Лекция 2 (Основы учения об архитектуре вычислительных

Лекция 2

Основы учения об архитектуре вычислительных машин в 1946 году заложили американские ученые города Пристона, в группу которых входил математик Джон фон Нейман.
Фон Нейман предложил основные принципы построения ЭВМ: переход к двоичной системе счисления для представления информации и принцип хранимой программы.
Программу вычислений предлагалось помещать в запоминающем устройстве ЭВМ, что обеспечивало бы автоматический режим выполнения команд и, как следствие, увеличение быстродействия ЭВМ. (Ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде, а программы задавались путём установки перемычек на специальной коммутационной панели.) Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причём в той же памяти, что и обрабатываемые ею числа.
Основные принципы построения ЭВМ:
1. Любую ЭВМ образуют три основных компонента: процессор, память и устройства ввода-вывода (УВВ).
2. Информация, с которой работает ЭВМ, делится на два типа: набор команд по обработке (программы); данные подлежащие обработке.
3. И команды, и данные вводятся в память (ОЗУ) – принцип хранимой программы.
4. Данные, которые хранятся в запоминающем устройстве, представлены в двоичной форме
5. Руководит обработкой процессор, устройство управления (УУ) которого выбирает команды из ОЗУ и организует их выполнение, а арифметико-логическое устройство (АЛУ) проводит арифметические и логические операции над данными.
6. С процессором и ОЗУ связаны устройства ввода-вывода (УВВ).
Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ.
Один 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
Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название «фон Неймановской архитектуры» или пристонской. Подавляющее большинство ВМ на сегодняшний день – фон-неймановские машины.
Совместное использование шины для памяти программ и памяти данных приводит к узкому месту архитектуры фон Неймана, а именно ограничению пропускной способности между процессором и памятью по сравнению с объёмом памяти. Из-за того, что память программ и память данных не могут быть доступны в одно и то же время, пропускная способность является значительно меньшей, чем скорость, с которой процессор может работать. Это серьезно ограничивает эффективное быстродействие при использовании процессоров, необходимых для выполнения минимальной обработки на больших объёмах данных. Процессор постоянно вынужден ждать необходимых данных, которые будут переданы в память или из памяти. Так как скорость процессора и объём памяти увеличивались гораздо быстрее, чем пропускная способность между ними, узкое место стало большой проблемой, серьезность которой возрастает с каждым новым поколением процессоров
Альтернативой фон-неймановской архитектуры является так называемая гарвардская архитектура ВМ. Отличием ее от архитектуры фон-неймановской является то, что имеется отдельная память для программ и отдельная память для данных, причем программу нельзя разместить в свободной области данных и наоборот.
Фон-неймановская архитектура обеспечивает большую гибкость организации вычислений, т.к. возможно перераспределять память между программами и данными, но с другой стороны без принятия специальных мер защиты снижается надежность выполнения программы, что недопустимо в управляющих системах. Поэтому в управляющих ВМ применяется чаще всего гарвардская архитектура.

Внутренняя структура вычислительной машины. Организация работы ЭВМ с магистральной шиной.

Основным устройством ПК является материнская плата, которая определяет его конфигурацию. Все устройства ПК подключаются к этой плате с помощью разъемов расположенных на этой плате. Соединение всех устройств в единую систему обеспечивается с помощью системной магистрали (шины), представляющей собой линии (шины) передачи данных, линии (шины)адресов и линии (шины) управления.
Подключение всех внешних устройств: клавиатуры, монитора, внешних ЗУ, мыши, принтера и т.д. обеспечивается через контроллеры, адаптеры, карты.
Контроллеры, адаптеры или карты имеют свой процессор и свою память, т.е. представляют собой специализированный процессор.


Микропроцессор
Центральный микропроцессор (небольшая микросхема, выполняющая все вычисления и обработку информации) – это ядро ПК. В компьютерах типа IBM PC используются микропроцессоры фирмы Intel и совместимые с ними микропроцессоры других фирм типа АМD ( Advanced Micro Devices).
В центре современного центрального микропроцессора (CPU – сокр. от англ. central processing unit – центральное вычислительное устройство) находится ядро (core) – кристалл кремния площадью примерно один квадратный сантиметр, на котором посредством микроскопических логических элементов реализована принципиальная схема процессора.

Ядро связано с остальной частью чипа (называемой «упаковка», CPU Package) по технологии «флип-чип» (flip-chip, flip-chip bonding – перевернутое ядро, крепление методом перевернутого кристалла). Эта технология получила такое название потому, что обращенная наружу – видимая – часть ядра на самом деле является его «дном», – чтобы обеспечить прямой контакт с радиатором кулера для лучшей теплоотдачи. С обратной (невидимой) стороны находится сам «интерфейс» – соединение кристалла и упаковки. Соединение ядра процессора с упаковкой выполнено с помощью столбиковых выводов (Solder Bumps).
Ядро расположено на текстолитовой основе, по которой проходят контактные дорожки к «ножкам» (контактным площадкам), залито термическим интерфейсом и закрыто защитной металлической крышкой.

Компоненты микропроцессора:
• АЛУ выполняет логические и арифметические операции
• Устройство управления управляет всеми устройствами ПК
• Регистры используются для хранения данных и адресов
• Схема управления шиной и портами – осуществляет подготовку устройств к обмену данными между микропроцессором и портом ввода – вывода, а также управляет шиной адреса и управления.
Оперативная память.
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM) - область памяти, предназначенная для хранения информации в течение одного сеанса работы с компьютером. Конструктивно ОЗУ выполнено в виде интегральных микросхем.
Из нее процессор считывает программы и исходные данные для обработки в свои регистры, в нее записывает полученные результаты. Название “оперативная” эта память получила потому, что она работает очень быстро, в результате процессору не приходится ждать при чтении или записи данных в память.

Однако быстродействие ОЗУ ниже быстродействия регистров процессора, поэтому перед выполнением команд процессор переписывает данные из ОЗУ в регистры. По принципу действия различают динамическую память и статическую.
Ячейки динамической памяти представляют собой микроконденсаторы, которые накапливают заряд на своих обкладках. Ячейки статической памяти представляют собой триггеры, которые могут находиться в двух устойчивых состояниях.

Основные параметры, которые характеризуют ОЗУ – это емкость (объм) и время обращения к памяти.
Только та информация, которая хранится в ОЗУ, доступна процессору для обработки. Поэтому необходимо, чтобы в его оперативной памяти находились программа и данные.

В ПК информация с внешних устройств (клавиатуры, жесткого диска и т.д.) пересылается в ОЗУ, а информация (результаты выполнения программ) с ОЗУ также выводится на внешние устройства (монитор, жесткий диск, принтер и т.д.).

Системная магистраль
Системная магистраль (шина) - это совокупность проводов и разъемов, обеспечивающих объединение всех устройств ПК в единую систему и их взаимодействие.
Системная магистраль (шина) состоит из следующих шин:
• шина адреса (ША) – зависит объем адресуемой памяти.

• 20-разрядная, объем памяти 1 МБ (220)
• 24-разрядная, объем памяти 16 МБ (224)
• 32-разрядная, объем памяти 4 ГБ
• 34-разрядная, объем памяти 16 ГБ - современная плата
• 36-разрядная, объем памяти 64 ГБ
Выбор абонента по обмену данными производит процессор, который формирует код адреса данного устройства, а для оперативной памяти код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам, т.е. шина адреса является однонаправленной
• шина данных (ШД) – зависит одновременное количество обрабатываемых данных.
• 32-разрядная – 4 Б
• 64-разрядная - 8 Б
• 128-разрядная - 16 Б
Данные по шине данных могут передаваться от процессора к какому-либо устройству, либо, наоборот, от устройства к процессору, т.е. шина данных является двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием шины данных можно отнести следующие: запись/чтение данных из оперативной памяти, запись/чтение данных из внешней памяти, чтение данных с устройства ввода, пересылка данных на устройство
• шина питания (ШП) - зависит от типа процессора. Предназначена не для пересылки информационных сигналов, а для питания системы. Состоит из линий питания и общего провода.
• шина управления (ШУ)
По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией (ввод/вывод), и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.
Для подключения контроллеров или адаптеров современные ПК снабжены такими слотами как PCI. Слоты PCI – E Express для подключения новых устройств к более скоростной шине данных. Слоты AGP предназначены для подключения видеоадаптера
Для подключения накопителей (жестких дисков и компакт-дисков) используются интерфейсы IDE и SCSI. Интерфейс – это совокупность средств соединения и связи устройств компьютера.

Подключение периферийных устройств (принтеры, мышь, сканеры и т.д.) осуществляется через специальные интерфейсы, которые называются портами.

Слоты (разъемы) расширения конфигурации ПК предназначены для подключения дополнительных устройств к основной шине данных компьютера. К основным платам расширения, предназначенным для подключения к шине дополнительных устройств, относятся:
• Видеоадаптеры (видеокарты)
• Звуковые платы
• Внутренние модемы
• Сетевые адаптеры (для подключения к локальной сети)
• SCSI - адаптеры
Системы классификации ЭВМ:
• По производительности и быстродействию
• По назначению
• По уровню специализации
• По типу используемого процессора
• По особенностям архитектуры
• По размерам

Основные характеристики ЭВМ.
• быстродействие
• производительность
• емкость (объем) памяти
• точность вычислений
• система команд
• стоимость
• надежность
К основным характеристикам вычислительной техники относятся ее эксплуатационно-технические характеристики, такие, как быстродействие, емкость памяти, точность вычислений и др.
Быстродействие ЭВМ рассматривается в двух аспектах. С одной стороны, оно характеризуется количеством элементарных операций, выполняемых центральным процессором в секунду. Под элементарной операцией понимается любая простейшая операция типа сложения, пересылки, сравнения и т. д. С другой стороны, быстродействие ЭВМ существенно зависит от организации ее памяти. Время, затрачиваемое на поиск необходимой информации в памяти, заметно сказывается на быстродействии ЭВМ.
В зависимости от области применения выпускаются ЭВМ с быстродействием от нескольких сотен тысяч до миллиардов операций в секунду. Для решения сложных задач возможно объединение нескольких ЭВМ в единый вычислительный комплекс с требуемым суммарным быстродействием.
Наряду с быстродействием часто пользуются понятием производительность. Если первое обусловлено, главным образом, используемой в ЭВМ системой элементов, то второе связано с ее архитектурой и разновидностями решаемых задач. Даже для однозадачной ЭВМ такая характеристика, как быстродействие, не является величиной постоянной. В связи с этим различают:
пиковое быстродействие, определяемое тактовой частотой процессора без учета обращения к оперативной памяти;
номинальное быстродействие, определяемое с учетом времени обращения к оперативной памяти;
системное быстродействие, определяемое с учетом системных издержек на организацию вычислительного процесса;
эксплуатационное, определяемое с учетом характера решаемых задач (состав, операций или их «смеси»).

Емкость, или объем памяти определяется максимальным количеством информации, которое можно разместить в памяти ЭВМ. Обычно емкость памяти измеряется в байтах. Как уже отмечалось, память ЭВМ подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя, или оперативная память, по своему объему у различных классов машин различна и определяется системой адресации ЭВМ. Емкость внешней памяти из-за блочной структуры и съемных конструкций накопителей практически неограниченна.

Точность вычислений зависит от количества разрядов, используемых для представления одного числа. Современные ЭВМ комплектуются 32- или 64-разрядными микропроцессорами, что вполне достаточно для обеспечения высокой точности расчетов самых разнообразных приложениях. Однако, если этого мало, можно использовать уд военную или утроенную разрядную сетку.
Система команд — это перечень команд, которые способен выполнить процессор ЭВМ. Система команд устанавливает, какие конкретно операции может выполнять процессор, сколько операндов требуется указать в команде, какой вид (формат) должна имеет команда для ее распознания. Количество основных разновидностей команд невелико, с их помощью ЭВМ способны выполнять операции сложения, вычитания, умножения, деления, сравнения, записи в память, передачи числа из регистра в регистр, преобразования из одной системы счисления в другую и т. д. При необходимости выполняется модификация команд, учитывающая специфику вычислений. Обычно в ЭВМ используется от десятков до сотен команд (с учетом их модификации). На современном этап развития вычислительной техники используются два основных подхода при формировании системы команд процессора. С одной стороны, это традиционный подход, свзязанный с разработкой процессоров с полным набором команд, — архитектура CISC (Complete Instruction Set Computer — компьютер с полным набором команд). С друге стороны, это реализация в ЭВМ сокращенного набора простейших, но часто употребляемых команд, что позволяет упростить аппаратные средства процессора и повысить eго быстродействие — архитектура RISC (Reduced Instruction Set Computer — компьютер сокращенным набором команд).

Стоимость ЭВМ зависит от множества факторов, в частности от быстродействия, емкости памяти, системы команд и т. д. Большое влияние на стоимость оказывает конкретная комплектация ЭВМ и, в первую очередь, внешние устройства, входящие в состав машины. Наконец, стоимость программного обеспечения ощутимо влияет на стоимость ЭВМ.

Надежность ЭВМ — это способность машины сохранять свои свойства при заданных условиях эксплуатации в течение определенного промежутка времени. Количественной оценкой надежности ЭВМ, содержащей элементы, отказ которых приводит к отказу всей машины, могут служить следующие показатели:
вероятность безотказной работы за определенное время при данных условиях эксплуатации;
наработка ЭВМ на отказ;
среднее время восстановления машины и др.
Для более сложных структур типа вычислительного комплекса или системы понятие «отказ» не имеет смысла. В таких системах отказы отдельных элементов приводят к некоторому снижению эффективности функционирования, а не к полной потере работоспособности в целом.
Важное значение имеют и другие характеристики вычислительной техники, например: универсальность, программная совместимость, вес, габариты, энергопотребление и др. Они принимаются во внимание при оценивании конкретных сфер применения ЭВМ.
•
• КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ
Классификацию вычислительных машин по таким показателям, как габариты и производительность, можно представить следующим образом:
- сверхпроизводительные ЭВМ и системы (супер-ЭВМ)
- большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения)
- средние ЭВМ
- малые или мини-ЭВМ
- микро-ЭВМ
- персональные компьютеры
- микропроцессоры.
Основное назначение больших ЭВМ - выполнение работ, связанных с обработкой и хранением больших объемов информации, проведением сложных расчетов и исследований в ходе решения вычислительных и информационно-логических задач. К ним относятся большинство моделей фирмы IBM (семейства 360, 370, 390) и их отечественные аналоги ЕС ЭВМ.
Производительность больших ЭВМ порой оказывается недостаточной для ряда приложений (ядерная энергетика, оборона и т.д.). Были созданы супер-ЭВМ. Они обладают колоссальным быстродействием. Предстаители этого класса ЭВМ - компьютеры фирм Cray Research, Control Data Corporation (CDC) и отечественные супер-ЭВМ семейства Эльбрус.
Средние ЭВМ обладают несколько меньшими возможностями, чем большие ЭВМ, но они меньше стоят. Они предназначены для использования, где приходится постоянно обрабатывать достаточно большие объемы информации с приемлемыми временными затратами. К средним можно отнести ЕС-1036, ЕС-1130, ЕС-1120.
Малые ЭВМ составляют самый многочисленный и быстроразвивающийся класс. Их популярность объясняется малыми размерами, низкой стоимостью и универсальными возможностями.
Класс мини-ЭВМ появился в 60-е годы. Их появление было обусловлено развитием элементной базы и избыточностью ресурсов больших и средних ЭВМ для ряда приложений. Они применяются для управления сложными видами оборудования, создания систем автоматизированного проектирования и гибких производственных систем. К ним относятся модели семейства малых ЭВМ (СМ ЭВМ).
При переходе к интегральным микросхемам оказалось возможным создание функционально законченного устройства обработки информации, выполняющего функции процессора. Такое устройство принято называть микропроцессором.
Изобретение микропроцессора привело к появлению еще одного класса ЭВМ - микро-ЭВМ. Определяющим признаком микро-ЭВМ является наличие одного или нескольких микропроцессоров. Микро-ЭВМ, благодаря малым размерам, высокой производительности, повышенной надежности и небольшой стоимости нашли широкое распространение во всех областях народного хозяйства.
Успехи в развитии микропроцессоров и микро-ЭВМ привели к появлению персональных ЭВМ (ПЭВМ), предназначенных для индивидуального обслуживания пользователя и ориентированных на решение различных задач неспециалистами в области вычислительной техники. ПЭВМ позволяет эффективно выполнять научно-технические и финансово-экоеномические расчеты, организовывать базы данных, подготавливать и редактировать документы, обрабатывать графическую информацию и т.д.
На основе ПЭВМ создаются автоматизированные рабочие места (АРМ) для представителей разных профессий (конструкторов, технологов, административного аппарата и др.).
Рынок персональных и микро-ЭВМ непрерывно расширяется за счет поставок ведущих мировых фирм: IBM, DEC, Apple, COMPAREX, Siemens, ICL.














Вопросы к Лекции 2.

1. Основные принципы построения ЭВМ:
- какие три компонента входят в состав ЭВМ?(стр. 1)
- на какие два типа делится информации в ЭВМ? (стр. 1)
- что записывается в ОЗУ? (стр. 1)
- чем занимается устройство управления (УУ) и чем арифметическо -логическое устройство (АЛУ)? (стр. 1)
- какие устройства связаны с процессором и ОЗУ? (стр.1)
2. Изобразить структурную схему ЭВМ по фон Нейману. (стр. 2)
3. Чем отличается фон-неймановская и гарвардская архитектуры построения ЭВМ? Их достоинства и недостатки. (стр. 3)
4. Изобразить структурную схему ЭВМ с магистральной шиной. (стр. 4)
5. Назначение магистральной (системной) шины.(стр. 3)
Из каких частей (шин) она состоит? (стр. 3)
6. Назначение контроллеров (адаптеров, карт) внешних устройств ЭВМ?
Что включают в себя контроллеры (адаптеры, карты)? (стр. 3)
7. Что представляет собой центральный микропроцессор конструктивно? (стр. 4)
8. Микропроцессоры каких фирм используются в компьютерах типа IBM PC ? (стр. 4)
9. Что включает в себя центральный микропроцессор? Назначение каждого компонента. (стр. 4)
10. Назначение оперативного запоминающего устройства (ОЗУ)? (стр. 4- 5)
Что оно собой представляет конструктивно? (стр. 4-5)
Основные параметры ОЗУ.(стр. 5)
Где хранится информация необходимая процессору для обработки? (стр. 5)
Что она в себя включает? (стр. 5)
Куда попадает информация вводимая с внешних устройств? (стр. 5)
Откуда берется информация выводимая на внешние устройства? (стр. 5)
11. Определение системной магистрали (шины). (стр. 5). Из каких шин она состоит? (стр. 5-6).
12. Какую разрядность может иметь шина адреса и как от ее разрядности зависит объем адресуемой памяти? (стр. 5)
Например: какой объем памяти можно адресовать с помощью 20-ти адресной шины?
13. Какую разрядность может иметь шина данных и как от ее разрядности зависит количество передаваемых байт? (стр. 6)
Например: сколько байт можно передать по 32-х разрядной шине данных?
14. По каким признакам классифицируются ЭВМ? (перечислить) (стр. 6, 7)
15. Перечислить основные характеристики (параметры) ЭВМ (стр. 7)