Введение в архитектуру персональных компьютеров

1. Введение в архитектуру персональных компьютеров

Лекция
к.т.н Ливак Е.Н.

2. Архитектура ПК

Архитектурой принято называть
совокупность всех программно доступных
аппаратных средств процессора.
Понятие архитектуры является комплексным и включает в себя
структурную схему компьютера;
средства и способы доступа к элементам структурной схемы;
организацию и разрядность интерфейсов;
набор регистров;
организацию и способы адресации памяти;
способы представления и форматы данных;
набор машинных команд;
форматы машинных команд;
2

3.

В основе любого устройства лежат
базовые принципы, на основе которых в дальнейшем
строится система
Набор этих принципов часто называется архитектурными
принципами
Рассмотрим архитектурные принципы, положенные в
основу компьютерной техники
3

4.

Рассмотрим альтернативные архитектурные
принципы на примере
компании IBM (International Business
Machines)
компании Apple Computer
4

5. IBM-совместимые компьютеры

строятся на базе принципа открытой архитектуры:
– компьютер составлен из отдельных узлов (блоков),
–
пользователю предоставляются широкие возможности изменять
состав компьютера, заменяя одни узлы другими
Производством узлов для IBM-совместимых компьютеров и сборкой
самих компьютеров занимаются компании из разных стран
Такой подход к построению компьютера предоставляет
1) возможности для массового производства
2) широкие возможности дальнейшего совершенствования
5

6. IBM (International Business Machines)

Big Blue (голубой гигант)
Thomas John Watson
один из крупнейших в мире производителей
и поставщиков аппаратного и программного обеспечения,
IТ-сервисов и консалтинговых услуг
Американская компания (Армонка, штат Нью-Йорк)
Основана в 1911 г
Основатель Чарльз Рэнлетт Флинт
Гендиректор (1914-1956) - Томас Джон Уотсон
Президент (1952-1971) Томас Джон Уотсон (младший)
Thomas John Watson Jr
6

7. IBM в прошлом

Начинали с табуляционных машин (для обработки данных переписи
населения). Затем электрическое оборудование (от весов до перфораторов)
В 1943 году началась история компьютеров IBM:
–
был создан Марк I (4,5 тонны).
в 1952 году IBM 701 - первый большой компьютер, работавший на лампах
В 1959 году ~ первые компьютеры IBM на транзисторах
1981 год - персональный компьютер IBM PC
–
640 Кб ОП, ОС - DOS от Microsoft
IBM PC — персональный компьютер, архитектура которого стала стандартом
де-факто для отрасли с 80-х годов XX века,
Именно открытая архитектура IBM PC во многом способствовала огромному
успеху IBM PC, массовому выпуску IBM-совместимых компьютеров (клонов)
множеством компаний и в конечном итоге наступлению
эры персональных компьютеров и компьютерной революции
7

8. IBM производит

Микропроцессоры архитектуры POWER
Серверы на базе процессоров POWER: Power Systems, PureApplication,
PureData
Мейнфреймы серии IBM System z
Суперкомпьютеры: Blue Gene, Deep Blue, IBM Watson, Summit (Top500
c июня 2018 по июнь2020)
Системы хранения данных: IBM System Storage
и многое другое
8

9. Ранее IBM производила (но продали известным брендам):

Серверы x86-архитектуры: System x, BladeCenter, Flex System,
NeXtScale, iDataPlex — в 2014 году подразделение продано
китайской компании Lenovo Group
Ноутбуки ThinkPad и настольные ПК ThinkCentre — в 2004 году
продано компании Lenovo Group
Системы расчётно-кассовых терминалов (POS) —продано
компании Toshiba TEC
НЖМД - продано компании Hitachi
Принтеры - несколько подразделений продано американской
корпорации Lexmark и японской компании Ricoh Company, Ltd.
9

10. IBM сегодня

С 2014 IBM объявила об инвестировании 1 млрд долларов в развитие
проекта Watson и о создании нового подразделения когнитивных
вычислений Watson Business Group - разработка и коммерциализация
облачных когнитивных (с элементами искусственного интеллекта)
сервисов в таких областях, как здравоохранение, финансы, путешествия,
телекоммуникации и розничная торговля
С 2017 - проект IBM Q - создание первого в мире универсального
квантового компьютера
На конференции IBM Think 2018 представители компании презентовали
самый маленький компьютер в мире на сегодняшний день. Этот
компьютер имеет размер 1 на 1 миллиметр, что сопоставимо с размером
крупинки поваренной соли. Стоимость производства одного такого
компьютера оценивается меньше, чем в 10 центов
С 2019 - квантовые компьютеры
10

11.

Стив Джобс
(1955 – 2011)
Основатель Apple Inc.
В далеком прошлом –
отец персонального
компьютера
В недавнем прошлом –
отец iPod, iPhone, iPad

12. Macintosh или Mac [mæk] 

Macintosh или Mac [mæk]
-линейка
персональных компьютеров корпорации Apple
Работают под управлением операционных систем семейства Mac OS,
семейства Windows (NT), A/UX, NeXTSTEP, BeOS/Haiku GNU/Linux и Rhapsody
Своё название получили от сорта яблок «Malus 'McIntosh'» (Мекинтош)
Джон Скалли – руководитель
Первый Mac был выпущен 24 января 1984 года
С июня 2020 года Apple официально объявила
о переводе Макинтошей на собственные
процессоры с архитектурой ARM
( преимущества –
энергоэффективность и скорость)
12

13. Macintosh или Mac [mæk] 

Macintosh или Mac [mæk]
Модельный ряд (Википедия)
Pro — профессиональные ноутбуки (с 2006)
MacBook Air — ультратонкий ноутбук для интернет-сёрфинга и
простых задач (с 2008)
MacBook — ноутбук на базе macOS (с 2008)
Mac Pro — настольные компьютеры класса «рабочая станция»
iMac — компьютеры «всё в одном» (монитор, системный блок, аудиовидео-периферия) (с 1998)
Mac mini — системные блоки персональных компьютеров (с 2005)
iMac Pro - линейка профессиональных моноблоков (с 2017)
MacBook
13

14. Закрытая архитектура Macintosh

Особенности
Закрытая архитектура
Macintosh
все основные узлы компьютера размещены на одной плате
(поэтому замена узлов невозможна),
пользователю предоставляются минимальные возможности по
вмешательству в работу системы.
Согласно принципу Apple
изготовлением узлов и сборку компьютера должна осуществлять одна фирма,
а настройкой компьютера и заменой его узлов должны заниматься только
профессионалы.
высокое качество и надежность ПК Macintosh
14

15. Нынешний глава Apple - Тим Кук

22 года работает в Apple, с 1998
из них 13 лет вместе со Стивом Джобсом , вице-президент
До Apple 12 лет работал в компании IBM
(дорос там до регионального директора по продажам)
С 2011 - гендиректор Apple Inc.
15

16. Эпоха Тима Кука (Apple)

Над iPhone изначально вовсе насмехались, называя дорогим провалом.
Стив Балмер (гендиректор Microsoft): «у iPhone нет никаких шансов
завоевать хоть сколько-нибудь значимую долю рынка».
Но … в итоге к 2015 году Apple не просто заняла значимую долю, она стала
лидером на рынке мобильных телефонов
Умные часы Apple Watch через 3 года после запуска заняли самую большую
долю этого рынка — больше, чем вся швейцарская часовая индустрия
AirPods стали хитом и изменили мир беспроводных наушников
Система мобильных платежей Apple Pay стала крупнейшей системой
бесконтактных платежей в США
Система распознавания лиц Face ID (в iPhone X и более новых моделях)
16

17. Apple Inc.

В мире
нефтяная компания
Saudi Arabian oil company
(в 2020 – 6.8 трлн. дол)
В августе 2018 г Apple стала первой американской компанией
стоимостью 1 триллион долларов
–
–
осенью 2018 - Amazon (Джефф Безос)
в 2019 – Microsoft (Сатья Наделла) 1,3 триллиона
В августе 2020 г – Apple - первая в мире компания стоимостью
2 трлн. дол
17

18. Общие архитектурные свойства и принципы

!!! Эти свойства и принципы присущи
всем современным машинам
фон-неймановской архитектуры (с 1948 г)
Джон фон Нейман
Герман Голдстайн
Артур Бёркс
Руководители:
Джон Эккерт
Джон Уильям Мокли
Джон фон Не́йман
1903-1957
по заказу Армии США в Пенсильванском университете
ЭНИАК - первый в мире ламповый компьютер – первый перепрограммируемый
компьютер (электронный вычислитель) (1944, десятичная система)
EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) — одна из первых
электронных вычислительных машин (принципы 1946, двоичная система)
Но… первые 3 компьютера фон-неймановской архитектуры были разработаны
Великобританией (Манчестерский (1948, 1949) и Кембриджский университеты (1949)
Двоичная система для представления чисел
Фон Нейман, Голдстайн и Бёркс предложили и обосновали простота технической реализации, простота арифметических и логических операций)
18

19. Общие архитектурные свойства и принципы

Принцип хранимой программы
(совместное хранение команд и данных в
памяти + адреса)
Код программы (инструкции) и ее данные находятся в едином адресном
пространстве в ОП.
С точки зрения процессора нет принципиальной разницы между данными и
командами.
Первоначально программа задавалась путём установки перемычек
на специальной панели
Требовались ДНИ, чтобы установить другую программу
А выполнение - минуты
Принцип микропрограммирования
В состав процессора входит блок микропрограммного управления. Этот блок для
каждой машинной команды имеет набор действий-сигналов, которые нужно
сгенерировать для физического выполнения требуемой машинной команды.
19

20. Общие архитектурные свойства и принципы

Линейное пространство памяти
ОП организована как совокупность ячеек памяти (байтов, слов),
которым последовательно присваиваются номера (адреса) 0, 1, 2
…
Последовательное выполнение программ
Процессор выбирает из памяти команды строго последовательно.
Для изменения прямолинейного хода выполнения программы или
осуществления ветвления необходимо использовать специальные
команды условного и безусловного перехода.
Безразличие к целевому назначению данных
Машине все равно, какую логическую нагрузку несут
обрабатываемые ею данные.
20