Скачать презентацию Архитектура вычислительных систем Всего 108 ч Из них Скачать презентацию Архитектура вычислительных систем Всего 108 ч Из них

Архитектура вычислительных систем.ppt

  • Количество слайдов: 149

Архитектура вычислительных систем Всего: 108 ч. Из них: 18 ч. лекций, 36 ч. лабораторных, Архитектура вычислительных систем Всего: 108 ч. Из них: 18 ч. лекций, 36 ч. лабораторных, 54 часа отводятся на самостоятельную работу студента

ЛИТЕРАТУРА: ЛИТЕРАТУРА:

Основная литература 1. Гук М. Ю. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. 3 -е изд. Основная литература 1. Гук М. Ю. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. 3 -е изд. - СПб. : Питер, 2006. - 1072 с. 2. Поворознюк А. И. Архитектура компьютера. Архитектура микропроцессорного ядра и системных устройств: Учебное пособие. 4. 1. Харьков: Торнадо, 2004. -355 с. 3. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. 5 -е изд. СПб. : Питер, 2007. - 844 с.

Дополнительная литература 1. Могилев А. В. и др. Информатика: Учебное пособие для студентов высш. Дополнительная литература 1. Могилев А. В. и др. Информатика: Учебное пособие для студентов высш. пед. учебных заведений, обучающихся по специальности «Информатика» . – М. : Академия, 2000 – 816 с. 2. Информатика: Учебник/ Под ред. Н. В. Макаровой. - М. : , 2002 – 768 с.

Лекция 1. Многоуровневая компьютерная организация Тема лекции: 1. Языки, уровни и виртуальные машины Лекция 1. Многоуровневая компьютерная организация Тема лекции: 1. Языки, уровни и виртуальные машины

Человек пишет команды в виде текста. А компьютер может выполнять только программы, написанные на Человек пишет команды в виде текста. А компьютер может выполнять только программы, написанные на его машинном языке. Текст, который понятен человеку, должен быть переведен на машинный язык.

Каждая команда из текста написанного программистом, должна быть заменена эквивалентным набором команд на машинном Каждая команда из текста написанного программистом, должна быть заменена эквивалентным набором команд на машинном языке. В этом случае компьютер выполняет новую программу, написанную на машинном языке, вместо старой программы, написанной в виде текста. Эта технология называется трансляцией.

Если машинный язык получает в качестве входных данных программы, написанные в виде теста и Если машинный язык получает в качестве входных данных программы, написанные в виде теста и при этом каждая команда обрабатывается поочередно, то такая технология называется интерпретацией. При этом после обработки сразу выполняется эквивалентный ей набор команд машинного языка.

Эта технология не требует составления новой программы на машинном языке. Программа, которая осуществляет интерпретацию, Эта технология не требует составления новой программы на машинном языке. Программа, которая осуществляет интерпретацию, называется интерпретатором. Между трансляцией и интерпретацией много общего. В обоих подходах компьютер в конечном итоге выполняет набор команд на машинном языке, эквивалентных командам из набора текста, составленном программистом.

Различие лишь в том, что при трансляции весь текст переделывается в программу на машинном Различие лишь в том, что при трансляции весь текст переделывается в программу на машинном языке. Программа написанная в виде текста отбрасывается, а новая программа на машинном языке загружается в память компьютера и затем выполняется.

При интерпретации каждая команда программы в виде текста перекодируется в машинный язык и сразу При интерпретации каждая команда программы в виде текста перекодируется в машинный язык и сразу же выполняется. Не создается новая программа, а происходит последовательная перекодировка и выполнение команд. Изобретение целого ряда языков, каждый из которых более удобен для человека, чем предыдущий, может продолжаться до тех пор, пока мы не дойдем до подходящего нам языка.

Каждый такой язык использует своего предшественника как основу, поэтому мы можем рассматривать компьютер в Каждый такой язык использует своего предшественника как основу, поэтому мы можем рассматривать компьютер в виде ряда уровней, изображенных на рисунке 1. Язык, находящийся в самом низу иерархической структуры – самый примитивный, а тот который расположен на ее вершине – самый сложный.

Рисунок 1. Многоуровневая машина Рисунок 1. Многоуровневая машина

Большинство современных компьютеров состоит из двух и более уровней. Существуют компьютеры с шестью уровнями Большинство современных компьютеров состоит из двух и более уровней. Существуют компьютеры с шестью уровнями (рисунок 2). Уровень 0 — это аппаратное обеспечение машины. Электронные схемы на уровне 1 выполняют машинно-зависимые программы. Есть еще один уровень, который расположен ниже нулевого. Этот уровень не показан на рисунке 2, так как он попадает в сферу электронной техники и называется уровнем физических устройств.

Рис. 2. Шестиуровневый компьютер. Способ поддержки каждого уровня указан под ним, в скобках дано Рис. 2. Шестиуровневый компьютер. Способ поддержки каждого уровня указан под ним, в скобках дано название соответствующего программного обеспечения

На уровне 0 объекты называются вентилями. У каждого вентиля есть один или несколько цифровых На уровне 0 объекты называются вентилями. У каждого вентиля есть один или несколько цифровых входов (сигналов, представляющих 0 или 1). Вентиль вычисляет простые функции этих сигналов, такие как И или ИЛИ. Каждый вентиль формируется из нескольких транзисторов. Несколько вентилей формируют 1 бит памяти, который может содержать 0 или 1.

Биты памяти, объединенные по 16, 32 или 64 ячеек, формируют регистры. Каждый регистр может Биты памяти, объединенные по 16, 32 или 64 ячеек, формируют регистры. Каждый регистр может содержать одно двоичное число до определенного предела. На уровне 1 находятся в совокупности 8 или 32 регистров, которые формируют локальную память и схему, называемую АЛУ (арифметико-логическое устройство).

АЛУ выполняет простые арифметические операции. Регистры вместе с АЛУ формируют тракт данных, по которому АЛУ выполняет простые арифметические операции. Регистры вместе с АЛУ формируют тракт данных, по которому поступают данные. Тракт данных работает следующим образом. Выбирается один или два регистра, АЛУ производит над ними какую- либо операцию, например сложения, после чего результат вновь помещается в один из этих регистров.

На некоторых компьютерах работа тракта данных контролируется особой программой, которая называется микропрограммой. На других На некоторых компьютерах работа тракта данных контролируется особой программой, которая называется микропрограммой. На других машинах тракт данных контролируется аппаратными средствами. На компьютерах, где тракт данных контролируется программным обеспечением, микропрограмма — это интерпретатор для команд на уровне 2.

Микропрограмма вызывает команды из памяти и выполняет их одну за другой, используя при этом Микропрограмма вызывает команды из памяти и выполняет их одну за другой, используя при этом тракт данных. Например, при сложении она вызывается из памяти, ее операнды помещаются в регистры, АЛУ вычисляет сумму, а затем результат переправляется обратно.

Уровень 2 называется уровнем архитектуры набора команд. Описываемый в нем набор машинных команд в Уровень 2 называется уровнем архитектуры набора команд. Описываемый в нем набор машинных команд в действительности выполняется микропрограммойинтерпретатором или аппаратным обеспечением.

Уровень 3 обычно является гибридным. Большинство команд в его языке есть также и на Уровень 3 обычно является гибридным. Большинство команд в его языке есть также и на уровне архитектуры набора команд. Особенности уровня 3: 1. новый набор команд, 2. другая организация памяти, 3. способность выполнять две и более программы одновременно и некоторые другие.

Новые средства, появившиеся на уровне 3, выполняются операционной системой. Одна часть команд уровня 3 Новые средства, появившиеся на уровне 3, выполняются операционной системой. Одна часть команд уровня 3 интерпретируется операционной системой, а другая часть — микропрограммой. Поэтому уровень считается гибридным.

Уровни 0 -3 ориентированы на интерпретаторы и трансляторы, поддерживающие более высокие уровни. Эти трансляторы Уровни 0 -3 ориентированы на интерпретаторы и трансляторы, поддерживающие более высокие уровни. Эти трансляторы и интерпретаторы составляются системными программистами, которые специализируются на разработке новых виртуальных машин.

Уровни 4 и выше предназначены для прикладных программистов, решающих конкретные задачи. На уровне 4 Уровни 4 и выше предназначены для прикладных программистов, решающих конкретные задачи. На уровне 4 есть механизм поддержки более высоких уровней. Уровни 4, 5 и выше транслируются. Машинные языки уровней 1, 2 и 3 — цифровые. Программы, написанные на этих языках, состоят из длинных рядов цифр, которые воспринимаются компьютерами, но малопонятны для людей.

Начиная с уровня 4, языки содержат слова и сокращения, понятные человеку. На этом уровне Начиная с уровня 4, языки содержат слова и сокращения, понятные человеку. На этом уровне можно писать программы в приемлемой для человека форме. Эти программы сначала транслируются на язык уровня 1, 2 или 3, а затем интерпретируются соответствующей виртуальной или фактически существующей машиной. Программа, которая выполняет трансляцию, называется ассемблером.

Уровень 5 состоит из языков высокого уровня. Существуют сотни языков высокого уровня. Наиболее известные Уровень 5 состоит из языков высокого уровня. Существуют сотни языков высокого уровня. Наиболее известные среди них — С, С++, Java, LISP и Prolog. Программы, написанные на этих языках, обычно транслируются на уровень 3 или 4. Трансляторы, которые обрабатывают эти программы, называются компиляторами.

Таким образом, компьютер проектируется как иерархическая структура уровней, которые надстраиваются друг над другом. Каждый Таким образом, компьютер проектируется как иерархическая структура уровней, которые надстраиваются друг над другом. Каждый уровень представляет собой определенную абстракцию различных объектов и операций.

Лекция 2. Архитектура компьютера Вопросы: 1. Общее представление архитектуры компьютера 2. Типовые архитектуры ПК Лекция 2. Архитектура компьютера Вопросы: 1. Общее представление архитектуры компьютера 2. Типовые архитектуры ПК 3. Архитектура постнеймановских компьютеров

Общее представление архитектуры компьютера Общее представление архитектуры компьютера

Архитектура компьютера совокупность средств, приемов, правил, абстракций и характеристик, которые порождают конкретную реализацию и Архитектура компьютера совокупность средств, приемов, правил, абстракций и характеристик, которые порождают конкретную реализацию и которые можно использовать как классификационные признаки отличия вычислительных систем.

К средствам относятся: 1. одно или несколько процессоров, выполняющих преобразование информации, 2. оперативная память, К средствам относятся: 1. одно или несколько процессоров, выполняющих преобразование информации, 2. оперативная память, каналы связи, 3. устройства ввода- вывода, 4. устройства отображения и запоминания информации.

Примером приемов может быть применение специальных таблиц для определения адреса расположения информации в памяти. Примером приемов может быть применение специальных таблиц для определения адреса расположения информации в памяти. В простом случае таблицы содержат имена данных и адреса их расположения в памяти. В более сложном случае таблицы содержат служебную информацию (дескрипторы), с помощью которой устанавливаются необходимые адреса памяти.

К правилам относятся: 1. алгоритмы взаимодействия процессора с терминальными устройствами, 2. алгоритмы выполнения команд, К правилам относятся: 1. алгоритмы взаимодействия процессора с терминальными устройствами, 2. алгоритмы выполнения команд, 3. методы вычисления физических адресов памяти и др.

Абстракции уровни архитектуры, определяющие принципы организации вычислительной системы и функции процессора. В качестве примера Абстракции уровни архитектуры, определяющие принципы организации вычислительной системы и функции процессора. В качестве примера можно выделить следующие уровни абстракции архитектуры вычислительной системы:

архитектура системы - разделяет функции по обработке данных, выполняемые системой и внешней средой архитектура системы - разделяет функции по обработке данных, выполняемые системой и внешней средой (пользователями); языки программирования и системные программы; архитектура аппаратно-программной границы - устанавливает границу между аппаратным обеспечением (электронными схемами и микропрограммами) и операционной системой;

архитектура микропрограммного управления - задает границу выполнения операций с помощью электронных схем и архитектура микропрограммного управления - задает границу выполнения операций с помощью электронных схем и программ, записанных в постоянной памяти; архитектура программного обеспечения устанавливает уровни разделения используемых языков, модулей и приемы их построения; архитектура процессора - устанавливает организацию процессора и интерфейса между процессором и каналами связи;

архитектура каналов связи определяет взаимодействие процессоров с периферийными устройствами; мультипроцессорная архитектура - устанавливает архитектура каналов связи определяет взаимодействие процессоров с периферийными устройствами; мультипроцессорная архитектура - устанавливает разделение функций между процессорами и их взаимосвязь.

Аппаратная архитектура разделена на: 1. Структурную, 2. Схемотехническую, 3. Конструкторскую архитектуру. Структурные показатели позволяют Аппаратная архитектура разделена на: 1. Структурную, 2. Схемотехническую, 3. Конструкторскую архитектуру. Структурные показатели позволяют установить наличие функциональных модулей (блоков) и их взаимосвязь в компьютере.

Схемотехнические показатели могут касаться характеристик используемого микропроцессорного комплекса. Конструкторские показатели связаны с выявлением особенностей Схемотехнические показатели могут касаться характеристик используемого микропроцессорного комплекса. Конструкторские показатели связаны с выявлением особенностей принятых конструкторских решений. Последние могут оказаться решающими для построения ПК с открытой архитектурой.

Программная архитектура рассматривает архитектурные показатели компьютера с точки зрения программиста. При этом рассматриваются структура Программная архитектура рассматривает архитектурные показатели компьютера с точки зрения программиста. При этом рассматриваются структура данных, система сигналов и команд, способы адресации, программно доступные средства, методы управления и основные режимы работы. Архитектура и характеристики аппаратных средств определяют характеристики всего компьютера как программно-аппаратного комплекса обработки информации.

Наиболее обобщенный способ классификации архитектур аппаратных средств компьютера базируется на понятиях потока команд и Наиболее обобщенный способ классификации архитектур аппаратных средств компьютера базируется на понятиях потока команд и потока данных в вычислительной структуре. Соответственно этому подходу можно определить четыре класса структур аппаратных средств компьютеров (рисунок 3).

1. SISD - архитектура с одинарным потоком команд и одинарным потоком данных. Управления осуществляет 1. SISD - архитектура с одинарным потоком команд и одинарным потоком данных. Управления осуществляет одинарная последовательность команд, любая из которых обеспечивает выполнения одной операции со своими данными и дальше передает управления следующей команде. В компьютерах этого типа команды выполняются только последовательно во времени на одном процессорном элементе.

2. MISD - архитектура с множественным потоком команд и одинарным потоком данных. Она составляет 2. MISD - архитектура с множественным потоком команд и одинарным потоком данных. Она составляет цепочку последовательно соединенных процессоров (микропроцессоров), которые управляются параллельным потоком команд. Одинарный поток данных, проходит последовательно через все процессоры, любой из которых делает обработку данных под управлением своего потока команд и передает результаты следующему по цепочке процессору, который использует их как входные данные.

3. SIMD - архитектура с одинарным потоком команд и множественным потоком данных. Процессор имеет 3. SIMD - архитектура с одинарным потоком команд и множественным потоком данных. Процессор имеет матричную структуру, в узлах которой включенное большое количество простых быстродействующих процессорных элементов, которые могут иметь собственную или общую память данных. Одинарный поток команд вырабатывает одно общее устройство управления.

4. MIMD архитектура с множественными потоками команд и данных. Это многопроцессорные и многомашинные вычислительные 4. MIMD архитектура с множественными потоками команд и данных. Это многопроцессорные и многомашинные вычислительные системы. Они могут отличаться принципом управления, организацией памяти и структурой связей между компьютерами или процессорами. Гибкость MIMD структур разрешает организовать совместную работу или раздельную работу всех компьютеров при одновременном решении множества задач с помощью независимых программ.

Типовые архитектуры ПК Типовые архитектуры ПК

Архитектура неймановского компьютера Исторически неймановская архитектура компьютера является первой классической вычислительной архитектурой. Основные принципы Архитектура неймановского компьютера Исторически неймановская архитектура компьютера является первой классической вычислительной архитектурой. Основные принципы организации неймановских компьютеров:

использования двоичной системы исчисления для представления информации; программы и данные записываются в двоичном использования двоичной системы исчисления для представления информации; программы и данные записываются в двоичном коде и сохраняются в запоминающих устройствах. Над командами программы делать операции как над числами; управления вычислительным процессом осуществляется централизованно путем последовательного выполнения команд. память компьютера состоит из последовательно пронумерованных ячеек; для управления используется язык машинных команд.

Рисунок 4 – Архитектура неймановского компьютера Рисунок 4 – Архитектура неймановского компьютера

Архитектура постнеймановских компьютеров В настоящее время различают архитектуру: 1. больших универсальных компьютеров-мейнфреймов (наиболее типичными Архитектура постнеймановских компьютеров В настоящее время различают архитектуру: 1. больших универсальных компьютеров-мейнфреймов (наиболее типичными представителями являются компьютеры серий IBM 360/370 и их «потомков» ES 9000) 2. архитектуру мини-, микро- и персональных компьютеров.

Особенностью универсальных компьютеров является параллельная и асинхронная работа процессора и специализированных процессоров вводавывода - Особенностью универсальных компьютеров является параллельная и асинхронная работа процессора и специализированных процессоров вводавывода - каналов ввода-вывода. Универсальные компьютеры типа IBM 360/370 используются в режиме мультипрограммной обработки информации для многих пользователей и имеют широкий набор периферийных устройств. Типовая архитектура изображена на рисунке 5.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над двоичными и двоично-десятичными числами. Устройство Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над двоичными и двоично-десятичными числами. Устройство центрального управления (ЦУ) обеспечивает микропрограммное управление всего процессора, обработку прерываний и отсчет времени. Устройство управления памятью (УУП) обеспечивает связь процессора и каналов ввода-вывода с оперативным запоминающим устройством (ОЗУ).

Устройство контроля и диагностики (УКи. Д) обеспечивает текущий контроль функционирования компьютера при инициализации системы. Устройство контроля и диагностики (УКи. Д) обеспечивает текущий контроль функционирования компьютера при инициализации системы. Мультиплексный канал (спец. процессор) обеспечивает ввод/вывод информации из медленнодействующих периферийных устройств (ПУ). Селекторные каналы (спец. процессор) предназначены для работы с периферийными быстродействующими устройствами (Винчестер).

Особенностью мини-, микро- и ПК является простота и надежность в управлении. Поэтому они имеют Особенностью мини-, микро- и ПК является простота и надежность в управлении. Поэтому они имеют магистральную архитектуру. Процессор связан со всеми другими блоками компьютера (блоки ОЗУ, ПЗУ, периферийные устройства) через общую шину (рисунок 6), которая состоит из трех подшин - шины адреса (А), шины данных (Д) и шины управления (У). Общее управление системным интерфейсом выполняет контроллер шины.

Архитектура персональных компьютеров (ПК) базируется на системе шин: локальная шина процессора (L-local bus), шина Архитектура персональных компьютеров (ПК) базируется на системе шин: локальная шина процессора (L-local bus), шина оперативной памяти (М - Memory bus), системная шина (S - System bus), внешняя шина (X - external bus). Взаимодействие шин обеспечивается контроллерами шин (КШ). Любая из этих шин является магистральной и состоит из составляющих: адреса, данных и управления.

На рисунке 7 приведен типовой набор модулей ПК. Здесь микропроцессорное ядро (МПЯ) включает модули На рисунке 7 приведен типовой набор модулей ПК. Здесь микропроцессорное ядро (МПЯ) включает модули и узлы, которые определяют работу центрального процессора и подключаются параллельно к его шинам. Непосредственно к системной шине S подключается внешняя периферия через слоты расширения и ее номенклатура может меняться. Периферия, которая подключенная к внешней шине X, и расположенная на материнской плате, обеспечивает минимально-необходимые условия функционирования ПК.

Лекция 3. Системный интерфейс и архитектура системной платы Вопросы: 1. Материнская плата 2. Система Лекция 3. Системный интерфейс и архитектура системной платы Вопросы: 1. Материнская плата 2. Система шин 3. Центральный процессор

Материнская плата Материнская или системная плата (Motherboard) — самостоятельный элемент, который управляет внутренними связями Материнская плата Материнская или системная плата (Motherboard) — самостоятельный элемент, который управляет внутренними связями и взаимодействует с внешними устройствами. Материнская плата основной элемент внутри системного блока и влияет на производительность ПК (Рис. 8).

Чипсет (Chipset) - набор из нескольких БИС, связывающий процессор, память и шины расширения. Он Чипсет (Chipset) - набор из нескольких БИС, связывающий процессор, память и шины расширения. Он определяет характеристики системы. Тип чипсета влияет на производительность ПК. Чипсет имеет иерархическую структуру построения (рис. 9, а). Для микропроцессоров Pentium используется так называемая Hubструктура чипсета, соединяющая входы и выход и высокоскоростные каналы с менее скоростными.

Рис. 9, а. Hub-структура чипсета ПК Рис. 9, а. Hub-структура чипсета ПК

NB (North Bridge, – северный мост или MCH Memory Controller Hub)– отвечает за работу NB (North Bridge, – северный мост или MCH Memory Controller Hub)– отвечает за работу контроллера памяти, видеосистемы и графического порта AGP (Accelerated Graphics Port). SB (South Bridge - южный мост) управляет работой следующих устройств:

ISA (Industrial Standard Architecture – промышленная стандартная архитектура) обеспечивает совместимость, надежность и скорость ISA (Industrial Standard Architecture – промышленная стандартная архитектура) обеспечивает совместимость, надежность и скорость до 8 Мбайт/с при работе со стандартной периферией и данными 8, 16, 32 разрядности; EISA, (Extended Industrial Standard Architecture – расширенная промышленная стандартная архитектура) обеспечивает скорости до 33, 32 Мбайт/с;

PCI (Peripheral Component Interconnect – шина взаимосвязи периферийных компонентов) обеспечивает передачу данных с PCI (Peripheral Component Interconnect – шина взаимосвязи периферийных компонентов) обеспечивает передачу данных с разрядностью, равной разрядности процессора. USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) обеспечивает скорости передачи данных 12 Мбит/с (1, 5 Мбайт/с) по 4 проводникам. Поддерживает подключение до 127 устройств.

IDE (Integrated Drive Electronics) – интерфейс работы с жесткими дисками с интегрированным в IDE (Integrated Drive Electronics) – интерфейс работы с жесткими дисками с интегрированным в него контроллером (до 4 -х устройств); SCSI (Small Computer System Interface) – интерфейс последовательного подключения к основному адаптеру жестких дисков, стримеров, CD-ROM, сканеров и других устройств;

Система шин Система шин

Шиной (Bus) называется совокупность проводников на материнской плате, по которым обмениваются информацией компоненты и Шиной (Bus) называется совокупность проводников на материнской плате, по которым обмениваются информацией компоненты и устройства ПК. Шина предназначена для обмена информацией между двумя и более устройствами. Шина, связывающая только два устройства, называется портом. На рисунке 9 дана система шины.

Шины в ПК различаются по своему функциональному назначению: системная шина (или шина CPU) используется Шины в ПК различаются по своему функциональному назначению: системная шина (или шина CPU) используется микросхемами Cipsct для пересылки данных к CPU и обратно; шина кэш-памяти предназначена для обмена данными между CPU и кэшпамятью; шина памяти используется для обмена данными между оперативной памятью RAM и CPU; шины ввода/вывода данных подразделяются на стандартные и локальные.

Архитектура любой шины имеет следующие компоненты: шина данных; шина адреса; шина управления; контроллер шины. Архитектура любой шины имеет следующие компоненты: шина данных; шина адреса; шина управления; контроллер шины.

Центральный процессор Центральный процессор

Центральный процессор –устройство (мозг) компьютера, которое выполняет операции по обработке данных и управляет периферийными Центральный процессор –устройство (мозг) компьютера, которое выполняет операции по обработке данных и управляет периферийными устройствами. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — кристаллическая пластинка кремния прямоугольной формы, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора.

Структура ЦП Структура ЦП

АЛУ – арифметико-логическое устройство УУ – устройство управления БУР – блок управления регистров БСОП АЛУ – арифметико-логическое устройство УУ – устройство управления БУР – блок управления регистров БСОП – блок связи с основной памятью БРП – блок регистровой памяти ОП – основная память (ПЗУ или ОЗУ, L 2 кэш)

Основные характеристики процессора 1. Быстродействие (вычислительная мощность) – это среднее число операций процессора в Основные характеристики процессора 1. Быстродействие (вычислительная мощность) – это среднее число операций процессора в секунду. 2. Разрядность процессора - это максимальное количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно.

3. Тактовая частота (МГц) количество тактов в секунду. Такт это промежуток времени между началом 3. Тактовая частота (МГц) количество тактов в секунду. Такт это промежуток времени между началом подачи текущего импульса ГТИ и началом подачи следующего. ГТИ (Генератор тактовых импульсов) - генерирует последовательность электрических импульсов. Частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины.

4. Разрядность процессора - это максимальное количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться 4. Разрядность процессора - это максимальное количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно. 5. Количество ядер – имеются несколько ядер способные осуществлять независимое параллельное выполнение нескольких потоков команд одновременно.

Лекция 4. Вопросы: Память 1. Оперативная память 2. Постоянная память 3. Кэш-память 4. Внешняя Лекция 4. Вопросы: Память 1. Оперативная память 2. Постоянная память 3. Кэш-память 4. Внешняя память 5. Основные компоненты памяти

Основная память (ОП) предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с блоками компьютера. ОП Основная память (ОП) предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с блоками компьютера. ОП содержит: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

1. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) ОЗУ быстродействующая запоминающая систему ПК, предназначенная для приема, хранения 1. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) ОЗУ быстродействующая запоминающая систему ПК, предназначенная для приема, хранения и выдачи информации. Оперативная намять обозначается как RAM (Random Access Memory— намять с произвольным доступом). Процессор выполняет программы только после того, как они загружены в ОЗУ

Существует два типа ОЗУ: 1. Статическое (Static RAM, SRAM) конструируется с использованием D-триггеров. Статическое Существует два типа ОЗУ: 1. Статическое (Static RAM, SRAM) конструируется с использованием D-триггеров. Статическое ОЗУ работает очень быстро (время доступа несколько наносекунд). Поэтому статическое ОЗУ часто используется в качестве кэшпамяти второго уровня.

2. Динамическое - массив ячеек, каждая из которых содержит транзистор и крошечный конденсатор. Имеет 2. Динамическое - массив ячеек, каждая из которых содержит транзистор и крошечный конденсатор. Имеет больший объем чем статический. Поэтому основная память почти всегда строится на основе динамических ОЗУ. Работает медленно. В ОЗУ могут быть использованы оба типа одновременно

Бывают: Синхронные динамические ОЗУ (Synchronous DRAM, SDRAM). - управляется одним синхронизирующим сигналом. Данное устройство Бывают: Синхронные динамические ОЗУ (Synchronous DRAM, SDRAM). - управляется одним синхронизирующим сигналом. Данное устройство представляет собой гибрид статического и динамического ОЗУ. DDR SDRAM (от англ. Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory — синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных) — тип компьютерной оперативной памяти. При использовании DDR SDRAM достигается удвоенная скорость работы, нежели в SDRAM.

2. Постоянная память ПЗУ ( постоянное запоминающее устройство), или ROM (Read-Only Memory — постоянная 2. Постоянная память ПЗУ ( постоянное запоминающее устройство), или ROM (Read-Only Memory — постоянная память).

ПЗУ служит для хранения неизменяемой программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать информацию. ПЗУ служит для хранения неизменяемой программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать информацию. Содержание памяти «зашивается» в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. В ПЗУ записывают программу управления работой самого процессора, дисплеем, клавиатурой, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.

Виды ПЗУ: программируемые ПЗУ (Programmable ROM, PROM) можно перепрограммировать стираемое программируемое ПЗУ (Erasable PROM, Виды ПЗУ: программируемые ПЗУ (Programmable ROM, PROM) можно перепрограммировать стираемое программируемое ПЗУ (Erasable PROM, EPROM) можно программировать и стирать информацию. электронно-перепрограммируемое ПЗУ (Electronically EPROM), можно стирать информацию

3. Кэш-память это буферная, быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, 3. Кэш-память это буферная, быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах

В кэш-памяти находятся слова, которые чаще всего используются. Если процессору нужно какоенибудь слово, сначала В кэш-памяти находятся слова, которые чаще всего используются. Если процессору нужно какоенибудь слово, сначала он обращается к кэш-памяти. Только в том случае, если слова там нет, он обращается к основной памяти.

Общее устройство процессора, кэш-памяти и основной памяти иллюстрирует рисунок 12. Общее устройство процессора, кэш-памяти и основной памяти иллюстрирует рисунок 12.

4. Внешняя память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой 4. Внешняя память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации. Во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Наиболее распространенными являются накопители на жестких (НЖМД) или винчестер.

Магнитные диски Магнитный диск состоит из одной или нескольких алюминиевых или стеклянных дисков, покрытых Магнитные диски Магнитный диск состоит из одной или нескольких алюминиевых или стеклянных дисков, покрытых магнитным слоем. Их диаметр составляет от 3 до 12 см, у портативных компьютеров — меньше 3 см.

Головка диска двигается над поверхностью диска, опираясь на воздушную подушку. Когда головка проходит над Головка диска двигается над поверхностью диска, опираясь на воздушную подушку. Когда головка проходит над намагниченной областью, в ней возникает положительный или отрицательный ток, что дает возможность считывать записанные ранее биты. Поток битов может записываться, а потом считываться. Конфигурация дорожки диска показана на рисунке 13.

Дорожкой называется круговая последовательность битов, записанных на диск за его полный оборот. Каждая дорожка Дорожкой называется круговая последовательность битов, записанных на диск за его полный оборот. Каждая дорожка делится на секторы фиксированной длины. Каждый сектор обычно содержит 512 байт данных. Перед данными располагается преамбула (preamble), которая позволяет головке синхронизироваться перед чтением или записью.

Ширина дорожки зависит от величины головки и от точности ее перемещения. Диски имеют от Ширина дорожки зависит от величины головки и от точности ее перемещения. Диски имеют от 5000 до 10 000 дорожек на см, ширина каждой дорожки составляет от 1 до 2 микрон. Дорожка — это кольцо намагниченного материала, которое отделяется от других дорожек небольшими пограничными областями.

Чтобы достичь высокого качества поверхности и достаточной чистоты воздуха, диски герметично закрываются. Такие диски Чтобы достичь высокого качества поверхности и достаточной чистоты воздуха, диски герметично закрываются. Такие диски называются винчестерами. Большинство магнитных дисков состоит из нескольких пластин, расположенных друг под другом, как показано на рисунке 14.

Диски CD-ROM Компакт-диск изготавливается с использованием инфракрасного лазера, который выжигает отверстия диаметром 0, 8 Диски CD-ROM Компакт-диск изготавливается с использованием инфракрасного лазера, который выжигает отверстия диаметром 0, 8 микрон в специальном стеклянном мастердиске. Мастер-диску делается шаблон с выступами в тех местах, где лазер прожег отверстия.

В шаблон вводится жидкая смола. На смолу наносится очень тонкий слой алюминия, который, в В шаблон вводится жидкая смола. На смолу наносится очень тонкий слой алюминия, который, в свою очередь, покрывается защитным лаком. После этого наклеивается этикетка. Углубления в нижнем слое смолы называются лунками (pits), а ровные пространства между лунками — площадками (lands).

Лунки и площадки записываются по спирали. Запись начинается на некотором расстоянии от отверстия в Лунки и площадки записываются по спирали. Запись начинается на некотором расстоянии от отверстия в центре диска и продвигается к краю, занимая 32 мм диска. Спираль проходит 22 188 оборотов вокруг диска (примерно 600 на 1 мм). Если спираль распрямить, ее длина составит 5, 6 км. Спираль изображена на рисунке 15.

DVD диски Аббревиатура DVD расшифровывалась как Digital Video Disk (цифровой видеодиск), сейчас превратилась в DVD диски Аббревиатура DVD расшифровывалась как Digital Video Disk (цифровой видеодиск), сейчас превратилась в Digital Versatile Disk (цифровой многоцелевой диск). DVDдиски в целом похожи на компактдиски. Диаметр - 120 мм. Однако существует несколько различий:

меньший размер лунок (0, 4 микрона вместо 0, 8 микрона); более плотная спираль меньший размер лунок (0, 4 микрона вместо 0, 8 микрона); более плотная спираль (0, 74 микрона между дорожками вместо 1, 6 микрона); красный лазер (с длиной волны 0, 65 микрона вместо 0, 78 микрона). Больший объем (4, 7 Гбайт вместо 700 Мбайт)

5. Основные компоненты памяти Значки, которые используются для изображения трех основных типов вентилей, показаны 5. Основные компоненты памяти Значки, которые используются для изображения трех основных типов вентилей, показаны на рисунке 16 а-в.

Рисунок 16. Значки вентилей Здесь А и В — входные сигналы, X — выходной Рисунок 16. Значки вентилей Здесь А и В — входные сигналы, X — выходной сигнал.

Защелки Чтобы создать один бит памяти, нужна схема, которая каким-то образом «запоминает» предыдущие входные Защелки Чтобы создать один бит памяти, нужна схема, которая каким-то образом «запоминает» предыдущие входные значения. Такую схему можно сконструировать из двух вентилей НЕ-ИЛИ, как показано на рисунке 17 (а).

Аналогичные схемы можно построить из вентилей НЕ-И, которые, по существу, идентичны схемам с вентилями Аналогичные схемы можно построить из вентилей НЕ-И, которые, по существу, идентичны схемам с вентилями НЕ-ИЛИ. Схема, изображенная на рисунке, называется SR-защелкой. У нее есть два входа: S (Setting — установка) и R (Resetting — сброс). У нее также есть два комплиментарных выхода: Qи. Q.

Триггер (flip-flop) это электронное устройство с двумя состояниями. В нем смена состояния происходит при Триггер (flip-flop) это электронное устройство с двумя состояниями. В нем смена состояния происходит при переходе синхронизирующего сигнала с 0 на 1 (фронт) или с 1 на 0 (спад) (Рисунок 20). Различие между триггером и защелкой определяется тем, что триггер запускается перепадом сигнала, а защелка запускается уровнем сигнала.

Регистр это цифровая электронная схема, служащую для временного хранения двоичных чисел, состоящую из триггеров Регистр это цифровая электронная схема, служащую для временного хранения двоичных чисел, состоящую из триггеров и защёлок. По существу, это наборы триггеров с независимыми информационными входами и

Лекция 5. Вычислительные системы (ВС) Вопросы: 1. Классификация вычислительных систем 2. Архитектура вычислительных систем Лекция 5. Вычислительные системы (ВС) Вопросы: 1. Классификация вычислительных систем 2. Архитектура вычислительных систем 3. Типовые структуры вычислительных систем 4. Кластеры

1. Классификация ВС Вычислительная система (ВС) совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного 1. Классификация ВС Вычислительная система (ВС) совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации.

ВС классифицируют по: целевому назначению и выполняемым функциям, типам и числу ЭВМ или процессоров, ВС классифицируют по: целевому назначению и выполняемым функциям, типам и числу ЭВМ или процессоров, архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы, степени разобщенности элементов вычислительной системы и др.

По назначению ВС делят на универсальные и специализированные. Универсальные ВС предназначены для решения самых По назначению ВС делят на универсальные и специализированные. Универсальные ВС предназначены для решения самых различных задач. Специализированные системы ориентированы на решение узкого класса задач По типу ВС разделяются на многомашинные и многопроцессорные ВС. Многомашинные вычислительные системы различаются организацией связи и обменом информацией между ЭВМ комплекса.

Многопроцессорные системы (МПС) строятся при объединении нескольких процессоров. В качестве единого ресурса они имеют Многопроцессорные системы (МПС) строятся при объединении нескольких процессоров. В качестве единого ресурса они имеют оперативную память (ООП). Параллельная работа процессоров и использование ООП обеспечивается под управлением единой операционной системы.

По типу ЭВМ или процессоров различают однородные и неоднородные системы. Однородные системы предполагают объединение По типу ЭВМ или процессоров различают однородные и неоднородные системы. Однородные системы предполагают объединение однотипных ЭВМ ( процессоров), неоднородные – разнотипных. В однородных системах значительно упрощается разработка и обслуживание технических и программных (в основном ОС) средств. В них обеспечивается возможность стандартизации и унификации соединений и процедур взаимодействия элементов системы.

По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ВС делятся на системы совмещенного (сосредоточенного) и распределенного По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ВС делятся на системы совмещенного (сосредоточенного) и распределенного (разобщенного) типов. Многопроцессорные системы относятся к системам совмещенного типа. При появлении новых СБИС появляется возможность иметь в одном кристалле несколько параллельно работающих процессоров.

По методам управления элементами ВС различают централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением. Помимо параллельных По методам управления элементами ВС различают централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением. Помимо параллельных вычислений, производимых элементами системы, необходимо выделять ресурсы на обеспечение управления этими вычислениями. В централизованных ВС за это отвечает главная, или диспетчерская ЭВМ (процессор).

По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жестким и По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жестким и плавающим закреплением функций. В зависимости от типа ВС следует решать задачи статического или динамического размещения программных модулей и массивов данных, обеспечивая необходимую гибкость системы и надежность ее функционирования.

По режиму работы ВС различают системы, работающие в оперативном и неоперативном временных режимах. Первые По режиму работы ВС различают системы, работающие в оперативном и неоперативном временных режимах. Первые используют режим реального времени. Этот режим характеризуется жесткими ограничениями на время решения задач в системе и предполагает высокую степень автоматизации процедур ввода-вывода и обработки данных.

2. Архитектура ВС Основным отличием ВС от компьютеров является наличие в их структурах нескольких 2. Архитектура ВС Основным отличием ВС от компьютеров является наличие в их структурах нескольких вычислителей (компьютеров или процессоров). Поэтому они способны выполнять параллельные вычисления. Классификация параллельных ВС была предложена М. Флинном в начале 60 -х годов. В ее основу заложено два возможных вида параллелизма:

1. независимость потоков заданий (команд), существующих в системе, 2. независимость (несвязанность) данных, обрабатываемых в 1. независимость потоков заданий (команд), существующих в системе, 2. независимость (несвязанность) данных, обрабатываемых в каждом потоке. Согласно данной классификации существует 4 основных архитектуры ВС, представленных на рис. 8:

1. одиночный поток команд – одиночный поток данных (ОКОД), в английской аббревиатуре Single Instruction 1. одиночный поток команд – одиночный поток данных (ОКОД), в английской аббревиатуре Single Instruction Single Data, SISD – одиночный поток инструкций – одиночный поток данных; 2. одиночный поток команд – множественный поток данных ( ОКМД), или Single Instruction Multiple Data, SIMD – одиночный поток инструкций – одиночный поток данных;

3. множественный поток команд – одиночный поток данных (МКОД), или Multiple Instruction Single Data, 3. множественный поток команд – одиночный поток данных (МКОД), или Multiple Instruction Single Data, MISD – множественный поток инструкций – множественный поток данных; 4. множественный поток команд – множественный поток данных ( МКМД), или Multiple Instruction Multiple Data, MIMD множественный поток инструкций – множественный поток данных.

Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и системы с одним вычислителем. Все ЭВМ классической структуры Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и системы с одним вычислителем. Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работой устройств ввода-вывода информации и процессора.

Архитектура ОКМД предполагает создание структур векторной или матричной обработки. Системы этого типа обычно строятся Архитектура ОКМД предполагает создание структур векторной или матричной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные: процессорные элементы, входящие в систему, идентичны, и все они управляются одной и той же последовательностью команд. Каждый процессор обрабатывает свой поток данных.

Архитектура МКОД предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного Архитектура МКОД предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. Выгоды такого вида обработки понятны. Однако в большинстве алгоритмов очень трудно выявить подобный, регулярный характер в вычислениях.

Архитектура МКМД предполагает, что все процессоры системы работают с различными программами и с индивидуальным Архитектура МКМД предполагает, что все процессоры системы работают с различными программами и с индивидуальным набором данных. В простейшем случае они могут быть автономны и независимы. Такая схема использования ВС часто применяется на многих крупных вычислительных центрах для увеличения пропускной способности центра.

Построение ВС любого типа предполагает, что модули, объединяемые в систему, должны быть совместимы. Понятие Построение ВС любого типа предполагает, что модули, объединяемые в систему, должны быть совместимы. Понятие совместимости включает три аспекта: аппаратурный, программный и информационный. Техническая (Hard. Ware) совместимость предусматривает выполнение следующих условий:

подключаемая друг к другу аппаратура должна иметь единые стандартные средства соединения: кабели, разъемы, подключаемая друг к другу аппаратура должна иметь единые стандартные средства соединения: кабели, разъемы, заглушки, адаптеры, платы и т. д. ; параметры электрических сигналов: амплитуды импульсов, полярность, длительность и т. д. ; алгоритмы взаимодействия (последовательности сигналов по отдельным проводам) не должны вступать в противоречие друг с другом.

Программная совместимость (Soft. Ware) требует, чтобы программы, передаваемые из одного технического средства в другое Программная совместимость (Soft. Ware) требует, чтобы программы, передаваемые из одного технического средства в другое (между ЭВМ, процессорами, между процессорами и внешними устройствами) были правильно поняты и выполнены другим устройством.

Информационная совместимость предполагает, что передаваемые информационные массивы будут одинаково интерпретироваться стыкуемыми модулями ВС. Должны Информационная совместимость предполагает, что передаваемые информационные массивы будут одинаково интерпретироваться стыкуемыми модулями ВС. Должны быть стандартизированы алфавиты, разрядность, форматы, структура и разметка файлов, томов и т. д.

3. Типовые структуры ВС Классификация уровней программного параллелизма включает в себя 5 позиций: 1. 3. Типовые структуры ВС Классификация уровней программного параллелизма включает в себя 5 позиций: 1. независимые задания, 2. отдельные части заданий, программы и подпрограммы, 3. циклы и итерации, 4. операторы и команды, 5. фазы отдельных команд.

Для каждой из них имеются специфические свойства параллельной обработки, апробированные в различных структурах вычислительных Для каждой из них имеются специфические свойства параллельной обработки, апробированные в различных структурах вычислительных систем. Данный перечень не затрагивает этапы выбора алгоритмов решения, на которых могут анализироваться альтернативные алгоритмы (а значит и программы), дающие различные результаты.

Для каждого вида параллельных работ имеются структуры вычислительных средств, используемые в различных вычислительных системах. Для каждого вида параллельных работ имеются структуры вычислительных средств, используемые в различных вычислительных системах. Верхние 3 уровня имеют единое средство параллельной обработки – многопроцессорные ВС, относящиеся к архитектуре МКМД. Программные циклы и итерации требуют использования векторной обработки (архитектура ОКМД).

Операторы и команды, выполняемые ЭВМ, ориентированы на многофункциональную обработку (МКОД). Параллельная обработка фаз последовательно Операторы и команды, выполняемые ЭВМ, ориентированы на многофункциональную обработку (МКОД). Параллельная обработка фаз последовательно выполняемых команд приводит к организации конвейера команд, что реализовано во всех современных ЭВМ, включая ПК.

В сильно связанных системах достигается высокая оперативность взаимодействия процессоров посредством общей оперативной памяти. При В сильно связанных системах достигается высокая оперативность взаимодействия процессоров посредством общей оперативной памяти. При этом пользователь имеет дело с многопроцессорной организацией. Наиболее простыми по строению и организации функционирования являются однородные, симметричные структуры. Они обеспечивают простоту подключения процессоров и не требуют очень сложных централизованных операционных систем, размещаемых на одном из процессоров.

4. Кластеры Кластер два или более компьютеров (часто называемых узлами), объединяемые при помощи сетевых 4. Кластеры Кластер два или более компьютеров (часто называемых узлами), объединяемые при помощи сетевых технологий на базе шинной архитектуры или коммутатора. В качестве узлов кластера могут быть выбраны серверы, рабочие станции и даже обычные персональные компьютеры.

Условное деление на классы предложено Язеком Радаевским и Дугласом Эдлайном: Класс I. Класс компьютеров Условное деление на классы предложено Язеком Радаевским и Дугласом Эдлайном: Класс I. Класс компьютеров строится целиком из стандартных деталей, которые продают многие поставщики компьютерных компонентов. Класс II. Система имеет эксклюзивные или не слишком

Кластеры могут существовать в различных конфигурациях. Наиболее распространенными типами кластеров являются: системы высокой надежности; Кластеры могут существовать в различных конфигурациях. Наиболее распространенными типами кластеров являются: системы высокой надежности; системы для высокопроизводительных вычислений; многопоточные системы.