Quin és el edifici bàsic de qualsevol ordinador?

arquitectura de l' ordinador sovint s'utilitza per referir-se a una àrea d'especialització dins de la disciplina acadèmica de ciència de l' ordinador . En altres ocasions, la frase arquitectura de l' ordinador Pot ser que s' usi per a referir- se a una especificació específica de la màquina, com ara SPARConstellation name (optional) , Intel X86 , PowerPCLanguage , o Motorola 680x0 . Una designació més precisa per especificar aquestes màquines és Activitat establerta d' instrucció (ISA). Als anys 80, quan els programes d'arquitectura de l'ordinador van començar per primera vegada als departaments de ciències de l'ordinador a diverses universitats, es va fer èmfasi pesada en la recerca relacionada amb el disseny d'ISA millor. Avui dia, la indústria s'ha adherit a un programari diferent de ISA i tendeix a reconstruir-les una vegada i una altra amb maquinari més ràpid, així que l'arquitectura de l'ordinador s'ha mogut a centrar-se més en les maneres de millorar el maquinari i el sistema que en el disseny de la nova ISA. La disciplina acadèmica de l'arquitectura de l'ordinador, per tant, tendeix a sobreposar-se d'alguna manera amb els camps anomenats enginyeria informàtica , o semblant, que normalment estan localitzats dins de la disciplina acadèmica de Enginyeria elèctrica . El camp conegut com a arquitectura de l' ordinador pot tocar tots els aspectes de com es poden especificar els ordinadors específics, construir i verificar ( provat).

Aquest article discutirà els conceptes bàsics de l'organització informàtica, i els articles relacionats s' expandiran en cada part bàsica, ja que el disseny dels ordinadors implica una àmplia i complexa sèrie de tecnologies.

Continguts

Bàsics de l' organització informàtica

Els blocs de construcció bàsics d'un electrònica , l'ordinador general depurposa és l'ordinador Processador , the Memòria , i els dispositius d' entrada i de sortida (conclotivament terme I/O). Cada un d'aquests blocs de construcció està connectat a un recurs compartit." busDescription of a condition. Do not translate key words (# V1S #, # V1S #, # V1 #,...) "Això és un paquet de cables per dur a terme senyals elèctriques equivalents al binari 0's o 1's. D'aquesta manera, números binaris (els " dades "Per ser manipulat pel processador) es pot transmetre de la memòria al processador, on es canvia i després el resultat es torna a la memòria. Més tard, des de la memòria, les dades es poden transmetre sobre l'autobús a un dispositiu de sortida com una impressora.

És clar, ja que normalment hi havia un autobús, cada part de l'ordinador havia d'esperar el seu torn, i tot havia de passar en l'ordre correcte durant el temps. El moviment dels senyals elèctriques ("informació") a través dels blocs de construcció de l' ordinador s' ha sincronitzat i coordinat per un circuit especial, anomenat el Unitat de control , per mitjà d'un senyal elèctric anomenat un rellotge que les unitats de control envien a totes les altres parts de l'ordinador. La unitat de control normalment forma part del processador.

El primer electrònica , els ordinadors generals han d'ésser ordenats com manipular les dades mitjançant físicament reprogramar-les Processador de l'ordinador, mentre que la memòria de l'ordinador contenia l'ordinador dades Per ser manipulats. Però aviat es va fer un gran avenç conceptual durant l'edifici de l'Acía en els anys 40. Els dissenyadors ideals es van adonar que un ordinador es podia dissenyar per emmagatzemar les dues instruccions de la màquina i les dades a manipular al banc de memòria de l'ordinador. Aquest concepte s'ha adoptat immediatament en tots els dissenys d'ordinadors subsegüents i encara s'usa avui. Tot i que no va inventar el concepte, el matemàtic John von Neumann va ser el primer a documentar-lo, i així a vegades la frase Von Neumann arquitectura (o Von Neumann l' ordinador) s' ha usat per descriure el programa, així com les dades, en la memòria d' un ordinador. Es pot veure la memòria d'un ordinador com una llista de cèl·lules, cadascuna amb una única i numerada "adreça." Cada cel· la pot emmagatzemar una petita quantitat d' informació fixada (un número binari). Aquest número binari pot ser una instrucció, dient a l'ordinador què fer, o dades que l'ordinador processarà segons el programa o les instruccions. En principi, qualsevol cel· la pot usar- se per a emmagatzemar qualsevol instruccions o dades; en la pràctica, els ordinadors estan dissenyats per ajudar als programadors a assegurar- se que les instruccions i les dades, mentre que ambdós s' emmagatzemen en algun lloc de la memòria, no es barregen accidentalment.

La ALU és en molts sentits el cor de l'ordinador. És capaç de realitzar dues classes d'operacions bàsiques. La primera és les operacions aritmètica; per exemple, afegir o restar dos nombres junts. El conjunt d'operacions aritmètica poden ser molt limitades, de fet, alguns dissenys no permeten directament les operacions de multiplicació i divisió (en comptes, usuaris donen suport a la multiplicació i divisió mitjançant programes que fan múltiples sumes, restaries, i altres manipulació de dígits). La segona classe d'operacions ALU implica Compara Operacions: dona dos nombres, determinants si són iguals, o si no són iguals que és més gran.

Els sistemes I/O són els mitjans pels quals l'ordinador rep informació del món exterior, i informa els resultats d'aquest món. En un ordinador personal típic, els dispositius d' entrada inclouen objectes com el teclat i el teclat ratolí , i els dispositius de sortida inclouen Monitors d' ordinador , Impressores i com ara, però es tractarà més endavant una gran varietat de dispositius es poden connectar a un ordinador i servir com a dispositius I/O.

El sistema de control està relacionat amb tot això junts. La seva feina és llegir instruccions i dades de la memòria o dels dispositius I/O, descodificar les instruccions, proporcionar a l'ALU amb les dades correctes d'acord amb les instruccions, "senyal" l'operació ALU que ha de realitzar en aquestes entrades, i enviar els resultats de retorn a la memòria o als dispositius IO. Un component clau del sistema de control és un comptador que manté la pista de quina és l' adreça de la instrucció actual, normalment, això s' incrementa cada vegada que s' executa una instrucció, a menys que la instrucció es indica que la següent instrucció ha de ser en alguna altra localització (permet que l' ordinador executi repetidament les mateixes instruccions).

El funcionament d'un ordinador com aquest és en principi bastant senzill. Normalment, en cada cicle del rellotge, l'ordinador agafa instruccions i dades de la seva memòria. Les instruccions s' executen, els resultats s' emmagatzemen, i la següent instrucció s' obtindrà. Aquest procediment es repeteix fins a un atura S' ha trobat una instrucció.

El conjunt d' instruccions interpretades per la unitat de control, i executat per l' ALU, està limitat en nombre, definit exactament, i operacions molt simples. Broadly, s'ajusten en una o més de quatre categories: 1) movent les dades des d' una ubicació a una altra (un exemple pot ser una instrucció que "senyals" la CPU a "copir el contingut de la cel· la de memòria 5 i posar la còpia a la cel· la 10"). 2) executant l' aritmètica i processos lògics a les dades (per exemple, " afegeix el contingut de la cel· la 7 al contingut de la cel· la 13 i col· loca el resultat en la cel· la 20"). 3) provar la condició de dades ("si el contingut de la cel· la 999 són 0, la següent instrucció és a la cel· la 30"). 4) altà la seqüència d' operacions (l' exemple anterior altera la seqüència d' operacions, però les instruccions com "la següent instrucció està a la cel· la 100" també són estàndard.

Instruccions, com dades, són representats dins de l' ordinador com binari codi Aerograd un sistema base de comptes. Per exemple, el codi d'una operació de "copia" a la línia Intel x86 dels microprocessadors és 10110000 [[ 1]] . El conjunt d' instruccions particulars que un ordinador específic suporta és conegut com el d' aquest ordinador Idioma de màquina . Usant un llenguatge de màquina ja popular fa molt més fàcil executar programari existent en una nova màquina; per tant, en els mercats en què la disponibilitat comercial del programari és important, els proveïdors de la disponibilitat s'han revertit en una o un nombre molt petit d'idiomes diferents de màquines.

Superordinadors Sovint hi ha arquitectures molt usuals molt diferents de l'arquitectura bàsica del programa emmagatzemat, de vegades amb milers de CPU, però aquests dissenys tendeixen a ser útils només per a tasques especialitzades. A l'altre extrem de l'escala de mida, alguns microcontroladors Usa l' ús Arquitectura de Harvard això assegura que el programa i la memòria de dades són lògicament separats.

circuits digitals

El disseny conceptual de dalt es pot implementar usant una varietat de tecnologies diferents. Tal i com s' ha mencionat prèviament, es podria dissenyar un ordinador de programa emmagatzemat totalment dels components mecànics com BabbageCity name (optional, probably does not need a translation) els dispositius o els Digi-Comp ICity name (optional, probably does not need a translation) . No obstant això, circuits digitals permet lògica Booleana i aritmètica usant números binaris s' ha d' implementar l' ús Repetició electrònica . La famosa Shannon thesis va mostrar com es podien arranjar els repetidors per formar unitats anomenades portes lògiques , implementa operacions Booleans simples. Altres van descobrir que tubs d' buit En el seu lloc, es poden usar dispositius electrònics ▁electronic. S' han usat tubs Vacuum originalment com a senyal amplificador Per ràdio i altres aplicacions, però es van usar en l'electrònica digital com a un canvi molt ràpid, quan es proporciona l'electricitat a un dels pins, el corrent pot viatjar entre els altres dos.

A través de les portes lògiques, un pot construir circuits digitals per fer tasques més complexes, per exemple, un adder , que implementa a l'electrònica del mateix mètode a la terminologia d'ordinadors, una Algorisme eka per afegir dos nombres junts que els nens són ensenyats a que el koffice afegeixi una columna cada vegada, i dur el que queda. Al final, a través de circuits de combinació, es pot construir un sistema de control i ALU complet. Això requereix un nombre considerable de components. CSIRAC , un dels primers ordinadors del programa emmagatzemats, probablement està a prop del disseny més petit pràcticament útil. Va tenir unes 2000 vàlvules, alguns dels quals eren components "duals" [4] , això representa entre 2.000 i 4.000 components de lògica.

Els tubs de Vacuum van tenir limitacions greus per a la construcció dels grans números de les portes. Eren cars, poc fiables (particularment quan s'utilitzaven en tanta quantitat), es van prendre un munt d'espai, i utilitzaven molta potència elèctrica, i, mentre que increïblement ràpid comparava amb un interruptor mecànic, van tenir límits a la velocitat en què podien operar. Per tant, els anys 60 van ser substituïts pels anys 60. Transistor , un nou dispositiu que va realitzar la mateixa tasca que el tub, però era molt més petit, més ràpid operatiu, fiable, utilitzat molt menys poder, i era molt més barat.

Als anys 60 i anys 70, el transistor mateix va ser substituït gradualment per la circuit integrat , que va col·locar múltiples transistors (i altres components) i els cables que els connectaven en una sola peça de silici sòlid. Durant els anys 70, tota la unitat d'ALU i control, la combinació es converteix en coneguda com a CPU , estaven sent col·locats en un sol "chip" anomenat un microprocessador . Sobre la història del circuit integrat, el nombre de components que es poden situar en un ha crescut enormement. El primer IC conté unes poques desenes de components, com a 2006, el processador "Intel Core Duo" conté 151 milions de transistors. [5]

Tubs, transistors i transistors en circuits integrats es poden fer servir com a component "storatge" de l'arquitectura del programa emmagatzemat, utilitzant un disseny de circuits coneguts com a un disseny de circuit conegut com a Gira- floop Es fan servir per a petites quantitats d'emmagatzematge d'alta velocitat. No obstant això, alguns dissenys d'ordinadors han fet servir girs per a la major part de les seves necessitats d'emmagatzematge. En comptes d' això, el primer ordinador emmagatzemat de dades Rapates Williams ▁essentially, projectant alguns punts en una pantalla de TV i llegint-los una altra vegada, o Línies de retard de mercuri on les dades s' han desat com a polss de so viatge lentament (comparats a la màquina mateixa) al llarg de llargs tubs plens de mercuri. Aquests mètodes una mica poc importants però, finalment, van ser substituïts per dispositius de memòria magnètics, com Memòria de nucli magnètic , on s'utilitzen els corrents elèctrics per introduir un camp magnètic permanent (però feble) en alguns material ferrós, que podria ser llegit per recuperar les dades. Al final, DRAM Es va presentar. Una unitat DRAM és un tipus de circuit integrat que conté grans bancs d' un component electrònic anomenat un Capacitor Que pot guardar una càrrega elèctrica durant un període de temps. El nivell de càrrega en un capacitor es pot establir per a emmagatzemar informació, i després es mesura per a llegir la informació quan sigui necessari.

Dispositius d' E/ S

L' E/O (cutable per a l' entrada/ output) és un terme general per als dispositius que envien informació d' ordinadors des del món exterior i que retornen els resultats dels càlculs. Aquests resultats es poden veure directament per un usuari, o es poden enviar a una altra màquina, amb el control assignat a l' ordinador: En un robot , per exemple, el dispositiu de sortida principal de l'ordinador és el robot mateix.

La primera generació d' ordinadors van ser equipades amb un abast limitat dels dispositius d'entrada. Acard symbol Targeta de puny Lector, o alguna cosa semblant, s' utilitza per introduir instruccions i dades a la memòria de l' ordinador, i algun tipus d' impressora, normalment s' ha modificat teletype , es va fer servir per enregistrar els resultats. Durant els anys, s' han afegit altres dispositius. Per a l'ordinador personal, per exemple, teclats i ratolins són les maneres principals que la gent entra directament informació a l' ordinador; i Monitors és la manera primària en la que es presenta la informació de l' ordinador a l' usuari, però Impressores , Altaveus I els auriculars també són comuns. Hi ha una gran varietat d' altres dispositius per obtenir altres tipus d' entrada. Un exemple és el Càmera digital , que es pot usar per introduir informació visual. Hi ha dues classes importants dels dispositius I/O. La primera classe és la de Emmagatzematge secundari dispositius, com ara Discs durs , CD- ROM , unitats de tecla i la forma com, que representa relativament lent, però dispositius d' alta categoria, on la informació es pot emmagatzemar per a la recuperació posterior, la segona classe és que els dispositius usats per accedir a l'accés xarxes d' ordinadors . L'habilitat de transferir dades entre ordinadors ha obert un enorme abast de capacitats per a l'ordinador. El món Internet Permet a milions d' ordinadors transferir informació de tots els tipus entre els altres.

Programes

Programes d' ordinador són simplement llistes d' instruccions de l' ordinador a executar. Això pot abastar unes quantes instruccions que fan una tasca simple, a una llista d' instruccions molt més complexes que també poden incloure taules de dades. Molts programes informàtics contenen milions d' instruccions, i moltes d'aquestes instruccions s' executen repetidament. Un modern típicName PC (en l'any 2005) pot executar prop de 3 mil milions d' instruccions per segon. Els ordinadors no guanyen les seves capacitats extraordinàries mitjançant l'habilitat d'executar instruccions complexes. Més aviat, fan milions d' instruccions simples preparades per gent coneguda com programadors .

A la pràctica, la gent normalment no escriu les instruccions dels ordinadors directament en el llenguatge màquina. Aquesta programació és una pèrdua de temps i ús d'error, fent programadors menys productius. En comptes d'això, els programadors descriuen les accions desitjades en un "alt nivell" idioma de programació que es tradueix automàticament en l' idioma de la màquina per programes d'ordinador especial ( intèrprets i compiladors ). Alguns mapes de llenguatges de programació molt a prop del llenguatge de la màquina, com Idioma d' assemblador ( Idiomes de nivell baixa); a l' altra banda, idiomes com PrologLanguage Es basen en els principis abstractes molt eliminats dels detalls de l' operació real de la màquina (en els idiomes d' alt nivell). L' idioma escollit per a una tasca en particular depèn de la naturalesa de la tasca, l' habilitat dels programadors, disponibilitat i, sovint, els requeriments dels clients (per exemple, projectes per als militars dels Estats Units sovint eren necessaris en el Idioma de programació Ada ).

Programari d'ordinador és un terme alternatiu per a programes informàtics; és una frase més inclusiu i inclou tot el material acallar que acompanya el programa necessari per a realitzar tasques útils. Per exemple, a Joc de vídeo Inclou no només el programa, sinó també dades que representen les imatges, sons i altres materials necessaris per crear l' entorn virtual del joc. Acard symbol Aplicació d' ordinadors és una peça de programari d'ordinadors proveït a molts usuaris d'ordinadors, sovint en un entorn de detall. L' exemple modern estèreo d' una aplicació és potser el suite d' oficina , un conjunt de programes relacionats amb les tasques d'oficina habituals.

Anar de les capacitats extremadament simples d'una instrucció d'idiomes d'una sola màquina a les capacitats de programes d' aplicació vol dir que molts programes d'ordinador són extremadament grans i complexes. Un exemple típic és Windows XPComment , creada des d' aproximadament 40 milions línies del codi d' ordinador en el C++ idioma de programació ; [6] Hi ha molts projectes d'un àmbit encara més gran, construïts per grans equips de programadors. La gestió d'aquesta complexitat enorme és la clau per a fer aquests projectes possible; les llengües de programació i les pràctiques de programació, habiliteu la tasca a dividir- se en petites i menors proseccions fins que arribin en les capacitats d'un únic programador en un període raonable.

No obstant això, el procés del programari en desenvolupament encara és lent, impredictible i d'error, la disciplina de enginyeria de programari Ha intentat, amb algun èxit, fer que el procés sigui més ràpid i més productiu i millorar la qualitat del producte final.

Un problema o un model és computacional Si està formalitzat d'aquesta manera es pot transformar en forma d'un programa d'ordinador. La millora és el greu problema d'investigació humana, social i psicològics, per exemple, sistemes moderns, cognitius i sociològics [7] Els enfocaments desenvolupen diferents intents per a l' especificació computacional del seu coneixement "soft."

Biblioteques i sistemes operatius

Poc després del desenvolupament de l'ordinador, es va descobrir que algunes tasques eren necessàries en molts programes diferents; un exemple primerenc va ser informàtica algunes de les funcions matemàtiques estàndard. Pel que fa a l'eficiència, les versions estàndard d'aquestes es van recollir a les biblioteques i es van fer disponibles per a tots els que les necessitaven. Un conjunt de tasques especialment comú relacionat amb els detalls de la valoració "talçant" als diversos dispositius I/O, de manera que les biblioteques per a aquestes es van desenvolupar ràpidament.

Per als anys 60, amb ordinadors en un ampli ús industrial per a molts propòsits, es va fer comú que s'utilitzen per a molts treballs diferents dins d'una organització. Aviat, el programari especial per a automatitzar la planificació i l'execució d'aquests treballs es van tornar disponibles. La combinació de gestió de treballs "hardware" i de planificació es van conèixer com " Sistema operatiu "; l'exemple clàssic d'aquest tipus de sistema operatiu primerenc era OS/360 per IBM . [8]

El següent desenvolupament important en sistemes operatius va ser Compartició de tempsComment 2001- 2009 la idea que múltiples usuaris podrien usar la màquina "simultaniment" mantenint tots els seus programes a la memòria, executant el programa de cada usuari per un curt temps per tal de proporcionar la il·lusió que cada usuari tenia el seu propi ordinador. Aquest desenvolupament requereix un sistema operatiu per proveir els programes de cada usuari amb una màquina de "virtual" de manera que el programa d' un usuari no ha pogut interferir amb els d' un altre (per accident o disseny). L' interval de dispositius que els sistemes operatius també s' han de gestionar; n' hi havia un de no vàlid Discs durs ; la idea de "fitxers" individual i una estructura jeràrquica de " directories" (ara sovint anomenada carpetes) simplifica totalment l' ús d' aquests dispositius per a l' emmagatzematge permanent. Controls d' accés de seguretat, permetent que els usuaris d' ordinadors només accedeixin als fitxers, directoris i programes que tenien permisos per usar, també eren comuns.

Una altra suma més important del sistema operatiu va ser eines per proveir programes amb un estàndard estàndardName Interfície gràfica d'usuari . Tot i que hi ha algunes raons tècniques per les que una interfície gràfica ha d'estar lligada a la resta d'un sistema operatiu, permet que el venedor del sistema operatiu encoratja tot el programari per al seu sistema operatiu tingui una interfície similar i que actua.

Amb la pujada de la Internet La majoria de sistemes operatius tenen una pila de xarxa TCP/IP. Igual que els discs durs en sistemes operatius induïts per tal d'obtenir abstracció de fitxers i directoris, el maquinari de xarxa va induir abstracció, com els sòcols i els URL. La connexió normal d'ordinadors a Internet va augmentar la importància de la seguretat en sistemes operatius i com a sistemes operatius han hagut d'adoptar tallafocs, encriptatge, actualització i protecció en temps d'execució.

A fora d'aquestes funcions "core", els sistemes operatius s'envien normalment amb una sèrie d'altres eines, alguns dels quals poden tenir una petita connexió amb aquestes funcions principals originals però han estat útils pels clients suficients per a que un proveïdor els inclogui. Per exemple, Apple's Mac OS X Naus amb un Editor de vídeo digital Aplicació.

Els sistemes operatius per a petits ordinadors poden no proveir totes aquestes funcions. Els sistemes operatius per a aviat microordinadors Amb memòria limitada i capacitat de processament no ho va fer, i Ordinadors incrustats Normalment, disposa de sistemes operatius especialitzades o de cap sistema operatiu, amb els seus programes d' aplicació personalitzats realitzant les tasques que d' altra manera podrien ser delegats a un sistema operatiu.

Models d' càlculs alternatius

Malgrat els guanys massius de velocitat i capacitat sobre la història de l'ordinador digital, hi ha moltes tasques per a les quals els ordinadors actuals són inadequats. Per algunes d'aquestes tasques, els ordinadors convencionals són fonamentalment inadequats, perquè el temps portat a trobar una solució es torna molt ràpidament com la mida del problema a resoldre les expandicions. Per tant, hi ha hagut una investigació interessada en alguns models informàtics que utilitzen processos biològics, o les rareses de Física quàntica , per abordar aquests tipus de problemes. Per exemple, Cric d'ADN Es proposa usar processos biològics per resoldre certs problemes. A causa de la divisió exponencial de les cèl·lules, un sistema de computació d'ADN pot abordar un problema d'una manera molt paral·lel. No obstant això, un sistema com aquest està limitat per la massa màxima d'ADN pràctica que es pot gestionar.

Ordinadors termàms , com el nom implica, aprofiteu el món inusual de la física quàntica. Si s'ha construït un ordinador quàntic pràctic, hi ha un nombre limitat de problemes pels quals l'ordinador quàntica és fonamentalment més ràpid que un ordinador estàndard. No obstant això, aquests problemes, relacionats amb Criptografia I, desprediblement, les simulacions de física quàntica, són d'un interès molt pràctic.

Aquests models alternatius per al càlcul són projectes d'investigació en aquest moment, i probablement només trobaran aplicacions per a aquests problemes on els ordinadors convencionals són inadequats.