Слайд 1Раздел 1.
Введение в архитектуру ЭВМ.
Понятие архитектуры ЭВМ и общие
механизмы функционирования.
Слайд 2План:
Базовые определения.
Основные характеристики, области применения ЭВМ различных классов.
Программный принцип
управления.
Алгоритм командного цикла для ЭВМ с архитектурой фон Неймана.
Конвейер команд.
Многоуровневая
память.
Загрузка ОС и прикладных программ.
Слайд 31. Базовые определения.
Вычислительная машина (ВМ) – совокупность технических средств,
создающая возможность проведения обработки информации и получения результата в необходимой
форме. В состав ВМ входит и системное программное обеспечение.
Электронно-вычислительная машина (ЭВМ) – программируемое функциональное устройство, состоящее из одного или нескольких взаимосвязанных центральных процессоров, периферийных устройств, управление которыми осуществляется посредством программ, располагающихся в оперативной памяти. Эта машина может производить большой объем вычислений, содержащих большое количество арифметических, логических и других операций без вмешательства пользователя в течение периода выполнения.
Слайд 4Система обработки данных (СОД) – совокупность технических средств и программного
обеспечения, предназначенная для информационного обслуживания пользователей и технических объектов. В
состав технических средств входят: сами ЭВМ, устройства сопряжения ЭВМ с объектами, аппаратура передачи данных и линии связи. Иногда вместо термина СОД используют понятие АСОИ (Автоматизированная система обработки информации).
СОД, настроенную на решение задач конкретной области применения, называют вычислительной системой (ВС).
Слайд 5Вычислительная система (ВС) – часть, подсистема АСОИ, конструктивно обособленная и
автономная по своему функциональному назначению.. Иногда под ВС понимается совокупность
взаимосвязанных и согласованно действующих однородных и неоднородных ЭВМ и других устройств, обеспечивающих автоматизацию процессов приема исходной информации от ее источников, обработки информации и выдачи результатов обработки потребителю информации.
Вычислительный комплекс (ВК) – совокупность вычислительных и специальных средств, предназначенных для решения одной или нескольких широко-масштабных задач.
Многопроцессорная вычислительная система – система, в состав которой входят два или несколько процессоров.
Слайд 6Архитектура системы:
архитектура – это набор команд;
архитектура – это
организации системы.
Архитектурой ВМ – это концептуальная структура ВМ.
Архитектура ВС –
это распределение функций, реализуемых системой, между ее уровнями.
Набор интерфейсов:
языки;
системные программы.
Слайд 7Архитектура ЭВМ – абстрактное представление ЭВМ, которое отражает ее структурную,
схемотехническую и логическую организацию. Понятие «архитектура ЭВМ» является комплексным и
включает в себя целый ряд элементов, основные из них следующие:
структурная схема ЭВМ;
средства и способы доступа к элементам структурной схемы, включая обмен с внешней средой;
организация и разрядность интерфейсов в ЭВМ;
набор и доступность регистров;
организация и способы адресации памяти;
способы представления и форматы данных ЭВМ;
набор машинных команд;
форматы машинных команд;
обработка нештатных ситуаций (прерывания, особые ситуации, ловушки и т.д.);
топология связи отдельных устройств и модулей.
Слайд 8Таким образом, при разработке архитектуры ЭВМ условно можно выделить вопросы:
общей
структуры, организации вычислительного процесса и общения с машиной;
логической организации представления,
хранения и преобразования информации;
логической организации совместной работы различных устройств;
связанные с аппаратными и программными средствами машин.
Типы архитектур ЭВМ последовательного типа:
Принстонская архитектура;
Гарвардская архитектура.
Слайд 9Вычислительная сеть (сеть ЭВМ) – территориально рассредоточенная многомашинная система, состоящая
из взаимодействующих ЭВМ, связанных между собой каналами передачи данных.
Интерфейс –
совокупность средств и правил, обеспечивающих взаимодействие устройств ЭВМ и ВС, программ, а также пользователей. Интерфейсы могут разграничивать определенные уровни внутри программного обеспечения.
Слайд 10Архитектура системы – это ее описание на некотором общем уровне,
включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, структуры системы, способов
доступа к ней и пользовательского интерфейса, организации памяти и системы адресации, операция ввода-вывода, управления и т.д.
Применительно к ВС термин «архитектура» используется для описания структуры, принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных элементов системы.
Слайд 112. Основные характеристики, области применения ЭВМ различных классов.
технические и
эксплуатационные характеристики ЭВМ;
характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ;
возможность
расширения состава технических и программных средств;
возможность изменения структуры;
состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг.
Слайд 12К основным характеристикам ЭВМ относятся:
быстродействие;
производительность;
iCOMP
емкость запоминающих устройств;
надежность;
точность;
достоверность.
Слайд 13Классификация
Классификация ЭВМ по принципу действия:
аналоговые (АВМ);
цифровые (ЦВМ);
гибридные (ГВМ).
Слайд 14Классификация ЭВМ по этапам создания.
По этапам создания и используемой элементной
базе ЭВМ условно делятся на поколения:
1-ое поколение, 50-е годы; ЭВМ
на электронных вакуумных лампах.
2-ое поколение, 60-е годы; ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах).
3-е поколение, 70-е годы; ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни – тысячи транзисторов в одном корпусе).
4-ое поколение, 80-е годы; ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах – микропроцессорах (десятки тысяч – миллионы транзисторов в одном
5-ое поколение, 90-е годы; ЭВМ с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы;
6-ое и последующие поколения; оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейтронной структурой – с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейтронных биологических систем.
Слайд 15История развития ВТ:
1000-летия назад – счетные палочки, камешки и т.д.
1500
лет назад – счеты;
1642 г. - механическое устройство Б.Паскаля;
1673 г.
– механический арифмометр Г.Лейбница;
1-ая пол. XIX в. – универасальное устройство Ч. Бэббиджа;
1943 г. – вычислительная машина Г.Эйкена;
1945 г. Электронная вычислительная машина Д.фон Неймана;
1950 г. – 1-ая коммерческая электронная вычислительная машина;
1975 г. – 1-ые ПК;
С 1979 г. - развитие микропроцессоров Intel на основе системы команд x86…
Слайд 16Классификация ЭВМ по назначению
универсальные (общего назначения);
проблемно-ориентированные;
специализированные.
Слайд 17Классификация ЭВМ по размерам и функциональным возможностям:
супер-ЭВМ;
большие ЭВМ (мейнфреймы);
малые ЭВМ;
микро
ЭВМ:
4.1. универсальные:
4.1.1. многопользовательские;
4.1.2. однопользовательские (персональные);
4.2. специализированные:
4.2.1. многопользовательские (серверы);
4.2.2. однопользовательские (рабочие
станции).
Слайд 18Классификация ЭВМ на основе области их применения:
настольные ЭВМ (персональные и
рабочие станции);
портативные (персональные) ЭВМ;
серверы;
мейнфреймы;
супер-ЭВМ.
Слайд 19
Настольные ЭВМ классифицируются по ценовому признаку:
системы «начального уровня»;
системы «среднего
уровня»;
системы «высшего уровня».
Деление ПК по «спецификации 99»:
массовый;
деловой;
портативный;
рабочая станция;
развлекательный.
Слайд 20Портативные ЭВМ делятся на:
карманные ПК;
ноутбуки.
Портативные ЭВМ – ноутбук:
Слайд 21Карманные ПК (КПК) классифицируются по следующим признакам:
Слайд 22Типы серверов определяются видом ресурса, которым владеет сервер:
файл-сервер;
сервер баз данных;
принт-сервер;
вычислительный
сервер;
сервер приложений.
Слайд 243. Программный принцип управления.
В основе принципа программного управления лежит
представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.
Алгоритм– точное
предписание, определяющее процесс преобразования исходных данных в конечный результат.
При решении задачи применим общий алгоритм:
1) получить исходные данные;
2) найти решение;
3) сообщить ответ.
Программа – это упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке. Программа описывает операции, которые нужно выполнить процессору компьютера для решения поставленной задачи.
Слайд 25Структура команды:
Команда – это инструкция машине на выполнение элементарной операции.
Набор операций, которые
может выполнять компьютер, и правил их записи образуют машинный язык.
Слайд 26Счетчика команд
это регистр процессора, последовательно увеличивающий хранимый в нем адрес
очередной команды на длину команды.
Суть принципа программного управления заключается в
следующем:
все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов-команд;
каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, место нахождения (адрес) операндов и ряд служебных признаков.
Операнды – это переменные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных.;
для доступа к программам, командам и операндам используются их адреса, в качестве которых выступают номера ячеек памяти компьютера, предназначенных для хранения объектов;
команды программы расположены в памяти друг за другом, что позволяет микропроцессору организовывать выборку цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти и выполнять команду за командой;
для перехода к выполнению не следующей по порядку команды, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов.
Слайд 27Код операции – код, находящийся в оперативной части; определяет какая именно
операция выполняется. Занимает 8 бит.
Микрооперация – элементарное действие внутри ВМ.
Адресная часть –
часть, где хранятся адреса.
Регистр команд – регистр, после помещения в который, тело команды начнет выполняться .
Слайд 28Принцип программного управления архитектуры фон Неймана обеспечивает универсальность использования компьютера.
Другие принципы
фон Неймана:
Принцип однородности памяти
Принцип адресности
Принцип двоичного кодирования
Слайд 29Программы, постоянно размещающиеся в оперативной памяти, называются резидентными.
Программы, загружаемые в оперативную
память только на время выполнения, а затем удаляемые из памяти,
называются транзитными.
Часть машинных программ, обеспечивающих автоматическое управление вычислениями и используемых наиболее часто, может размещаться в ПЗУ, т.е. реализовываться аппаратно.
Программы, записанные в ПЗУ, составляют базовую систему ввода/вывода (BIOS) – является промежуточным звеном между программным обеспечением компьютера и его электронными компонентами.
Слайд 304. Алгоритм командного цикла для ЭВМ с архитектурой фон Неймана.
Используемые регистры:
Слайд 31Откуда берется такая размерность Регистра команд (12 бит)?
ОЗУ – 4096
слов (ячеек), т.е. по 40 двоичных разрядов.
Адреса ячеек – целые
числа от 0 до 4095, для их записи требуется не менее 12 бит.
1 40-разрядная ячейка = 2-е 20-разрядные команды (система команд одноадресная)
1 команда = 20 разрядов = 12 бит (адрес информации) + 6 бит (КОП, т.е. возможно 64 операции) + 2 бита (не используются)
Слайд 32Алгоритм командного цикла.
Выборка очередной команды из ОЗУ:
а) адрес очередной команды
копируется из СК в РК, младшие 12 разрядов которого одновременно
служат регистром считываемого из ОЗУ адреса;
б) стандартным образом производится считывание содержимого необходимой ячейки ОЗУ в РП. Считывание происходит точно так же, как если бы требовалось прочитать число, а не пару команд программы.
в) считанный код копируется из РП в РК и ДР так, чтобы в РК оказалась первая команда пары, а в ДР - вторая.
II. Добавление единицы к содержимому счетчика СК, чтобы он показывал адрес следующей ячейки ОЗУ с командами.
III. Дешифрация и выполнение первой команды из РК.
IV. Копирование второй команды пары из ДР в РК; ее дешифрация и выполнение.
V. Если вычисления не закончены, то перейти к пункту I.
Слайд 335. Конвейер команд.
Идеи конвейеризации выполнения последовательности команд программы
состоит в следующем:
все операции разбиваются на ряд стандартных
шагов, для выполнения каждого из которых проектируется отдельное устройство.
Слайд 34Пример организации конвейерного выполнения команд программы:
Слайд 35На практике трудности процесса могут быть вызваны следующими причинами:
Не все
команды строго одинаковы.
Наиболее критичной операцией конвейера является обращение к ОЗУ.
Последующим
командам могут требоваться результаты предыдущих.
Для выхода на нормальный режим от "пустого" конвейера требуется некоторое время.
Отдельная команда даже при благоприятном стечении обстоятельств в конвейере выполняется дольше, чем если бы она выполнялась отдельно.
Слайд 36 Классическая модель фон Неймана, реализует способ обработки, называемый Одиночный
поток Команд и Одиночный поток Данных (ОКОД).
Конвейерные
вычислительные системы, используют множественный поток команд (МКОД).
Процесс "досрочного" считывания последовательно расположенных байт памяти называют опережающей выборкой.
Слайд 37Суперскалярная архитектура.
U- и V-конвейеры
В процессоре Pentium существует специальный блок предсказания ветвлений,
а
также реализовано исполнение по предположению.
Слайд 38Выводы
Важным элементом устройства управления в машине фоннеймановской архитектуры является счетчик
команд.
Каждая команда программы реализуется согласно стандартному алгоритму: а) выборка
команды из памяти, б) модификация значения счетчика, в) выполнение команды и г) повторение сначала.
Выборка команд и данных из памяти производится одинаковым образом.
Для реализации переходов в разветвляющихся и циклических программах в ходе выполнения команд данного типа содержимое счетчика команд изменяется.
При переходе к байтовой структуре памяти счетчик стал увеличиваться не на единицу, а на количество байт в очередной команде. Длины команд не во всех машинах являются постоянными.
Одно из наиболее существенных усовершенствований основного алгоритма выполнения команд программы состоит в организации конвейерного способа их выполнения.
Ради повышения производительности в современных моделях процессоров при выполнении команд программы используются все усложняющиеся алгоритмы. Совершенствование технологий производства также позволяет модифицировать этот процесс (например, использовать несколько конвейеров и т.д.).