информации была убрана из процессора, благодаря новым микросхемам. Была произведена разработка различных каналов обмена информацией, а также наборов микросхем, получивших позже название контроллеров.
Не нашли что искали?
Просто напиши и мы поможем
Архитектура IBM
Но она не монополист при этом, то есть фирмы и компании, производящие компьютеры и их составляющие элементы, сами определяют состав сборки персональных компьютеров. В то же время, всегда остается возможным осовременить свой персональный компьютер, заменив комплектующие на более продвинутые. Реализация технологии открытой архитектуры современных компьютеров стала возможной благодаря быстрым темпам прогресса.
Программное обеспечение и его структура в компьютерах на базе архитектуры IBM
Основной особенностью, по которой можно определить, что персональный компьютер относятся к платформе IBM, есть его возможность работать на различных операционных системах. Это является возможным за счет открытой структуры данной архитектуры. В компьютерах с архитектурой IBM используются операционные системы Linux, Windows в различных конфигурациях, а также, помимо того, разные операционные системы, совместимые с аппаратным оснащением персонального компьютера с такой архитектурой.
На платформе IBM используется стандартная система ввода-вывода данных, именуемая BIOS, которая входит состав всех персональных компьютеров. Её задачей является обеспечение исполнения основных операций персональных компьютеров, вне зависимости от типа операционной системы, установленной на них. Этот момент также является свойством открытости архитектуры на платформе IBM, авторы системы BIOS являются толерантными к производителям других операционных систем и продуктов. Само явление выпуска системы BIOS в составе различных брендов является свойством открытости платформы IBM.
Тема урока: «Архитектура компьютеров. Основные характеристики компьютеров».
Онлайн-конференция
«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Цель: формирование представлений о функциональном назначении периферийного оборудования.
освоить основные характеристики устройств компьютера;
познакомить учащихся с основными понятиями темы;
углубить знания учащихся по теме;
развивать познавательный интерес;
развивать у студентов наблюдательность, внимание, логическое мышление;
формировать ключевые компетенции, а также активизация творческой деятельности учащихся.
воспитывать бережное отношение к вычислительной технике;
понимать практическую ситуацию и принимать конкретное решение при выборе компьютера;
стремление к самостоятельному поиску знаний.
Оборудование и материалы:
1.Презентация к уроку.
Организационный этап: (1 мин.)
— Предварительная организация класса (проверка рабочих мест, организация внимания);
Актуализация знаний: (1 мин.)
Постановка цели и задач урока. Мотивация учебной деятельности учащихся: (2 мин.)
— Объявление цели и задач занятия
— Мотивация учащихся
Первичное усвоение новых знаний: (25 мин.)
— Сообщение нового материала
— Работа с наглядными пособиями
5) Первичное проверка понимания: (2 мин.)
6) Первичное закрепление материала (10 мин)
7) Информация о готовности к след. уроку (1минута)
8) Рефлексия (подведение итогов занятия) (1 минута)
9) Организационное завершение (1 минута)
Приветствие. Проверка готовности к уроку.
Что представляет собой ПК?
Компьютеры, которыми мы пользуемся, называются?
персональными (ПК). Они характеризуются малыми габаритами, предназначены для персональной работы пользователя.
Постановка цели и задач урока.
Сегодня на уроке начинаем изучение темы «Архитектура компьютера» (слайд 2). Открываем тетради, записываем число и тему урока.
В основу архитектуры современных ПК положен магистрально-модульный принцип. В чем состоит магистрально-модульный принцип построения компьютера?
Первичное усвоение новых знаний.
2. Архитектура компьютеров
(хранение данных и программ)
(хранение данных и программ)
В основу архитектуры современных ПК положен магистрально-модульный принцип
Минимальный состав компьютера
Основные компоненты системного блока
Жесткий диск (винчестер)
Дисковод оптического диска
Основные компоненты материнской платы
Микросхемы ОЗУ, ПЗУ;
Разъемы для установки плат расширения (слоты), подключения накопителей (винчестера, дисководов);
Наборы микросхем ( Chipset ) для управления обменом данными между всеми компонентами компьютера;
Центральный процессор – центральный блок компьютера, предназначенный для обработки информации и управления работой компьютера в целом.
Состоит из двух частей: АЛУ и УУ.
АЛУ – арифметико-логическое устройство предназначено для обработки информации, выполнения арифметических и логических операций над данными.
УУ – устройство управления управляет работой компьютера.
3. Основные характеристики компьютеров
Производительность (быстродействие) ПК – возможность компьютера обрабатывать большие объемы информации.
Производительность (быстродействие) процессора – количество элементарных операций, выполняемых за секунду.
Тактовая частота процессора – число тактов процессора в секунду. А такт- промежуток времени, за который выполняется элементарная операция (н-р, сложение). Именно ТЧ определяет быстродействие ПК.
Время доступа – время, необходимое для чтения из памяти, либо записи в нее минимальной порции информации.
Объем памяти – максимальное количество хранимой в ней информации.
Скорость обмена информации зависит от скорости считывания или записи на носитель.
Современный ПК может быть реализован в :
настольном (desktop) варианте,
портативном (notebook) варианте,
карманном (handheld) варианте.
Настольные компьютеры состоят из системного блока, монитора и клавиатуры.
В портативных и карманных компьютерах системный блок находится под клавиатурой, а монитор встроен в крышку клавиатуры.
Первичная проверка понимания.
Дайте определение понятию «Архитектура компьютера»?
Дайте определение понятию «Периферийные устройства»?
Перечислите устройства ввода информации
Перечислите устройства вывода информации
Закрепление изученного материала
Выполнить задание «Проверь себя!» (см.Приложение)
Информация о готовности к след. уроку.
Повторить конспект. Подготовить сообщение на одну из выбранных тем: Процессор и его характеристики; Виды памяти компьютера; Внешние устройства компьютера.
Мы сегодня хорошо поработали, вы активно работали, внимательно слушали.
Урок окончен, до свидания!
по теме: «Архитектура компьютеров. Основные характеристики компьютеров » .
За один правильный ответ обучающийся получает 1 балл. В итоге за правильно выполненную работу 10 баллов.
Под архитектурой компьютера понимают:
устройство для сбора, обработки, хранения и вывода информации; совокупность функциональных элементов компьютера и связей между ними; описание основных устройств и принципов работы компьютера; комплекс взаимосвязанных программ, предназначенных для управления ресурсами компьютера и организации взаимодействия с пользователем.
устройство для сбора, обработки, хранения и вывода информации;
совокупность функциональных элементов компьютера и связей между ними;
описание основных устройств и принципов работы компьютера;
комплекс взаимосвязанных программ, предназначенных для управления ресурсами компьютера и организации взаимодействия с пользователем.
Определите, какое высказывание является верным:
компьютер – устройство для хранения команд; компьютер – универсальное устройство для преобразования информации; компьютер – универсальное устройство для обработки, хранения и передачи информации; компьютер – универсальное устройство только для получения данных.
компьютер – устройство для хранения команд;
компьютер – универсальное устройство для преобразования информации;
компьютер – универсальное устройство для обработки, хранения и передачи информации;
компьютер – универсальное устройство только для получения данных.
В минимальный состав компьютера входят:
винчестер, «мышь», процессор; монитор, системный блок, клавиатура; принтер, клавиатура; дискета; системный блок, сканер, монитор.
винчестер, «мышь», процессор;
монитор, системный блок, клавиатура;
принтер, клавиатура; дискета;
системный блок, сканер, монитор.
Периферийные устройства предназначены:
для обмена информацией между компьютером и пользователем; только для улучшения дизайна компьютера; для проверки правильности вводимой информации пользователем; для выполнения арифметико-логических операций.
для обмена информацией между компьютером и пользователем;
только для улучшения дизайна компьютера;
для проверки правильности вводимой информации пользователем;
для выполнения арифметико-логических операций.
Скорость работы компьютера зависит от:
тактовой частоты обработки информации в процессоре; организации интерфейса операционной системы; объема внешнего запоминающего устройства; объема обрабатываемой информации.
тактовой частоты обработки информации в процессоре;
организации интерфейса операционной системы;
объема внешнего запоминающего устройства;
объема обрабатываемой информации.
Плоттер – это устройство для:
для вывода любой информации на бумагу; для сканирования изображения с листа бумаги на компьютер; для ввода в компьютер информации; для вывода графической информации на бумагу.
для вывода любой информации на бумагу;
для сканирования изображения с листа бумаги на компьютер;
для ввода в компьютер информации;
для вывода графической информации на бумагу.
Расширение имени файла, как правило, характеризует:
время создания файла
место, занимаемое файлом на диске
тип информации, содержащийся в файле
место создания файла
К устройствам вывода информации относятся
К устройствам ввода информации относятся:
Укажите наиболее полный перечень основных устройств
микропроцессор, сопроцессор, монитор
центральный процессор, оперативная память, устройства ввода/вывода
монитор, винчестер, принтер
арифметико-логическое устройства, устройство управления, сопроцессор
сканер, мышь, монитор, принтер
За один правильный ответ обучающийся получает 1 балл. В итоге за правильно выполненную работу 10 баллов.
Курс повышения квалификации
Дистанционное обучение как современный формат преподавания
Курс профессиональной переподготовки
Информатика: теория и методика преподавания в образовательной организации
Курс профессиональной переподготовки
Математика и информатика: теория и методика преподавания в образовательной организации
Ищем педагогов в команду «Инфоурок»
Номер материала: ДБ-1034426
Не нашли то что искали?
Вам будут интересны эти курсы:
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.
Утверждено стратегическое направление цифровой трансформации образования
Время чтения: 2 минуты
ВПР для школьников в 2022 году пройдут весной
Время чтения: 1 минута
Утверждены сроки заключительного этапа ВОШ
Время чтения: 1 минута
МГУ откроет первую в России магистерскую программу по биоэтике
Время чтения: 2 минуты
Путин поручил не считать выплаты за классное руководство в средней зарплате
Время чтения: 1 минута
Учителям предлагают 1,5 миллиона рублей за переезд в Златоуст
Время чтения: 1 минута
Подарочные сертификаты
Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.
Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.
Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library
Персональные инструменты
Архитектура компьютера
Архитектура компьютера — набор типов данных, операций и характеристик каждого отдельно взятого уровня. Архитектура связана с программными аспектами. Аспекты реализации (например, технология, применяемая при реализации памяти) не являются частью архитектуры. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного запоминающего устройства (ЗУ), внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя. [1]
Содержание
Уровни организации
Большинство современных компьютеров состоит из двух и более уровней. Существуют машины даже с шестью уровнями (рисунок 1). Уровень 0 — аппаратное обеспечение машины. Его электронные схемы выполняют программы, написанные на языке уровня 1. Ради полноты нужно упомянуть о существовании еще одного уровня, расположенного ниже уровня 0. Этот уровень не показан на рисунке 1, так как он попадает в сферу электронной техники и, следовательно, не рассматривается в этой книге. Он называется уровнем физических устройств. На этом уровне находятся транзисторы, которые являются примитивами для разработчиков компьютеров.
Следующий уровень — микроархитектурный уровень. На этом уровне можно видеть совокупности 8 или 32 регистров, которые формируют локальную память и схему, называемую АЛУ (арифметико-логическое устройство). АЛУ выполняет простые арифметические операции. Регистры вместе с АЛУ формируют тракт данных, по которому поступают данные. Основная операция тракта данных состоит в следующем. Выбирается один или два регистра, АЛУ производит над ними какую-либо операцию, например сложения, а результат помещается в один из этих регистров.
Второй уровень мы будем называть уровнем архитектуры системы команд. Каждый производитель публикует руководство для компьютеров. Такие руководства содержат информацию именно об этом уровне. Когда они описывают набор машинных команд, они в действительности описывают команды, которые выполняются микропрограммой-интерпретатором или аппаратным обеспечением. Если производитель поставляет два интерпретатора для одной машины, он должен издать два руководства по машинному языку, отдельно для каждого интерпретатора.
Новые средства, появившиеся на третьем уровне, выполняются интерпретатором, который работает на втором уровне. Этот интерпретатор был когда-то назван операционной системой. Команды третьего уровня, идентичные командам второго уровня, выполняются микропрограммой или аппаратным обеспечением, но не операционной системой. Иными словами, одна часть команд третьего уровня интерпретируется операционной системой, а другая часть — микропрограммой. Вот почему этот уровень считается гибридным. Мы будем называть этот уровень уровнем операционной системы.
Четвертый уровень представляет собой символическую форму одного из языков более низкого уровня. На этом уровне можно писать программы в приемлемой для человека форме. Эти программы сначала транслируются на язык уровня 1, 2 или 3, а затем интерпретируются соответствующей виртуальной или фактически существующей машиной. Программа, которая выполняет трансляцию, называется ассемблером.
Пятый уровень обычно состоит из языков, разработанных для прикладных программистов. Такие языки называются языками высокого уровня. Существуют сотни языков высокого уровня. Наиболее известные среди них — BASIC, С, C++,С#, Java, LISP и Prolog. Программы, написанные на этих языках, обычно транслируются на уровень 3 или 4. Трансляторы, которые обрабатывают эти программы, называются компиляторами. Отметим, что иногда также используется метод интерпретации. Например, программы на языке Java обычно интерпретируются.
Цифровой логический уровень (0)
В самом низу иерархической схемы на рисунке 1 находится цифровой логический уровень, или аппаратное обеспечение компьютера, которое составляют цифровые схемы. Они могут конструироваться из небольшого числа простых элементов путем сочетания этих элементов в различных комбинациях. Цифровая схема — это схема, в которой есть только два логических значения. Обычно сигнал от 0 до 1 В представляет одно значение (например, 0), а сигнал от 2 до 5 В — другое значение (например, 1). Напряжение за пределами указанных величин недопустимо. Крошечные электронные устройства, которые называются вентилями, могут вычислять различные функции от этих двузначных сигналов. Эти вентили формируют основу аппаратного обеспечения, на которой строятся все цифровые компьютеры.
Вся современная цифровая логика основывается на том, что транзистор может работать как очень быстрый бинарный переключатель. На рисунке 2 изображен биполярный транзистор, встроенный в простую схему. Транзистор имеет три соединения с внешним миром; коллектор, базу и эмиттер. Если входное напряжение ниже определенного критического значения, транзистор выключается и действует как очень большое сопротивление. Это приводит к выходному сигналу, близкому к Vcc (напряжению, подаваемому извне), обычно +5 В для данного типа транзистора. Если входное напряжение превышает критическое значение, транзистор включается и действует как провод, вызывая заземление сигнала (по соглашению 0 В).
Эти три схемы образуют три простейших вентиля Они называются вентилями НЕ, НЕ-И и НЕ-ИЛИ. Вентили НЕ часто называют инверторами. Мы будем использовать оба термина. Если мы примем соглашение, что высокое напряжение (Vcc) — это логическая 1, а низкое напряжение («земля») — логический 0, то мы сможем выражать значение на выходе как функцию от входных значений. Значки, которые используются для изображения этих трех типов вентилей, показаны на рисунке 3, а — в. Там же приводится поведение функции для каждой схемы. На этих рисунках А и В — это входные сигналы, а X — выходной сигнал. Каждая строка таблицы определяет выходной сигнал для различных комбинаций входных сигналов.
Хотя устройство вентилей относится к уровню физических устройств, мы все же упомянем основные серии производственных технологий, так как они часто упоминаются в литературе. Две основные технологии — биполярная и МОП (металл-оксид-полупроводник). Среди биполярных технологий можно назвать ТТЛ (транзисторно-транзисторную логику), которая служила основой цифровой электроники на протяжении многих лет, и ЭСЛ (эмиттерно-связанную логику), которая используется в тех случаях, когда требуется высокая скорость выполнения операций. Вентили МОП работают медленнее, чем ТТЛ и ЭСЛ, но потребляют гораздо меньше энергии и занимают гораздо меньше места, поэтому можно компактно расположить большое количество таких вентилей. Вентили МОП имеют несколько разновидностей: р-канальный МОП-прибор, n-канальный МОП-прибор и комплиментарный МОП. Хотя МОП-транзисторы конструируются не так, как биполярные транзисторы, они обладают такой же способностью функционировать, как электронные переключатели. Современные процессоры и память чаще всего производятся с использованием технологии комплиментарных МОП, которая работает при напряжении +3,3 В.
Вентили производятся и продаются не по отдельности, а в модулях, которые называются интегральными схемами (ИС) или микросхемами. Интегральная схема представляет собой квадратный кусочек кремния размером примерно 5×5 мм, на котором находится несколько вентилей. Маленькие интегральные схемы обычно помещаются в прямоугольные пластиковые или керамические корпуса размером от 5 до 15 мм в ширину и от 20 до 50 мм в длину. Вдоль длинных сторон располагается два параллельных ряда выводов около 5 мм в длину, которые можно втыкать в разъемы или впаивать в печатную плату. Каждый вывод соединяется с входом или выходом какого-нибудь вентиля, или с источником питания, или с «землей». Корпус с двумя рядами выводов снаружи и интегральными схемами внутри официально называется двурядным корпусом (Dual Inline Package, сокращенно DIP), но все называют его микросхемой, стирая различие между куском кремния и корпусом, в который он помещается. Большинство корпусов имеют 14, 16, 18, 20, 22, 24, 28,40, 64 или 68 выводов. Для больших микросхем часто используются корпуса, у которых выводы расположены со всех четырех сторон или снизу. Микросхемы можно разделить на несколько классов с точки зрения количества вентилей, которые они содержат. Эта классификация, конечно, очень грубая, но иногда она может быть полезна:
Эти схемы имеют различные свойства и используются для различных целей.
Многие применения цифровой логики требуют наличия схем с несколькими входами и несколькими выходами, в которых выходные сигналы определяются текущими входными сигналами. Такая схема называется комбинационной схемой. Часто используемые комбинационные схемы:
Микроархитектурный уровень (1)
Над цифровым логическим уровнем находится микроархитектурный уровень. Его задача — интерпретация команд уровня 2 (уровня архитектуры команд), как показано на рисунке 1. Строение микроархитектурного уровня зависит от того, каков уровень архитектуры команд, а также от стоимости и предназначения компьютера. В идеале следовало бы сначала описать общие принципы разработки микроархитектурного уровня. К сожалению, таких общих принципов не существует. Каждая разработка индивидуальна.
При разработке микроархитектурного уровня (как и при разработке других уровней) постоянно приходится идти на компромисс. У компьютера есть много важных характеристик: скорость, цена, надежность, простота использования, количество потребляемой энергии, физические размеры. При разработке центрального процессора очень важную роль играет выбор между высокой скоростью и низкой стоимостью. Существует три основных подхода, которые позволяют увеличить скорость выполнения операций:
Уровень архитектуры системы команд (2)
Он расположен между микроархитектурным уровнем и уровнем операционной системы, как показано на рисунке 1. Исторически этот уровень развился прежде всех остальных уровней и изначально был единственным. В наши дни этот уровень очень часто называют «архитектурой» машины, а иногда «языком ассемблера». Является связующим звеном между программным и аппаратным обеспечением. Более подробно об этом уровне написано здесь.
Уровень операционной системы (3)
Операционная система — это программа, которая добавляет ряд команд и особенностей к тем, которые обеспечиваются уровнем команд. Обычно операционная система реализуется главным образом в программном обеспечении, но нет никаких веских причин, по которым ее нельзя было бы реализовать в аппаратном обеспечении (как микропрограммы). Хотя и уровень операционной системы, и уровень команд абстрактны (в том смысле, что они не являются реальным аппаратным обеспечением), между ними есть важное различие. Набор команд уровня операционной системы — это полный набор команд, доступных для прикладных программистов. Он содержит практически все команды более низкого уровня, а также новые команды, которые добавляет операционная система. Эти новые команды называются системными вызовами. Они вызывают определенную службу операционной системы, в частности одну из ее команд. Обычный системный вызов считывает какие-нибудь данные из файла.
Уровень операционной системы всегда интерпретируется. Когда пользовательская программа выполняет команду операционной системы, например чтение данных из файла, операционная система выполняет эту команду шаг за шагом, точно так же, как микропрограмма выполняет команду ADD. Однако когда программа выполняет команду уровня архитектуры команд, эта команда выполняется непосредственно микроархитектурным уровнем без участия операционной системы. У этого уровня есть несколько характерных особенностей. Первая особенность — это виртуальная память. Виртуальная память используется многими операционными системами. Она позволяет создать впечатление, что у машины больше памяти, чем есть на самом деле. Вторая особенность — файл ввода-вывода. Это понятие более высокого уровня, чем команды ввода-вывода. Третья особенность — параллельная обработка (как несколько процессов могут выполняться, обмениваться информацией и синхронизироваться). Под процессом можно понимать работающую программу и всю информацию об ее состоянии (о памяти, регистрах, счетчике команд, вводе-выводе и так далее).
Набор команд уровня операционной системы содержит большую часть команд из уровня архитектуры команд, а также несколько новых очень важных команд. Некоторые ненужные команды в уровень операционной системы не включаются. Ввод-вывод — это одна из областей, в которых эти два уровня различаются очень сильно. Причина такого различия проста. Во-первых, пользователь, способный выполнять команды ввода-вывода уровня архитектуры команд, сможет считать конфиденциальную информацию, которая хранится где-нибудь в системе, и вообще будет представлять угрозу для самой системы. Во-вторых, обычные нормальные программисты не хотят осуществлять ввод-вывод на уровне команд, поскольку это слишком сложно и утомительно. Вместо этого для осуществления ввода-вывода нужно установить определенные поля и биты в ряде регистров устройств, затем подождать, пока операция закончится, и проверить, что произошло.
Один из способов организации виртуального ввода-вывода — использование абстракции под названием файл. Файл состоит из последовательности байтов, записанных на устройство ввода-вывода. Если устройство ввода-вывода является устройством хранения информации (например, диск), то файл можно считать обратно. Если устройство не является устройством хранения информации (например, это принтер), то файл оттуда считать нельзя. На диске может храниться много файлов, в каждом из которых содержатся данные определенного типа, например картинка, крупноформатная таблица или текст. Файлы имеют разную длину и обладают разными свойствами. Эта абстракция позволяет легко организовать виртуальный ввод-вывод.
Для операционной системы файл является просто последовательностью байтов, как мы и описали выше. Ввод-вывод файла осуществляется с помощью системных вызовов для открытия, чтения, записи и закрытия файлов. Перед тем как считывать файл, его нужно открыть. Процесс открытия файла позволяет операционной системе найти файл на диске и передать в память информацию, необходимую для доступа к этому файлу. После открытия файла его можно считывать. Системный вызов для считывания должен иметь как минимум следующие параметры:
С каждым открытым файлом связан указатель, который сообщает, какой байт будет считываться следующим. После команды read указатель дополняется числом считанных байт, поэтому последовательные команды read считывают последовательные блоки данных из файла. Обычно этот указатель можно установить на особое значение, чтобы программы могли получать доступ к любой части файла. Когда программа закончила считывание файла, она может закрыть его и сообщить операционной системе, что она больше не будет использовать этот файл. Операционная система сможет освободить пространство в таблице, в которой хранилась информация об этом файле.
Уровень языка ассемблера (4)
Уровень языка ассемблера существенно отличается от трех предыдущих, поскольку он реализуется с помощью трансляции, а не с помощью интерпретации. Программы, которые преобразуют пользовательские программы, написанные на каком-либо определенном языке, в другой язык, называются трансляторами. Язык, на котором изначально написана программа, называется входным языком, а язык, на который транслируется эта программа, называется выходным языком. Входной язык и выходной язык определяют уровни. Если имеется процессор, который может выполнять программы, написанные на входном языке, то нет необходимости транслировать исходную программу на другой язык.
Язык ассемблера довольно труден. Написание программы на языке ассемблера занимает гораздо больше времени, чем написание той же программы на языке высокого уровня. Кроме того, очень много времени занимает отладка. Есть две причины необходимости использования этого языка: производительность и доступ к машине. Во-первых, профессиональный программист языка ассемблера может составить гораздо меньшую по размеру программу, которая будет работать гораздо быстрее, чем программа, написанная на языке высокого уровня. Для некоторых программ скорость и размер весьма важны. Многие встроенные прикладные программы, например программы в кредитных карточках, сотовых телефонах, драйверах устройств, а также процедуры BIOS попадают в эту категорию. Во-вторых, некоторым процедурам требуется полный доступ к аппаратному обеспечению, что обычно невозможно сделать на языке высокого уровня. В эту категорию попадают прерывания и обработчики прерываний в операционных системах, а также контроллеры устройств во встроенных системах, работающих в режиме реального времени.
Программа на языке ассемблера должна не только определять, какие машинные команды нужно выполнить, но и содержать команды, которые должен выполнять сам ассемблер (например, потребовать от него определить местонахождение какой-либо сохраненной информации или выдать новую страницу листинга). Команды для ассемблера называются псевдокомандами или директивами ассемблера.
Язык высокого уровня (5)
Язык программирования высокого уровня — язык программирования, разработанный для быстроты и удобства использования программистом. Основная черта языков программирования высокого уровня — это абстракция, то есть введение смысловых конструкций, кратко описывающих такие структуры данных и операции над ними, описания которых на машинном коде (или другом низкоуровневом языке программирования) очень длинны и сложны для понимания. Так, языки программирования высокого уровня стремятся не только облегчить решение сложных программных задач, но и упростить портирование программного обеспечения. Использование разнообразных трансляторов и интерпретаторов обеспечивает связь программ, написанных при помощи языков высокого уровня, с различными операционными системами и оборудованием, в то время как их исходный код остаётся, в идеале, неизменным.
Такого рода оторванность высокоуровневых языков от аппаратной реализации компьютера помимо множества плюсов имеет и минусы. В частности, она не позволяет создавать простые и точные инструкции к используемому оборудованию. Программы, написанные на языках высокого уровня, проще для понимания программистом, но менее эффективны, чем их аналоги, создаваемые при помощи низкоуровневых языков. Одним из следствий этого стало добавление поддержки того или иного языка низкого уровня (язык ассемблера) в ряд современных профессиональных высокоуровневых языков программирования. Примеры высокоуровневых языков программирования: C, C++, С#, Visual Basic, Java, Python, PHP, Ruby, Perl, Delphi (Pascal). Языкам высокого уровня свойственно умение работать с комплексными структурами данных. В большинство из них интегрирована поддержка строковых типов, объектов, операций файлового ввода-вывода и тому подобное. [2]
Виды архитектуры
Различают два основных типа архитектуры – Фон Неймановскую (принстонскую) и гарвардскую.
Архитектура Фон Неймана
Широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», однако, соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных. Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципы этого подхода:
Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.
В соответствии с принципами фон Неймана компьютер состоит из арифметико-логического устройства — АЛУ (англ. ALU, Arithmetic and Logic Unit), выполняющего арифметические и логические операции; устройства управления, предназначенного для организации выполнения программ; запоминающих устройств (ЗУ), в т.ч. оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и внешнего запоминающего устройства (ВЗУ); внешних устройств для ввода-вывода данных.
Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние ячейки памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя команда должна быть командой завершения работы.
Команда состоит из указания, какую операцию следует выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов ячеек памяти, где хранятся данные, над которыми следует выполнить указанную операцию, а также адреса ячейки, куда следует записать результат (если его требуется сохранить в ЗУ).
Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное различие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройства вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку. УУ управляет всеми частями компьютера. От управляющего устройства на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии
.Управляющее устройство содержит специальный регистр (ячейку), который называется «счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство — «Регистр команд». УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.
В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу и, следовательно, указывает на следующую команду программы. Когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление. [3]
Гарвардская архитектура
Гарвардская архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете с целью увеличить скорость выполнения вычислительных операций и оптимизировать работу памяти. Она характеризуется физическим разделением памяти команд (программ) и памяти данных. В ее оригинальном варианте использовался также отдельный стек для хранения содержимого программного счетчика, который обеспечивал возможности выполнения вложенных подпрограмм. Каждая память соединяется с процессором отдельной шиной, что позволяет одновременно с чтением-записью данных при выполнении текущей команды производить выборку и декодирование следующей команды. Благодаря такому разделению потоков команд и данных и совмещению операций их выборки реализуется более высокая производительность, чем при использовании Принстонской архитектуры.
Недостатки Гарвардской архитектуры связаны с необходимостью проведения большего числа шин, а также с фиксированным объемом памяти, выделенной для команд и данных, назначение которой не может оперативно перераспределяться в соответствии с требованиями решаемой задачи. Поэтому приходится использовать память большего объема, коэффициент использования которой при решении разнообразных задач оказывается более низким, чем в системах с Принстонской архитектурой. Однако развитие микроэлектронной технологии позволило в значительной степени преодолеть указанные недостатки, поэтому Гарвардская архитектура широко применяется во внутренней структуре современных высокопроизводительных микропроцессоров, где используется отдельная кэш-память для хранения команд и данных. В то же время во внешней структуре большинства микропроцессорных систем реализуются принципы Принстонской архитектуры. [4]