Архитектура ЭВМ лекция 8 Курс Информатики Введение

Архитектура ЭВМ (лекция 8) Курс Информатики

Введение u Архитектура охватывает понятие принципов организации системы (аппаратно-программного комплекса), включающее такие высокоуровневые аспекты разработки компьютера как систему памяти, структуру системной шины, организацию ввода/вывода, систему команд, форматы данных, операционную систему

Архитектура вычислительной системы предполагает многоуровневую организацию.

Два принципа архитектуры ЭВМ последовательная и параллельная u Традиционная архитектура ЭВМ была последовательной. Это означало, что в любой момент времени выполнялась только одна операция и только над одним операндом. u Идея новой архитектуры ЭВМ заключалась в параллелизме процесса обработки данных, когда одна и та же операция применяется одновременно к массиву (вектору) значений (операндов). В этом случае можно получить выигрыш в скорости вычислений.

Архитектура фон Неймана u. В 1945 г. Джон фон Нейман подготовил научный отчет, где впервые представил логическую организацию ЭВМ независимо от ее элементной базы. Это позволило заложить основы проектирования ЭВМ. докладе описано 5 базовых компонент универсального компьютера и принцип его функционирования. u. В

Модель фон Неймана, разбивает все оборудование компьютерной системы на пять главных элементов: 1. центральный вычислительный блок (CPU); 2. 3. 4. 5. устройства ввода; устройства вывода; память; массовое хранилище данных.

Архитектура фон Неймана

Архитектура фон Неймана u Принцип фон Неймана - обосновывал последовательный порядок выполнения операций "управление потоком команд задаваемых программой". u Данные занимают подчиненное положение, ход выполнения вычислительного процесса определяется только потоком команд.

В ЭВМ вводится информация двух типов: u Программа - набор команд, указывающий центральному процессору как нужно осуществлять решение задачи. Программа помещается в памяти ЭВМ и используется только устройством управления. u Данные - это определенные факты, цифры, необходимые для решения конкретной задачи. Они направляются к различным устройствам внутри ЭВМ и обрабатываются в АЛУ (арифметико-логическом устройстве). Данные не нужны для устройства управления.

Потоки команд и данных в ЭВМ.

Структура ЭВМ состоит из 5 основных функциональных блоков: u Устройство ввода информации обеспечивает передачу от человека или первичных датчиков информации к ЭВМ. Здесь осуществляется кодирование информации с языка человека (аналоговый сигнал) на язык двоичных кодов для ЭВМ.

Структура ЭВМ состоит из 5 основных функциональных блоков: u Память (внутренняя и внешняя) хранилище данных и программ.

Структура ЭВМ состоит из 5 основных функциональных блоков: u Арифметическое устройство (АЛУ) складывает, вычитает, сравнивает, выполняет другие логические операции. АЛУ связано с ОЗУ двунаправленным потоком данных.

Структура ЭВМ состоит из 5 основных функциональных блоков: u Устройство управления - последовательно считывает содержимое ячеек памяти, где находится программа и организует ее выполнение. Порядок команд может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода) это позволяет организовать циклы, ветвления и т. д. , т. е. выполнять сложные программы.

Структура ЭВМ состоит из 5 основных функциональных блоков: u Устройство вывода информации связующее звено между машиной и человеком или исполнительным механизмом. Здесь осуществляется дешифрация с языка ЭВМ на язык понятный человеку (или аналоговый сигнал).

Система шин ЭВМ В вычислительной системе, состоящей из множества подсистем, необходим механизм для их взаимодействия. Эти подсистемы должны быстро и эффективно обмениваться данными с помощью центральной шины или системы нескольких шин.

Адресная шина служит для выбора определенной ячейки памяти, порта ввода-вывода (16 линий).

Шина данных - двунаправленная микропроцессору и от него (8 линий). пересылка данных к

Шина управления - координирует работу всех устройств.

Классификация архитектур ЭВМ. u Наиболее известна классификация архитектур ЭВМ американского ученого У. Флинна. u В соответствии с ней, все компьютеры делятся на четыре класса в зависимости от числа потоков команд и данных.

Последовательная архитектура

1. Однопроцессорные SISD ЭВМ (Single Instruction Single Data) u Это последовательные компьютеры фон Неймана - обычные скалярные однопроцессорные системы: одиночный поток команд - одиночный поток данных (SISD). u Различают CISC и RISC однопроцессорные архитектуры

Архитектуры CISC и RISC u CISC (Complete Instruction Set Computer) архитектура с полным набором команд - это классическая архитектура фон Неймана, т. е. однопроцессорная архитектура со строго последовательным выполнением команд. Стержень процесса образуется последовательностью (потоком) команд, заданных программой. Данные занимают подчиненное положение. Процессор по очереди выбирает команды программы и также по очереди обрабатывает данные - все строго последовательно.

Архитектуры CISC и RISC u Архитектура компьютера с сокращенным набором команд (RISC - Reduced Instruction Set Computer) отделяет команды обработки от команд работы с памятью и использует эффективную конвейерную обработку. Другая особенность - отделение медленной памяти от высокоскоростных регистров и использование регистровых окон. Составление программ для таких процессоров упрощается, а производительность - возрастает. RISC архитектура эффективна при выполнении научных и инженерных расчетов, где над каждой единицей данных производится большой объем вычислений.

Системы параллельной обработки данных

Параллелизм процесса вычислений. u Компьютерные вычисления обладают естественным параллелизмом, т. е. часть команд программы может выполняться независимо друг от друга одновременно. u Возможность параллельной работы различных устройств системы является основой ускорения основных операций.

Две причины, порождающие вычислительный параллелизм: u Независимость потоков команд , одновременно существующих в системе; u Независимость и несвязанность данных, обрабатываемых в одном потоке команд.

У. Флинн выделяет 6 уровней программного параллелизма: Параллелизм верхнего уровня достигается за счет многопроцессорной обработки

У. Флинн выделяет 6 уровней программного параллелизма: Параллелизм нижнего уровня достигается за счет конвейерной обработки - каждый блок процессора выполняет только одну операцию

2. Многопроцессорные SIMD ЭВМ (Single Instruction Multiple Data) u Второй класс характеризуется наличием одиночного потока команд, но множественного потока данных. К этому классу принадлежат однопроцессорные векторные или векторноконвейерные суперкомпьютеры ( Cray-1). u В этом случае мы имеем дело с одним потоком (векторных) команд, а потоков данных - много: каждый элемент вектора входит в отдельный поток данных.

2. Многопроцессорные SIMD ЭВМ (Single Instruction Multiple Data) Процессор команд Машины типа SIMD состоят из большого числа процессорных элементов, имеющих собственную память. Все эти элементы выполняют одну и ту же программу, т. е. одиночная операция выполняется над Контроллер - коммутатор Массив процессорных элементов

3. Многопроцессорные MIMD ЭВМ (Multiple Instruction Multiple Data) u. К третьему классу - MIMD - относятся системы, имеющие множественный поток команд и множественный поток данных. К нему принадлежат не только многопроцессорные векторные супер. ЭВМ, но и вообще все многопроцессорные компьютеры. Подавляющее большинство современных супер. ЭВМ имеют архитектуру MIMD.

3. Многопроцессорные MIMD ЭВМ (Multiple Instruction Multiple Data) В MIMD системе каждый процессорный элемент (ПЭ) выполняет свою программу достаточно независимо от других процессорных элементов. С общей памятью эти элементы связываются через шину. Общая память данных и команд Процессор ный элемент Общая шина Процессор ный элемент

4. Многопроцессорные MISD ЭВМ (Multiple Instruction Single Data) u Четвертый класс в систематике У. Флинна, MISD, не представляет практического интереса.