Лекция Понятие архитектуры вс и ЭВМ

Вид материала

Лекция

Содержание Принцип программного управления Принцип однородности памяти Функциональная схема вычислительной машины Принцип структурированности и кодирования информации. Недостатки классической архитектуры фон Неймана

Подобный материал:

• Лекция 5 (4 часа). Раздел Архитектура предприятия, 242.66kb.
• Лекция Многопроцессорные и многомашинные вс. Суперкомпьютеры, 89.18kb.
• Резидентные программы. Проблема реентерабельности программ в ms dos. Лекция N12. Режимы, 583.2kb.
• Резидентные программы. Проблема реентерабельности программ в ms dos. Лекция N12. Режимы, 1127.82kb.
• Лекция 2 Информационные ресурсы и сети, 158.72kb.
• Лекция Введение в дисциплину Характеристики сетей ЭВМ, 384.76kb.
• Лекция Программное обеспечение ЭВМ. Классификация и развитие, 218.8kb.
• Лекция исторические и современные концепции ландшафтной архитектуры, 44.69kb.
• 1 История развития компьютерной техники, поколения ЭВМ и их классификация Развитие, 1329.92kb.
• Малых ЭВМ (СМ эвм), 153.2kb.

Лекция 3. Понятие архитектуры ВС и ЭВМ


Определение. Архитектура ВС – это совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логическую и структурную организацию системы.


Таким образом:

• Архитектура – это те свойства и характеристики системы, которые наиболее интересны и существенны для пользователя.
  
• Характеристики и параметры, составляющие архитектуру ВС, реализуются как аппаратными, так и программными средствами. При этом вариантов реализации может быть несколько. Здесь следует различать следующие понятия: Платформа, Архитектура, Конфигурация. Платформа – это концепция разработки и устройства вычислительной системы. Например, платформа IBM PC, платформа IBM S/390. Архитектура ВС может быть рассмотрена как реализация некоторой платформы с использованием конкретных аппаратно-программных средств. Например, использование в одном случае процессора Intel, а в другом случае – AMD может означать использование двух различных архитектур, но одной и той же платформы (IBM PC). Наконец, конфигурация ВС – это реализация заранее определенной архитектуры и платформы в конкретной вычислительной системе или ЭВМ.
  
• Архитектура ВС, как правило, делает упор на состав и функциональность аппаратно-программных средств.
  
• Архитектура ВС и ЭВМ может быть описана:
  
  • В виде многоуровневой иерархии применяемых аппаратно-программных средств;
    
  • С указанием принципов, которым должны соответствовать характеристики и параметры системы.
    

Основным стандартом построения всех современных ЭВМ являются принципы фон Неймана.


Принципы фон Неймана

1. Принцип программного управления. Согласно этому принципу, программа состоит из конечного набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Каждая команда должна содержать: а) указание на конкретную выполняемую операцию; б) адреса операндов, то есть тех переменных, значения которые участвуют в операции; в) дополнительные служебные признаки. Переход к каждой следующей команде осуществляется с помощью специального счетчика команд. В качестве него выступает особый регистр исполняющего устройства (процессора), который последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на ее длину. Так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую нужную команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп». Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.
   
2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.
   

Рис. 4.1. Принцип программного управления

3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Обращение к ячейкам происходит всякий раз при выполнении следующей программной команды. Во-первых, извлекается сама команда (по адресу, который хранится в регистре счетчика команд). После этого, извлекаются значения операндов. Кроме того, из рассматриваемого принципа вытекает возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.
   
4. Функциональная схема вычислительной машины состоит из следующих элементов: центральное арифметико-логическое устройство, центральное устройство правления, запоминающее устройство, устройство ввода вывода информации (см. рис. 4.2).
   
5. Принцип структурированности и кодирования информации. Вся информация должна быть представлена в определенном формате (вспомним соотношение понятий «информация» - «данные» из курса Информационные системы), то есть представлена с использованием определенных структурных единиц информации и закодирована двоичным кодом, с которым и работает центральное арифметико-логическое устройство. Последовательность бит, имеющая определенный смысл, называется полем. Принятой единицей хранения информации в ЭВМ считается последовательность байт, называемая словом. Длина слова определяется классом вычислительной машины. Для ПК – это 2 байта, для больших ЭВМ – обычно 4.
   

Рис. 4.2. Схема вычислительной машины фон Неймана


Комментарии к архитектуре фон Неймана

• Устройство управления (УУ) обеспечивает автоматическое выполнение программы: выбирает и дешифрует очередную команду, извлекает значения операндов из памяти.
  
• Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над данными.
  
• УУ и АЛУ в современных ЭВМ совмещены в единое устройство – процессор.
  
• В архитектуре современных ЭВМ могут существовать дополнительные устройства, отвечающие за выполнение специальных задач: сопроцессоры для операций с плавающей точкой, контроль и мультиплексирование устройств ввода-вывода, обслуживание скоростных внешних запоминающих устройств и т.п. Начиная с ЭВМ третьего поколения, архитектура ВС имеет тенденцию к децентрализации.
  
• В современных ЭВМ децентрализация вызвала следующие изменения в архитектуре:
  
  • Модульность построения, то есть выделение набора автономных, функционально и конструктивно законченных устройств (процессор, модули памяти, внешние накопители и периферийные устройства). Архитектура обрела свойство открытости, то есть возможности расширения и усовершенствования.
    
  • Иерархическая организация структуры – от УУ центрального процессора задачи передаются в подчиненные модули, где они продолжают исполняться по собственным программам управления. Для обмена данных используются специальные шины или магистрали для обмена данными, которые в современных ЭВМ обладают свойствами стандартизации и унификации. Иерархическая система также характерна для построения памяти ЭВМ: от регистров процессора до внешних запоминающих устройств.
    
  • Возможность работы в мультипрограммном режиме – как одно из следствий децентрализации, поскольку повышение эффективности работы ЦП позволило достоверно имитировать параллельное выполнение различных задач. Например, можно одновременно распечатывать документ и слушать музыку, получать электронную почту и форматировать дискету и т.п.
    

Недостатки классической архитектуры фон Неймана

1. Структурные методы качественного повышения производительности ВС практически исчерпаны.
   
2. Низкая эффективность при решении задач, допускающих параллельную обработку (отсюда появление и развитие многопроцессорных ВС, сначала в классе больших ЭВМ и суперкомпьютеров, а постепенно – в классе малых и микро ЭВМ).
   
3. Ориентирование машин фон Неймана на решение неспециализированных вычислительных задач, в то время как многие современные задачи требуют специализированного подхода. (Как говорят специалисты, «ЭВМ фон Неймана может с приемлемой скоростью выполнять различные вычислительные задачи, но ни на одной из них выдающегося быстродействия не показывает».) Сейчас, например, остро встает задача быстрой передачи больших объемов информации по глобальным сетям. Парадокс заключается в том, что современные сети позволяют передавать данные быстрее, чем их может обработать ЭВМ (малого или микро классов). Для решения некоторых таких задач можно конструировать специальные ЭВМ, архитектура которых уже не полностью следует принципам фон Неймана.
   
4. Несоответствие машинных операций концепциям и операторам языков высокого уровня (например, многие специалисты жалуются на невозможность эффективного перевода объектных моделей в линейную последовательность машинных инструкций).
   
5. Плохое развитие средств обработки нечисловых данных (графические образы, звук, матрицы, символы, предложения и т.п.).
   

Архитектура ПК


Современные персональные ЭВМ включают в свою структуру следующие основные блоки:

• Микропроцессор – центральное устройство ПК, предназначенное для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией. В его составе можно выделить такие компоненты как:
  
  • Устройство управления (УУ);
    
  • Арифметико-логическое устройство (иногда с математическим сопроцессором) (АЛУ);
    
  • Микропроцессорная память (МПП) – для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в ближайшие такты работы МП. Представляет собой набор регистров – быстродействующих ячеек памяти различной длины;
    
  • Интерфейсная система – предназначена для сопряжения и связи с другими устройствами ЭВМ. Включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры, схемы управления портами ввода-вывода системной шины (см. далее). Таким образом, передача информации и связь МП с другими устройствами осуществляется с помощью портов ввода-вывода (I/O ports, Input-Output ports). Совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера с МП называется интерфейсом.
    
  • Генератор тактовых импульсов – задает опорную последовательность электрических импульсов для смены тактов. Ранее уже говорилось, что современные ЭВМ работают с представлением информации в виде двоичных кодов. Это очень удобно, поскольку коды нуля и единицы могут быть представлены в виде хорошо отличающихся друг от друга состояний электрического сигнала (либо он есть, либо его нет). В течение одного такта работы процессор распознает значения поступивших входных сигналов (сигналы управления от УУ и сигналы данных из МПП) и выполняет очередную микрооперацию.
    

Рис. 4.3. Структурная схема ПК

• Системная шина – основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина включает в себя:
  
  • Кодовую шину данных – необходима для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда.
    
  • Кодовую шину адреса – необходима для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;
    
  • Кодовую шину инструкций – необходима для передачи управляющих сигналов (инструкций) во все блоки машины;
    
  • Шину питания – необходима для подключения блоков ЭВМ к система энергопитания.
    

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

• Микропроцессор – основная память;
  
• Микропроцессор – порты ввода/вывода внешних устройств;
  
• Основная память – порты ввода/вывода внешних устройств (при наличии DMA-контроллера).
  

Схема взаимодействия: МП – [контроллер шины] – системная шина – [адаптер/контроллер] – Устройство (блок) ЭВМ.

• Основная память – предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. Включает в себя ПЗУ, ОЗУ, CMOS RAM. ПЗУ (ROM, Read Only Memory) – сохраняет неизменную программную и справочную информацию. ОЗУ (RAM, Random Access Memory) – предназначено для оперативной работы с информацией (запись, хранение, считывание), энергозависима. CMOS RAM – Complementary Metal-Oxide Semiconductor RAM – энергонезависимая оперативная память, которая питается от своего аккумулятора т хранит информацию об аппаратной конфигурации ЭВМ.
  
• Внешняя память – используется для долговременного хранения информации;
  
• Источник питания;
  
• Таймер – внутримашинные электронные часы реального времени. Подключаются к автономному источнику питания (аккумулятору).
  
• Внешние устройства: диалоговые, ввода/вывода, мультимедийные.
  

Мультимедиа (multimedia – многосредовость) – это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и т.д.

• Дополнительные интегральные микросхемы: математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти (DMA, Direct Memory Access Controller), сопроцессор ввода/вывода, контроллер прерываний и т.п.
  

Прерывание – это временная приостановка выполнения одной программы с целью оперативного выполнения другой программы, которая в данный момент обладает более высоким приоритетом. Контроллер прерываний принимает запрос на прерывание от внешних устройств и при необходимости (при достаточном приоритете запроса) посылает сигнал микропроцессору. Получив соответствующий сигнал, микропроцессор приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания вызванного прерывания. После выполнения прерывания работа по выполнению приостановленной программы возобновляется. Прерывания – очень важный механизм работы ПК. Например, все процедуры ввода/вывода данных выполняются с его помощью.