С компьютерами в современной жизни человек сталкивается каждый день. Преимущественно это происходит на пользовательском уровне, мы не задумываемся о том, что происходит внутри ПК, планшета, лэп-топа или смартфона. В этом и нет особой необходимости — пользователя интересует только вопрос, как ввести информацию, формулирующую задачу, и как получить ожидаемый результат. Обычно в современных компьютерах информация выводится в виде звукового или видеофайла, текста или графики на дисплее.
Между тем внутри «черного ящика» компьютера происходят сложные процессы, обеспечивающие как расшифровку задачи, так и ее решение и предоставление данных в удобном для чтения виде. Схема компьютера состоит из нескольких элементов, каждый из которых выполняет свои задачи. Это:
- процессор,
- оперативная память,
- видеокарта,
- основная память,
- каналы передачи данных.
Все эти узлы связаны очень сложной системой передачи данных, обеспечивающих взаимопонимание и эффективную реализацию своих возможностей. Сложность в построении компьютера заключается в том, что выпускаются они на базе различных процессоров, используют разные языки программирования, обладают отличающимся объемом памяти, но работать должны над решением одних и тех же задач, связываться по одной сети и как то понимать друг друга.
Рассматривая эти проблемы в комплексе, конструкторы компьютеров и ЭВМ разработали принципы построения вычислительной техники, которые унифицируют подходы к аппаратной и программной части. То есть, в определенном понимании нормируют, как должны быть расположены части компьютера, и каким образом они должны взаимодействовать.
Понятие архитектуры и структуры компьютера — это именно правила построения электронной части конструкции и задание путей прохождения данных по системе. Компьютеры разных производителей строятся на схожих принципах, что позволяет программисту понимать процессы, происходящие в них и разрабатывать ПО, способное работать на разных типах машин.
На базе архитектуры строится структура конкретной модели, то есть, расположение узлов и деталей для реализации принципов выбранной архитектуры. Учитывая то, что компьютеры используются практически во всех сферах жизни, их считают сотнями миллионов работающих единиц, разработано несколько типов архитектуры.
Наиболее распространенная архитектура названа по имени одного из основоположников кибернетики — фон Неймана. Это простая система, в которой работает один процессор, который передает данные на исполнительные устройства, видеокарту, звуковой блок, память и т.д. по одной общей шине (системной магистрали).
Процессор, память, видеокарта — вполне осязаемые физически части компьютера. Магистраль тоже понятие не абстрактное, а многопроводная линия с гнездами и разъемами. Магистраль разделена на шину адресов, шину данных и шину управления. Также в архитектуру входят контроллеры — узлы, передающие данные на внешние периферийные устройства. Такими устройствами служат мониторы, принтеры, динамики и т.д.
Контроллеры необходимы для разгрузки процессора. Если бы он управлял всей периферией самостоятельно, то температура нагревания превысила бы техническую выносливость. Делегируя функции управления контроллерам, процессор разгружается, а функционал системы возрастает.
Этот тип архитектуры разработанный фон Нейманом и сформулирован в виде основополагающих принципов:
- Программного управления — все действия компьютера выполняются после поступления последовательных команд, которые обрабатываются процессором поочередно,
- Однородности памяти. Команды и данные сохраняются в одной памяти и над ними выполняются одинаковые действия,
- Адресности — память компьютера, это пронумерованные ячейки, которые легко найти, зная код им соответствующий.
Такая архитектура построения компьютеров называется классической. Созданная в середине ХХ столетия архитектура ЭВМ используется по настоящее время в персональных ПК и других компьютерах с относительно ограниченным функционалом. Реализуется архитектура фон Неймана с использованием таких узлов, которые вы найдете в любом ПК:
- системная плата,
- накопитель (жесткий диск),
- блок питания,
- накопитель на гибком диске,
- разъемы и порты.
Самая сложная часть — системная плата, на которой расположены микропроцессор, сопроцессор, генератор импульсов такта, схемы памяти, видео и звуковая карта, таймер, контроллеры. Магистрально модульный принцип реализации архитектуры позволяет заменять отдельные части, создавая свою конфигурацию, но не меняя общей архитектуры.
Другой вариант системы — многопроцессорная архитектура компьютера. Само название говорит о том, что логических блоков здесь несколько (от двух). В такой машине общая оперативная память, но данные даже одной задачи могут обрабатываться разных процессорах параллельно, разбиваясь на фрагменты. Такая архитектура названа Гарвардской, по месту ее создания. Главное отличие от классической — потоки и места хранения данных и команд разделены физически. Если в классической архитектуре процессор или читает команду, или выполняет ее, то в гарвардской это происходит одновременно, что повышает быстродействие.
Оба вида архитектуры используют один вид предоставления данных — двоичный. Процессор может работать только на двух уровнях напряжения. Один символизирует 0, а второй — единицу. Любая команда и любой сигнал на контроллер преобразуется в набор единиц и нулей, понятные для компьютера, построенного на любом виде архитектуры.