Способы организации и типы вычислительных систем 1. Определение понятия архитектура вычислительных систем 2. Фон-неймановская архитектура 3. Архитектура процессоров вычислительных систем
• Вычислительная машина – комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей. • Вычислительная система – совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или вычислительных машин, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенная для подготовки и решения задач пользователя.
Отличительной чертой вычислительных систем является наличие в них средств, реализующих параллельную обработку за счет построения параллельных ветвей в вычислениях, что не предусматривается классической структурой вычислительной машины.
Различия между ВМ и ВС не могут быть точно определены Современные вычислительные машины с одним процессором обладают развитыми средствами распараллеливания вычислительного процесса (например, средствами параллельного выполнения итераций вложенных циклов) Вычислительные системы могут состоять из традиционных ВМ и процессоров
Понятие архитектуры ВМ Под архитектурой вычислительных машин понимается логическое построение ВМ, то есть то, какой представляется машина программисту, разрабатывающему программу на машинноориентированном языке. (определение в «узком» смысле) Охватывает: перечень и формат команд, формы представления данных, механизмы ввода-вывода, способы адресации памяти, назначение и состав регистров общего назначения, а также других адресуемых регистров.
Не охватывает: состав устройств, сложность процессора, емкость памяти, тактовая частота – т. е. ОРГАНИЗАЦИЮ или СТРУКТУРНУЮ ОРГАНИЗАЦИЮ ВМ Архитектура в «широком» смысле: Архитектура в «узком» смысле + организация ВМ
Архитектура ВС Термин “архитектура” применительно к вычислительным системам дополнительно включает в себя вопросы выделения составляющих ВС (иерархии ВС), распределения функций между ними и определение взаимодействия между составляющими.
Фон-неймановская архитектура КОНЦЕПЦИЯ ДЖ. ФОН НЕЙМАНА автономно работающая универсальная машина, объединяющая устройство управления, двоичное арифметическое устройство, память, устройства ввода и вывода
Положения концептуальной основы обычных ВМ • Вычисления осуществляются последовательно под централизованным управлением от команд. • Набор команд составляет машинный язык низкого уровня реализации простых операций над элементарными операндами. • Память достаточно большой емкости, хранящая как команды, так и данные, состоит из ячеек фиксированного размера, линейно организованных в линейном пространстве
Основные недостатки Фон-неймановской архитектуры • единственное арифметическое устройство • одну глобальную основную память для команд и данных • последовательная обработка команд • ограничение скорости выполнения вычислений.
Архитектура микропроцессора МИКРОПРОЦЕССОР – (от англ. processor – «обработчик» ) – это тот узел, блок, который производит всю обработку информации внутри микропроцессорной системы. Остальные узлы выполняют всего лишь вспомогательные функции: - хранение информации (в том числе и управляющей информации, то есть программы), - связи с внешними устройствами, - связи с пользователем и т. д. МП выполняет арифметические функции (сложение, умножение и т. д. ), логические функции (сдвиг, сравнение, маскирование кодов и т. д. ), временное хранение кодов (во внутренних регистрах), пересылку кодов между узлами микропроцессорной системы и многое другое
Информационные потоки в микропроцессорной системе
Программа представляет собой набор команд (инструкций), то есть цифровых кодов, расшифровав которые, процессор узнает, что ему надо делать. Все команды, выполняемые процессором, образуют систему команд процессора. Структура и объем системы команд процессора определяют его быстродействие, гибкость, удобство использования. Параметры команд: команд - разрядность; - время выполнения
Функции процессора 1. Выборка (чтение) выполняемых команд 2. Ввод (чтение) данных из памяти или УВВ 3. Вывод (запись) данных в память или УВВ 4. Обработка данных (операндов), в т. ч. арифметические операции над ними 5. Адресации памяти, т. е. задание адреса памяти, с которым будет производиться обмен 6. Обработка прерываний и режима прямого доступа
Структура простейшего процессора
Схема управления выборкой команд выполняет чтение команд из памяти и их дешифрацию. Конвейер представляет собой небольшую внутреннюю память процессора, в которую при малейшей возможности (при освобождении внешней шины) записывается несколько команд, следующих за исполняемой. Читаются эти команды процессором в том же порядке, что и записываются в конвейер (это память типа FIFO, First In — First Out, первый вошел — первый вышел). Если выполняемая команда предполагает переход не на следующую ячейку памяти, а на удаленную (с меньшим или большим адресом), конвейер приходится сбрасывать. Развитием идеи конвейера стало использование внутренней кэш-памяти процессора, которая заполняется командами, пока процессор занят выполнением предыдущих команд. Чем больше объем кэш-памяти, тем меньше вероятность того, что ее содержимое придется сбросить при команде перехода.
Арифметико-логическое устройство (или АЛУ, ALU) предназначено для обработки информации в соответствии с полученной процессором командой. Побитные операции; Арифметические операции; ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ АЛУ: - повышение частоты - выполнения сложных команд за один такт - создание RISC процессоров - несколько параллельных АЛУ
• Регистры процессора представляют собой ячейки очень быстрой памяти и служат для временного хранения различных кодов: данных, адресов, служебных кодов. • Разрядность МП – разрядность регистров и АЛУ (внутренняя разрядность процессора) • Intel – каждому регистру своя функция • - упрощение структуры • - уменьшение времени выполнения команд • - низкая гибкость (один аккумулятор) • Dec – все регистры равноправные • Motorola – половина регистров под данные, половина для адресов
Регистр признаков (Processor Status Word) содержит информацию о результате предыдущей команды в виде флагов. Эти флаги используются командами условного перехода (например наличия нулевого результата) В этом же регистре содержатся флаги управления, определяющие режим выполнения некоторых команд Внутренние регистры любого микропроцессора обязательно выполняют две служебные функции: определяют адрес в памяти, где находится выполняемая в данный момент команда (функция счетчика команд или указателя команд); определяют текущий адрес стека (функция указателя стека).
Схема управления прерываниями 1. обрабатывает поступающий на процессор запрос прерывания, 2. определяет адрес начала программы обработки прерывания (адрес вектора прерывания), 3. обеспечивает переход к этой программе после выполнения текущей команды и сохранения в памяти (в стеке) текущего состояния регистров процессора. По окончании программы обработки прерывания процессор возвращается к прерванной программе с восстановленными из памяти (из стека) значениями внутренних регистров.
Схема управления прямым доступом к памяти служит для: - временного отключения процессора от внешних шин - приостановки работы процессора на время предоставления прямого доступа запросившему его устройству.
Логика управления - организует взаимодействие всех узлов процессора, - перенаправляет данные, - синхронизирует работу процессора с внешними сигналами, - реализует процедуры ввода и вывода информации.
Скачать презентацию Способы организации и типы вычислительных систем 1 Определение
Архитектура ПК2.pptx