Тема 3 Кафедра информатики УГАТУ Архитектура

Тема 3 Кафедра информатики • • УГАТУ Архитектура компьютера Классификация ЭВМ Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 1

Кафедра информатики УГАТУ Основы построения электронных вычислительных машин в их современном понимании были заложены в 30 -е – 40 -е годы XX века английским математиком Аланом Тьюрингом и американцем венгерского происхождения Джоном фон Нейманом. Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 2

Алан Тьюринг Кафедра информатики УГАТУ В 1936 году А. Тьюринг сформулировал понятие абстрактной вычислительной машины (МТ). Память МТ представляется в виде бесконечной ленты. Набор операций МТ: сдвиг ленты влево, вправо, остановка ленты на месте, стирание символа, запись символа, переход к следующей команде и остановка машины. Программа по отношению к МТ является внешней. Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 3

Алан Тьюринг Кафедра информатики УГАТУ На принципе Тьюринга основана работа современных компьютеров: вся многообразная обработка информации различных видов (от числовой до видеоинформации) по сложнейшим программам сводится в конечном итоге к выполнению последовательности команд процессора из одного и того же набора, состоящего из нескольких десятков команд. Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 4

Кафедра информатики Джон фон Нейман УГАТУ В 1946 году Джон фон Нейман ( Г. Голдстайн и А. Беркс) опубликовал отчет, заложивший основы развития вычислительной техники на несколько десятилетий вперед. В нем было описано, как должен быть устроен и как должен работать компьютер, чтобы быть универсальным и эффективным устройством для обработки информации. Данные положения развивают и дополняют предложенные ранее Тьюрингом основополагающие принципы построения вычислительных машин применительно к новому классу электронно-вычислительных машин (ЭВМ). Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 5

Кафедра информатики Джон фон Нейман УГАТУ Основные рекомендации, предложенные Нейманом для разработчиков ЭВМ: 1. Машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления. 2. Программа должна размещаться в одном из блоков машины – в запоминающем устройстве (ЗУ), обладающем достаточной емкостью и соответствующими скоростями выборки и записи команд программы. 3. Программа так же, как и числа, с которыми оперирует машина, представляется в двоичном коде. Таким образом, по форме представления команды и числа однотипны • числа могут размещаться в том же ЗУ, что и программа; • машина может производить операции над величинами, которыми закодированы команды программы. 6 Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г.

Кафедра информатики 4. 5. 6. Джон фон Нейман УГАТУ Трудности физической реализации ЗУ, быстродействие которого соответствовало бы скорости работы логических схем, требует иерархической организации памяти. Арифметические устройства машины конструируются на основе схем, выполняющих операцию сложения. Создание специальных устройств для вычисления других операций нецелесообразно. В машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над словами производятся одновременно по всем разрядам). Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 7

Кафедра информатики Архитектура компьютера УГАТУ При рассмотрении принципов организации компьютеров принято различать их архитектуру и структуру. Архитектура компьютера – это общие принципы построения компьютера, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных его функциональных узлов: 1. Структура памяти компьютера; 2. Способы доступа к памяти и внешним устройствам; 3. Возможность изменения конфигурации компьютера; 4. Система команд; 5. Форматы данных; 6. Организация интерфейса; Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 8

Классическая фон-неймановская структура компьютера Кафедра информатики Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. УГАТУ 9

Память Кафедра информатики УГАТУ Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, в которые в форме цифрового двоичного кода записываются информационные объекты – данные или команды. Большинство из этих ячеек имеет одинаковую длину n, т. е. они используются для хранения n бит двоичных кодов. Информационный объект, хранимый в такой ячейке, называется словом. Слово обрабатывается компьютером целиком, как единый элемент информации. В большинстве случаев, словом называют группу из четырех соседних байт. Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 10

Процессор Кафедра информатики УГАТУ Процессор – это основной рабочий компонент компьютера ( «мозг компьютера» ), который выполняет логические и арифметические операции, определяет порядок выполнения операций, указывает источники данных и приемники результатов В составе процессора имеется ряд специализированных ячеек памяти, называемых регистрами. Регистры – специализированные быстродействующие ячейки памяти различной длины, выполняют функцию кратковременного хранения числа или команды. Регистровая память размещена внутри процессора. Триггер – электронная схема, способная хранить один двоичный разряд, основной элемент регистра. Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 11

Процессор Кафедра информатики УГАТУ Некоторые важные регистры имеют свои названия: Счетчик команд – регистр УУ, его содержимое соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти. Регистр команд – запоминающий регистр УУ, в котором хранится код команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Регистры операндов – запоминающие регистры АЛУ, в которых хранятся адреса операндов, участвующих в операции. Сумматор – вычислительная схема АЛУ, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов, имеет разрядность двойного слова. Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 12

Процессор Кафедра информатики УГАТУ Условная структура процессора и его взаимодействия с информацией (программой и данными): Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 13

Кафедра информатики Память - Процессор УГАТУ Схема взаимодействия процессора с информацией в памяти компьютера: • Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. • УУ считывает содержимое ячейки, где находится первая команда и организует ее выполнение в АЛУ. • После выполнения одной команды УУ выполняет следующую команду, находящуюся непосредственно за только что выполненной. Этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления. АЛУ и УУ исполняют программу автоматически, без вмешательства человека. Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 14

Кафедра информатики Принципы фон Неймана УГАТУ 1. Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Обеспечивает автоматизацию процессов вычислений в компьютере. 2. Принцип однородности памяти (принцип хранимой команды). Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Обеспечивает организацию циклов и возможность изменения порядка выполнения программы. 3. Принцип адресности. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Обеспечивает возможность обращения к произвольной ячейке по адресу. Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 15

Кафедра информатики Шинная (магистральная) архитектура компьютера УГАТУ контроллер Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 16

Тенденции в развитии структуры современных ЭВМ Кафедра информатики УГАТУ 1. Постоянное расширение и совершенствование набора внешних устройств, приводит к усложнению связей между узлами ЭВМ. 2. Вычислительные машины перестают быть однопроцессорными. Для осуществления параллельных вычислений одна операция выполняется сразу несколькими процессорами. 3. Быстродействующие ЭВМ используются не только для вычислений, но и для логического анализа данных. 4. Возрастает роль межкомпьютерных коммуникаций, компьютеры объединяются в сети для совместной обработки данных. Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 17

Кафедра информатики Схема фон Неймана УГАТУ Все это приводит к тому, что происходит пересмотр традиционной фон Неймановской архитектуры. Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 18

Многопроцессорная магистральная (конвейерная) схема Кафедра информатики УГАТУ В конвейерной архитектуре процессоры одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных. многократный поток команд и однократный поток данных. Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 19

Многопроцессорная векторная схема Кафедра информатики УГАТУ В векторной архитектуре все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными. однократный поток команд и многократный поток данных. Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 20

Кафедра информатики Многопроцессорная матричная схема УГАТУ В матричной архитектуре все процессоры одновременно выполняют разные операции над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных. многократный поток команд и многократный поток данных Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 21

Кафедра информатики Кластерная архитектура УГАТУ Кластерная архитектура. Из нескольких процессоров и общей для них памяти формируют вычислительный узел. Если вычислительной мощности полученного узла оказывается недостаточно, то объединяют несколько узлов высокоскоростными каналами. Именно это направление является наиболее перспективным в настоящее время. Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 22

Кафедра информатики Кластерная архитектура УГАТУ Производительность кластерной системы в большей степени определяет способ соединения процессоров друг с другом, а не тип используемых в ней процессоров. Критическим параметром, влияющим на величину производительности такой системы, является расстояние между процессорами Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 23

Упрощенная структурная схема IBM PC совместимого компьютера Кафедра информатики Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. УГАТУ 24

Кафедра информатики Внутренняя память УГАТУ Каждый байт ОЗУ памяти имеет индивидуальный адрес – доступ к элементам памяти прямой Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 25

Кафедра информатики Основная память УГАТУ Модуль BIOS (базовая система ввода-вывода) – микросхема ПЗУ, в которую «зашиты» еще при изготовлении: • Программы автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера; • Программа-загрузчик операционной системы; • Программа Setup, предназначенная для задания и изменения таких параметров компьютера, как время, дата, системный диск и т. д. Используют также перепрограммируемое ЗУ – FLASHпамять, программы BIOS которой можно заменять ( «перепрошивать» ) специальным образом прямо в компьютере на более новые версии. Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 26

Кафедра информатики Основная память УГАТУ Основная память может строиться на микросхемах динамического (DRAM) или статического типа (SRAM). Статический тип обладает существенно более высоким быстродействием, но значительно дороже. Для регистровой памяти (МПП и КЭШ-память) используются SRAM, а для основной памяти DRAM-микросхемы. Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 27

Кафедра информатики Классификация вычислительной техники УГАТУ В зависимости от формы представления обрабатываемой информации вычислительные машины делятся на три больших класса: • аналоговые (АВМ), • цифровые (ЦВМ), • гибридные (ГВМ). Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 28

Кафедра информатики УГАТУ Информатика курс 1, семестр 1, 2013 – 2014 уч. г. 29