Размещено на http://www.Allbest.ru/

1

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Лекция 1. Общие сведения

1.1 Технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ

1.2 История развития ЭВМ

1.3 Классификация ЭВМ

Лекция 2. Функциональная и структурная организация ЭВМ

2.1 Связь между функциональной и структурной организацией ЭВМ

2.2 Обобщенная структура ЭВМ и пути её развития

2.3 Архитектуры ЭВМ

Лекция 3. Структура и форматы команд ЭВМ

3.1 Форматы команд ЭВМ

3.2 Способы адресации

3.2.1 Классификация способов адресации по наличию адресной информации в команде

3.2.2 Классификация способов адресации по кратности обращения в память

3.2.3 Классификация по способу формирования исполнительных адресов ячеек памяти

Лекция 4. Типы данных

Лекция 5. Процессоры. Центральный процессор

5.1 Логическая структура ЦП

5.2 Структурная схема процессора

5.3 Характеристики процессора

5.4 Регистровые структуры центрального процессора

5.4.1 Основные функциональные регистры

5.4.2 Регистры процессора обработки чисел с плавающей точкой

5.4.3 Системные регистры

5.4.4 Регистры отладки и тестирования

5.5 Назначение и классификация ЦУУ

Лекция 6. Устройства управления ЦП

6.1 ЦУУ с жесткой логикой

6.2 ЦУУ с микропрограммной логикой

6.3 Процедура выполнения команд

Лекция 7. Язык микроопераций

Лекция 8. Арифметико-логическое устройство

Лекция 9. Память ЭВМ

9.1 Организация внутренней памяти процессора

9.2 Оперативная память и методы управления ОП

Лекция 10. Методы управления памятью без использования дискового пространства (без использования внешней памяти)

10.1 Распределение памяти фиксированными разделами

10.2 Размещение памяти с перемещаемыми разделами

10.3 Организация виртуальной памяти

10.4 Страничное распределение

10.5 Сегментное распределение

10.6 Странично-сегментное распределение

Лекция 11. Методы повышения пропускной способности ОП

11.1 Выборка широким словом

11.2 Расслоение сообщений

11.3 Методы организации кэш-памяти

Лекция 12. Общие принципы организации системы прерывания программ

Лекция 13. Подсистема ввода/вывода

Лекция 14. Типы и характеристики стандартных шин

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ВВЕДЕНИЕ

Идея автоматизации процесса обработки данных заложена в принцип действия ЭВМ, которая фактически воспроизводит процесс ручного механического счета.

ЭВМ - это совокупность технических и программных средств, предназначенных для автоматизированной обработки информации (дискретных сообщений) по требуемому алгоритму.

Памятью ЭВМ называется совокупность устройств, служащих для запоминания, хранения и выдачи информации.

Любая ЭВМ содержит следующие основные подсистемы:

- обрабатывающую подсистему (операционные устройства и устройства управления);

подсистему памяти;

подсистему ввода-вывода;

подсистему управления и обслуживания.

Перед началом решения задачи в подсистему памяти через подсистему ввода/вывода записываются кодированные данные и программа. В ходе вычислительного процесса по управляющим сигналам устройств управления при выполнении очередной команды программы считывается код команды, по нему определяется местонахождение данных, после чего они извлекаются из соответствующего запоминающего устройства. Обрабатывающая система выполняет над ними указанную в коде команды операцию и записывает результат на хранение в запоминающее устройство. Затем определяется местонахождение кода следующей команды и цикл повторяется.

В памяти ЭВМ хранится также вспомогательные и служебные программы, составляющие программное обеспечение (ПО) ЭВМ

Операционные устройства (АЛУ) выполняют арифметические и логические операции над поступающими двоичными кодами (команд и данных), причем любой процессор в состоянии выполнить ограниченный набор команд, входящий в так называемую систему команд ЭВМ.

Устройство управления под воздействием поступающих данных автоматически координирует работу всех устройств ЭВМ посредством своевременной выдачи на них управляющих сигналов.

В составе ЭВМ выделяется центральная обрабатывающая часть (ядро ЭВМ) и периферия (все подсистемы ввода/вывода и внешняя память).

Периферийное оборудование подключается к центральному ядру через каналы ввода/вывода (КВВ) и шинные интерфейсы. КВВ представляют собой специализированные процессоры, управляющие обменом между устройствами ввода/вывода и выделенной областью памяти. Среди КВВ выделилось специализированное так называемое интерфейсное оборудование, обеспечивающее согласование периферии с центральным ядром. В результате ЭВМ приобрела иерархическую структуру, в которой центральная обрабатывающая часть, КВВ, интерфейсы и периферия находятся на разных уровнях иерархии.

Таким образом, к общим принципам построения современных ЭВМ относится следующее.

Ё Обеспечение максимального удобства в работе пользователей и эффективной эксплуатации оборудования.

Это обеспечивается за счет введения в ЭВМ подсистемы управления и обслуживания.

Ё Возможность мультипрограммной работы

Для мультипрограммной работы ЭВМ оснащена:

средствами распределения памяти между программами,

системой защиты памяти,

системой прерываний и приоритетов,

датчиком времени (таймером).

В ОЗУ таких ЭВМ хранится одновременно несколько параллельно выполняемых программ, и имеются средства защиты этих программ и приписанных к ним массивов от взаимного влияния. ОС расширена дополнительными управляющими программами, обеспечивающими различные режимы мультипрограммной работы (пакетный, разделения во времени, интерактивный и т.д.), изменения числа задач, приоритетов, возможность работы с машинными словами разной длины, операции с числами в двоично-десятичном коде и т.п.

Ё Иерархическая организация

- структуры ЭВМ,

- ее памяти,

- ПО,

- управления вычислительным процессом.

Ё Модульный принцип построения ЭВМ (из логически законченных блоков) позволяет наращивать вычислительную мощность и по мере необходимости подключать дополнительные устройства или устанавливать более совершенные, благодаря чему облегчается адаптация ЭВМ в зависимости от требований пользователя.

Ё Возможность адаптации, развития, модернизации и наращивания технических средств.

В наибольшей степени эти принципы используются в ЭВМ общего назначения, чья архитектура характеризуется:

Ё Универсальностью - обеспечивает возможность одинаково эффективного решения задач различных классов.

Ё Совместимостью: совместимость различных ЭВМ достигается за счет соответствующего выбора аппаратных средств, ОС, алгоритмических языков, пользовательских средств.

информационная совместимость предполагает использование общих кодов и единых форматов представления данных, совпадение характеристик носителей информации и шин.

программная совместимость чаще всего носит иерархический характер (снизу вверх - от младших моделей к старшим) и подразумевает единство логической структуры: систем адресации, команд, способов подключения периферийных устройств.

Ё Развитостью программного обеспечения.

Ё Агрегатностью технических средств (при этом вся система разбивается на большое число конструктивных модулей, каждый из которых выполняет собственные функции).

Ё Широкой номенклатурой периферийных устройств.

Ё Высокой технологичностью, унификацией и стандартизацией оборудования.

Лекция 1. общие сведения

1.1 Технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ

Основным техническим параметром ЭВМ является ее быстродействие. Быстродействие ЭВМ - среднестатистическое число операций (кроме операций ввода, вывода и обращения к внешним запоминающим устройствам), выполняемых вычислительной машиной в единицу времени (номинальное быстродействие); один из основных параметров ЭВМ, характеризующий её производительность.

Различают следующие виды быстродействия:

- пиковое (предельное) - это быстродействие процессора без учета времени обращения к оперативной памяти (ОП) за операндами;

- номинальное - быстродействие процессора с ОП;

- системное - быстродействие базовых технических и программных средств, входящих в комплект поставки ЭВМ;

Методы определения быстродействия разделяются на три основных группы:

- расчетные, основанные на информации, получаемой теоретическим или эмпирическим путем;

- экспериментальные, основанные на информации, получаемой с использованием аппаратно-программных измерительных средств;

- имитационные, применяемые для сложных ЭВМ.

Для каждого вида быстродействия применяются следующие традиционные методы их определения.

Пиковая производительность (быстродействие) определяется средним числом команд типа «регистр-регистр», выполняемых в одну секунду без учета их статистического веса в выбранном классе задач.

Номинальная производительность (быстродействие) определяется средним числом команд, выполняемых подсистемой «процессор-память» с учетом их статистического веса в выбранном классе задач. Она рассчитывается, как правило, по формулам и специальным методикам, предложенным для процессоров определенных архитектур, и измеряется с помощью разработанных для них измерительных программ, реализующих соответствующую эталонную нагрузку.

Для данных типов производительностей используются следующие единицы измерения:

MIPS (Mega Instruction Per Second) - миллион целочисленных операций в секунду;

MFLOPS (Mega Floating Operations Per Second) - миллион операций над числами с плавающей запятой в секунду;

GFLOPS (Giga Floating Operations Per Second) - миллиард операций над числами с плавающей запятой в секунду;

TFLOPS (Tera Floating Operations Per Second) - триллион операций над числами с плавающей запятой в секунду.

Системная производительность измеряется с помощью синтезированных типовых (тестовых) оценочных программ, реализованных на унифицированных языках высокого уровня. Унифицированные тестовые программы используют типичные алгоритмические действия, характерные для реальных применений, и штатные компиляторы ЭВМ. Они рассчитаны на использование базовых технических средств и позволяют измерять производительность для расширенных конфигураций технических средств. Результаты оценки системной производительности ЭВМ конкретной архитектуры приводятся относительно базового образца, в качестве которого используются ЭВМ, являющиеся промышленными стандартами систем ЭВМ различной архитектуры. Результаты оформляются в виде сравнительных таблиц, двумерных графиков и трехмерных изображений.

Очень часто при сравнении компьютеров пользуются отношением производительности к стоимости.

Другая не менее важная техническая характеристика ЭВМ - ёмкость памяти - определяется максимальным количеством данных, которые могут в ней храниться. Ёмкость измеряется в двоичных единицах (битах), машинных словах, но большей частью в байтах. Часто ёмкость памяти выражают через число К = 1024. Т.о. для измерения ёмкости различных типов запоминающих устройств используют следующие обозначения:

1 байт = 8 бит,

1 Кбит (килобит) = 1024 бит,

1 Кбайт (килобайт) = 1024 байт,

1 Мбайт (Мегабайт) = 1024 Кбайт,

1 Гбайт (гигабайт) = 1024 Мбайт,

1 Тбайт (терабайт) = 1024 Гбайт.

К другим технико-эксплуатационным характеристикам ЭВМ относятся:

Ё разрядность обрабатываемых слов и кодовых шин интерфейса;

Ё типы системного и локальных интерфейсов;

Ё тип и ёмкость оперативной памяти;

Ё тип и ёмкость накопителя на жестком магнитном диске;

Ё тип и ёмкость накопителя на гибком магнитном диске;

Ё тип и ёмкость кэш-памяти;

Ё тип видеоадаптера и видеомонитора;

Ё наличие средств работы в компьютерной сети;

Ё наличие и тип программного обеспечения;

Ё надежность ЭВМ (свойство ЭВМ при заданных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени);

Ё стоимость;

Ё габариты и масса.

1.2 История развития ЭВМ

История развития ЭВМ условно делится на отрезки, называемые поколениями ЭВМ. ЭВМ, принадлежащие к различным поколениям, отличаются элементной базой, функционально-логической организацией, конструктивно-технологическим исполнением, программным обеспечением, техническими и эксплуатационными характеристиками, степенью доступа к ЭВМ со стороны пользователя.

Смене поколений ЭВМ сопутствуют изменения технических характеристик:

Ё быстродействия;

Ё емкости памяти;

Ё надежности;

Ё стоимости.

Основная тенденция развития - стремление уменьшить трудоемкость подготовки программ, облегчить связь операторов и машин, повысить эффективность использования ЭВМ.

Первое поколение (1949-1958)

Основным активным элементом ЭВМ первого поколения является электронная лампа. (Остальные элементы: резисторы, конденсаторы, трансформаторы).

Для построения оперативной памяти применялись ферритовые сердечники. В качестве устройств ввода/вывода (УВВ) сначала использовалось стандартная телеграфная аппаратура, а затем специально для ЭВМ были разработаны электромеханические УВВ на перфокартах и перфолентах.

Машины этого поколения характеризуются:

Ё огромными размерами;

Ё малым быстродействием;

Ё малой емкостью оперативной памяти (ОП);

Ё невысокой надежностью;

Ё недостаточно развитым программным обеспечением (ПО).

Второе поколение (1959-1963)

Основной активный элемент ЭВМ второго поколения - транзистор.

Все показатели улучшены по сравнению с I поколением: уменьшены размеры, стоимость, масса и потребляемая мощность, повышена надежность и быстродействие, увеличен объём памяти.

Отличительные черты поколения:

Ё применение печатного монтажа;

Ё дифференциация по применению (специализация);

Ё в программном обеспечении (ПО) - появление алгоритмических языков;

Ё появление многопрограммных ЭВМ (совместная реализация программ за счет организации параллельной работы основных устройств ЭВМ);

Ё применение УВВ на магнитных носителях (магнитные ленты, барабаны, диски).

Третье поколение (1964-1976)

Характеризуется широким применением интегральных схем (ИС) с многослойным печатным монтажом. ИС (кристалл) - это законченный функциональный блок, соответствующий сложной транзисторной схеме, вытравленной на поверхности кремниевого кристалла. Позднее стали применяться ИС малой (10-100 компонентов на кристалл) и средней (100-1000 компонентов на кристалл) степени интеграции

Отличительные черты поколения (при улучшении основных показателей по сравнению со вторым поколением) :

Ё увеличение количества используемых УВВ;

Ё ПО получило дальнейшее развитие, особенно операционные системы (используются различные режимы работы: пакетный, разделения времени, запрос-ответ и т.п.);

Ё возможность удаленного доступа пользователей к ЭВМ, находящихся на значительных расстояниях;

Ё виртуальное использование ЭВМ в режиме разделения времени (вследствие различия инерционности человека и машины у пользователя создается впечатление, что ему одному предоставлено машинное время).

Ё применение методов автоматического проектирования;

Ё тенденция к унификации ЭВМ;

Ё основной носитель информации - магнитный диск.

Четвёртое поколение (1977-до настоящего времени)

Характеризуется применением больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС). Высокая степень интеграции способствует высокой плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению быстродействия, снижению стоимости.

Отличительные черты поколения (при дальнейшем улучшении основных показателей):

Ё тенденция к унификации ЭВМ и развитию мини- и микро-ЭВМ;

Ё использование быстродействующих систем памяти и МОП-технологий;

Ё создание машин, представляющих единую систему (ЕС ЭВМ);

Ё появление первых персональных компьютеров и рабочих станций;

Ё основной носитель информации - гибкий магнитный диск.

Пятое поколение (настоящее время)

Зарождается в недрах четвёртого поколения ЭВМ и в значительной мере определяется результатами работы Японского комитета по научным исследованиям в области ЭВМ. Согласно этому проекту ЭВМ пятого поколения (кроме высокой производительности и надежности при более низкой стоимости, вполне обеспечиваемые СБИС и другими новейшими технологиями) должны удовлетворять следующим качественно новым функциональным требованиям:

Ё обеспечить простоту применения ЭВМ путем реализации систем ввода/вывода информации голосом; диалоговой обработки информации с использованием естественных языков; возможности обучаемости, ассоциативных построений и логических выводов;

Ё упростить процесс создания программных средств путем автоматизации синтеза программ по спецификациям исходных требований на естественных языках;

Ё улучшить основные характеристики и эксплуатационные качества ВТ для удовлетворения различных социальных задач, улучшить соотношения затрат и результатов, быстродействия, легкости, компактности ЭВМ; обеспечить их разнообразие, высокую адаптируемость к приложениям и надежность в эксплуатации.

Учитывая сложность реализации поставленных перед пятым поколением задач, вполне возможно разбиение его на более обозримые и лучше ощущаемые этапы, первый из которых во многом реализован в рамках настоящего четвертого поколения.

Сравнительная характеристика ЭВМ различных поколений по некоторым наиболее важным показателям приводится в таблице 1.1.

1.3 Классификация ЭВМ

Классификация ЭВМ по назначению

По назначению ЭВМ можно разделить на три группы: универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные.

Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных видов задач: научных, инженерно-технических, экономических, информационных, управленческих и других задач. В качестве универсальных ЭВМ используются различные типы компьютеров, начиная от супер-ЭВМ и кончая персональными ЭВМ. Решаемые на этих компьютерах задачи отличаются сложностью алгоритмов и объемами обрабатываемых данных. Причем одни универсальные ЭВМ могут работать в многопользовательском режиме (в вычислительных центрах коллективного пользования, в локальных компьютерных сетях и т.д.), другие - в однопользовательском режиме.

Таблица 1.1

Сравнительная характеристика ЭВМ различных поколений

Поколение ЭВМ	Первое 1949-1958	Второе1959-1963	Третье1964-1976	Четвертое1977-…	Пятое…
Элементная база	Электронные лампы	Транзисторы	ИС малой и средней степени интеграции	БИС, СБИС	СБИС
Производительность ЦП	До 105 оп/с	До 106 оп/с	До 107 оп/с	Более 107 оп/с	Более 108 оп/с (?)
Тип ОЗУ	Ферритовые сердечники	Миниатюрные ферритовые сердечники	Полупроводниковые на БИС	Полупроводниковые на СБИС	Полупроводниковые на СБИС
Объем ОЗУ	До 64 Кб	До 512 Кб	До 16 Мб	Более 16 Мб	Более ? Мб
Характерные типы ЭВМ		Малые, средние, большие, специальные	Большие, средние, мини- и микро-ЭВМ	Супер-ЭВМ, ПК, специальные, общие, сети	Супер-ЭВМ, ПК, специальные, общие, сети
Типичные модели	EDSAC, ENIAC, БЭСМ	RCA-501, IBM 7090БЭСМ-6	IBM/360, PDP,ЕС ЭВМ,СМ ЭВМ	SX-2,IBM PC/XT/AT,PS/2,Cray, сети
Языки програм-мирования	Машинные коды	+ ассемблеры	+ процедурные ЯВУ	+непроцедурные ЯВУ	+ новые непроцедурные ЯВУ
Характерное ПО	Коды, автокоды, ассемблеры	Языки программирования, диспетчеры, АСУ,	ППП, СУБД, САПРы, ЯВУ, ОС	Базы знаний, системы параллельного програм-мирования	Базы знаний, системы параллельного програм-мирования
Средства связи с пользователем	Пульт управления и перфокарты	Перфокарты и перфоленты	Алфавитно-цифровые терминалы	Монохромные, цветные дисплеи, клавиатура, мышь	Устройства голосовой связи

Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам. На проблемно-ориентированных ЭВМ, в частности, создаются всевозможные управляющие вычислительные комплексы.

Специализированные ЭВМ используются для решения еще более узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, во многих случаях существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.

Классификация ЭВМ по функциональным возможностям и размерам

По функциональным возможностям и размерам ЭВМ можно разделить (рис. 1.1) на супер-ЭВМ, большие, малые и микро-ЭВМ.

Рис. 1.1 Классификация ЭВМ по функциональным возможностям и размерам

Функциональные возможности ЭВМ обуславливаются основными технико-эксплуатационными характеристиками.

Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции.

Супер-ЭВМ - мощные, высокоскоростные вычислительные машины (системы) с производительностью от сотен миллионов до триллионов операций с плавающей точкой в секунду. Супер-ЭВМ выгодно отличаются от больших универсальных ЭВМ по быстродействию числовой обработки, а от специализированных машин, обладающих высоким быстродействием в сугубо ограниченных областях, возможностью решения широкого класса задач с числовыми расчетами.

При производительности порядка нескольких GFLOPS можно еще обойтись одним векторно-конвейерным процессором (однопроцессорные супер-ЭВМ). Создание высокопроизводительной супер-ЭВМ с быстродействием порядка TFLOPS по современной технологии на одном процессоре не представляется возможным. Это связано с ограничением, обусловленным конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300 000 км/сек), так как время распространения сигнала на расстояние нескольких миллиметров (линейный размер стороны микропроцессора) при быстродействии 100 млрд. оп/с становится соизмеримым с временем выполнения одной операции. Поэтому супер-ЭВМ с такой производительностью создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем.

В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч супер-ЭВМ, начиная с простых офисных до мощных: Cyber 205 (фирмы Control Data), VP 2000 (фирмы Fujitsu), VPP500 (фирмы Siemens) и др., производительностью несколько десятков GFLOPS.

Большие ЭВМ часто называют мэйнфреймами (Mainframe). Они поддерживают многопользовательский режим работы (обслуживают одновременно от 16 до 1000 пользователей).

Основные направления эффективного применения мэйнфреймов - это решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами. Последнее направление - использование мэйнфреймов в качестве больших серверов вычислительных сетей - часто отмечается специалистами среди наиболее актуальных.

Примерами больших ЭВМ может служить семейство больших машин ЕС ЭВМ, IBM ES/9000 (1990г.), IBM S/390 (1997г.), а также японские компьютеры М1800 фирмы Fujitsu.

Малые ЭВМ (мини-ЭВМ) - надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравнению с мэйнфреймами возможностями. В многопользовательском режиме поддерживаются 16 - 512 пользователей.

Основные их особенности:

Ё широкий диапазон производительности в конкретных условиях применения,

Ё аппаратная реализация большинства системных функций ввода-вывода информации,

Ё простая реализация многопроцессорных и многомашинных систем,

Ё высокая скорость обработки прерываний,

Ё возможность работы с форматами данных различной длины.

К достоинствам мини-ЭВМ можно отнести:

1) специфическую архитектуру с большой модульностью;

2) лучшее, чем у мэйнфреймов, соотношение производительность/ стоимость;

3) широкая номенклатура периферийных устройств;

4) повышенную точность вычислений.

Мини-ЭВМ успешно применяются:

Ё в качестве управляющих вычислительных комплексов.

Ё вычислений в многопользовательских вычислительных системах,

Ё в системах автоматизированного проектирования,

Ё в системах моделирования и искусственного интеллекта,

Одними из первых мини-ЭВМ были компьютеры PDP-11 фирмы DEC (США), Система Малых ЭВМ (СМ ЭВМ): СМ1, 2,3,4,1400, 1700 и др. В настоящее время семейство мини-ЭВМ включает большое число моделей от VAX-11 до VAX 8000, супермини-ЭВМ класса VAX 9000 и др.

Микро-ЭВМ по назначению можно разделить на универсальные и специализированные.

Универсальные многопользовательские ЭВМ - это мощные микро ЭВМ, используемые в компьютерных сетях, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям. Это универсальные серверы (Server) компьютерных сетей, обрабатывающие запросы от всех станций сети, выделенный для обработки запросов от всех станций вычислительной сети, предоставляющий этим станциям доступ к общим системным ресурсам (вычислительным мощностям, базам данных, библиотекам программ, принтерам, факсам и др.) и распределяющий эти ресурсы.

Эту интенсивно развивающуюся группу компьютеров обычно относят к микро-ЭВМ, но по своим характеристикам мощные серверы скорее можно отнести к малым ЭВМ и даже к мэйнфреймам, а супер серверы приближаются к супер-ЭВМ.

Универсальные однопользовательские ЭВМ или персональные компьютеры (ПК) должны удовлетворять требованиям общедоступности и универсальности применения и иметь следующие характеристики:

Ё малую стоимость, находящуюся в пределах доступности для индивидуального покупателя;

Ё автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;

Ё гибкость архитектуры, обеспечивающую ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;

Ё «дружественность» операционной системы и прочего программного обеспечения для пользователя;

Ё высокую надежность работы (более 5000 ч. наработки на отказ).

Наибольшей популярностью в настоящее время пользуется ПК архитектурного направления (платформы) IBM с микропроцессорами фирмы Intel. По конструктивным особенностям ПК можно разделить на стационарные и переносные (мощные переносные компьютеры (рабочие станции) массой до 15 кг; портативные (наколенные) компьютеры типа «LapTop» массой 5-10кг; компьютеры-блокноты (Note Book и Sub Note Book) массой 1,5-4 кг и др.).

Специализированные ЭВМ ориентированы на решение определенного (постоянного) класса задач в течение периода своей эксплуатации. Ориентация специализированных ЭВМ осуществляется различными способами:

Ё специальной аппаратурной организацией самих ЭВМ или их внешних связей;

Ё созданием для ЭВМ специального программного обеспечения;

Ё введением дополнительных аппаратных блоков, расширяющих те или иные функции, возлагаемые на ЭВМ,

Ё и др.

Сферы использования таких ЭВМ как в нашей стране, так и за рубежом имеют устойчивую тенденцию к расширению. Можно выделить следующие основные области применения специализированных ЭВМ:

1) промышленное производство и транспорт;

2) военная техника и оборона;

3) непромышленная сфера.

Примером специализированных однопользовательских микро-ЭВМ, ориентированных для выполнения определенного круга задач (графических, инженерных, издательских и др.), являются рабочие станции (Work Station).

Специализированные многопользовательские микро-ЭВМ (спец. серверы) осуществляющие управление базами и архивами данных, многопользовательскими терминалами, поддерживающими факсимильную связь, электронную почту и др.

Специализированные серверы используются для устранения наиболее «узких» мест в работе сети, а именно: создания и управления базами и архивами данных, поддержка многоадресной факсимильной связи и электронной почты, управления многопользовательскими терминалами (принтером, плоттером и др.

Файл-сервер используется для работы с файлами данных, имеет объемные дисковые ЗУ.

Архивационный сервер (сервер резервного копирования) предназначен для резервного копирования информации, использует накопители на магнитной ленте (стриммеры) со сменными картриджами.

Факс-сервер, почтовый сервер - выделенные компьютеры для организации эффективной многоадресной факсимильной связи или электронной почты.

Встраиваемые микро-ЭВМ входят составным элементом в промышленные и транспортные системы, технические устройства и аппараты, бытовые приборы. Они способствуют существенному повышению их эффективности функционирования, улучшению технико-экономических и эксплуатационных характеристик.

Специализированные однопользовательские ЭВМ или рабочие станции (Work station), - это однопользовательская система с мощным процессором и многозадачной ОС, имеющая развитую графику с высоким разрешением, большую дисковую и оперативную память и встроенные сетевые средства.

Рабочие станции появились на рынке ЭВМ почти одновременно с ПК и находились впереди по своим вычислительным возможностям. Переломным моментом в развитии рабочих станций стало появление новой архитектуры микропроцессоров RISC, позволившей резко поднять производительность ЭВМ. Современные рабочие станции сопоставимы, а иногда даже превосходят ПК по своим характеристикам. Современная рабочая станция - это не просто большая вычислительная мощность, это тщательно сбалансированные возможности всех подсистем машины, чтобы ни одна из них не стала «узким местом», сводя на нет преимущества других. Всё это в значительной мере и определяло их область применения и проблемную ориентацию: автоматизированное проектирование, банковское дело, управление производством, разведка и добыча нефти, связь, издательская деятельность и др.

Лидером на мировом рынке рабочих станций является американская фирма Sun Microsystems. Архитектура SPARC, разработанная фирмой Sun и использующаяся в её машинах, стала фактически стандартом де-факто. Традиционно доминирующей ОС на рынке рабочих станций была система Unix и ей подобные системы (Solaris и др). В последнее время наблюдается некоторый рост использования операционных систем VAX VMS и в ещё большей степени Windows NT.

ЛЕКЦИЯ 2. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ

2.1 Связь между функциональной и структурной организацией ЭВМ

Существуют два взгляда на построение и функционирование ЭВМ. Первый - взгляд пользователя, не интересующегося технической реализацией ЭВМ и озабоченного только получением некоторого набора функций и услуг, обеспечивающих эффективное решение его задач; второй - разработчика ЭВМ, усилия которого направлены на рациональную техническую реализацию необходимых пользователю функций. С учетом этого обстоятельства и вводятся понятия "функциональная и структурная организация" компьютера.

Функциональная организация ЭВМ - это абстрактная модель ЭВМ, описывающая функциональные возможности машины и предоставляемые ею услуги. Функциональная организация ЭВМ в значительной степени определяется предъявляемыми к ней требованиями, уровнем подготовки потенциальных пользователей, типом решаемых ими задач, потребностями в развитии компьютера (по емкости ЗУ, разрядности, составу периферийных устройств и др.).

Предусматриваемые абстрактной моделью функции ЭВМ реализуются на основе реальных, физических средств (устройств, блоков, узлов, элементов) в рамках определенной структуры. В общем случае под структурной организацией ЭВМ понимается некоторая физическая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия основных функциональных частей машины (без излишних деталей их технической реализации).

По степени детальности различают структурные схемы, составленные на уровне

Ё устройств,

Ё блоков,

Ё узлов,

Ё элементов.

Устройство - наиболее крупная функциональная часть ЭВМ, состоящая из элементов, узлов, блоков и выполняющая глобальные операции над кодированными данными (запоминание, обработку, преобразование).

Блок - функциональный компонент ЭВМ, состоящий из элементов и узлов и выполняющий операции над машинными словами или управляющий такими операциями (пример: сумматор, блок регистров).

Узел - часть машины, состоящая из нескольких более простых элементов и представляющая собой сборочную единицу (логическая схема).

Элемент, простейшее устройство ЭВМ, выполняющее одну операцию над входными сигналами (пример - логический элемент).

Блоки и устройства часто изготавливаются в виде самостоятельных конструктивных модулей.

Функциональная организация ЭВМ играет ведущую роль и в значительной степени определяет структурную организацию машины, хотя и не дает жестких ограничений на конечную техническую реализацию структурных элементов. Одна и та же функция может быть реализована на совершенно разных технических средствах.

2.2 Обобщенная структура ЭВМ и пути её развития

Развитие архитектуры неизбежно ведет к развитию структуры ЭВМ. Реализация принципов интеллектуализации, которые все больше определяют развитие архитектуры ЭВМ, возможна при совершенствовании структурной организации, обеспечивающей повышение эффективности вычислительного процесса и, как следствие этого, рост производительности ЭВМ. В конечном счете, условием и критерием развития структуры является рост производительности ЭВМ.

Основной тенденцией в развитии структуры ЭВМ является разделение функций системы и максимальная специализация подсистем для выполнения этих функций.

Обобщенная структура ЭВМ приведена на рис. 1.

Обобщенная структура ЭВМ состоит из следующих составных частей:

Ё обрабатывающей подсистемы;

Ё подсистемы памяти;

Ё подсистемы ввода-вывода;

Ё подсистемы управления и обслуживания.

Для каждой подсистемы выделены основные направления их развития.

Размещено на http://www.Allbest.ru/

1

Рис. 1. Обобщенная структура ЭВМ

Обрабатывающая подсистема

Развитие обрабатывающей подсистемы в большей степени, чем всех остальных подсистем, идет по пути разделения функций и повышения специализации составляющих ее устройств. Создаются специальные средства, которые осуществляют функции управления системой, освобождая от этих функций средства обработки. Такое распределение функций сокращает эффективное время обработки информации и повышает производительность ЭВМ. В то же время средства управления, как и средства обработки, становятся более специализированными. Устройство управления памятью реализует эффективные методы передачи данных между средствами обработки и подсистемой памяти. Меняются функции центрального устройства управления. С одной стороны, ряд функций передается в другие подсистемы (например, функции ввода-вывода), с другой - развиваются средства организации параллельной обработки нескольких команд (суперскалярная обработка) с одновременным повышением темпа исполнения последовательности команд. Для повышения темпа выполнения последовательности команд применяются методы конвейерной обработки наряду с совершенствованием алгоритмов диспетчеризации и исполнения команд. Бурно развивается управление межпроцессорным обменом как эффективное средство передачи информации между несколькими центральными процессорами, входящими в состав вычислительной системы или комплекса.

Операционные устройства (АЛУ) обрабатывающей подсистемы, кроме традиционных средств скалярной (суперскалярной) и логической обработки, все шире стали включать специальные средства векторной обработки. При этом время выполнения операций можно резко сократить как за счет использования арифметического конвейера (одного или нескольких), так и за счет сокращения такта работы конвейера. Возможности задач к распараллеливанию алгоритма счета снимают принципиальные ограничения к организации параллельной обработки информации и использованию структур с глубокой конвейеризацией. В устройствах скалярной обработки все шире появляются специальные операционные блоки, оптимизированные на эффективное выполнение отдельных операций.

Подсистема памяти

Подсистема памяти современных компьютеров имеет иерархическую структуру, состоящую из нескольких уровней:

Ё сверхоперативный уровень (локальная память процессора, кэш-память первого и второго уровня);

Ё оперативный уровень (оперативная память, дисковый кэш);

Ё внешний уровень (внешние ЗУ на дисках, лентах и т.д.).

Каждый уровень состоит из запоминающих устройств, обладающих различным быстродействием и емкостью. Чем выше уровень, тем выше быстродействие соответствующей памяти, но меньше её емкость.

Эффективными методами повышения производительности ЭВМ являются увеличение количества регистров общего назначения процессора, использование многоуровневой кэш-памяти, увеличение объема и пропускной способности оперативной памяти, буферизация передачи информации между ОП и внешней памятью. Увеличение пропускной способности оперативной памяти достигается за счет увеличения их расслоения и секционирования.

Подсистема ввода-вывода

В состав подсистемы ввода-вывода входит набор специализированных устройств, между которыми распределены функции ввода-вывода, что позволяет свести к минимуму потери производительности системы при операциях ввода-вывода. Эти устройства можно условно разделить на критичные и некритичные по быстродействию. К критичным по быстродействию устройствам относятся обработчики команд ввода-вывода и контроллеры интерфейсов. Эти устройства определяют пропускную способность подсистемы ввода-вывода. Некритичные по быстродействию устройства управляют распределением линий в подсистеме ввода-вывода.

Основными направлениями развития подсистем ввода-вывода являются канальная технология ввода-вывода, матричная топология коммутации периферийных устройств (ПУ), увеличение количества и пропускной способности каналов.

Подсистема управления и обслуживания

Подсистема управления и обслуживания - это совокупность аппаратно-программных средств, предназначенных для обеспечения максимальной производительности, заданной надежности, ремонтопригодности, удобства настройки и эксплуатации. Она обеспечивает проблемную ориентацию и заданное время наработки на отказ, подготовку и накопление статистических сведений о загрузке и прохождении вычислительного процесса, выполняет функции "интеллектуального" интерфейса с различными категориями обслуживающего персонала, осуществляет инициализацию, тестирование и отладку. Подсистема управления и обслуживания позволяет поднять на качественно новый уровень эксплуатацию современных ЭВМ.

При разработке структуры ЭВМ все подсистемы должны быть сбалансированы между собой. Только оптимальное согласование быстродействия обрабатывающей подсистемы с объемами и скоростью передачи информации подсистемы памяти, с пропускной способностью подсистемы ввода-вывода позволяет добиться максимальной эффективности использования ЭВМ.

2.3 Архитектуры ЭВМ

Под архитектурой ЭВМ понимается функциональная и структурная организация машины, определяющая методы кодирования данных, состав, назначение, принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.

Можно выделить следующие важные для пользователя группы характеристик ЭВМ, определяющих её архитектуру:

1) характеристики и состав модулей базовой конфигурации ЭВМ;

2) характеристики машинного языка и системы команд (количество и номенклатура команд, их форматы, системы адресации, наличие программно-доступных регистров в процессоре и т.п.), которые определяют алгоритмические возможности процессора ЭВМ;

3) технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ;

4) состав программного обеспечения ЭВМ и принципы его взаимодействия с техническими средствами ЭВМ.

К наиболее общему принципу классификации ЭВМ и систем по типам архитектуры следует отнести разбиение их на однопроцессорные и многопроцессорные архитектуры (см. рис. 2.1).

Исторически первыми появились однопроцессорные архитектуры. Классическим примером однопроцессорной архитектуры является архитектура фон Неймана со строго последовательным выполнением команд: процессор по очереди выбирает команды программы и также по очереди обрабатывает данные (программа и данные хранятся в единственной последовательно адресуемой памяти).

Рис. 2.1 Архитектуры ЭВМ

По мере развития вычислительной техники архитектура фон Неймана обогатилась сначала конвейером команд, а затем многофункциональной обработкой, и по таксономии теория классификации и систематизации сложноорганизованных областей действительности, имеющих обычно иерархическое строение ©2001 "Большая Российская энциклопедия" М. Флина получила обобщенное название компьютера с одним потоком команд и одним потоком данных.

Поток команд - это последовательность команд, выполняемых ЭВМ (системой), а поток данных - последовательность данных (исходная информация и промежуточные результаты решения задачи), обрабатываемых под управлением потока команд.

SISD-компьютеры

Размещено на http://www.Allbest.ru/

1

Рис. 2.2 SISD- архитектура

SISD (Single Instruction Single Data) или ОКОД - один поток команд, один поток данных. SISD компьютеры это обычные, "традиционные" последовательные компьютеры, в которых в каждый момент времени выполняется лишь одна операция над одним элементом данных (числовым или каким-либо другим значением). При работе такой системы в мультипрограммном режиме, когда совместно решаются несколько задач (программы и исходные данные по каждой из них хранятся в оперативной памяти), обеспечивается параллельная работа устройств системы, происходит разделение времени и оборудования между совместно выполняемыми программами. Но в каждый данный момент операционное устройство (АЛУ), поскольку оно является единственным, занимается обработкой информации по какой-то одной команде, т.е. одновременное преобразование информации в АЛУ по нескольким командам, принадлежащим разным участкам одной и той же программы или разным программам, невозможно. Основная масса современных ЭВМ функционирует в соответствии с принципом фон Неймана и имеет архитектуру класса SISD. Данная архитектура породила CISC, RISC и архитектуру с суперскалярной обработкой.

Компьютеры с CISC архитектурой

Компьютеры с CISC (Complex Instruction Set Computer) архитектурой имеют комплексную (полную) систему команд, под управлением которой выполняются всевозможные операции типа «память-память», «память-регистр», «регистр-память», «регистр-регистр». Данная архитектура характеризуется:

Ё большим числом команд (более 200);

Ё переменной длиной команд (от 1 до 11 байт);

Ё значительным числом способов адресации и форматов команд;

Ё сложностью команд и многотактностью их выполнения;

Ё наличием микропрограммного управления, что снижает быстродействие и усложняет процессор.

Обмен с памятью в процессе выполнения команды делает практически невозможной глубокую конвейеризацию арифметики, т.е. ограничивается тактовая частота процессора, а значит, и его производительность.

Большинство современных компьютеров типа IBM PC относятся к CISC архитектуре, например, компьютеры с микропроцессорами 8080, 80486, 80586 (товарная марка Pentium).

Компьютеры с RISC архитектурой

Компьютеры с RISC (Reduced Instruction Set Computer) архитектурой содержат набор простых, часто употребляемых в программах команд. Основными являются операции типа «регистр-регистр».

Данная архитектура характеризуется:

Ё сокращенным числом команд;

Ё тем, что большинство команд выполняется за один машинный такт;

Ё постоянной длиной команд;

Ё небольшим количеством способов адресации и форматов команд;

Ё тем, что для простых команд нет необходимости в использовании микропрограммного управления;

Ё большим числом регистров внутренней памяти процессора.

Компьютеры с RISC-архитектурой «обязаны» иметь преимущество в производительности по сравнению с CISC компьютерами, за которое приходится расплачиваться наличием в программах дополнительных команд обмена регистров процессора с оперативной памятью.

Компьютеры с суперскалярной обработкой

Еще одной разновидностью однопотоковой архитектуры является суперскалярная обработка. Смысл этого термина заключается в том, что в аппаратуру процессора закладываются средства, позволяющие одновременно выполнять две или более скалярные операции, т.е. команды обработки пары чисел. Суперскалярная архитектура базируется на многофункциональном параллелизме и позволяет увеличить производительность компьютера пропорционально числу одновременно выполняемых операций. Способы реализации суперскалярной обработки могут быть разными.

Аппаратная реализация суперскалярной обработки применяется как в CISC, так и в RISC - процессорах и заключается в чисто аппаратном механизме выборки из буфера инструкций (или кэша инструкций) несвязанных команд и параллельном запуске их на исполнение. Этот метод хорош тем, что он «прозрачен» для программиста, составление программ для подобных процессоров не требует никаких специальных усилий, ответственность за параллельное выполнение операций возлагается в основном на аппаратные средства.

VLIW-архитектуры суперскалярной обработки. Второй способ реализации суперскалярной обработки заключается в кардинальной перестройке всего процесса трансляции и исполнения программ. Уже на этапе подготовки программы компилятор группирует несвязанные операции в пакеты, содержимое которых строго соответствует структуре процессора. Например, если процессор содержит функционально независимые устройства (сложения, умножения, сдвига и деления), то максимум, что компилятор может «уложить» в один пакет - это четыре разнотипные операции; (сложение, умножение, сдвиг и деление). Сформированные пакеты операций преобразуются компилятором в командные слова, которые по сравнению с обычными инструкциями выглядят очень большими. Отсюда и название этих суперкоманд и соответствующей им архитектуры - VLIW (Very Large Instruction Word - очень широкое командное слово). По идее, затраты на формирование суперкоманд должны окупаться скоростью их выполнения и простотой аппаратуры процессора, с которого снята вся «интеллектуальная» работа по поиску параллелизма несвязанных операций. Однако практическое внедрение VLIW-архитектуры затрудняется значительными проблемами эффективной компиляции.

Архитектуры класса SISD охватывают те уровни программного параллелизма, которые связаны с одиночным потоком данных. Они реализуются многофункциональной обработкой и конвейером команд.

Параллелизм циклов и итераций тесно связан с понятием множественности потоков данных и реализуется векторной обработкой. В таксономии компьютерных архитектур М. Флина выделена специальная группа однопроцессорных систем с параллельной обработкой потоков данных - SIMD.

ЛЕКЦИЯ 3. СТРУКТУРА И ФОРМАТЫ КОМАНД ЭВМ

Обработка информации в ЭВМ осуществляется путём программного управления.

Программа представляет собой алгоритм обработки информации, записанной в виде последовательности команд, которые должны быть выполнены машиной для получения результата.

Команда ЭВМ представляет собой код, определяющий операцию вычислительной машины и данные, участвующие в операции. В явной и неявной форме команда содержит также информацию об адресе, по которому помещается результат операции, и об адресе следующей команды.

По характеру выполняемых операций можно выделить следующие группы команд:

Ё команды арифметических операций для чисел с фиксированной или плавающей запятой;

Ё команды десятичной арифметики;

Ё команды передачи данных (MOV AX, 0FFFh);

Ё команды операций ввода/вывода (IN, OUT);

Ё команды логических операций (AND, OR, NOT);

Ё команды передачи управления (управление циклом - LOOP, условные переходы - JAE, JB);

Ё команды задания режима работы машины и др.

3.1 Форматы команд ЭВМ

В команде, как правило, содержатся не сами операнды, а информация об адресах ячеек памяти или регистрах, в которых они находятся. Код команды можно представить состоящим из нескольких полей, каждое из которых имеет свое функциональное назначение.

В общем случае команда состоит из:

Ё операционной части (содержит код операции);

Ё адресной части (содержит адресную информацию о местонахождении обрабатываемых данных и месте хранения результатов).

В свою очередь, эти части, что особенно характерно для адресной части, могут состоять из нескольких полей.

Структура команды определяется составом, назначением и расположением полей в коде.

Форматом команды называется заранее оговоренная структура полей ее кода с разметкой номеров разрядов (бит), определяющих границы отдельных полей команды, или с указанием числа разрядов (бит) в определенных полях, позволяющая ЭВМ распознавать составные части кода.

Пример формата команды процессора i486.

mod r/m - спецификатор режима адресации;

r/m - регистр памяти;

SS - масштабный множитель для режима масштабирования индексной адресации;

КОП - код операции;

Index - определяет индексный регистр;

Base - определяет базовый регистр.

Важной и сложной проблемой при проектировании ЭВМ является выбор структуры и форматов команды, т.е. ее длины, назначения и размерности отдельных ее полей. Естественно стремление разместить в команде в возможно более полной форме информацию о предписываемой командой операции. Однако в условиях, когда в современных ЭВМ значительно возросло число выполняемых различных операций и соответственно команд (в компьютерах с CISC-архитектурой более 200 команд) и значительно увеличилась емкость адресуемой основной памяти (32, 64 Мб), это приводит к недопустимо большой длине формата команды.

Вместе с тем, для упрощения аппаратуры и повышения быстродействия ЭВМ длина формата команды должна быть по возможности короче, укладываться в машинное слово или полуслово. Решение проблемы выбора формата команды значительно усложняется в микропроцессорах, работающих с коротким словом.

Проследим изменения классических структур команд.

Чтобы команда содержала в явном виде всю необходимую информацию о задаваемой операции, она должна, как это показано на рис. 3.1 (б), содержать следующую информацию: А1, А2 - адреса операндов, А3 - адрес результата, А4 - адрес следующей команды (принудительная адресация команд).

Рис. 3.1 Структуры команд: а) обобщенная, б) четырехадресная, в) трехадресная, г) двухадресная, д) одноадресная, е) безадресная

Такая структура приводит к большей длине команды и неприемлема для прямой адресации операндов основной памяти. В компьютерах с RISC-архитектурой четырехадресные команды используются для адресации операндов, хранящихся в регистровой памяти процессора.

Можно установить, как это принято для большинства машин, что после выполнения данной команды, расположенной по адресу К (и занимающей L ячеек), выполняется команда из (K+L)-ой ячейки. Такой порядок выборки команды называется естественным. Он нарушается только специальными командами (передачи управления). В таком случае отпадает необходимость указывать в команде в явном виде адрес следующей команды.

В трехадресной команде (рис. 3.1, в) первый и второй адреса указывают ячейки памяти, в которых расположены операнды, а третий определяет ячейку, в которую помещается результат операции.

Можно условиться, что результат операции всегда помещается на место одного из операндов, например первого. Получим двухадресную команду (рис. 3.1, г), т.е. для результата используется подразумеваемый адрес.

В одноадресной команде (рис. 3.1, д) подразумеваемые адреса имеют уже и результат операции и один из операндов. Один из операндов указывается адресом в команде, в качестве второго используется содержимое регистра процессора, называемого в этом случае регистром результата или аккумулятором. Результат операции записывается в тот же регистр.

...