Что понимается под структурой и архитектурой компьютера
Обновлено: 04.07.2024
Компьютерная система — это, по сути, машина, которая упрощает сложные задачи. Это должно максимизировать производительность и снизить затраты, а также энергопотребление. Различными компонентами архитектуры компьютерной системы являются блок ввода, блок вывода, блок хранения, арифметико-логический блок, блок управления и т. д.
Диаграмма, показывающая поток данных между этими блоками, выглядит следующим образом:
Входные данные передаются от блока ввода к АЛУ. Точно так же вычисленные данные передаются от АЛУ к устройству вывода. Данные постоянно перемещаются из единицы хранения в АЛУ и обратно. Это связано с тем, что сохраненные данные вычисляются перед повторным сохранением. Блок управления управляет всеми остальными блоками, а также их данными.
Подробнее обо всех компьютерных блоках —
Блок ввода предоставляет данные в компьютерную систему извне. Итак, в основном он связывает внешнюю среду с компьютером. Он берет данные с устройств ввода, преобразует их в машинный язык, а затем загружает в компьютерную систему. Клавиатура, мышь и т. д. являются наиболее часто используемыми устройствами ввода.
Узел вывода предоставляет пользователям результаты компьютерного процесса, т. е. связывает компьютер с внешней средой. Большая часть выходных данных представлена в виде аудио или видео. К различным устройствам вывода относятся мониторы, принтеры, динамики, наушники и т. д.
Устройство хранения содержит множество компьютерных компонентов, которые используются для хранения данных. Она традиционно делится на первичную и вторичную память. Первичная память также известна как основная память и представляет собой память, напрямую доступную ЦП. Вторичное или внешнее хранилище недоступно ЦП напрямую. Данные из вторичного хранилища необходимо перенести в первичное хранилище, прежде чем ЦП сможет их использовать. Дополнительное хранилище постоянно содержит большой объем данных.
Все вычисления, связанные с компьютерной системой, выполняются арифметико-логическим устройством. Он может выполнять такие операции, как сложение, вычитание, умножение, деление и т. д. Блок управления передает данные из блока хранения в арифметико-логический блок, когда необходимо выполнить вычисления. Арифметико-логическое устройство и блок управления вместе образуют центральный процессор.
Этот блок управляет всеми остальными блоками компьютерной системы и поэтому известен как его центральная нервная система. Он передает данные по всему компьютеру по мере необходимости, в том числе из устройства хранения в центральный процессор и наоборот. Блок управления также определяет, как должна вести себя память, устройства ввода-вывода, арифметико-логическое устройство и т. д.
Термин «инженерия» в компьютерной литературе можно отнести к работе Лайла Р. Джонсона и Фредерика П. Брукса-младшего, членов отдела организации машин в главном исследовательском центре IBM в 1959 году. Джонсон имел возможность написать проприетарную исследовательскую передачу о Stretch, суперкомпьютере, разработанном IBM для Национальной мастерской Лос-Аламоса (в то время известной как Научная лаборатория Лос-Аламоса). Чтобы изобразить уровень детализации при обсуждении роскошно украшенного компьютера, он отметил, что его объяснение форматов, типов команд, аппаратных параметров и повышения скорости находится на уровне «системной архитектуры» — термина, который предполагает более полезный, чем «управление машиной».
Что такое компьютерная архитектура
Определение информатики
Хотя термин "компьютерная инженерия" звучит очень сложно, его определение проще, чем можно подумать. Компьютерная инженерия — это наука или набор правил, определяющих, как программное и аппаратное обеспечение мозга соединяются вместе и взаимодействуют, чтобы заставить компьютер работать. Он не только определяет, как работает мозг, но и какие технологии поддерживает компьютер. Мозг по-прежнему играет важную роль в нашей жизни, и архитекторы мозга перестраиваются для разработки новых и более эффективных политик и технологий.
Определение информатики
Что такое компьютерная архитектура?
Компьютерная инженерия – это спецификация, описывающая, как домашнее оборудование и программные технологии взаимодействуют для создания мозгового подиума или системы. Когда мы думаем о слове «архитектура», мы думаем о строительстве дома или здания. Помня о том же принципе, компьютерная архитектура предлагает построить компьютер и все, что входит в систему мозга. Компьютерная архитектура состоит из трех основных категорий.
- Проектирование системы. Сюда входят все аппаратные части, такие как ЦП, процессоры данных, мультипроцессоры, контроллеры памяти и прямой доступ к памяти. Эта часть является реальной компьютерной системой.
- Архитектура набора инструкций. Сюда входят функции и возможности ЦП, язык программирования ЦП, форматы данных, типы регистров процессора и инструкции, используемые программистами. Эта часть представляет собой программное обеспечение, которое запускает его, например Windows, Photoshop или аналогичные программы.
- Микроархитектура. Определяет элемент обработки и хранения данных или пути к данным, а также то, как они должны быть реализованы в архитектуре набора инструкций. Это могут быть устройства хранения DVD или аналогичные устройства.
Все эти части идут вместе в определенном порядке и должны быть разработаны по шаблону, чтобы они функционировали правильно.
Определить архитектора
Эта книга посвящена разработке и производству специализированных мозгов. Все мы знаем, что такое мозг. Это та коробка, которая стоит на вашем столе, тихонько урчит (или гремит, если вентилятор лопнул), запускает ваши программы и систематически падает (если вы не используете какую-то разновидность Unix). Внутри этой коробки находятся телевизоры, которые запускают ваше программное обеспечение, хранят ваши инструкции и соединяют вас с миром. Все дело в обработке информации. Таким образом, проектирование компьютера — это проектирование машины, которая хранит данные и обрабатывает их.
системы мозга можно разделить на два отдельных отдела . Первый и самый очевидный — это настольный компьютер. Когда вы говорите кому-то «компьютер», это машина, которая обычно приходит ему на ум. Компьютер второго типа — это встроенный компьютер, компьютер, интегрированный в другую систему для целей контроля и/или мониторинга. Встроенных компьютеров гораздо больше, чем настольных систем, но они гораздо менее очевидны. Спросите обычного человека, сколько компьютеров у него дома, и он может ответить, что один или два. На самом деле, у него может быть 30 или более штук, спрятанных в его телевизорах, видеомагнитофонах, DVD-плеерах, пультах дистанционного управления, стиральных машинах, сотовых телефонах, аспираторах, игровых консолях, духовках, игрушках и множестве других устройств.
В этой главе мы рассмотрим архитектуру компьютера в целом. Это применимо как к встроенным, так и к настольным компьютерам, потому что основное различие между встроенной машиной и компьютером общего назначения заключается в ее приложении. Базовые принципы транзакций и лежащие в их основе архитектуры принципиально одинаковы. У обоих есть процессор, память и часто несколько форм ввода и вывода. Основная характеристика заключается в их предполагаемом использовании, и это следует за конструкцией системы и их программным обеспечением. На настольных компьютерах могут выполняться различные прикладные программы, а системные ресурсы управляются операционной системой. Запуская различные рабочие программы, функциональные возможности настольного компьютера изменяются. Во-первых, его можно использовать как текстовый процессор; следующий это MP3-плеер или настольный клиент. Какое программное обеспечение загружается и запускается, находится под контролем правительства пользователя .
Как стать компьютерным архитектором
Чтобы стать компьютерным архитектором, которого часто называют архитектором компьютерных сетей, кандидат должен иметь как минимум степень бакалавра в области компьютерных наук, инженерии, информационных систем или смежных областях. Лучшие программы для начинающих компьютерных архитекторов — это компьютерные области, потому что они предлагают студентам наиболее практический опыт проектирования баз данных или сетевой безопасности, которые важны для компьютерных архитекторов. На этих занятиях также обучают студентов различным технологиям, используемым в разных сетях.
Некоторые студенты выбирают степень MBA (магистр делового администрирования) с упором на информационные системы. Преимущество этой программы в том, что она предлагает как компьютерные, так и бизнес-курсы. Даже после получения степени от соискателей может потребоваться не менее пяти лет опыта работы с ИТ-системами, прежде чем они будут приняты на работу в качестве компьютерного архитектора. Некоторые компьютерные архитекторы, набравшись достаточного опыта, становятся менеджерами компьютеров и информационных систем.
Пока у нас есть компьютеры и все компоненты, входящие в компьютерную систему, спрос на компьютерных архитекторов будет сохраняться. Ожидается, что компьютерные архитекторы увидят рост занятости на 6% в период с 2016 по 2026 год, согласно данным Бюро статистики труда США (BLS). Хотя облачные вычисления несколько уменьшили потребность в компьютерных архитекторах, они будут по-прежнему востребованы, поскольку предприятия продолжают увеличивать свои технологические потребности. BLS сообщает, что по состоянию на май 2017 года заработная плата компьютерных архитекторов по всей стране варьировалась от 58 160 до 162 390 долларов США, а средняя заработная плата составила 107 870 долларов США.
Поскольку компьютеры все больше основаны на технологиях, компьютерная архитектура по-прежнему будет интересной карьерой для кандидатов, заинтересованных в разработке этих машин.
Принстонская архитектура
Напротив, встроенный компьютер обычно предназначен для конкретной задачи. Во многих случаях встроенная система используется для замены специализированной электроники. Преимущество использования встроенного микропроцессора по сравнению с специализированной электроникой заключается в том, что функциональность системы определяется программным обеспечением, а не аппаратным обеспечением. Это делает встроенную систему проще в производстве и намного легче в развитии, чем сложную схему.
Встроенная система обычно имеет одно приложение и только одно постоянно работающее приложение. Встроенный компьютер может иметь или не иметь операционную систему, и он редко предоставляет пользователю возможность произвольно устанавливать новое программное обеспечение. Программное обеспечение обычно содержится в энергонезависимой памяти системы, в отличие от настольного компьютера, где энергонезависимая память содержит только загрузочное программное обеспечение и (возможно) низкоуровневые драйверы.
Встроенное оборудование часто намного проще, чем настольная система, но оно также может быть и намного сложнее. Встроенный компьютер может быть реализован на одном чипе всего с несколькими вспомогательными компонентами, и его назначение может быть таким же грубым, как контроллер для системы полива сада. В качестве альтернативы встроенный компьютер может представлять собой 150-процессорную распределенную параллельную машину, отвечающую за все системы полета и управления коммерческого самолета. Каким бы разнообразным ни было встроенное оборудование, основные принципы проектирования одинаковы.
В этой главе представлены некоторые важные понятия, относящиеся к компьютерной архитектуре, с особым акцентом на темах, относящихся к встраиваемым системам. Ее цель — дать вам основу перед тем, как перейти к более практической информации, которая начинается в главе 2. В этой главе вы узнаете об основах процессоров, прерываниях, различиях между RISC и CISC, параллельных системах, памяти. и ввод-вывод.
Организация и архитектура компьютера
Архитектура компьютера — это организация компонентов, составляющих компьютерную систему, а также семантика или значение операций, определяющих ее функции. Таким образом, компьютерная архитектура определяет дизайн семейства компьютеров и определяет логический интерфейс, на который нацелены языки программирования и их компиляторы. Организация определяет набор функциональных единиц, из которых состоит система, и структуру их взаимосвязи.
Семантика архитектуры — это значение того, что системы делают под руководством пользователя и как контролируются их функциональные блоки для совместной работы. Важным воплощением семантики является архитектура набора инструкций (ISA) системы. ISA представляет собой логическое (обычно двоичное) репрезентативное кодирование базового набора отдельных операций, которые может выполнять компьютерная архитектура и посредством которых прикладные программы определяют полезную работу, которую необходимо выполнить. На уровне машины аппаратная (иногда управляемая прошивкой) система напрямую интерпретирует и выполняет последовательность или частично упорядоченный набор этих основных операций.
Это относится ко всем компьютерным ядрам, от нескольких ядер в самых маленьких мобильных телефонах до потенциально миллионов ядер в крупнейших суперкомпьютерах мира. Архитектура высокопроизводительного компьютера расширяет структуру до иерархии функциональных элементов, будь то небольшие и ограниченные по возможностям или, возможно, целые процессорные ядра. В этой главе представлено множество различных классов структуры, каждый из которых использует параллелизм по-своему. Но во всех случаях это более широкое определение общей архитектуры для высокопроизводительных вычислений подчеркивает те аспекты системы, которые способствуют достижению производительности.
Высокопроизводительный компьютер предназначен для быстрой работы, а его организация и семантика специально разработаны для обеспечения скорости вычислений. В этой главе представлены основные основы компьютерной архитектуры в целом и высокопроизводительных компьютерных систем в частности. Именно здесь, на структурном и логическом уровнях, впервые представлен параллелизм операций во многих его формах и размерах. В этой главе представлено первое рассмотрение основных форм архитектуры суперкомпьютеров и основополагающих концепций, определяющих их производительность.
Какие четыре уровня компьютерной архитектуры?
Если вы ограничились четырьмя уровнями, их можно определить как 1) алгоритм, 2) язык программирования/компилятор, 3) процессор/память, 4) ввод-вывод. Другие определения абстракции могут содержать три уровня: 1) приложение, 2) системное программное обеспечение, 3) аппаратное обеспечение.
Что такое компьютерная архитектура и ее типы?
Существует несколько основных типов компьютерной архитектуры, в том числе машины-аккумуляторы, машины стека и машины загрузки-хранилища. AC или аккумуляторная машина — это тип компьютерной архитектуры, который считается практически неиспользуемым, и примером этого является EDSAC.
Какова базовая архитектура компьютера?
Основными компонентами типичной компьютерной системы являются процессор, память, устройства ввода/вывода и соединяющие их каналы связи. Процессор — рабочая лошадка системы; это компонент, который выполняет программу, выполняя арифметические и логические операции с данными.
Термин «инженерия» в компьютерной литературе можно отнести к работе Лайла Р. Джонсона и Фредерика П. Брукса-младшего, членов отдела организации машин в главном исследовательском центре IBM в 1959 году. Джонсон имел возможность написать проприетарную исследовательскую передачу о Stretch, суперкомпьютере, разработанном IBM для Национальной мастерской Лос-Аламоса (в то время известной как Научная лаборатория Лос-Аламоса). Чтобы изобразить уровень детализации при обсуждении роскошно украшенного компьютера, он отметил, что его объяснение форматов, типов команд, аппаратных параметров и повышения скорости находится на уровне «системной архитектуры» — термина, который предполагает более полезный, чем «управление машиной».
Что такое компьютерная архитектура
Определение информатики
Хотя термин "компьютерная инженерия" звучит очень сложно, его определение проще, чем можно подумать. Компьютерная инженерия — это наука или набор правил, определяющих, как программное и аппаратное обеспечение мозга соединяются вместе и взаимодействуют, чтобы заставить компьютер работать. Он не только определяет, как работает мозг, но и какие технологии поддерживает компьютер. Мозг по-прежнему играет важную роль в нашей жизни, и архитекторы мозга перестраиваются для разработки новых и более эффективных политик и технологий.
Определение информатики
Что такое компьютерная архитектура?
Компьютерная инженерия – это спецификация, описывающая, как домашнее оборудование и программные технологии взаимодействуют для создания мозгового подиума или системы. Когда мы думаем о слове «архитектура», мы думаем о строительстве дома или здания. Помня о том же принципе, компьютерная архитектура предлагает построить компьютер и все, что входит в систему мозга. Компьютерная архитектура состоит из трех основных категорий.
- Проектирование системы. Сюда входят все аппаратные части, такие как ЦП, процессоры данных, мультипроцессоры, контроллеры памяти и прямой доступ к памяти. Эта часть является реальной компьютерной системой.
- Архитектура набора инструкций. Сюда входят функции и возможности ЦП, язык программирования ЦП, форматы данных, типы регистров процессора и инструкции, используемые программистами. Эта часть представляет собой программное обеспечение, которое запускает его, например Windows, Photoshop или аналогичные программы.
- Микроархитектура. Определяет элемент обработки и хранения данных или пути к данным, а также то, как они должны быть реализованы в архитектуре набора инструкций. Это могут быть устройства хранения DVD или аналогичные устройства.
Все эти части идут вместе в определенном порядке и должны быть разработаны по шаблону, чтобы они функционировали правильно.
Определить архитектора
Эта книга посвящена разработке и производству специализированных мозгов. Все мы знаем, что такое мозг. Это та коробка, которая стоит на вашем столе, тихонько урчит (или гремит, если вентилятор лопнул), запускает ваши программы и систематически падает (если вы не используете какую-то разновидность Unix). Внутри этой коробки находятся телевизоры, которые запускают ваше программное обеспечение, хранят ваши инструкции и соединяют вас с миром. Все дело в обработке информации. Таким образом, проектирование компьютера — это проектирование машины, которая хранит данные и обрабатывает их.
системы мозга можно разделить на два отдельных отдела . Первый и самый очевидный — это настольный компьютер. Когда вы говорите кому-то «компьютер», это машина, которая обычно приходит ему на ум. Компьютер второго типа — это встроенный компьютер, компьютер, интегрированный в другую систему для целей контроля и/или мониторинга. Встроенных компьютеров гораздо больше, чем настольных систем, но они гораздо менее очевидны. Спросите обычного человека, сколько компьютеров у него дома, и он может ответить, что один или два. На самом деле, у него может быть 30 или более штук, спрятанных в его телевизорах, видеомагнитофонах, DVD-плеерах, пультах дистанционного управления, стиральных машинах, сотовых телефонах, аспираторах, игровых консолях, духовках, игрушках и множестве других устройств.
В этой главе мы рассмотрим архитектуру компьютера в целом. Это применимо как к встроенным, так и к настольным компьютерам, потому что основное различие между встроенной машиной и компьютером общего назначения заключается в ее приложении.Базовые принципы транзакций и лежащие в их основе архитектуры принципиально одинаковы. У обоих есть процессор, память и часто несколько форм ввода и вывода. Основная характеристика заключается в их предполагаемом использовании, и это следует за конструкцией системы и их программным обеспечением. На настольных компьютерах могут выполняться различные прикладные программы, а системные ресурсы управляются операционной системой. Запуская различные рабочие программы, функциональные возможности настольного компьютера изменяются. Во-первых, его можно использовать как текстовый процессор; следующий это MP3-плеер или настольный клиент. Какое программное обеспечение загружается и запускается, находится под контролем правительства пользователя .
Как стать компьютерным архитектором
Чтобы стать компьютерным архитектором, которого часто называют архитектором компьютерных сетей, кандидат должен иметь как минимум степень бакалавра в области компьютерных наук, инженерии, информационных систем или смежных областях. Лучшие программы для начинающих компьютерных архитекторов — это компьютерные области, потому что они предлагают студентам наиболее практический опыт проектирования баз данных или сетевой безопасности, которые важны для компьютерных архитекторов. На этих занятиях также обучают студентов различным технологиям, используемым в разных сетях.
Некоторые студенты выбирают степень MBA (магистр делового администрирования) с упором на информационные системы. Преимущество этой программы в том, что она предлагает как компьютерные, так и бизнес-курсы. Даже после получения степени от соискателей может потребоваться не менее пяти лет опыта работы с ИТ-системами, прежде чем они будут приняты на работу в качестве компьютерного архитектора. Некоторые компьютерные архитекторы, набравшись достаточного опыта, становятся менеджерами компьютеров и информационных систем.
Пока у нас есть компьютеры и все компоненты, входящие в компьютерную систему, спрос на компьютерных архитекторов будет сохраняться. Ожидается, что компьютерные архитекторы увидят рост занятости на 6% в период с 2016 по 2026 год, согласно данным Бюро статистики труда США (BLS). Хотя облачные вычисления несколько уменьшили потребность в компьютерных архитекторах, они будут по-прежнему востребованы, поскольку предприятия продолжают увеличивать свои технологические потребности. BLS сообщает, что по состоянию на май 2017 года заработная плата компьютерных архитекторов по всей стране варьировалась от 58 160 до 162 390 долларов США, а средняя заработная плата составила 107 870 долларов США.
Поскольку компьютеры все больше основаны на технологиях, компьютерная архитектура по-прежнему будет интересной карьерой для кандидатов, заинтересованных в разработке этих машин.
Принстонская архитектура
Напротив, встроенный компьютер обычно предназначен для конкретной задачи. Во многих случаях встроенная система используется для замены специализированной электроники. Преимущество использования встроенного микропроцессора по сравнению с специализированной электроникой заключается в том, что функциональность системы определяется программным обеспечением, а не аппаратным обеспечением. Это делает встроенную систему проще в производстве и намного легче в развитии, чем сложную схему.
Встроенная система обычно имеет одно приложение и только одно постоянно работающее приложение. Встроенный компьютер может иметь или не иметь операционную систему, и он редко предоставляет пользователю возможность произвольно устанавливать новое программное обеспечение. Программное обеспечение обычно содержится в энергонезависимой памяти системы, в отличие от настольного компьютера, где энергонезависимая память содержит только загрузочное программное обеспечение и (возможно) низкоуровневые драйверы.
Встроенное оборудование часто намного проще, чем настольная система, но оно также может быть и намного сложнее. Встроенный компьютер может быть реализован на одном чипе всего с несколькими вспомогательными компонентами, и его назначение может быть таким же грубым, как контроллер для системы полива сада. В качестве альтернативы встроенный компьютер может представлять собой 150-процессорную распределенную параллельную машину, отвечающую за все системы полета и управления коммерческого самолета. Каким бы разнообразным ни было встроенное оборудование, основные принципы проектирования одинаковы.
В этой главе представлены некоторые важные понятия, относящиеся к компьютерной архитектуре, с особым акцентом на темах, относящихся к встраиваемым системам. Ее цель — дать вам основу перед тем, как перейти к более практической информации, которая начинается в главе 2. В этой главе вы узнаете об основах процессоров, прерываниях, различиях между RISC и CISC, параллельных системах, памяти. и ввод-вывод.
Организация и архитектура компьютера
Архитектура компьютера — это организация компонентов, составляющих компьютерную систему, а также семантика или значение операций, определяющих ее функции. Таким образом, компьютерная архитектура определяет дизайн семейства компьютеров и определяет логический интерфейс, на который нацелены языки программирования и их компиляторы. Организация определяет набор функциональных единиц, из которых состоит система, и структуру их взаимосвязи.
Семантика архитектуры — это значение того, что системы делают под руководством пользователя и как контролируются их функциональные блоки для совместной работы. Важным воплощением семантики является архитектура набора инструкций (ISA) системы. ISA представляет собой логическое (обычно двоичное) репрезентативное кодирование базового набора отдельных операций, которые может выполнять компьютерная архитектура и посредством которых прикладные программы определяют полезную работу, которую необходимо выполнить. На уровне машины аппаратная (иногда управляемая прошивкой) система напрямую интерпретирует и выполняет последовательность или частично упорядоченный набор этих основных операций.
Это относится ко всем компьютерным ядрам, от нескольких ядер в самых маленьких мобильных телефонах до потенциально миллионов ядер в крупнейших суперкомпьютерах мира. Архитектура высокопроизводительного компьютера расширяет структуру до иерархии функциональных элементов, будь то небольшие и ограниченные по возможностям или, возможно, целые процессорные ядра. В этой главе представлено множество различных классов структуры, каждый из которых использует параллелизм по-своему. Но во всех случаях это более широкое определение общей архитектуры для высокопроизводительных вычислений подчеркивает те аспекты системы, которые способствуют достижению производительности.
Высокопроизводительный компьютер предназначен для быстрой работы, а его организация и семантика специально разработаны для обеспечения скорости вычислений. В этой главе представлены основные основы компьютерной архитектуры в целом и высокопроизводительных компьютерных систем в частности. Именно здесь, на структурном и логическом уровнях, впервые представлен параллелизм операций во многих его формах и размерах. В этой главе представлено первое рассмотрение основных форм архитектуры суперкомпьютеров и основополагающих концепций, определяющих их производительность.
Какие четыре уровня компьютерной архитектуры?
Если вы ограничились четырьмя уровнями, их можно определить как 1) алгоритм, 2) язык программирования/компилятор, 3) процессор/память, 4) ввод-вывод. Другие определения абстракции могут содержать три уровня: 1) приложение, 2) системное программное обеспечение, 3) аппаратное обеспечение.
Что такое компьютерная архитектура и ее типы?
Существует несколько основных типов компьютерной архитектуры, в том числе машины-аккумуляторы, машины стека и машины загрузки-хранилища. AC или аккумуляторная машина — это тип компьютерной архитектуры, который считается практически неиспользуемым, и примером этого является EDSAC.
Какова базовая архитектура компьютера?
Основными компонентами типичной компьютерной системы являются процессор, память, устройства ввода/вывода и соединяющие их каналы связи. Процессор — рабочая лошадка системы; это компонент, который выполняет программу, выполняя арифметические и логические операции с данными.
Читайте также: