скачать doc
Кирьянчиков Владимир Андреевич
Организация и функционирование ЭВМ и систем
Учебное пособие
Редактор А. В. Крейцер
Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
1
97376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.
1. 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:
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).
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.
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).
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:
наличие единого вычислительного устройства, включающего один процессор, память и некоторые внешние устройства;
использование линейной структуры адресации памяти со словами фиксированной длины;
централизованный принцип управления выполнением программы по последовательному алгоритму;
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 бит32 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.