Архитектура ЭВМ 2 страница

.

Рис. 1.1. Классификация ЭВМ

 

а)

 

б)

 

		N или i1,i2,i3,i4=F(Информация)

t, время

в)

N или i₁,i₂,i₃,i₄=F(Информация)

t, время

г)

Рис. 1.2. Аналоговый (а,б) и цифровой (в,г) сигналы

Например, числа 0, 1, 2, 3 и т.д. могут передаваться синусоидальными сигналами с амплитудами 0, 1, 2, 3 и т.д. вольт (В) или частотами 10, 20, 30 и т. д. кГц (синусоидальный сигнал с частотой ноль является сигналом постоянного тока, поэтому ряд частот начат с 10 кГц). Аналоговый сигнал может быть считан в любой момент времени и при наличии соответствующего измерительного прибора может быть представлен бесконечным множеством уровней. Недостаток аналогового сигнала – сложность преобразования информации в сигнал (кодирование информации) и обратного преобразования (декодирования), а также сложность защиты сигнала от помех и искажений.

На рис. 1,в показан сигнал, передающийся по одной паре проводов последовательно следующими во времени импульсами постоянного тока. Параметры импульсов постоянны, а количество импульсов N, а также наличие или отсутствие i₁, i₂, i₃, i₄ того или иного импульса в последовательности импульсов зависят от передаваемой информации и однозначно соответствуют ей.

На рис. 1,г показан сигнал, передающийся импульсами постоянного тока по нескольким проводам, и передающий четыре порции информации. Как и на рис. 1,в информацию несут, или количество импульсов N (нерационально), или наличие или отсутствие i₁, i₂, i₃, i₄ того или иного импульса в каждой комбинации импульсов.

Описанные сигналы называются дискретными или цифровыми. Сигнал рис. 1,в передаёт информацию в последовательном, а рис. 1,г – в параллельном коде. Поскольку количество импульсов не может быть бесконечным, количество уровней сигнала ограничено. Каждая комбинация импульсов создаётся в течение конечного отрезка времени, поэтому дискретный сигнал может быть считан в отдельные моменты времени, что является его недостатком. Достоинствами дискретного сигнала является лёгкость кодирования и декодирования информации, более высокая защищённость от помех, а также возможность защиты его от искажений различными методами.

Аналоговыми машинами называются вычислительные машины, использующие только аналоговые сигналы, дискретными – только дискретные сигналы, а гибридными – машины, использующие сигналы обоих типов.

Аналоговые машины состоят из высокоточных усилителей с настраиваемыми входными цепями и цепями обратной связи. Они позволяют моделировать линейные и нелинейные объекты, просты и удобны в эксплуатации, легко программируются, скорость решения задач регулируется оператором до сколь угодно больших значений. Однако, точность решения задач невысокая. Такие машины хороши для решения алгебраических и дифференциальных уравнений и их систем без сложной логики.

Цифровые машины более точны, позволяют моделировать сложные алгоритмы, но имеют более высокую трудоёмкость программирования и обслуживания. Тем не менее, они в настоящее время наиболее широко распространены в системах обработки информации.

Классификация вычислительных машин и систем по назначению основана на широте круга решаемых задачи их направленности. Универсальные вычислительные машины предназначены для решения широкого круга в задач разных областях деятельности человека и работают с информацией, представленной в разнообразных формах. Обычно это вычислительные машины коллективного пользования.

Проблемно-ориентированные вычислительные машины решают более узкий круг задач, например управление технологическими объектами, регистрация, накопление и обработка относительно небольших объёмов данных. Аппаратные и программные ресурсы их значительно слабее, чем у универсальных.

Специализированные машины решают ещё более узкий круг задач. Поэтому за счёт специализированной структуры имеют невысокую стоимость при высоких производительности и надёжности. Применяются, например, для управления несложными техническими устройствами.

Классификация вычислительных машин по размеру и функциональным возможностям основана на значениях множества их параметров, к которым относятся:

· быстродействие, измеряемое количеством операций средней продолжительности с плавающей точкой в 1 с;

· разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует ВМ;

· номенклатура, ёмкость и взаимодействие всех запоминающих устройств;

· номенклатура и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;

· типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов ВМ между собой (внутримашинные интерфейсы);

· способность ЭВМ работать одновременно с несколькими пользователями и выполнять одновременно несколько программ;

· типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных систем;

· наличие и функциональные возможности установленного программного обеспечения;

· программная совместимость с другими ВМ (способность выполнять программы, написанные для других ВМ);

· возможность подключения ВМ к каналам связи;

· эксплуатационная надёжность ВМ;

· коэффициент полезного времени.

Следует отметить, что границы параметров ВМ и ВС весьма переменчивы. Более стабильны размеры машин разных классов. Так персональные компьютеры (микроЭВМ) размещаются на рабочем столе, малые ЭВМ занимаю часть небольшой комнаты, большие можно разместить в большом зале. СуперЭВМ представляют собой ВМ наивысшей производительности, достижимой в момент их производства.

Контрольные вопросы:

1. Что такое вычислительная машина?

2. Что такое вычислительная система?

3. Какое понятие носит более общий характер: "вычислительная машина" или "вычислительная система"? Почему?

4. Что такое функциональная организация вычислительной машины и вычислительной системы?

5. Что такое структурная организация вычислительной системы?

6. Что такое архитектура вычислительной машины?

7. Нулевое поколение вычислительных машин относится к 1937 – 1953 гг. Какие вычислительные средства относятся к этому поколению?

8. Первое поколение вычислительных машин относится к 1937 – 1953 гг. Какова элементная база вычислительных машин первого поколения?

9. Второе поколение вычислительных машин относится к 1954 – 1962 гг. Какова элементная база вычислительных машин второго поколения?

10. Третье поколение вычислительных машин относится к 1963 – 1972 гг. Какова элементная база вычислительных машин третьего поколения?

11. Четвёртое поколение вычислительных машин относится к 1972 – 1984 гг. Какова элементная база вычислительных машин четвёртого поколения?

12. Пятое поколение вычислительных машин относится к 1984 – 1990 гг. Какова элементная база вычислительных машин пятого поколения?

13. Шестое поколение вычислительных машин относится к 1990 и более поздним гг. Чем характерны вычислительные машины шестого поколения?

14. Вычислительные машины первого поколения строились на электронных лампах. Как Вы представляете себе устройство и принцип действия электронной лампы?

15. Начиная со второго поколения, в основе вычислительных машин лежит полупроводниковая техника. Как Вы представляете себе понятие "полупроводник" и его принцип действия?

16. Вычислительные машины второго поколения строились на дискретных электронных элементах. Что означает понятие "дискретные элементы" в данном контексте?

17. Третье поколение вычислительных машин строилось на интегральных схемах малой степени интеграции. Что такое интегральная схема малой степени интеграции?

18. Начиная с четвёртого поколения, основой вычислительных машин стали большие и сверхбольшие интегральные схемы. Что означают термины "большие интегральные схемы" и "сверхбольшие интегральные схемы"?

19. В вычислительных машинах разных поколений применялись следующие элементные базы: электронные лампы, дискретные полупроводниковые элементы, интегральные микросхемы малой, большой и сверхбольшой степени интеграции. Чем вызвана такая эволюция элементной базы? Ведь технология производства элементов вычислительных машин усложнялась и удорожалась.

20. В пятом поколении вычислительных машин появились много процессорные системы. С какой целью были введены многопроцессорные системы и каковы были возможности процессоров машин пятого поколения.

21. Шестое поколение вычислительных машин характеризуются массовым параллелелизмом обработки данных. Что означает термин "массовый параллелелизм обработки данных"? Какими средствами он обеспечивается?

22. Что такое вычислительные сети?

23. Какие преимущества и перспективы даёт широкая поддержка вычислительных сетей?

24. Огромный класс вычислительных машин нулевого поколения были основаны на одном и том же типе вычислительного механизма. Эти машины, в конце концов, получили названия арифмометра и вычислительной клавишной машины. Что было основой упомянутых вычислительных машин?

25. Дайте характеристику "аналитической машины" Бэббиджа.

26. До 1937 – 1939 гг. в арифмометрах, калькуляторах и клавишных вычислительных машинах применялись зубчатые колеса и ступенчатые валики. Какие элементы заменили их в последующие годы?

27. Какие вычислительные машины претендуют на почётное звание "Первый в мире компьютер"?

28. Назовите первые электронные вычислительные машины в России.

29. В машинах второго поколения отказались от запоминающих устройств на основе ртутных линий задержки. Какие типы запоминающих устройств появились в машинах второго и четвёртого поколений?

30. В машинах какого поколения появился процессор ввода-вывода?

31. На какой основе в машинах третьего поколения обеспечивалась параллельная обработка данных?

32. Как достигалось совмещение во времени работы центрального процессора и устройств ввода/вывода?

33. Что такое конвейеризация потоков команд и данных?

34. Что такое CISC и RISC архитектуры?

35. Что имеется в виду под векторными архитектурами машин четвёртого
поколения?

36. В четвёртом поколении вычислительных машин появились термины "сервер" и "рабочая станция". Что означают эти термины?

37. Что такое распределённая память в машинах пятого поколения?

38. Что такое архитектура "гиперкуб" в машинах пятого поколения?

39. Что такое "архитектура с параллельным выполнением одной операции множеством процессоров"?

40. Что такое массовый параллелелизм (МРР) в машинах шестого поколения?

41. Что такое гетерогенные вычисления?

42. Что такое аналоговый и дискретный сигнал?

43. Объясните принцип действия аналоговой машины? Каковы её возможности, достоинства и недостатки?

44. Что такое цифровые машины?

45. Объясните классификацию вычислительных машин по функциональным возможностям.

46. Что такое универсальные многопользовательские микроЭВМ?

47. Что такое персональные микроЭВМ?

48. Что такое однопользовательские специализированные микроЭВМ?

49. Что такое многопользовательские специализированные микроЭВМ?

2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭВМ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

2.1. Архитектура фон Неймана

Архитектура фон Неймана в законченном виде опубликована[1] в 1945 г. как один из результатов работы над проектом EDVAC самого фон Неймана, Эккерта и Мочли. В основе этой архитектуры лежит идея хранения программы в оперативной памяти. Архитектура основана на следующих принципах:

· двоичное кодирование данных и команд программы;

· программное управление;

· однородность памяти;

· адресуемость памяти.

Двоичное кодирование предусматривает представление данных и команд программы в двоичном коде, т.е. с помощью двух цифр 1 и 0. Информация независимо от типа и команды представляются последовательностью битов, находящихся в состоянии 1 и 0, причём уровни сигнала, соответствующего биту могут быть, например, равны 4,5 В и более для единицы и 0,8 В и менее для нуля. Такие единица и ноль называются логическими.

Последовательность битов, имеющая какой-либо законченный смысл называется полем. Использование битов для хранения данных и команд называется форматом.

Например:

· целое число без знака представляется 16 битами, которые передают только величину числа;

· целое число со знаком представляется также 16 битами, из которых самый старший хранит знак числа, а остальные – абсолютное значение;

· последовательность битов, хранящих команду, разбивается на два и более полей, первое из которых хранит код (тип) операции, а остальные хранят параметры, обычно адреса данных, значения данных или адреса передачи управления в программе.

Программное управление предусматривает описание алгоритма последовательностью команд, каждая из которых представляется последовательностью битов. Код операции определяет выполняемое действие, а адресные поля – данные или адреса передачи управления. Одной и той же операции в современных условиях может соответствовать несколько кодов, которые определяют не только тип операции, но и длину и способ использования адресной части команды.

Команды программы выполняются в естественной последовательности (т.е. в порядке их записи), которая может быть изменена командами передачи управления. Передача управления может быть безусловной или приниматься на основании результата вычисления, полученного при выполнении предшествующей команды.

Принцип однородности памяти предусматривает хранение данных и программы в одном и том же запоминающем устройстве[2]. Поэтому они внешне неразличимы, и над командами могут выполняться арифметические операции, модифицирующие команды. С современной точки зрения модификация команд не приветствуется, а обеспечивающаяся ей возможность выполнения циклических операций с массивами данных достигается другими путями.

Принцип адресуемости памяти предусматривает организацию памяти как множества однотипных устройств, которые называются ячейками[3]. Эти ячейки для обеспечения доступа к данным и командам имеют номера. Номера ячеек называются адресами.

Классическая структурная схема вычислительной машины, в которой реализованы принципы фон Неймана приведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Структурная схема вычислительной машины,
реализующая принципы фон Неймана.

Управление машиной осуществляет устройство управления УУ. Программа и данные через устройство ввода-вывода УВВ поступают в запоминающее устройство ЗУ. Устройство управления своими командами побуждает рифметико-логическое устройство АЛУ читать из запоминающего устройства команды программы и данные и выполнять команды программы. По мере выполнения команд получающиеся новые данные поступают в запоминающее устройство. Команды вывода информации поступают в запоминающее устройство и в устройство ввода-вывода, которые выполняют пересылку данных на выход вычислительной машины. Комбинацию АЛУ и УУ современная терминология определяет как центральный процессор. В настоящее время в центральный процессор вводятся специальные устройства памяти на восемь и более битов, которые называются регистрами и предназначены для хранения данных, участвующих в вычислениях, промежуточных результатов и служебной информации.

По мере развития вычислительных машин появились идеи увеличения производительности и объёмов хранимых данных и программ. Это привело к расширению структурной схемы вычислительной машины. Расширенная структурная схема вычислительной машины показана на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Расширенная структурная схема вычислительной машины,
реализующая принципы фон Неймана.

Как уже указывалось выше в центральный процессор введена регистровая память. Запоминающее устройство ЗУ получило название "Основная память". Добавилась Вторичная память. Между АЛУ и основной памятью появилась КЭШ-память 1, 2 и 3 уровней. КЭШ-память 1-го уровня входит в центральный процессор. КЭШ 2-го уровня изначально размещался непосредственно около центрального процессора, в последнее время помещается внутри процессора. Кэш 3-го уровня может помещаться в любом месте системной платы, в последнее время также мигрирует внутрь процессора. Устройство ввода-вывода разделилось на множество устройств, называемых портами, которые дополнились периферийными устройствами ввода и вывода.

Появление вторичной памяти вызвано необходимостью длительного хранения программ и данных, имеющих большие объёмы. В них входят различные дисковые, ленточные и FLASH- накопители.

КЭШ-память призвана увеличить производительность вычислительной машины. Как правило, ячейки КЭШ-памяти имеют более высокое быстродействие, чем ячейки основной памяти. Идея кэширования заключается во временном переносе часто запрашиваемых и записываемых данных из вторичной памяти в быстродействующую КЭШ-память. В дальнейшем центральный процессор работает с данными КЭШ-памяти, а при завершении процесса обработки данных кэшированные данные записываются в основную и вторичную память.

Наличие единственного АЛУ определяет последовательный характер обработки данных, из которого следует однозадачность указанной машины. Многозадачность в такой системе достигается посредством её имитации за счёт принудительного распределения процессорного времени между работающими программами и использования фонового режима обработки данных, который предусматривает передачу управления периферийным оборудованием контроллерам внешних устройств, которые являются специализированными управляющими вычислительными машинами.

2.2. Структурная схема персонального компьютера

Как было отмечено выше, структурная схема – это графическое изображение структурной организации вычислительной машины. Она отражает с разной степенью детализации номенклатуру элементов, образующих вычислительную машину и способ их соединения.

Структурная схема персонального компьютера, реализующая архитектуру Фон Неймана, показана на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Структурная схема персонального компьютера,
реализующая архитектуру Фон Неймана

Компьютер состоит из внутренних и внешних устройств, системной шины (или системы шин), контроллеров и портов. Точечными линиями на рисунке показано размещение элементов компьютера в пространстве, пунктирными – их группировка по каким-либо признакам или устройства, наличие которых необязательно. Стрелками на рисунке показаны информационные и управляющие сигналы, пунктирные стрелки указывают возможные, обычно устаревшие информационно-управляющие связи. Тени у элементов показывают возможность существования нескольких однотипных устройств.

Конструктивно он выполнен в виде системного блока и комплекта внешних устройств, не входящих в системный блок. Внутри системного блока помещаются блок питания, системная плата, системная шина, контроллеры и порты, а также некоторые малогабаритные быстродействующие внешние устройства. На системной плате расположены внутренние устройства (важнейшие электронные элементы компьютера), системная шина, контроллеры и порты. Устройства компьютера различаются по расположению относительно системной платы: внутренние устройства находятся на системной плате.

К внутренним устройствам относятся: тактовый генератор ТГ[4], центральный процессор ЦП, внутренняя память и, возможно имеющийся в компьютере, сопроцессор (СП). Внутренняя память состоит из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), КЭШ-памяти второго и третьего уровней, энергонезависимого запоминающего устройства (CSMOS).

К внешним устройствам относятся клавиатура, монитор, принтер, мышь, сканер, а также накопители на жёстком диске (HDD), гибком диске (FDD) и на компакт-дисках (CD/DVD), работающие с различными форматами записи данных на диск (CD или DVD). Кроме того, могут быть такие внешние устройства, как игровые манипуляторы, 3-D очки, наушники, колонки, микрофоны, Web-камеры, сетевые карты, модемы различных типов и т.д.

Контроллеры и порты предназначены для подключения внешних устройств к системной шине и разгрузке центрального процессора от управления внешними устройствами, которые работают значительно медленнее внутренних. Внешние устройства нельзя подключать напрямую к системной магистрали, т.к. в ней циркулируют маломощные высокочастотные сигналы. Контроллеры и порты являются посредниками между системной шиной и внешними устройствами, что позволяет увеличить длину кабелей, соединяющих системный блок с внешними устройствами. Стандартная схема подключения внешнего устройства использует контроллер или порт. Однако существуют исключения: мышь и клавиатура могут, особенно в устаревших системах, подключаться напрямую к системной плате. В этом случае, скорее всего, контроллер интегрирован в системную плату.

Весь обмен информацией и управление осуществляются через системную шину. Таким образом, она является элементом, объединяющим все составные части компьютера в единую систему. Однако такой подход принципиально ограничивает быстродействие компьютера, т.к. в каждый момент времени с ней может работать только одно устройство. Поэтому в современных компьютерах имеется целая система локальных шин, специализирующихся на определённых процессах информационного обмена.

Тактовый генератор ТГ создаёт непрерывную последовательность прямоугольных импульсов стабильной частоты, которые используются для согласования работы элементов компьютера во времени (синхронизации) и для обеспечения работы системных таймеров, создающих различные выдержки времени.

Центральный процессор ЦП обрабатывает информацию любого типа и управляет всеми устройствами компьютера. Он может дополняться сопроцессором СП, который специализируется на выполнении узкого круга операций. Например, в старых компьютерах были математические сопроцессоры, специализировавшиеся на операциях с плавающей точкой.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) хранит информацию (а ею могут быть и программы) независимо от наличия питания. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) хранит информацию только при включённом питании. Энергонезависимая память CSMOS питается от встроенных аккумуляторов и хранит важнейшие сведения об оборудовании и его настройках.

Кэш-память позволяет увеличить производительность системы за счёт временной подмены медленно работающих источников информации (дисковых накопителей, сети, ОЗУ и т.д.) фрагментами быстродействующей памяти. КЭШ-память может быть трёх уровней: КЭШ-1 размещается в процессоре, КЭШ-2 – в непосредственной близи от него или внутри микропроцессора, а КЭШ-3 в любом месте системной платы.

Видеоподсистема компьютера образуется видеоадаптером (ВА) и монитором. В ряде случаев в видеоподсистему входит графический сопроцессор, который разгружает центральный процессор, но в процессе работы конкурирует с ним при получении доступа к памяти и шине компьютера. Видеоадаптер – это контроллер монитора, в качестве которого могут использоваться видео карты и графические ускорители[5]. Перспективная технология AGP позволяет подключать видеадаптер непосредственно к ОЗУ, минуя шину.

Порты обеспечивают операции ввода-вывода и позволяют подключать к компьютеру множество внешних устройств. Порты, например USB, смогут размножаться посредством создания разветвителями виртуальных портов.

Порт LPT – это параллельный порт, через который информация выводится по множеству параллельных проводов, объединённых в кабель. Такой способ вывода информации позволяет передавать информацию на короткие расстояний (сантиметры и единицы метров). Обычно порт LPT используется для подключения принтера или сканера, однако в современных компьютерах для этой цели всё чаще применяются порты USB.

Порты Com и USB передают информацию в последовательном коде, т.е. по одной или двум парам проводов. Порт Com работает по интерфейсу RS-232 и обеспечивает передачу информации на расстояния, измеряющиеся десятками и сотнями метров. Обычно используется для подключения различных объектов, управляемых вычислительной машиной. В частности на основе Com-порта создаются общепромышленные сети сбора данных и управления на уровне технологических машин.

Интерфейс USB более сложный. Согласно описанию он имеет иерархическую структуру и достаточно сложную программную реализацию, что имеет существенное значение для управляющих вычислительных машин и контроллеров. В этих случаях нередко для поддержки USB со стороны последовательного порта микропроцессора таких контроллеров ставится переходная микросхема, которая позволяет для вычислительной машины, работающей с контроллером, обеспечивать обмен информацией по порту USB, сохраняя для микропроцессора управляемой машины возможность организации обмена данными по последовательному порту. Программное обеспечение таких микросхем представляет канал обмена через микросхему главной машине как виртуальный Con-порт. Одним из достоинств порта USB является возможность подключать и отключать внешние устройства без выключения питания. Однако он обеспечивает обмен информацией на более короткие расстояния, чем Com-порт.

2.3. Структурные схемы вычислительных систем

Современные компьютеры всё больше превращаются в многопроцессорные вычислительные системы. Принципиально возможны две схемы построения вычислительных систем: системы с общей памятью ОП (рис. 2.4,а) и с распределённой памятью, представляющей собой множество локальных запоминающих устройств ЛП₁, ЛП₂, …, ЛП_N, каждое из которых обслуживает свой процессор (рис. 2.4,б). В системах обоих типов имеется множество процессоров П₁, П₂, …, П_N. В обоих случаях пары процессор – запоминающее устройство объединяются в систему через коммуникационную подсеть.

Дата добавления: 2015-04-25