Раздел 1. Введение в архитектуру ЭВМ

механизмы функционирования.

управления.
Алгоритм командного цикла для ЭВМ с архитектурой фон Неймана.
Конвейер команд.
Многоуровневая

память.
Загрузка ОС и прикладных программ.

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.

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).

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.

организации системы.

Архитектурой ВМ – это концептуальная структура ВМ.

Архитектура ВС –

это распределение функций, реализуемых системой, между ее уровнями.

Набор интерфейсов:
языки;
системные программы.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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…

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).

рабочие станции);
портативные (персональные) ЭВМ;
серверы;
мейнфреймы;
супер-ЭВМ.

уровня»;
системы «высшего уровня».
Деление ПК по «спецификации 99»:
массовый;
деловой;
портативный;
рабочая станция;
развлекательный.

сервер;
сервер приложений.

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.

может выполнять компьютер, и правил их записи образуют машинный язык.

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.

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 .

фон Неймана:

Принцип однородности памяти

Принцип адресности

Принцип двоичного кодирования

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.

Используемые регистры:

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)

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.

состоит в следующем:

все операции разбиваются на ряд стандартных

шагов, для выполнения каждого из которых проектируется отдельное устройство.

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.

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.

также реализовано исполнение по предположению.

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.).