Аппаратное обеспечение вычислительных систем Тема 1 Основные

Аппаратное обеспечение вычислительных систем

Тема 1. Основные характеристики, области применения и архитектурные особенности ЭВМ различных классов.

Единицы измерения информации • В различных системах счисления один разряд имеет различный вес, и соответственно меняется единица измерения данных. Так, в двоичной системе счисления единицей измерения служит бит (bit – binary digit, двоичный разряд). • В современных компьютерах наряду с минимальной единицей данных – битом, используется укрупненная единица информации – байт, равная 8 битам.

Понятия информатика, информация, система, информационная система • Информатика • Информация (лат. informatio – «разъяснение, осведомление, изложение» ) • Система (греч. systema – «целое, составленное из частей соединение» ) • Информационная система (ИС)

Показатели качества информации

Информационные системы

• Организация системы • Элемент системы • Структура системы • Архитектура системы • Целостность системы

Классификация информационных систем

Основные подсистемы ИС

Основные функции ИВС вычислительная коммуникационная информирующая запоминающая следящая регулирующая оптимизационная самоорганизующаяся самосовершенствующаяся исследовательская прогнозирующая анализирующая синтезирующая контролирующая диагностическая документирующая

Этапы развития компьютерных информационных технологий

Вычислительная система (ВС) – совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенная для сбора, хранения, обработки и распределения информации. Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в ней нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Параллелизм выполнения операций существенно повышает быстродействие системы; он же может также значительно повысить и надежность (при отказе одного компонента системы его функции может взять на себя другой) и достоверность функционирования системы, если операции будут дублироваться, а результаты их выполнения сравниваться.

Классификация ВС • Одномашинная ВС – ВС, построенная на основе одного компьютера. • Многопроцессорная ВС – ВС, построенная на основе нескольких процессоров. • Многомашинная ВС – ВС, построенная на основе нескольких компьютеров. • Однородная ВС – ВС, построенная на основе однотипных компьютеров или процессоров. Позволяет использовать стандартные наборы программных средств, типовые протоколы (процедуры) сопряжения устройств. • Неоднородная ВС – ВС, включающая в свой состав различные типы компьютеров или процессоров. • Оперативные ВС – ВС, функционирующие в реальном масштабе времени, в них реализуется оперативный режим обмена информацией – ответы на запросы поступают незамедлительно. • Неоперативные ВС – ВС, допускающие режим «отложенного ответа» , когда результаты выполнения запроса можно получить с некоторой задержкой (иногда даже в следующем сеансе работы с системой).

Классификация ВС • ВС с централизованным управлением – ВС, в которых управление выполняет выделенный компьютер или процессор. • ВС с децентрализованным управлением – ВС, в которых компоненты (компьютеры / процессоры) равноправны и каждый может брать управление на себя. • Территориально-сосредоточенные ВС – ВС, все компоненты которых размещены в непосредственной близости друг от друга. • Распределенные ВС – ВС, компоненты которых могут располагаться на значительном расстоянии, например – вычислительные сети. • Структурно одноуровневые ВС – ВС, в которых имеется лишь один общий уровень обработки данных. • Многоуровневые (иерархические) ВС – ВС, машины или процессоры в которых распределены по разным уровням обработки информации. Некоторые машины (процессоры) могут специализироваться на выполнении определенных функций.

Понятие ЭВМ. Классификация. • Электронная вычислительная машина (ЭВМ), компьютер – комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач. • Классификация по принципу действия:

Поколения ЭВМ • 1 -е поколение, 50 -е годы: ЭВМ на электронных вакуумных лампах • 2 -е поколение, 60 -е годы: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах). • 3 -е поколение, 70 -е годы: ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни – тысячи транзисторов в одном корпусе). • 4 -е поколение, 80 -90 -е годы: ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах, основная из которых – микропроцессор (десятки тысяч – миллионы активных элементов на одном кристалле). • 5 -е поколение, настоящее время: ЭВМ со многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной архитектурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы.

Классификация компьютеров по назначению Вычислительные машины Универсальные Проблемно-ориентированные Специализированные

Классификация компьютеров по размерам и вычислительной мощности Вычислительные машины Супер. ЭВМ Большие ЭВМ Малые ЭВМ Микро. ЭВМ

Сравнительные характеристики классов современных компьютеров Класс компьютера Параметры Суперкомпьютеры Большие Малые компьютеры Микрокомпьютеры Производительность (MIPS) 1000 -1000000 100 -10000 10 -100 Емкость ОП (Мбайт) 2000 -100000 512 -10000 128 -2048 32 -512 Емкость внешних ЗУ (Гбайт) 500 -50000 100 -10000 20 -500 окт. 50 Разрядность 64 -256 64 -128 32 -128

Классификация микро. ЭВМ Микро. ЭВМ Универсальные Многопользовательские Специализированные Однопользовательские Многопользовательские Однопользовательские (персональные) (серверы) (рабочие станции) Сетевые компьютеры

Персональные ЭВМ ПЕРСОНАЛЬНЫЕ ЭВМ Стационарные (настольные) Портативные ПК ПК-блокноты Карманные ПК Переносные Электронные секретари Электронные книжки записные

Архитектура фон Неймана

Стандартные элементы структур современных ЭВМ основываются на следующих принципах: • модульность построения, • магистральность, • иерархия управления.

Тема 2. Устройство персонального компьютера

Основные составляющие ПК

Микропроцессор Это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операции над информацией. В состав микропроцессора входят: Ø устройство управления (УУ) Ø арифметико-логическое устройство (АЛУ) Ø микропроцессорная память (МПП) Ø регистры

Устройство управления (УУ) Формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов;

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) Предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией; Микропроцессорная память (МПП) Служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях.

Регистры Быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие).

Основная память (ОП) Она предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

Таймер Это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд).

Внешние устройства (ВУ) Так, по назначению можно выделить следующие виды ВУ: • внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК; • диалоговые средства пользователя; • устройства ввода информации; • устройства вывода информации; • средства связи и телекоммуникации.

Тип корпуса Big Tower, Middle Tower, Midi Tower, Mini Tower, Desktop

Тема 3. Системная плата Устройство системной (материнской) платы. Классификация и технические характеристики материнских плат. Назначение и функции устройств, размещаемых на материнской плате (чипсет, BIOS, CMOS, часы реального времени, генератор тактовых импульсов, регуляторы напряжения и конденсаторы, контроллеры, различные разъемы). Интегрированные материнские платы.

Печатная плата

Конденсаторы • Конденсаторы обеспечивают ровный поток напряжения в схеме.

Генератор тактовых импульсов (Clock Generator Chip) • Генератор тактовых импульсов и генерирует все эти тактовые сигналы, необходимые для синхронной работы устройств с различной скоростью.

Основные характеристики ü форм-фактор и габариты ü тип разъема (слота, сокета) для установки микропроцессора ü чипсет ü тактовая частота системной шины ü параметры контроллеров устройств ü наличие и параметры слотов ü наличие и параметры интегрированных устройств

Сокеты компании Intel • Socket B (LGA 1366) — Core i 7 с интегрированным контроллером памяти и соединением Intel Quick. Path • Socket H (LGA 715) — замена Socket T (LGA 775) без интегрированного контроллера памяти и соединения Intel Quick. Patch • Socket J (LGA 771) — Intel Xeon серий 50 xx, 51 xx (ядра Dempsey и Woodcrest), 53 xx (ядро Clovertown), 54 xx (ядро Harpertown) • Socket M — Intel Core Solo, Intel Core Duo и Intel Core 2 Duo • Socket N — Intel Dual-Core Xeon LV • Socket P — замена Socket 479 и Socket M, 9 мая 2007 года • Socket T (LGA 775) — Intel Pentium 4, Pentium D, Celeron D, Pentium Extreme Edition, Intel Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Celeron, Xeon серии 3000, Core 2 Quad (ядра Northwood, Prescott, Conroe, Kentsfield, Allendale и Cedar Mill)

Описание по прайс-листу: • Мат. плата Socket 1155 ASUS "P 8 H 61 EVO" rev. 3. 0 (i. H 61, 2 x. DDR 3, SATA III, SATA II, PCI-E, SB, 1 Гбит LAN, USB 2. 0, USB 3. 0, ATX)

Процессоры. Назначение и структура центрального процессора (ЦП), состав устройств. Процессор как устройство выполнения программного кода. Порядок обработки инструкций. Система прерываний процессора. Многозадачный режим работы процессора. Логическое устройство и организация системы команд процессора. Технические характеристики процессоров. Архитектура и микроархитектура процессоров.

Основные параметры ü производитель ü технология производства ü тактовая частота ядра ü тактовая частота системной шины ü разрядность ü объем кэш-памяти первого и второго уровня ü длина и количество конвейеров ü слот

Intel Pentium IV Socket 775

Intel Pentium II слот 1 в SECC картридже

Функции процессора • вычисление адресов команд и операндов; • выборку и дешифрацию команд из основной памяти (ОП); • выборку данных из ОП, регистров процессорной памяти и регистров адаптеров внешних устройств (ВУ); • прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ; • обработку данных и их запись в ОП, регистры процессорной памяти и регистры адаптеров ВУ; • выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ЭВМ; • переход к следующей команде.

• Общая стратегия создания высокопроизводительных процессоров направлена на обеспечение параллельной работы как можно большего количества различных функциональных устройств. В частности, такие процессоры имеют конвейерную организацию, при которой выполнение очередной команды начинается до завершения предыдущей. • При другом подходе, называемом суперскалярным функционированием, из памяти выбираются и одновременно выполняются несколько команд. • Архитектура современных процессоров, как правило, использует сочетание обоих подходов.

Обобщенная структура процессора

• Команда – стандартная процедура обработки данных , для выполнения операции. • Система команд – перечень, вид и тип команд, автоматически исполняемых процессором. • Понятие системы команд вплотную связано с архитектурой, разрядностью, адресностью и другими атрибутами процессора.

классификационная группа процессора(По типу команд) • CISC (Complex Instruction Set Command) с полным набором системы команд • RISC (Reduced Instruction Set Command) с усеченным набором системы команд • VLIW (Very Length Instruction Word) со сверхбольшим командным словом • MISC (Minimum Instruction Set Command) с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием

Группы команд • Операции пересылки – перемещение содержания машинного слова в следующих разновидностях: регистр, регистр-память, ОП-регистр, ОП-ОП. Каждой из модификаций обычно соответствует уникальный код команды (КОП). • Операции арифметики с фиксированной точкой (+, -, *, / , % и пр. ). Модификации команды возможны те же. • Операции арифметики с плавающей точкой. • Операции сравнения содержания машинных слов (в зависимости от результата - >, <, =, вырабатывается некий признак, помещаемый в один из регистров). • Операции условного и безусловного перехода (условный переход обычно кооперируется с операцией сравнения).

• Побитовые операции с парой машинных слов – операции «логическое И» , «логическое ИЛИ» , «отрицающее ИЛИ» и «инверсия» . • Операции индексной арифметики – изменения содержания индексных регистров (в некоторых системах – ячеек ОП), используются для обращения к последовательным элементам массива. • Операции прерывания – переход к зарезервированной, выделенной заранее области памяти для обработки сбойных, аварийных и других ситуаций. • Операции обращения к внешнему устройству – поиск блока на магнитной ленте или диске, считывание блока, запись блока на носитель и пр.

Процесс выполнения команды - реализация в определенной последовательности одной или нескольких из перечисленных ниже операций: • пересылка слова данных из одного регистра процессора в другой регистр или в АЛУ; • выполнение арифметической или логической операции и сохранение результата в регистре процессора; • выборка содержимого заданного адреса памяти и загрузка его в регистр процессора; • сохранение слова данных из регистра процессора по заданному адресу основной памяти.

В целом функционирование компьютера можно описать следующим образом • Компьютер с помощью блока ввода принимает информацию в виде программ и данных и записывает ее в память. • Хранящаяся в памяти информация под управлением программы пересылается в арифметико-логическое устройство для дальнейшей обработки. • Данные, полученные в результате обработки информации, направляются на устройства вывода. • За все действия, производимые внутри машины, отвечает блок управления

Соединение памяти и процессора. Функционирование процессора Память MAR MDR Управляю-щий блок R 0 PC . . IR . Rn-1 АЛУ

• Прерывание (interrupt) – это запрос, поступающий от устройства ввода-вывода, с требованием предоставить ему процессорное время. Для обслуживания этого устройства процессор выполняет соответствующую программу обработки прерывания. А поскольку ее выполнение может изменить внутреннее состояние процессора, перед обслуживанием прерывания нужно сохранить его состояние в памяти.