Архитектура ЭВМ и систем (конспект лекций). Архитектура эвм и систем
 Скачать 1.88 Mb.
|
|
Лекция 4 1.4 Понятие о состоянии процессора (программы). Вектор (слово) состояния При выполнении процессором программы после каждого рабочего такта, а тем более в результате завершения выполнения очередной команды, изменяется содержимое регистров, счетчиков, состояния отдельных управляющих триггеров. Можно говорить, что изменяется состояние процессора, или, употребляя другую терминологию, состояние программы Понятие состояния процессора (состояния программы) занимает важное место в организации вычислительного процесса в ЭВМ. Информация о состоянии процессора (программы) лежит в основе многих процедур управления вычислительным процессом, например при анализе ситуаций при отказах и сбоях, при возобновлении выполнения программы после перерывов, вызванных отказами, сбоями, прерываниями, для фиксации состояния процессора (программы) в момент перехода в мультипрограммном режиме от обработки данной программы к другой и т. п. Состоянием процессора (программы) после данного такта или после выполнения данной команды, строго говоря, следует считать совокупность состояний в соответствующий момент времени всех запоминающих элементов устройства — триггеров, регистров, ячеек памяти. Однако не вся эта информация исчезает или искажается при переходе к очередной команде или другой программе. Поэтому из всего многообразия информации о состоянии процессора (программы) отбираются наиболее существенные ее элементы, как правило, подверженные изменениям при переходе к другой команде или программе. Совокупность значений этих информационных элементов получила название вектора состояния или слова состояния процессора (программы). Вектор состояния в каждый момент времени должен содержать информацию, достаточную для продолжения выполнения программы или повторного пуска программы с точки, соответствующей моменту формирования данного вектора со- стояния. При этом предполагается, что остальная информация, характеризующая состояние процессора, например содержимое регистров, или сохраняется, или может быть восстановлена программным путем по копии, сохраненной в памяти. Вектор состояния формируется в соответствующем регистре (регистрах) процессора, претерпевая изменения после выполнения каждой команды. Наборы информационных элементов, образующих векторы состояния, отличаются у ЭВМ разных типов. Наиболее просто он выглядит у микропроцессоров. Например, вектор состояния микропроцессора К580, как это показано на рис. 9.22, включает в себя содержимое 16- разрядного счетчика команд (адрес очередной команды); содержимое 8-разрядного регистра признаков, называемое в документации на этот микропроцессор словом состояния процессора, и содержимое 8-разрядного аккумулятора АЛУ. Современные ЭВМ имеют более сложные структуры вектора состояния, или, иначе говоря, слова состояния программы. Рис. 1.4. Вектор состояния 8-разрядного микропроцессора К580 (четыре 8-разрядных слова) 10 Использование слова (вектора) состояния — распространенный прием построения управления устройствами вычислительной техники. Во многих устройствах ЭВМ для организации их функционирования формируются свои, специфические слова состояния (или байты состояния), фиксирующие в виде некоторого кода состояние устройства, например готовность его к выполнению задаваемой операции, успешное или неуспешное завершение операции и т. д. Контрольные вопросы 1. Каково понятие архитектуры ЭВМ? 2. По каким техническим характеристикам осуществляются оценка и выбор ЭВМ? 3. Какова связь областей применения ЭВМ и их структур? 4. Каковы основные тенденции развития ЭВМ? 5. Охарактеризуйте понятие машинного парка. 6. Каковы основные принципы построения ЭВМ? 7. Поясните место и роль программного обеспечения ЭВМ. 8. Что представляет собой класс персональных ЭВМ? 9. Назначение и отличительные особенности построения сетевых компьютеров. Лекция 5 2. Определение архитектуры ЭВМ Архитектурой ЭВМ принято считать совокупность принципов системной,функциональной, логической и физической организации аппаратных и программных средств ЭВМ. В этом, достаточно четком определении есть общеупотребительное слово "ЭВМ". Определяя ЭВМ как цифровую вычислительную машину дискретного действия (полное имя ее ЭЦВМ) следует помнить, что буква Э служила для исключения от рассмотрения класса ЦВМ, сконструированных на механических (машина Бэббиджа) и электромеханических (Марк-1) "элементах".Только совокупность электронных триггеров, выполненных на радиолампах и транзисторах, давала право на "Э". Усложнение периферии ЭВМ и появление многопроцессорных систем породили осторожный термин "вычислительные системы", "платформы", "вычислительные среды" и т.д. Вероятно, в настоящее время, интуитивное понятие ЭВМ наиболее полное - это ЦВМ, выполненная как единый конструктив. С другой стороны, в понятие ЭВМ можно включить и специализированный микропроцессор управления "рукой" робота, и персональный компьютер, и суперкомпьютер, который, как элемент сети может именоваться также майнфреймом. Общим при этом является функциональное назначение ЭВМ - обеспечение потребностей прикладной системной области. Рассматривается при этом использование ЭВМ, в основном, как универсальные вычислительные системы (платформы). 2.1. Классификация ЭВМ по областям применения По идеологии открытых систем, все вычислительные платформы должны удовлетворять любые запросы пользователей. Но реализация общего ядра для всех приложений, как и всякая универсализация, ведет к большим накладным расходам. Пользователей интересует не только 11 интерфейс с системой, но время ответа и стоимость услуги. Вычислительные платформы, как комплекс программно-аппаратного оборудования, операционного и сетевого окружения можно классифицировать по спектру информационных услуг, предоставляемых пользователям. Грубая классификация пользователей /Л.Н. Королев/ открытых систем и аппаратного оборудования такова: 1. Самым массовым пользователем открытых систем можно считать владельцев ПК, используемых для бытовых нужд, число таких пользователей приближается к сотне миллионов. Современные платформы - ПК таких пользователей предоставляют им доступ к сетям по телефонным каналам. Оборудование - 90% платформы IBM PC (Intei x86) и программное обеспечение, созданное для этой архитектуры. 2. Пользователи, работающие в сфере бизнеса: банковская сфера,маркетинг, складской учет и т.д. Им требуется доступ к более производительной вычислительной технике, к глобальным сетям, требуются услуги по созданию и изменению СУБД и другие средства для разработки своих приложений. Использует ПК, но переходит на рабочие станции, хост-машины, до многопроцессорных супер-ЭВМ. 3. Пользователи этого инженерного класса занимаются разработкой приложений для промышленного производства. Для них характерен доступ к пакетам прикладных программ. Ориентируется на рабочие станции фирм DEC,HP и другие. 4. Пользователи, проводящие научные расчеты. Для этого класса пользователей необходим доступ высокопроизводительным вычислителям. Мощные платформы: Amdal(IBM), Cray(CDC),SPP(HP). 5. Пользователи - студенты, требующие услуги по освоению новых информационных технологий. Высшая школа и университетская наука, главным образом, ориентируется на рабочии станции SUN. Основные характеристики, области применения ЭВМ различных классов Понятие архитектуры ЭВМ Сложность современных вычислительных машин закономерно привела к понятию архитектуры вычислительной машины, охватывающей комплекс общих вопросов ее построения, существенных в первую очередь для пользователя, интересующегося главным образом возможностями машины, а не деталями ее технического исполнения. Круг вопросов, подлежащих рассмотрению при изучении архитектуры ЭВМ, можно условно разделить на вопросы общей структуры, организации вычислительного процесса и общения пользователя с машиной, вопросы логической организации представления, хранения и преобразования информации и вопросы логической организации совместной работы различных устройств, а также аппаратных и программных средств машины. Основные характеристики ЭВМ Важнейшими эксплуатационными характеристиками ЭВМ являются ее производительность Р и общий коэффициент эффективности машины: Э = Р / (С ЭВМ + С ЭКС ), представляющий собой отношение ее производительности к сумме стоимости самой машины С ЭВМ и затрат на ее эксплуатацию за определенный период времени (например, период окупаемости капитальных затрат) С ЭКС. 12 Так как часто трудно оценить затраты на эксплуатацию данной ЭВМ, а создатели новых машин стремятся приравнять эти затраты к нулю, то оценивают эффективность машины по упрощенной формуле Э’ = Р / С ЭВМ . К наиболее распространенным характеристикам ЭВМ относятся: число разрядов в машинном слове ( влияет на точность вычислений и диапазон представляемых в машине чисел); скорость выполнения основных видов команд; емкость оперативной памяти; максимальная скорость передачи информации между ядром ЭВМ (процессор или память) и внешним периферийным оборудованием; эксплуатационная надежность машины. При создании новых ЭВМ обеспечивается значительное возрастание отношений производительность/стоимость и надежность/стоимость. Лекция 5 СуперЭВМ В настоящее время к сверх производительным машинам (системам) относят машины с производительностью в сотни и более GFLOP/s. Подобные машины используются для решения особенно сложных научно-технических задач, задач обработки больших объемов данных в реальном масштабе времени, поиска оптимальных в задачах экономического планирования и автоматического проектирования сложных объектов. Самым ярким примером служит деятельность Cray Research. Эта фирма долго лидировала на рынке суперЭВМ. Но с разрушением «железного занавеса» спрос на ее компьютеры упал, что привело к распаду корпорации. В прошлом году в автокатастрофе погиб и ее основатель – Симур Крей. Долгое время лидером в области суперкомпьютеров оставалась Cray Research,. По данным на начало 1997 года она занимала 43% всего рынка. Cray Research, приобретенная корпорацией Silicon Graphics в начале 1996 г, продает широкий спектр систем, начиная со старых моделей семейства J90 до машин новой серии Origin, в которых используется архитектура коммутации, построенная на базе процессора MIPS R10000. Hewlett-Packard, владеет 7% этого сегмента рынка. Другими американскими производителями мощных компьютеров являются IBM, которая строит свои суперкомпьютеры SP на многокристальной версии PowerPC (14% рынка), а также Digital Equipment, предлагающая кластеры SMP-систем на базе процессора Alpha (13% рынка). И наконец, японские фирмы Fujitsu и NEC занимают твердые позиции на рынке суперкомпьютеров, имея доли в 8 и 4% соответственно. Сегодня самые быстрые суперЭВМ принадлежат Intel. В настоящее время Intel выполняет заказ министерства энергетики США. В архитектуре суперЭВМ обнаруживается ряд принципиальных отличий от классической фоннеймонавской модели ЭВМ. Различные архитектуры суперЭВМ будут рассмотрены в теме «архитектурные особенности организации ЭВМ различных классов» 13 Малые и микроЭВМ. Имеется большое число, условно говоря, «малых» применений вычислительных машин, таких, как автоматизация производственного контроля изделий, обработка данных при экспериментах, прием и обработка данных с линии связи, управление технологическими процессами, управление станками и разнообразными цифровыми терминалами, малые расчетные инженерные задачи. В настоящее время малые и микроЭВМ встраивают в различные «умные» приборы (электросчетчики, микроволновки, стиральные машины, модемы, датчики и т.д.). МинисуперЭВМ и суперминиЭВМ. В классификации отсутствуют четкие границы между рассмотренными типами ЭВМ. В последнее время стали выделять два промежуточных типа. К суперминиЭВМ относят высокопроизводительные ЭВМ содержащих один или несколько слабосвязанных процессоров, объединенных с общей магистралью (общей шиной). Для суперминиЭВМ характерно, что скорость выполнения его арифметических операций над числами с плавающей точкой существенно ниже скорости работы, определяемой по смеси команд, соответствующей информационно-логическим запросам. К этому типу можно отнести IBM-овский шахматный компьютер Deep Blue. МинисуперЭВМ – это упрощенные (в частности за счет более короткого слова) многопроцессорные ЭВМ, чаще всего со средствами векторной и конвейерной обработки, с высокой скоростью выполнения операций над числами с плавающей точкой. К этому типу можно отнести ЭВМ с SMP(Symmetric multiprocessor) архитектурой. Лекция 6. Организация памяти ЭВМ Запоминающие устройства можно классифицировать по следующим критериям: по типу запоминающих элементов по функциональному назначению по типу способу организации обращения по характеру считывания по способу хранения по способу организации По типу запоминающих элементов Полупроводниковые Магнитные Конденсаторные Оптоэлектронные Голографические Криогенные По функциональному назначению ОЗУ По способу организации обращения С последовательным поиском С прямым доступом С непосредственным доступом или Адресные Ассоциативные Стековые Магазинные По характеру считывания С разрушением информации Без разрушения информации По способу хранения Статические Динамические По способу организации 14 СОЗУ ВЗУ ПЗУ ППЗУ Однокоординатные Двухкоординатные Трехкоординатные Двух- трехкоординатные 2.1. Общие сведения и классификация устройств памяти Памятью ЭВМ называется совокупность устройств, служащих для запоминания, хранения и выдачи информации. Отдельные устройства, входящие в эту совокупность, называют запоминающими устройствами или памятями того или иного типа. Производительность и вычислительные возможности ЭВМ в значительной степени определяются составом и характеристиками ее ЗУ. В составе ЭВМ используется одновременно несколько типов ЗУ, отличающихся принципом действия, характеристиками и назначением. Основными операциями в памяти являются занесение информации в память — запись и выборка информации из памяти — считывание. Обе эти операции называются обращением к памяти. При обращении к памяти производится считывание или запись некоторой единицы данных — различной для устройств разного типа. Такой единицей может быть, например, байт, машинное слово или блок данных. Важнейшими характеристиками отдельных устройств памяти (запоминающих устройств) являются емкость памяти, удельная емкость, быстродействие. Емкость памяти определяется максимальным количеством данных, которые могут в ней храниться. Удельная емкость есть отношение емкости ЗУ к его физическому объему. Плотность записи есть отношение емкости ЗУ к площади носителя. Например, у HDD емкостью до 10 Гб плотность записи составляет 2 Гбит на кв. дюйм. Быстродействие памяти определяется продолжительностью операции обращения, т. е. временем, затрачиваемым на поиск нужной единицы информации в памяти и на ее считывание (время обращения при считывании), или временем на поиск места в памяти, предназначаемого для хранения данной единицы информации, и на ее запись в память (время обращения при записи). Продолжительность обращения к памяти (время цикла памяти) при считывании реген счит счит дост счит обр t t t t где счит дост t — время доступа, определяющееся промежутком времени между моментом начала операции обращения при считывании до момента, когда становится возможным доступ к данной единице информации; счит t — продолжительность самого физического процесса считывания, т. е. процесса обнаружения и фиксации состояний соответствующих запоминающих элементов или участков поверхности носителя информации. В некоторых устройствах памяти считывание информации сопровождается ее разрушением (стиранием). В таком случае цикл обращения должен содержать операцию восстановления (регенерации) считанной информации на прежнем месте в памяти. Продолжительность обращения (время цикла) при записи зап подг зап дост зап обр t t t t где зап дост t — время доступа при записи, т. е. время от момента начала обращения при записи до момента, когда становится возможным доступ к запоминающим элементам (или участкам поверхности носителя), в которые производится запись; подг t — время подготовки, расходуемое на приведение в исходное состояние запоминающих элементов или участков 15 поверхности носителя информации для записи определенной единицы информации (например, байта или слова); зап t — время занесения информации, т. е. изменения состояния запоминающих элементов (участков поверхности носителя). Большей частью дост зап дост счит обр t t t В качестве продолжительности цикла обращения к памяти принимается величина ). , max( зап дост счит обр обр t t t В зависимости от реализуемых в памяти операций обращения различают: а) память с произвольным обращением (возможны считывание и запись данных в память); б) память только для считывания информации («постоянная» или «односторонняя»). Запись информации в постоянную память производится в процессе ее изготовления или настройки. Эти типы памяти соответствуют терминам RAM (random access memory — память с произвольным обращением) и ROM (read only memory — память только для считывания). По способу организации доступа различают устройства памяти с непосредственным (произвольным), с прямым (циклическим) и последовательным доступами. В памяти с непосредственным (произвольным) доступом время доступа, а поэтому и цикл обращения не зависят от места расположения участка памяти, с которого производится считывание или в который записывается информация. В большинстве случаев непосредственный доступ реализуется при помощи электронных (полупроводниковых) ЗУ. В подобных памятях цикл обращения обычно составляет 70 и менее наносекунд. Количество разрядов, считываемых или записываемых в памяти с непосредственным доступом параллельно во времени за одну операцию обращения, называется шириной выборки. В двух других типах памяти используются более медленные электромеханические процессы. В устройствах памяти с прямым доступом, к которым относятся дисковые устройства, благодаря непрерывному вращению носителя информации возможность обращения к некоторому участку носителя для считывания или записи циклически повторяется. В такой памяти время доступа составляет обычно от нескольких долей секунды до нескольких десятков миллисекунд. В памяти с последовательным доступом производится последовательный просмотр участков носителя информации, пока нужный участок носителя не займет некоторое исходное положение. Характерным примером является ЗУ на магнитных лентах, т.н. стримеры (streamer). Время доступа может в неблагоприятных случаях расположения информации достигнуть нескольких минут. Хорошим примером ленточного накопителя является применение адаптера АРВИД с VHS видеомагнитофоном. Емкость этого накопителя составляет 4ГБ/180мин. Запоминающие устройства различаются также по выполняемым в ЭВМ функциям, зависящим в частности, от места расположения ЗУ в структуре ЭВМ. Требования к емкости и быстродействию памяти являются противоречивыми. Чем больше быстродействие, тем технически труднее достигается и дороже обходится увеличение емкости памяти. Стоимость памяти составляет значительную часть общей стоимости ЭВМ. Поэтому память ЭВМ организуется в виде иерархической структуры запоминающих устройств, обладающих различными быстродействием и емкостью. В общем случае ЭВМ содержит следующие типы памяти, в порядке убывания быстродействия и возрастания емкости. Иерархическая структура памяти позволяет экономически эффективно сочетать хранение больших объемов информации с быстрым доступом к информации в процессе обработки. Таблица 2.1. Оперативной или основной памятью (ОП) называют устройство, которое служит для хранения информации (данных программ, промежуточных и конечных результатов обработки), непосредственно используемой в процессе выполнения операций в арифметико-логическом 16 устройстве (АЛУ) и устройстве управления (УУ) процессора. В процессе обработки информации осуществляется тесное взаимодействие процессора и ОП. Из ОП в процессор поступают команды программы и операнды, над которыми производятся предусмотренные командой операции, а из процессора в ОП направляются для хранения промежуточные и конечные результаты обработки. Характеристики ОП непосредственно влияют на основные показатели ЭВМ и в первую очередь на скорость ее работы. На текущий момент оперативная память имеет емкость от нескольких МБ до нескольких ГБ и цикл обращения около 60 нс и менее. Запоминающие устройства ОП изготовляются на интегральных микросхемах с большой степенью интеграции (полупроводниковые ЗУ). В последнее время ряд фирм заявили о начале серийного выпуска чипов динамической памяти емкостью 1Гб. Признанным лидером является Samsung. Самым массовым изделием на сегодняшний день можно считать 64 Мб чипы. В ближайший год предполагается широкое применение 128Мб и 256Мб чипов. В ряде случаев быстродействие ОП оказывается недостаточным, и в состав машины приходится включать СОП (буферную или кэш-память на несколько сотен или тысяч килобайт с циклом обращения, составляющим несколько наносекунд. Такие СОП выполняются на чипах статической памяти. Быстродействие КЭШа должно соответствовать скорости работы арифметико-логических и управляющих устройств процессора. Сверхоперативная (буферная) память используется для промежуточного хранения считываемых процессором из ОП участков программы и групп данных, в качестве рабочих ячеек программы, индексных регистров, для хранения служебной информации, используемой при управлении вычислительным процессом. Она выполняет роль согласующего звена между быстродействующими логическими устройствами процессора и более медленной ОП. В качестве ОП и СОП используются быстродействующие ЗУ с произвольным обращением и непосредственным доступом. Обычно емкость ОП оказывается недостаточной для хранения всех необходимых данных в ЭВМ. Поэтому ЭВМ содержит в своем составе несколько ЗУ с прямым доступом на дисках (емкость одного ЗУ на HDD дисках 1 - 30 Гбайт) и несколько ЗУ с последовательным доступом на магнитных лентах (емкость одного ЗУ 4 – 35 Гбайт). Оперативная память вместе с СОП и некоторыми другими специализированными памятями процессора образуют внутреннюю память ЭВМ (рис. 4.1). Электромеханические ЗУ образуют внешнюю память ЭВМ, а сами они поэтому называются внешними запоминающими устройствами (ВЗУ). Запоминающее устройство любого типа состоит из запоминающего массива, хранящего информацию, и блоков, служащих для поиска в массиве, записи и считывания (а в ряде случаев и для регенерации) информации. |