Архитектура ЭВМ 3 страница. 6. 1. Система шин вычислительной машины: общие принципы

6.1. Система шин вычислительной машины: общие принципы.. 85

6.2. Шины "процессор – память". 86

6.3. Системная шина. 86

6.2. Устройства прямого доступа к памяти. 94

7. АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ МНОГОПРОГРАММНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ... 98

7.1. Система адресации в реальном и защищенном режиме работы ЭВМ и ВС на базе микропроцессоров Intel. 98

7.2. Система адресации для процессоров с сокращенным, длинным и сверхдлинным набором команд. 101

8. ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ... 102

8.1. Скалярные ВС.. 102

8.2. Суперскалярные ВС.. 102

8.3 Векторные ВС.. 102

8.5. Кластеры.. 102

9. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭВМ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ... 102

9.1. Оптические и оптоэлектронные ЭВМ... 102

9.2. Системы искусственного интеллекта. 102

СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 103

ВВЕДЕНИЕ

Для специалистов в области информационных технологий важны знания в области устройства и функционирования вычислительных машин и вычислительных систем. Стандарты ISO/IES 2382/1-93 и ГОСТ 15971-90 определяют эти понятия следующим образом:

вычислительная машина (ВМ) – это совокупность технических средств технических средств, создающая возможность проведения обработки информации и получения результатов в необходимой форме.

вычислительная система (ВС) – одна или несколько вычислительных машин, периферийное оборудование и программное обеспечение, которые выполняют обработку данных.

Изначально в России по отношению к вычислительным машинам и системам был принят термин "организация", означавший с одной стороны внутреннюю упорядоченность и взаимодействие частей, с другом – свокупность процессов или действий, ведущих к образованию и совершенствованию взаимосвязей меду частями целого.

С точки зрения пользователя наиболее важным представляется набор функций и услуг вычислительной системы, а не их техническая реализация. С точки зрения разработчика, наоборот, на первом месте находится техническая реализация функций и услуг Поэтому различают функциональную и структурную организацию ВМ и ВС.

Функциональная организация ВМ и ВС – это абстрактная модель совокупности функциональных возможностей и услуг, призванных удовлетворить потребности пользователя. Эта модель создаётся первой.

Структурная организация ВМ и ВС – это физическая модель, которая устанавливает состав, порядок и принципы взаимодействия основных функциональных частей. Графически структурная организация отображается структурной схемой, которую для краткости называют структурой.

Позднее понятие "функциональная организация" по инициативе фирмы IBM трансформировался в понятие "архитектура". В настоящее время ГОСТ 15971-90 определяет термин "архитектура ВМ" как концептуальную структуру вычислительной машины, определяющую проведение обработки информации, включающую в себя методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения. Аналогичное определение даёт и стандарт ISO/IES 2382/1-93, определяя понятие как логическую структуру и функциональные характеристики ВМ, включая взаимосвязи между её аппаратными и программными компонентами.

Целью настоящего курса является создание у студентов чёткого и минимально-достаточного представления о структуре вычислительных машин и вычислительных систем, построении их функциональных элементов, принципах их действия и управления ими.

1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ.
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН И СИСТЕМ

Говоря о развитии вычислительных машин, пользуются понятием "поколение". Упоминавшийся выше ГОСТ 15971-90 определяет поколение как классификационную группу ВМ, объединяющую их по используемой технологии реализации её устройств, уровню развития функциональных свойств и программного обеспечения и характеризующую определённый период в развитии промышленности средств вычислительной техники.

Различают следующие поколения вычислительных машин:

a. нулевое (1492 – 1945) – механические вычислительные машины;

b. первое (1937 – 1953) – вычислительные машины на электронных лампах;

c. второе (1954 – 1962) – вычислительные машины на дискретных полупроводниковых приборах;

d. третье (1963 – 1972) – вычислительные машины на интегральных схемах малой степени интеграции (ИМС);

e. четвёртое (1972 – 1984) – вычислительные машины на больших и сверхбольших интегральных схемах (БИС и СБИС);

f. пятое (1984 – 1990) – многопроцессорные вычислительные машины с совместно используемой памятью и с распределённой памятью, каждый из процессоров которой способен выполнять задачу отдельного пользователя;

g. шестое (1990 и далее) – вычислительные машины и системы с массовым параллелелизмом обработки данных, имеющие повышенное быстродействие на уровне суперЭВМ четвёртого поколения, с широкой поддержкой глобальных сетей.

1.2. Нулевое поколение

Развитие вычислительных машин началось с изобретения абака (Вавилон, 3000 лет до н.э.) и счёт с косточками на проволоках (Китай, 500 лет до н.э.). Вычислительные машины нулевого поколения нельзя называть таковыми в полном современном смысле этого слова, поэтому уместнее термины "калькулятор", "вычислитель" и т.д.

Первым известным калькулятором было тринадцатиразрядное десятичное суммирующее устройство на основе зубчатых колёс. Оно было описано итальянским учёным, инженером и художником Леонардо да Винчи в 1492 г.

В 1623 г. Вильгельмом Шиккардом описано устройство для сложения и вычитания для шестиразрядных чисел на основе тех же зубчатых колёс. В 1962 г. оно было воспроизведено и оказалось работоспособным.

В 1642 г. французский учёный Блез Паскаль построил серию вычислительных устройств для сложения и вычитания пяти и восьми разрядных чисел. Этот калькулятор назывался "Паскалин" и получил достаточную известность.

В 1673 году Лейбниц создаёт вычислитель, выполняющий четыре арифметических действия над 12-и разрядными числами, причём результат произведения имел разрядность 16. В этом калькуляторе использовались традиционные зубчатые колёса, и появился ступенчатый валик.

В 1786 г. немецкий военный инженер Иоганн Мюллер на основе ступенчатых валиков Лейбница разработал калькулятор, названный им разностной машиной, выполнявший четыре действия над 14-разрядными числами.

Говоря о калькуляторах на основе зубчатых колёс, нельзя игнороровать изобретение Оденом так называемого колеса Одена, котрое стало основой для разработки множества моделей калькуляторов с вводом чисел посредством перемещения рычагов. В России массово выпускался на этой основе арифмометр "Феликс", который в шутку называли "Железным Феликсом" (прозвище председателя Всероссийской чрезвычайной комиссии Ф.Э. Дзержинского).

Важной вехой являются работы Бэббиджа 1832 –1871 гг. Он разработал разностную машину, проект аналитической машины, изготовил для неё "мельницу" (в современной терминологии – центральный процессор) и прототип принтера. Машина Бэббиджа содержала узлы, соответствующие узлам вполне современным для нас вычислительным машинам: центральный процессор, память, три считывателя с перфокарт для ввода программ и данных, аккумуляторы для хранения промежуточных данных, устройство микропрограммирования. В паре с Бэббиджем работала сестра английского поэта лорда Байрона Ада Лавлайс. Она является первым программистом.

Невозможно не упомянуть работы шведа Пер Георга Шутца, который изготовил из дерева разностную машину Бэббиджа, построил совместно с сыном разностную машину собственного изобретения с принтером.

В 1885 г. появляется "комптометр" (калькулятор) американца Фельта с вводом чисел с помощью клавиатуры. Позднее аналогичный, но более надёжный калькулятор изобретён Барроузом. С этого момента начинается серийное производство офисных калькуляторов.

В 1937 – 1939 гг-х Джордж Стибиц сначала единолично, а затем в сотрудничестве с Сэмюэлем Вильямсом создаёт несколько модификаций калькуляторов на основе электромеханических реле.

Длительное время с 1938 по 1945 год немец Конрад Цузе создаёт несколько вычислителей Z1, Z2, Z3 и Z4 на основе электромеханических реле. В настоящее время Z1 всё чаще стали называть первым в мире компьютером.

В 1943 г. группа учёных Гарвардского университета во главе с Говардом Айкеном разработала первый программно управляемый вычислитель ASCC Mark I, получивший широкую известность.

Из теоретических работ заслуживают внимание работы Алана Тьюринга, описавшего концепцию теоретической упрощенной вычислительной машины, названной его именем (1937 г.), и Клода Шеннона о реализации символической логики на электромеханических реле. Из практического применения вычислительных машин интерес представляют изобретение французом Жозефом Мария Жаккардом ткацкого станка, управлявшегося программой, набитой на перфокарты (1801 г.), и обработка данных переписи населения США с помощью перфокарточного табулятора Германа Холлерита в 1890 г.

Считается, что наибольшее значение имеют работы Бэббиджа.

1.3. Первое поколение

Претендентами на звание "Первый в мире компьютер" являются: специализированный калькулятор АВС американцев профессора Атанасова и аспиранта Берри (1939 – 1942 гг.), вычислитель Collosus англичаниа Макса Ньюмена (1943 г.) и программируемый электронный калькулятор ENIAC Джона Мочли и Преспера Эккера (1946 г.). Все эти вычислители были выполнены на электронных лампах. Программирование выполнялось в машинных кодах. Лишь к 50-м гг. появился низкоуровневый язык ассемблер и первый транслятор с этого языка в машинные коды. В 1952 г. Эккер и Мочли создали первую коммерчески успешную машину UNIVAC.

В России первые ВМ представлены малой электронной счётной машиной МЭСМ (1951 г.), быстродействующей машиной БЭСМ, вычислительными машинами М-1 и М-2 (1952 г.) и ламповой машиной "Стрела" (1953 г.). Коллективы разработчиков возглавлялись соответственно С.А. Лебедевым, И.С. Бруком и Ю.А. Базилевским совместно с Б.И. Ромеевым.

Самым замечательным событием стала публикация начало работы фон Нейманом, Эккертом и Мочли над новым проектом EDVAC, в основе которого лежала концепция хранимой в памяти программы.

1.4. Второе поколение

Основу вычислительных машин второго поколения составили дискретные диоды и транзисторы с временем переключения 0,3 мс. В этом же поколении произошёл переход от запоминающих устройств на основе ртутных линий задержки к устройствам с магнитными сердечниками. Это упростило доступ к памяти и позволило получить произвольный доступ к памяти. Третьим значимым нововведением стали процессоры ввода-вывода, освобождающие процессор от этих операций и повышающих производительность вычислительной машины.

Первыми машинами второго поколения за рубежом стали прототип бортовой вычислительной машины TRADIC (США), ТХ-0 (США 1957 г.), суперЭВМ LARC и IBM 7030 (США). В России к таким машинам относятся различные модификации машин "Урал", "Минск", а также машины БЭСМ-2, М-20, М-40 и "Днепр"

В области программного обеспечения наиболее заметными событиями являются изобретение языков программирования Фортран (1956 г.), Алгол (1958 г.) и Кобол (1959 г.)

1.5. Третье поколение

В машинах этого поколения стали применяться интегральные схемы малой степени интеграции SSI с 10 транзисторами на одном кристалле полупроводника и средней степенью интеграции MSI до 100 транзисторов на кристалле. В производстве повсеместно начинают применяться многослойные печатные платы. Расширяется применение параллельной обработки данных на множестве функциональных блоков, совмещение во времени работы центрального процессора и устройств ввода-вывода и конвейеризации потоков данных и команд.

В США наиболее значимыми машинами третьего поколения являются IBM 360, CDC 6600, CDC 7600, первые параллельные ВС SOLOMON и
ILLIAC IV, первые конвейерно-векторные вычислительные системы TI-ASC и STAR-100,

В России таковыми машинами являются БЭСМ-6, дальнейшее развитие машин М-220 и М-222, а также оригинальная машина для инженерных расчётов МИР-1 с языком "Аналитик".

В сфере программного обеспечения заметным событием стали разработка языка программирования В (предшественника языка С) и ранних серий операционной системы UNIX.

1.6. Четвёртое поколение

Основными техническими новинками стали:

применение интегральных схем с большой LSI (до 1000 транзисторов на кристалле) и сверхбольшой VLSI (до 100000 транзисторов на кристалле) степенью интеграции, что привело к созданию микропроцессоров;

вытеснение запоминающих устройств с магнитными сердечниками устройствами на основе полупроводников;

появление RISC-архитектуры с ограниченным набором команд и реализацией команд расширенного набора программными средствами, что упрощает процессоры и убыстряет их работу.

Основными архитектурами становятся векторные и параллельные архитектуры, появляются индивидуальные микроЭВМ и рабочие станции – сетевые компьютеры, использующие ресурсы сервера.

В области программного изобретения заметно появление языков FP и Prolog, принципиально отличающихся от ранее известных процедурных языков, а также появление языка С и его применение для написания операционной системы UNIX для машины PDP-11.

1.7. Пятое поколение

Пятое поколение характерно наличием в вычислительных системах большого количества процессоров (100 и более), имеющих возможности, достаточные для выполнения задач отдельных пользователей.

Машины этого поколения имеют архитектуру с совместно используемой и распределённой памятью, а также архитектура с параллельным выполнением одной операции множеством процессоров.

В первом случае процессоры работают с общей памятью и связаны с ней через шины. Представителем этого направления является система Sequent Balance 8000, в которой имеется 20 процессоров, оснащённых своей КЭШ-памятью и разделяемая процессорам большая основная память

Во втором случае каждый процессор имеет свою память, а связь между процессорами осуществляется сетью взаимосвязей (внутри машинный аналог сети). Представителем такой архитектуры является система iPSC-1, часто называемая "гиперкубом".

Третья архитектура предусматривает работу множества процессоров под управлением одного управляющего устройства, причём каждый процессор выполняет одну и ту же операцию со своим набором данных. Такая архитектура применяется в вычислительных машинах Connection Machine и MP-1.

RISC-архитектура становится базовой архитектурой для рабочих станций. Процветает применение вычислительных сетей, в которых рабочие станции передают решение сложных задач мощным вычислительным машинам, присоединённым к сети.

Векторные вычислительные системы усложняются и становятся многопроцессорными.

1.8. Шестое поколение

Особенностями машин и систем этого поколения являются:

массовое применение параллельных вычислений на уровне объединённых в сеть большого числа вычислительных машин, обозначаемое аббревиатурой МРР (массовый параллелелизм);

высокий уровень рабочих станций, позволивший применять гетерогенные вычисления, при которых программа, запущенная на одной станции, находит в сети простаивающие процессоры и использует их для выполнения своих параллельных вычислений;

взрывное расширение глобальных сетей.

1.9. Классификация ЭВМ

Классификация вычислительных машин и систем производится по множеству признаков (рис. 1.1): по этапам создания (рассмотрена выше), принципу действия, назначению, вычислительной мощности (размеру и функциональным возможностям).

Говоря о классификации по принципу действия, следует понимать разницу между аналоговыми и цифровыми сигналами. Материальным носителем информации является сигнал – одна или несколько порций энергии любого вида: электромагнитной, механической, звуковых колебаний, световой и др. Каждый импульс имеет ряд характеризующих его параметров. Для сигнала постоянного тока это может быть сила тока или величина напряжения, для импульсов постоянного тока параметрами являются период следования, амплитуда (наибольшая величина), и длительность импульса, для синусоидального сигнала – амплитуда, частота и начальная фаза колебания.

Аналоговым сигналом (рис. 1.2) называется сигнал, у которого хотя бы один параметр (например, амплитуда) зависит от содержания передаваемой информации. Такой параметр называется информативным. На рис. 1.2,а показан сигнал, у которого информативным параметром (В) является напряжение или ток, на рис. 1.2,б – аналоговый сигнал у которого информативным параметром (В) может быть как напряжение (ток), так и длительность импульса t_И или периода Т₀, причем временные отрезки не должны измеряться цифровыми методами.

.

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:

Что такое вычислительная машина?

Что такое вычислительная система?

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

Что такое функциональная организация вычислительной машины и вычислительной системы?

Что такое структурная организация вычислительной системы?

Что такое архитектура вычислительной машины?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

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

Дата добавления: 2015-04-25