Архитектура ЭВМ 4 страница

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

Что такое вычислительные сети?

Какие преимущества и перспективы даёт широкая поддержка вычислительных сетей?

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?

Дайте характеристику "аналитической машины" Бэббиджа.

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

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

Назовите первые электронные вычислительные машины в России.

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

В машинах какого поколения появился процессор ввода-вывода?

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

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

Что такое конвейеризация потоков команд и данных?

Что такое CISC и RISC архитектуры?

Что имеется в виду под векторными архитектурами машин четвёртого
поколения?

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

Что такое распределённая память в машинах пятого поколения?

Что такое архитектура "гиперкуб" в машинах пятого поколения?

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

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

Что такое гетерогенные вычисления?

Что такое аналоговый и дискретный сигнал?

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

Что такое цифровые машины?

Объясните классификацию вычислительных машин по функциональным возможностям.

Что такое универсальные многопользовательские микроЭВМ?

Что такое персональные микроЭВМ?

Что такое однопользовательские специализированные микроЭВМ?

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 приципах:

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.

а)

ЛП_N

ЛП₂

ЛП₁

б)

Рис. 2.4. Вычислительные системы с общей памятью (а) и распределённой памятью (б)

Вычислительные системы с общей памятью предусматривают все операции обмена информацией с общей памятью, т.е. в этом отношении похожи на рассмотренный выше персональный компьютер. Их производительность ограничена невозможностью выполнения параллельного обмена данными нескольких процессоров с памятью. С другой стороны имеется некоторая компенсация этого недостатка в виде упрощения процедур обмена информацией между процессорами вследствие наличия общего запоминающего устройства.

В зависимости от построения коммуникационной подсети можно построить несколько вариантов многопроцессорных систем по схемам:

ОКОД (один поток команд – один поток данных);

МКОД (один поток команд – много потоков данных);

ОКМД (один поток команд – много потоков данных);

МКМД (много потоков команд – много потоков данных).

Системы с несколькими потоками данных могут быть реализованы только как системы с распределённой памятью. В системах с одним потоком команд процессоры образуют последовательную технологическую цепочку, в которой информация из памяти читается головным процессором цепочки, передаётся от одного процессора к другому по каналу прямой связи и записывается в память конечным процессором технологической цепочки. Каждый процессор в таких системах специализируется на своей операции, поэтому очень прост и имеет высокое быстродействие. Системы с одним потоком данных называются конвейерными.

В системах с одним потоком команд вовсе процессоры поступают одни и те же команды. Может существовать два варианта построения таких систем:

все процессоры выполняют одни и те же команды, но работают с разными наборами данных;

все процессоры выбирают из потока команд только предназначенные им команды.

2.4. Внутренние устройства персонального компьютера
и их характеристики

Ниже рассмотрены разновидности внутренних устройств компьютера и их характеристики. Архитектура устройств будет рассмотрена в дальнейших разделах. Разновидности, характеристики и архитектура внешних устройств будет рассмотрена в соответствующих разделах.

2.4.1. Центральный процессор

Появление микропроцессора явилось революционным прорывом в области вычислительной техники, позволившим приблизить вычислительные машины к пользователям и сделать их индивидуальными инструментами переработки информации. Развитие процессоров пошло по двум направлениям, определившим в принципиальных чертах их архитектуру:

CISK-процессоры, имеющие полный (расширенный) набор необходимых команд;

RISK-процессоры, имеющие ограниченный набор быстро исполняемых команд с реализацией команд из расширенного набора с помощью быстро исполняемых команд ограниченного набора;

MISK-процессоры, имеющие минимальный набор команд и высокое быстродействие.

Центральный процессор выполняет следующие функции:

чтение и дешифрацию команд из основной памяти;

чтение данных из ОЗУ и регистров адаптеров и внешних устройств;

приём и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;

обработку данных и их запись в ОЗУ и регистры адаптеров внешних устройств;

создание управляющих сигналов для всех прочих устройств компьютера.

Важнейшими характеристиками процессора являются:

тактовая частота ядра процессора (рабочая частота его внутренних устройств);

частота системной шины (частота работы основных внутренних устройств или их интерфейсных частей);

разрядность шины данных, определяющая разрядность вычислительной машины в целом;

размер адресуемой памяти;

ёмкость КЭШ-1;

наличие поддержки КЭШ-2;

тип архитектуры (CISK, RISK, MISK), определяющий набор команд;

наличие поддержки ММХ (встроенных команд работы с мультимедийными приложениями);

тип разъёма для подключения к системной плате (Socket-370, Socket-7, Slot1, Slot2, Slot A);

напряжение питания.

2.4.2. Оперативное запоминающее устройство

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – устройство, которое хранит программу и данные только при включённом питании. С точки зрения пользователя ОЗУ представляет собой множество однотипных устройств, имеющих два состояния (ячеек памяти). Все ячейки памяти организованы в строки и в столбцы. Адрес ячейки при обращении к памяти может быть задан в виде пары чисел, определяющих номера строки и столбца

Для всех ОЗУ определён интерфейс, т.е. набор правил и средств доступа к ячейкам. Для обеспечения возможности обращения к ним ячейкам присвоены номера, которые называются адресами. В состав ОЗУ кроме указанных ячеек памяти входят средства присоединения к системной шине и организации доступа к ячейкам.

Различают два типа таких устройств: статические и динамические. Статические ОЗУ построены на электронных устройствах типа "триггер" – электронных аналогах выключателей. Они имеют более высокое быстродействие, но и более высокую цену. Динамические ОЗУ построены на основе множества конденсаторов, наличие или отсутствие зарядов которых позволяют передавать логические единицы и нули. Поскольку существует саморазряд конденсаторов и разряд их через присоединённые к ним элементы, в состав ОЗУ включены средства регенерации ОЗУ, т.е. восстановление уровней зарядов конденсаторов до стандартных значений. Динамические ОЗУ дешевле статических, но имеют более низкое быстродействие.

К основным характеристикам ОЗУ относятся:

ёмкость – количество битов, байтов, килобайтов и т.д., которые могут храниться в запоминающем устройстве;

единица пересылки – количество битов, пересылаемых параллельно в один и тот же момент времени;

метод доступа к данным – для внутренней памяти произвольный и ассоциативный;

быстродействие – характеризуется следующими ппрпметрами: время выборки данных, время хранения данных (без регенерации), период обращения, скорость передачи данных;

физический тип памяти (для современных компьютеров – полупроводниковый);

физические особенности, например энергонезависимость или способность сохранения информации в процессе считывания и т.д.

стоимость.

2.4.3. Постоянное запоминающее устройство

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) хранит информацию независимо от наличия питания. Микросхемы ПЗУ построены по принципу матрицы, в узлах которой имеются перемычки в виде проводников, полупроводниковых транзисторов и диодов, или конденсаторов. Запись информации в ПЗУ сводится к воздействию на указанные перемычки и называется программированием ("прошивкой") ПЗУ. Основным режимом работы ПЗУ является считывание информации.

По способности к перепрограммированию различают ПЗУ следующих видов:

программируемые при изготовлении;

однократно программируемые после изготовления;

многократно программируемые (перепрограммируемые):

EPROM – стираемые программируемые ПЗУ;

EEPROM – электрически стираемые программируемые ПЗУ;

флэш-память;

PSM – фазовая память.

В первых двух типах ПЗУ на перемычки оказывается воздействие, приводящее к их необратимым изменениям. При программировании ПЗУ третьего типа изменения перемычек обратимы. В настоящее время популярность не перепрограммируемых ПЗУ резко снизилась.

Характеристики ПЗУ:

ёмкость – количество битов, байтов, килобайтов и т.д., которые могут храниться в запоминающем устройстве;

единица пересылки – количество битов, пересылаемых параллельно в один и тот же момент времени;

метод доступа к данным – для внутренней памяти произвольный и ассоциативный;

быстродействие – характеризуется следующими ппрпметрами: время выборки данных, время хранения данных (без регенерации), период обращения, скорость передачи данных;

число циклов перепрограммирования;

физический тип памяти (для современных компьютеров – полупроводниковый);

стоимость.

2.4.4. КЭШ-память

Применение КЭШ-памяти является экономичным решением повышения производительности запоминающего устройства без замены всей основной динамической памяти на статическую. Полная замена вызывает существенное повышение цены.

КЭШ-память состоит из двух частей: памяти тегов и памяти данных. Основная память разбивается на блоки по k слов (длина слова кратна целому числу байт). Основная память состоит из М блоков, а КЭШ-память – из С блоков, причём С<М. В КЭШ-памяти находятся копии подмножества блоков основной памяти. Схема взаимодействия КЭШ-памяти и основной памяти показана на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Принцип действия КЭШ-памяти

При обращении к какой-либо ячейке блока в память данных КЭШ-памяти переписывается весь блок и происходит переадресация обращений к этому блоку на блок, находящийся в КЭШ-памяти. Поскольку вследствие малого объёма КЭШ-памяти копии блоков в ней непрерывно меняются, в памяти тегов помещаются признаки нахождения в ней копий конкретных блоков основной памяти. Такими признаками, например, могут быть номера блоков основной памяти. Указанные признаки называются тегами.

При попытке центрального процессора прочитать слово, находящееся по некоторому адресу из основной памяти происходит проверка наличия блока, содержащего это слово в КЭШ-памяти, и, следовательно, проверка наличия в ней искомого слова. Если этого слова нет, то слово, подлежащее считыванию, вместе со всем блоком записывается в память данных КЭШ-памяти и происходит переадресация обращений к слову основной памяти на слово, находящееся в КЭШ-памяти. Такая ситуация называется промахом (miss). Далее процессор получает запрошенное слово.

Если запрошенное слово в КЭШ-памяти есть, то обращение к основной памяти не происходит, что ускоряет процесс доступа к данным. Такая ситуация называется попаданием (hit).

В случае необходимости процессор может записать в слово, находящееся в КЭШ-памяти новые данные.

Основными характеристиками КЭШ-памяти являются:

ёмкость памяти;

размер блока;

способ отображения основной памяти на КЭШ-память;

алгоритм замещения информации в заполненной КЭШ-памяти;

алгоритм согласования основной и КЭШ-памяти;

число уровней КЭШ-памяти.

2.4.5. Энергонезависимое оперативное запоминающее устройство

Энергонезависимая оперативная память (NVRAM) – это память, которая может хранить данные независимо от наличия основного питания компьютера от сети или от штатных аккумуляторов большой ёмкости. От обычных постоянных запоминающих устройств её отличает отсутствие этапа стирания данных при их перезаписи. Существует несколько вариантов построения такой памяти:

Дата добавления: 2015-04-25