Конспект лекций архитектура аппаратных средств. 10.-Конспекты-лекций.-ОП.02-Арх-итектура-аппаратных-средств.-09.. Конспекты лекций по дисциплине
 Скачать 0.6 Mb.
|
|
Архитектуры компьютеров открытого типа. Открытая архитектура — архитектура компьютера, периферийного устройства или же программного обеспечения, на которую опубликованы спецификации, что позволяет другим производителям разрабатывать дополнительные устройства к системам с такой архитектурой. В начале 70-х гг. фирмой DEC (Digital Equipment Corporation) был предложен компьютер совершенно иной архитектуры. Эта архитектура позволяла свободно подключать любые периферийные устройства, что сразу же заинтересовало разработчиков систем управления различными техническими системами, так как обеспечивало свободное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполнительных механизмов. Главным нововведением являлось подключение всех устройств, независимо от их назначения, к общей шине передачи информации. Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии со стандартом шины. Стандарт шины являлся свободно распространяемым документом, что позволяло фирмам – производителям периферийного оборудования разрабатывать контроллер для подключения своих устройств к шинам различных стандартов. Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использовании обшей шины, приведена на рис. 2. Рис. 2. Архитектура компьютера открытого типа Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Запоминающее устройство хранит исполняемые программы и данные и согласовано уровнями своих сигналов с уровнями сигналов самой шины. Внешние устройства, уровни сигналов которых отличаются от уровней сигналов шины, подключаются к ней через специальное устройство – контроллер. Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора. Контроллер подключается к шине специальными устройствами – портами ввода-вывода. Каждый порт имеет свой номер, и обращение к нему процессора происходит, также как и к ячейке памяти, по этому номеру. Процессор имеет специальные линии управления, сигнал на которых определяет, обращается ли процессор к ячейке памяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнего устройства. Несмотря на преимущества, предоставляемые архитектурой с общей шиной, она имеет и серьезный недостаток, который проявлялся все больше при повышении производительности внешних устройств и возрастании потоков обмена информацией между ними. К общей шине подключены устройства с разными объемами и скоростью обмена, в связи с чем «медленные» устройства задерживали работу «быстрых». Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались «быстрые» устройства. Архитектура компьютера с общей и локальной шинами приведена на рис. 3. Рис. 3. Архитектура компьютера с общей и локальной шиной Контроллер шины анализирует адреса портов, передаваемые процессором, и передает их контроллеру, подключенному к общей или локальной шине. Конструктивно контроллер каждого устройства размещается на общей плате с центральным процессором и запоминающим устройством или, если устройство не является стандартно входящим в состав компьютера, на специальной плате, вставляемой в специальные разъемы на общей плате – слоты расширения. Дальнейшее развитие микроэлектроники позволило размещать несколько функциональных узлов компьютера и контроллеры стандартных устройств в одной микросхеме СБИС. Это сократило количество микросхем на общей плате и дало возможность ввести две дополнительные локальные шины для подключения запоминающего устройства и устройства отображения, которые имеют наибольший объем обмена с центральным процессором и между собой. Хотя архитектура компьютера осталась прежней, структура современного персонального компьютера имеет вид, представленный на рис. 2.12, Рис. 4. Структура персонального компьютера Центральный контроллер играет роль коммутатора, распределяющего потоки информации между процессором, памятью, устройством отображения и остальными узлами компьютера. Кроме этого в состав микросхемы центрального контроллера включены устройства, которые поддерживают работу компьютера. К ним относятся системный таймер; устройство прямого доступа к памяти, которое обеспечивает обмен данными между внешними устройствами и памятью и периоды, когда это не требуется процессору; устройство обработки прерываний, которое обеспечивает быструю реакцию процессора на запросы внешних устройств, имеющих данные для передачи. Функциональный контроллер – это СБИС, которая содержит контроллеры для подключения стандартных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер, модем и т.д. Часто в состав этого контроллера входит такое устройство, как аудиокарта, позволяющая получить на внешних динамиках высококачественный звук при прослушивании музыкальных и речевых файлов. Для подключения специфических устройств часть обшей шины, соединяющая центральный и функциональный контроллеры, имеет слоты расширения для установки плат контроллеров. Архитектуры многопроцессорных вычислительных систем. Контрольные вопросы: 1. Что архитектура ЭВМ?; 2. Основные архитектуры ЭВМ?; 3. Что такое открытая архитектура ?; 4. Ч Что такое закрытая архитектура ? ЛЕКЦИЯ 8 Классификация вычислительных систем и их характеристики. План. 1. Контрольный опрос 2. Классификация вычислительных систем 3. Характеристики различных архитектур 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 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: 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. 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. 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. Пользователи, проводящие научные расчеты. Для этого класса пользователей необходим доступ высокопроизводительным вычислителям. Мощные платформы: Amdal(IBM), Cray(CDC),SPP(HP). 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 / (СЭВМ + СЭКС), представляющий собой отношение ее производительности к сумме стоимости самой машины СЭВМ и затрат на ее эксплуатацию за определенный период времени (например, период окупаемости капитальных затрат) СЭКС. 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 / СЭВМ .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. СуперЭВМВ 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» 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. Контрольные вопросы: 1. Какие основные типы ЭВМ классифицированы? 2. Классификация ЭВМ по типу; 3. Классификация ЭВМ по применению; 4. Классификация ЭВМ по поколению; 5. Классификация ЭВМ по архитектуре; ЛЕКЦИЯ 9 Арифметико-логическое устройство и устройство управления: назначение, принцип работы. Процессор: устройство и принцип работы. Системы команд и классы процессоров: СISC, RISC, MISC, VLIM План. 1. Контрольный опрос 2. Арифметико-логическое устройство. 3. Процессор: устройство и принцип работы 4. Системы команд и классы процессоров: СISC, RISC, MISC, VLIM Теоретическая часть Архитектура ЭВМ включает в себя как структуру, отражающую состав ПК, так и программно – математическое обеспечение. Структура ЭВМ - совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление.Основы учения об архитектуре вычислительных машин были заложены Джон фон Нейманом. Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ. Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, представленную на рисунке. Положения фон Неймана: Компьютер состоит из нескольких основных устройств (арифметико-логическое устройство, управляющее устройство, память, внешняя память, устройства ввода и вывода) Арифметико-логическое устройство – выполняет логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти Управляющее устройство – обеспечивает управление и контроль всех устройств компьютера (управляющие сигналы указаны пунктирными стрелками) Данные, которые хранятся в запоминающем устройстве, представлены в двоичной форме Программа, которая задает работу компьютера, и данные хранятся в одном и том же запоминающем устройстве Для ввода и вывода информации используются устройства ввода и выводаОдин из важнейших принципов – принцип хранимой программы – требует, чтобы программа закладывалась в память машины так же, как в нее закладывается исходная информация. Арифметико-логическое устройство и устройство управления в современных компьютерах образуют процессор ЭВМ. Процессор, который состоит из одной или нескольких больших интегральных схем называется микропроцессором или микропроцессорным комплектом.Процессор – функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Процессор является преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств.Запоминающие устройства обеспечивают хранение исходных и промежуточных данных, результатов вычислений, а также программ. Они включают: оперативные (ОЗУ), сверхоперативные СОЗУ), постоянные (ПЗУ) и внешние (ВЗУ) запоминающие устройства.Оперативные ЗУ хранят информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (резидентная часть операционной системы, прикладная программа, обрабатываемые данные). В СОЗУ хранится наиболее часто используемые процессором данные. Только та информация, которая хранится в СОЗУ и ОЗУ, непосредственно доступна процессору.Внешние запоминающие устройства (накопители на магнитных дисках, например, жесткий диск или винчестер) с емкостью намного больше, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом, используются для длительного хранения больших объемов информации. Например, операционная система (ОС) хранится на жестком диске, но при запуске компьютера резидентная часть ОС загружается в ОЗУ и находится там до завершения сеанса работы ПК. ПЗУ (постоянные запоминающие устройства) и ППЗУ (перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства) предназначены для постоянного хранения информации, которая записывается туда при ее изготовлении, например, ППЗУ для BIOS.В качестве устройства ввода информации служит, например, клавиатура. В качестве устройства вывода – дисплей, принтер и т.д.В построенной по схеме фон Неймана ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в устройстве управления. Классификация процессоров. Cisc, risc, vliw, суперскалярные процессоры, misc. CISC (Complete Instruction Set Computer) – полный набор команд микропроцессора. нефиксированное значение длины команды; арифметические действия кодируются в одной команде; небольшое число регистров, каждый из которых выполняет строго определённую функцию. Недостатки CISC архитектуры: высокая стоимость аппаратной части; сложности с распараллеливанием вычислений. Состав и назначение их регистров существенно неоднородны, широкий набор команд усложняет декодирование инструкций, на что расходуются аппаратные ресурсы. Возрастает число тактов, необходимое для выполнения инструкций. К процессорам с полным набором инструкций относится семейство х86. Лидером в разработке CISC-процессоров считается компания Intel со своей серией x86 и Pentium. Эта архитектура является практическим стандартом для рынка микрокомпьютеров. Для CISC-процессоров характерно: сравнительно небольшое число регистров общего назначения; большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов; большое количество методов адресации; большое количество форматов команд различной разрядности; преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память. |