Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
Im Artikel analysiert man zwei Typen der Retrospektion: der erste Typ drückt diese Kategorie vom Standpunkt des Lesers, der zweite vom Standpunkt des ...полностью>>
'Закон'
88 ) приказываю: Утвердить прилагаемый Порядок создания нештатных аварийно-спасательных формирований. Министр С....полностью>>
'Документ'
Мета: Формування вмінь та навичок по завантаженню програми VFP, її налаштуванню, створення проекту додатку. Закріплення навичок використання ОС та ППЗ...полностью>>
'Доклад'
Доклад посвящен обобщению литературных данных и результатов собственных исследований по изучению методов генерирования и путей стабилизации неустойчи...полностью>>

Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2006 (2)

Главная > Учебное пособие
Сохрани ссылку в одной из сетей:

СОВМЕСТНАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА ХТУ–ЛЭТИ

Ханойский технологический университет –

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

В. А. КИРЬЯНЧИКОВ

Организация и функционирование ЭВМ и систем

Учебное пособие

Санкт-Петербург

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2006

Организация и функционирование ЭВМ и сиcтем: Учеб. Пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006. ХХ с.

Утверждено

редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006


1.1.1.11. Основные понятия архитектуры и организации ЭВМ

1.1. Состав электронных вычислительных машин (ЭВМ)

ЭВМ, или просто, ВМ – это совокупность аппаратных и программных средств, предназначенных для обработки информации. ВМ обычно содержит один основной процессор и, возможно, несколько сопроцессоров, имеет фиксированный состав и универсальное применение. Вычислительные системы (ВС), в отличие от ЭВМ, содержат несколько процессоров, имеют переменный состав и являются проблемно-ориентированными (специализированными). Состав аппаратных и программных средств ВМ можно пояснить с помощью рис. 1.1.

Процессор – основное устройство управления и обработки данных. Память – набор устройств для хранения информации, используемой в процессе работы машины. Внешние устройства обеспечивают взаимодействие машины с внешней средой (в том числе с пользователями). Шины связи и протоколы взаимодействия реализуют физическую среду и алгоритмы обмена данными между различными устройствами.

Операционные системы - являются основными средствами управления выполнением программ и распределения ресурсов машины между процессами. Инструментальные ПС (программные среды) включают все средства, необходимые для разработки программ: редакторы, компиляторы, отладчики и др. Системы промежуточного ПО (Middleware) – ИТС (инструментальные технологические среды) – позволяют реализовать определенную технологию разработки программных средств: COM, DCOM, CORBA, RMI и др. Проблемно-ориентированные ПС предназначены для решения задач определенной области применения: MathLab (научные вычисления), AutoCAD (конструирование), PhotoShop (графический редактор), 3D Studio (машинная графика) и др. Утилиты – сервисные средства, облегчающие взаимодействия пользователя и ЭВМ: архиваторы, программы форматирования, антивирусные программы и др.

1.2. Виды (классы) ЭВМ

В настоящее время распространены следующие классы ЭВМ:

- микроЭВМ – встраиваемые ВМ (микропроцессоры) со специальным ПО, используемые как программируемые контроллеры для промышленного оборудования (Embedded Computers);

- персональные компьютеры (ПК Pentium) – ВМ, предназначенные для работы одного пользователя;

-рабочие станции (Sun Work Stations) – ВМ большей производительности, чем ПК; имеют проблемную ориентацию или управляют несколькими ПК, объединенными в простую (локальную) сеть;

- средние и большие машины (Host computers) – вычислительные системы из нескольких процессоров (CDC6600, HP9000, Series800, SGI); это системы, которые предназначены для решения сложных задач обработки данных и управления несколькими машинами;

- суперЭВМ – системы с параллельной архитектурой векторно-матричного типа (Iliac IV, VP-2000, Эльбрус), имеющие сверхвысокую производительность обработки данных.

1.3. Принцип программного управления и машина фон Неймана

Фон Нейман впервые предложил в 40-х годах XX века концепцию хранимой программы, основные принципы которой заключаются в следующем:

  1. Двоичное кодирование: вся информация (как команды, так и данные) кодируется двоичными цифрами 0 и 1, поскольку двоичное кодирование по теории информации близко к оптимальному, а кроме того, легче реализовать элементы с двумя устойчивыми состояниями (магнитные сердечники, триггеры).

  2. Программное управление: команды программы, так же как и данные, хранятся в памяти машины; хранимая программа позволяет выполнять команды в естественном порядке следования либо осуществлять произвольный переход от одной команды к другой.

  3. Однородность памяти: Вид хранимой информации (команды или данные непосредственно в памяти) неразличим, а зависит от последующего использования; команды могут обрабатываться так же, как и числовые данные (модификация команд – сейчас не поощряется), либо порождать в процессе обработки другие команды (трансляция – широко применяется).

  4. Адресность: в команде указываются не сами данные, а адреса их размещения в памяти.

Основные особенности первых машин, построенных по изложенным принципам и называемых сейчас машинами фон неймановского типа, состоят в следующем:

  1. наличие единого вычислительного устройства, включающего один процессор, память и некоторые внешние устройства;

  2. использование линейной структуры адресации памяти со словами фиксированной длины;

  3. централизованный принцип управления выполнением программы по последовательному алгоритму;

  4. низкий уровень машинных команд, позволяющих выполнять только элементарные операции.

Для таких машин «узким» местом», ограничивающим производительность, является память и каналы связи: как данные, так и команды должны последовательно выбираться из памяти и передаваться между устройствами. Для повышения производительности в фон неймановских машинах применяются:

- увеличение разрядности обработки данных (16 бит32 и 64 бит);

- активное использование конвейеризации при выборке и обработке команд;

- активное использование кэш-памяти (Cache – тайник, скрытый), т.е. модулей памяти, которые являются буферными между процессором и оперативной памятью.

Кроме того, наряду с Принстонской архитектурой, подразумевающей хранение команд и данных в общей памяти, распространяется Гарвардская архитектура, использующая раздельное хранение команд и данных.

1.4. Понятия архитектуры, организации и реализации ЭВМ

Архитектура – это множество ресурсов ЭВМ, доступных пользователю на логическом уровне, без детализации способов взаимодействия процессоров, устройств памяти, внешних устройств и программных средств. При изучении архитектуры рассматривают:

- состав и характеристики процессоров, включая системы команд;

- состав и характеристики устройств памяти и ВУ;

- состав программных средств разработки ПО;

- вид ОС и режимы обработки данных.

Организация – это способы распределения функций, установления связи и взаимодействия процессоров, устройств памяти и внешних устройств, используемые для реализации возможностей, заложенных в архитектуре. При изучении организации рассматривают:

- представление и форматы данных;

- уровни памяти и их взаимодействие;

- состав и форматы машинных команд;

- систему прерываний;

- способы обмена данными.

Реализация – способы технического исполнения конкретных устройств, линий или шин связи и протоколов взаимодействия между ними.

Обычно на уровнях организации и реализации происходит перераспределение функций между аппаратными и программными средствами. Это порождает семейство машин одной архитектуры, но разной производительности.

1.5. Многоуровневая организация ЭВМ

В общем случае обработку информации на ЭВМ можно рассматривать в виде иерархической системы уровней, представленных в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Пользователь данного уровня

Уровень

Примечания

Постановщик задач

6 – концептуальный

(язык спецификаций)

Задаются режимы и виды
обработки данных, необходимые для решения задачи,
состав системных ПС

Пользователь функционального ПО, решающий задачи из конкретной предметной области

5 – проблемно-ориентированных ПС

(входной язык пакета
программ)

Уровень приложений
для конкретной предметной области

Разработчик функциональных программных комплексов

4 – промежуточного ПО

(например, язык UML)

Middleware ( 1 - Delphi, Visual C;

2 - DCOM, CORBA, RMI)

Разработчик функциональных (прикладных) программ

3 – языков высокого уровня

Паскаль, СИ, С++, Java, Prolog

Системный программист,

прикладной программист

2 – ассемблера

Программирование фрагментов программ высокой
эффективности

Системный программист

1 – ОС

Выполнения привилегированных команд, управление памятью

Программист/электронщик

(системный архитектор)

0 – машинных команд

Цифровое кодирование
и представление команд

Программист/электронщик

(системный архитектор)

(–1) – микрокоманд

(микроархитектурный уровень)

Описание набора элементарных операций, реализующих машинные команды

Электронщик

(–2) – межрегистровых передач

Реализация элементарных операций как пересылок
между регистрами

Электронщик

(технолог)

(–3) – вентилей

(цифровой логический уровень)

Технологический уровень, устройства машины представляются в виде интегральных схем

Системы промежуточного ПО:

1. Инструментальные среды программирования (Delphi, Visual C, С++ Builder)

2. Инструментальные технологии программирования (DCOM, CORBA, RMI )

Особенности многоуровневой организации:

1. Каждый верхний уровень интерпретируется одним или несколькими нижними уровнями.

2. Каждый из уровней можно проектировать независимо.

3. Модификация нижних уровней не влияет на реализацию верхних.

4. Чем ниже уровень реализации программы, тем более высокая производительность достижима.

1.6. Понятие семантического разрыва между уровнями

Преобразование операторов языков высокого уровня (ЯВУ) в машинный код или даже в микрокоманды требует от транслятора, во-первых, умения распознать операторы и команды различных уровней и, во-вторых, для любого оператора ЯВУ – генерировать десятки или сотни команд низкого уровня. Это приводит к усложнению транслятора, увеличению трудоемкости его разработки и снижению производительности генерируемых программ (особенно, при отсутствии оптимизации). Наличие этих проблем называют семантическим разрывом между уровнями. Способы его преодоления зависят от типа архитектуры ЭВМ:

1) для традиционных ЭВМ, считающихся машинами со сложным набором команд (CISC), используется специализация машин, при которой операторы проблемно-ориентированных языков могут непосредственно выполняться аппаратными средствами машины; платой за повышение производительности является увеличение сложности устройства управления и отход от универсальности; примерами могут служить: аппаратная реализация графических преобразований; аппаратная реализация операций с векторами и матрицами;

2) переход к ЭВМ с сокращенным набором команд (RISC), характеризующихся ограниченным списком простых команд, оперирующих в основном данными, размещенными в регистрах; в результате реализация операторов ЯВУ на основе команд RISC-процессора оказывается почти столь же эффективной, что и аппаратная реализация, но не усложняет устройства управления.

1.7. Организация аппаратных средств ЭВМ

В зависимости от способов связи между устройствами различают следующие виды организации ЭВМ:

1. Структура ЭВМ с непосредственными связями показана на рис. 1.2.

ЦП – центральный процессор

ОП – оперативная память

ВУ – внешнее устройство

К

Рис. 1.2

аждое устройство может связываться с любым другим. Этот способ применялся в двух первых поколениях машин, но с возрастанием числа устройств машины такую организацию становится очень сложно реализовать.

2. Структура ЭВМ с канальной организацией показана на рис. 1.3.

ВУ

ВУ

Контроллер

Канал 1 (Мультиплексный)

ЦП ОП Канал 2 (Мультиплексный) Контроллер ВУ

Канал 3 (Мультиплексный)

Контроллер Контроллер

ВУ ВУ

ВУ ВУ


Рис. 1.3

Центральным элементом машины является память ОП, которая хранит программы центрального процессора и каждого из каналов, являющихся процессорами ввода-вывода, работающими параллельно с центральным процессором по собственной программе, выбираемой из основной памяти. Различают каналы: селекторный – управляет только одним устройством и применяется для подключения быстрых устройств; мультиплексный – управляет несколькими более медленными внешними устройствами.

При данной организации все еще очень большое количество связей. Большая специализация процессоров различного типа затрудняет их интегральное исполнение. Такая организация применялась в машинах третьего и частично четвертого поколений.

3. На рис. 1.4 показана структура ЭВМ с магистральной организацией по типу «общая шина (Unibus)».

А

Р

Б Общая шина (ОШ)

ЦП И

Т

Р

Память К1 МЛТП

ВУ1 К1 К2 К3

ВУ ВУ ВУ


Рис. 1.4

Магистрально-модульная организация вычислительной системы предполагает выделение общего универсального канала (магистрали связи между элементами системы – модулями и определения общих правил взаимодействия). В центре ВС – центральный процессор (ЦП), управляющий информационной связью между устрой-ствами, подключенными к магистрали (внешние устройства (ВУ) и память). Магистраль, называемая также Общей шиной (ОШ), представляет собой множество проводов. По одной группе проводов (шина данных) передается обрабатываемая информация, по другой (шина адреса) – адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Есть еще третья часть магистрали – шина управления, по ней передаются управляющие сигналы (например, сигнал готовности устройства к работе, сигнал запуска операции в устройстве и др.). Всякая информация, передаваемая от процессора к другим устройствам по шине данных, сопровождается адресом, передаваемым по адресной шине (как письмо сопровождается адресом на конверте). Это может быть адрес ячейки в оперативной памяти или адрес (номер) периферийного устройства.

На схеме через МЛТП обозначен мультиплексор, обеспечивающий подключение нескольких ВУ к одному входу ОШ по нагрузочной способности, К1-К3 – контроллеры ВУ, Арбитр – аппаратная система приоритетов, разрешающая конфликты при одновременном обращении к общей шине.

Используется единое адресное пространство ячеек памяти и внешних устройств; следовательно, все команды обработки данных процессора могут быть применены и к внешним устройствам. Общая шина является «узким местом» и снижает производительность и надежность машины.

4. Структура ЭВМ с шинной организацией показана на рис. 1.5.

Данная организация ЭВМ предложена для разгрузки шины, связывающей процессор с памятью, и как следствие – повышения производительности и надежности работы ЭВМ.

Рис. 1.5

При такой организации используются различные магистрали для связи ЦП с памятью и с внешними устройствами. Соответственно, используются различные адресные пространства для обращения к памяти и ВУ. Это требует выделения специальной группы команд ввода- вывода в системе команд процессора:

ADD AX, 100 ; адресуется ячейка памяти 100

IN AX, 100 ; адресуется внешнее устройство с номером 100

Шина прямого доступа к памяти (ПДП) используется для связи ВУ и памяти без участия процессора.

1.8. Типовая структура ЭВМ с шинной организацией

Т

Запрос ПДП (DRQ)

ЦП У

(CPU) А

ППД ПЗУ АДП1 ВУ1 АДПn ВУn Контроллер ПДП Таймер

(RAM) (ROM) (AD1) (IOU1) (ADn) (IOUn) (DMAU) (TMR)

д

IRQ Контроллер

прерываний

(INTU)

Reset Начальный сброс

(RSG)

ГТ

(CLG) Рис. 1.6

иповая структура ЭВМ с шинной организацией представлена на рис. 1.6.

На рис. 1.6 используются следующие обозначения:

ППД – память произвольного доступа (RAM – random access memory);

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство (ROM – read only memory);

ВУ – внешнее устройство (IOU – input/output unit);

АДП – адаптер (контроллер для подключения одного ВУ);

ПДП – прямой доступ в память (DMAU – direct memory access unit);

INTU – interruption unit; RSG – reset generator;

ГТ – генератор тактов (CLG – clock generator);

У- шина управления; А – шина адресов; Д – шина данных.

Кроме центрального процессора в состав ЭВМ могут входить сопроцессоры:

- математический сопроцессор (NPR – numerical processor);

- аналоговый процессор (APR – analog processor);

- процессор цифровой обработки сигналов (ЦОС) (DSP- digital signal processor).

Подробное обсуждение способов организации системных и локальных шин, применяемых в современных компьютерах, рассматривается в разд. 4.

2. Организация процессора и основной памяти ВМ

В разделе идет речь о машинах с контроллерным управлением, в которых порядок выполнения команд явно задается программой. Машины с потоковым управлением и машины с запросным управлением (редукционные) в данном курсе не рассматриваются.

Процессор выполняет две функции:

- обработка данных в соответствии с заданной программой;

- управление всеми устройствами машины.

Управление в соответствии с заданной программой представляется в виде последовательности команд, представленных в цифровой форме (кодированных). Структура каждой команды состоит из двух частей: операционной и адресной. Операционная часть задает код операции и режим ее выполнения. Адресная часть содержит сведения о размещении операндов (входные данные и результат операции) в виде:

- непосредственно самих значений данных;

- адресов расположения данных в памяти;

- сведений для определения адресов размещения данных в памяти.

Формирование исполнительного адреса – этап перехода от сведений об адресе к самому адресу. В адресной части могут быть сведения об отсутствии операндов (нуль-адресная или безадресная команда ) и адресации от одного (одноадресная команда) до трех операндов (трехадресная команда).



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2006 (1)

    Учебное пособие
    Рецензенты: кафедра истории России и зарубежных стран РГИ при СПбГУ; д-р историч. наук, кандидат юр-х наук, проф. Б. П. Белозеров (Санкт-Петербургский государственный университет профсоюзов).
  2. «Бюллетень» (4)

    Бюллетень
    Записи включают полное библиографическое описание изданий, инвентарный номер и название отдела в сокращенном виде (шифр отдела). Список сокращений приводится в «Бюллетене».
  3. Библиографический указатель трудов преподавателей и сотрудников Санкт- петербургской академии управления и экономики. 1990-2010 гг

    Библиографический указатель
    Петербургской академии управления и экономики. 1990-2010 гг. (из фондов Библиотеки академии) / С.-Петерб. акад. упр. и экон.; сост. В. А. Светлова; предисл.
  4. Программа вступительного экзамена вмагистратуру по направлению 010400 "прикладная математика и информатика" Разработана мс эту по направлению

    Программа
    ЦЕЛОЧИСЛЕННЫЕ АЛГОРИТМЫ. Делимость целых чисел. Алгоритм Евклида и его анализ (теорема Ламе). Цепные дроби. Сравнения. Классы вычетов по данному модулю.
  5. Программа вступительного экзамена в магистратуру по направлению 010500. 68 «Прикладная математика и информатика»

    Программа
    ЦЕЛОЧИСЛЕННЫЕ АЛГОРИТМЫ. Делимость целых чисел. Алгоритм Евклида и его анализ (теорема Ламе). Цепные дроби. Сравнения. Классы вычетов по данному модулю.

Другие похожие документы..