Канальная архитектура ЭВМ. Реферат по дисциплине оп. 01 Основы архитектуры, устройство и функционирование вычислительных систем На тему Канальная архитектура эвм
 Скачать 29.03 Kb.
|
|
Министерство общего и профессионального образования Ростовской области ГБПОУ РО «КТСиА» РЕФЕРАТ По дисциплине ОП.01 «Основы архитектуры, устройство и функционирование вычислительных систем» На тему «Канальная архитектура ЭВМ» Выполнил студент группы 14СПО Мистота А. А. Проверила: Дашкова Н. Ю. Г. Каменск-Шахтинский 2019 Содержание Введение 3 Принципы фон Неймана 4 Основные характеристики ЭВМ. Классификация 5 средств электронной вычислительной техники Устройства ЭВМ с канальной организацией 7 Свойства каналов, результаты их введения и их команды 7 Заключение 10 Список использованной литературы 11 ВВЕДЕНИЕ Цель реферата: Изучить канальную архитектуру ЭВМ. В основе этой архитектуры ЭВМ лежит множественность каналов связи между устройствами и функциональная специализация узлов. Первым же человеком, положившим начало на изучение архитектуре вычислительных машин был математик Джон фон Нейман. Также он предложил непереоценимую идею о принципе «хранимой программы». В своем историческом докладе, опубликованном в 1945 году, Джон фон Нейманвыделил и детально описал пять ключевых компонентов того, что ныне называют " архитектурой фон Неймана " современного компьютера. Чтобы компьютер был и эффективным, и универсальным инструментом, он должен включать следующие структуры: центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ), центральное устройство управления (УУ), "дирижирующее " операциями, запоминающее устройство, или память, а также устройства ввода-вывода информации. Фон Нейман отмечал, что эта система должна работать с двоичными числами, быть электронным, а не механическим устройством и выполнять операции последовательно, одну за другой. За счет существенного усложнения организации ЭВМ упрощается архитектура ввода - вывода. Связь между отдельными узлами осуществляется по схеме. Операции обмена данными становятся более простыми. Канал, по сути, представляет собой специализированный “интеллектуальный” контроллер прямого доступа к памяти. Для ускорения обмена данными реализованы несколько трактов обмена данными (процессор - основная память и каналы - основная память). О своем состоянии канал может информировать процессор с помощью прерываний. Все контроллеры внешних устройств подключаются к “своим” каналам с помощью стандартного интерфейса. Свобода подключения внешних устройств сохраняется благодаря стандартному протоколу интерфейса, при этом появляется возможность группировать устройства по характеристикам. Принципы фон Неймана. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто. 1.Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием. 2.Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными. 3.Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании. 4.Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода. Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой. Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной установки на жесткий диск. Принципы, сформированные фон Нейманом, стали общепринятыми и положены в основу как больших ЭВМ первых поколений, так и более поздних мини- и микро-ЭВМ. И хотя в последнее время идут активные поиски вычислительных машин, построенных на принципах, отличных от классических, большинство компьютеров построено согласно принципам, определенным Нейманом. Основные характеристики ЭВМ. Классификация средств электронной вычислительной техники. 1. Технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, указатель надёжности достоверности точность, ёмкость оперативной памяти, габаритные размеры, стойкость технических и программных средств, особенности эксплуатации). 2. Характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; возможность расширения состава технических и программных средств возможность изменения структуры. 3. Состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (оперативная система или среда, пакеты прикладных программ и средства автоматизации программирования). Одно из важнейших характеристик ЭВМ является её быстродействие, в которой характеризуется числом команд, выполняемых ЭВМ за 1 сек. Реальное или эффективное быстродействие, обеспечиваемое ЭВМ значительно ниже оно может сильно отличаться в зависимости от класса решаемых задач. К сравнению по быстродействию достоверных оценок, поэтому вместо характеристики быстродействия часто используют связанную с ней характеристику производительности – объём работ, осуществляемых ЭВМ в единицу времени. Ёмкость заполняющих устройств: ёмкость в памяти измеряется количеством структурных единиц информации, которая может одновременно размещаться в памяти. Структурной наименьшей единицей информации является бит – одна двоичная цифра. Обычно ёмкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения – байт. Надёжность – это способность ЭВМ при определённых условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени. Высокая надёжность закладывается в процессе её производства переход на новую элементную базу сверх большей интегральной схемы (СБИС – сверх большей интегральной схемы резко сокращает число используемых интегральных схем, а значит использует число их соединений друг с другом). Точность – это возможность различать почти равные значения, точность получение результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, а также используемыми структурными единицами. Представление информации (байтом, словом, двойным словом). Достоверность – свойство информации быть правильно воспитанной. Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов. Заданный уровень достоверности обеспечивается аппаратурно-программными средствами контроля самой ЭВМ. Устройства ЭВМ с канальной организацией. Помимо уже знакомого набора устройств (центральный процессор, память, устройства ввода - вывода) в состав ЭВМ с канальной организацией входят устройства, называемые каналами. Канал – это специализированный процессор, осуществляющий всю работу по управлению контроллерами внешних устройств и обмену данными между основной памятью и внешними устройствами. Устройства группируются по характерной скорости и подключаются к соответствующим каналам. “Быстрые” устройства (например, накопители на магнитных дисках) подсоединяются к селекторным каналам. Такое устройство получает селекторный канал в монопольное использование на все время выполнения операции обмена данными. “Медленные” устройства подключаются к мультиплексным каналам. Мультиплексный канал разделяется (мультиплексируется) между несколькими устройствами, при этом возможен одновременный обмен данными с несколькими устройствами. Доступ к оперативной памяти может получить и центральный процессор, и один из каналов. Для управления очередностью доступа имеется контроллер оперативной памяти. Он определяет приоритетную дисциплину доступа при одновременном обращении нескольких устройств к памяти. Наименьший приоритет имеет центральный процессор. Среди каналов больший приоритет имеют медленные каналы. Таким образом, приоритет обратно пропорционален частоте обращения устройства к памяти. Свойства каналов, результаты их введения и их команды. За счет существенного усложнения организации ЭВМ упрощается архитектура ввода - вывода. Связь между отдельными узлами осуществляется по схеме. Операции обмена данными становятся более простыми. Канал, по сути, представляет собой специализированный “интеллектуальный” контроллер прямого доступа к памяти. Для ускорения обмена данными реализованы несколько трактов обмена данными (процессор - основная память и каналы - основная память). О своем состоянии канал может информировать процессор с помощью прерываний. Все контроллеры внешних устройств подключаются к “своим” каналам с помощью стандартного интерфейса. Свобода подключения внешних устройств сохраняется благодаря стандартному протоколу интерфейса, при этом появляется возможность группировать устройства по характеристикам. Результатом введения каналов (специализированных процессоров ввода/вывода) является большая стандартизация и упрощение процессов обмена. С другой стороны, вводятся некоторые ограничения. Например, сохраняется только одна схема, напоминающая схему прямого доступа, с обменом информации между процессором и каналом по прерываниям. Канал, являясь хоть и специализированным, но все-таки процессором, выполняет свою канальную программу. Она состоит из канальных команд и хранится в оперативной памяти. Длина канальной программы произвольна, последняя команда канальной программы содержит признак конца. Подготовку канальной программы и загрузку ее в оперативную память осуществляет операционная система. После того, как канальная программа подготовлена, адрес ее начала размещается в фиксированной ячейке памяти, называемой словом адреса канала CAW (Channel Address Word). Для управления каналами процессор имеет всего четыре команды. Операция обмена данными инициируется центральным процессором с помощью команды НАЧАТЬ ВВОД - ВЫВОД - SIO M, N (Start Input - Output). Операндами команды являются M - номер канала и N - номер устройства в канале. Выдав команду запуска обмена, процессор, не обращая внимания на обменный процесс, продолжает выполнять свою программу. Центральный процессор может проверить состояние канала с помощью команды ОПРОСИТЬ ВВОД - ВЫВОД - TIO (Test Input - Output). Команда SIO M, N передается во все каналы, воспринимает ее только канал M. Если канал занят, он устанавливает соответствующее состояние своих регистров, и процессор по команде TIO может выяснить, что запуск канальной программы не состоялся. Если канал свободен, он выполняет следующие действия. Во-первых, выбирает из оперативной памяти CAW в свой регистр, во-вторых, передает подключенным к нему устройствам команду SIO. Команда запуска ввода - вывода SIO M, N передается всем устройствам, но воспринимает ее только устройство N. Если устройство занято или не готово, в регистрах канала устанавливается соответствующее состояние и процессор по команде TIO может узнать о том, что операция обмена данными не состоялась. Если же устройство свободно и готово к обмену данными, оно устанавливает в интерфейсе сигнал ожидания. Вся дальнейшая обменная операция протекает по инициативе внешнего устройства. Получив сигнал ожидания, канал выбирает по адресу CAW адрес канальной команды и передает ее в контроллер внешнего устройства, где она выполняется. Канальные команды могут быть подготовительными или командами обмена данными. Подготовительные команды устанавливают режимы внешних устройств, осуществляют операции поиска и т.д. Обменные команды содержат коды операций и адреса оперативной памяти. Обмен происходит по асинхронной схеме по инициативе внешнего устройства. Данные извлекаются из памяти и помещаются в нее напрямую, без посредников. После выполнения команды канал проверяет в выполненной команде признак конца. Если это не последняя команда, меняется адрес CAW и выбирается следующая команда. Если команда последняя, канал “привлекает к себе внимание” процессора с помощью сигнала прерывания. По сигналу прерывания запускается обработчик, являющийся частью операционной системы. Обработчик прерывания выполняет операции, завершающие обмен. Канал может сгенерировать сигнал прерывания до окончания канальной программы при возникновении исключительной ситуации. В этом случае операционная система запрашивает состояние регистров канала и выясняет, что именно произошло и определяет какие действие необходимо предпринять в возникшей ситуации. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Отметим некоторые особенности канальных машин. Несколько подряд идущих канальных команд могут образовывать цепочку данных. В этом случае имеется одна команда обмена, например, чтения физической записи в несколько адресов оперативной памяти со счетчиком. Одна физическая запись распределяется в несколько адресов оперативной памяти. В ЭВМ с канальной организацией процессор практически полностью освобождается от рутинной работы по организации ввода - вывода. Управление контроллерами внешних устройств и обмен данными берет на себя канал. Наличие нескольких трактов передачи данных снимает трудности, связанные с блокировкой единственного тракта передачи данных (системной шины), что повышает скорость обмена. Все это дает возможность производить обмен данными с внешними устройствами параллельно с основной вычислительной работой центрального процессора. В результате общая производительность системы существенно возрастает. Удорожание схемы окупается. Одной из первых машин с каналами была ЭВМ второго поколения IBM 704. Ярким примером ЭВМ с каналами являются машины семейства IBM 360/370. Появление этих ЭВМ произвело переворот в вычислительной технике, и на долгие годы они стали образцом для подражания у создателей ЭВМ. Хотя в настоящее время эти машины ушли в прошлое, они оставили богатое наследие в виде интересных архитектурных решений, программных и алгоритмических разработок. В настоящее время схемы со специализированными процессорами ввода - вывода часто встречаются в ЭВМ различных типов. Несомненно, идея схемы с каналами не умерла, и к ней еще неоднократно будут возвращаться. Список использованной литературы 1. https://works.doklad.ru/view/tFr2K63Q_AY.html 2. https://studopedia.org/3-160780.html 3. https://studopedia.ru/10_134620_evm-s-kanalnoy-organizatsiey.html 4. А. А. Смирнов Архитектура вычислительных систем, М. Наука, 1990 5. Информатика. Базовый курс |