ЭВМ II семестр

Многоуровневая организация вычислительных процессов

Для описания, проектирования и управления в вычислительных системах используется иерархический подход. Уровни организации вычислительных процессов представлены на рис. 3.

На концептуальном уровне пользователь анализирует задачу, выбирает метод ее решения, разрабатывает алгоритм. Для сложных задач выполняется функциональная декомпозиция, определяются структуры данных, выделяются программные модули, определяются связи между ними.

Далее пишется программа на одном из языков высокого уровня. Такое представление программы является машинно-независимым, т.е. не зависит от архитектуры ВМ и особенностей аппаратного обеспечения.

Рис. 3. Многоуровневая организация вычислительных процессов

11

На уровне машинных команд обеспечивается связь программных и аппаратных средств. На этом уровне разрабатывается список команд, определяются способы кодирования операций и адресов, число адресных полей в команде и т.д. Список команд вычислительной машины изначально избыточен, поэтому одной программе, написанной на языке высокого уровня, может соответствовать много реализаций на уровне машинных команд. Поэтому актуальной является задача построения оптимизирующего компилятора. Чем ближе состав языка высокого уровня к уровню машинных команд, тем проще компилятор и эффективнее полученная реализация на уровне машинных команд.

На уровне регистровых передач осуществляются микрооперации, выполняемые аппаратурой ЭВМ. Это операции передачи, запоминания и преобразования кодов, выполняемые пересылкой сигналов между регистрами через комбинационные (логические) схемы. Микрооперация – это операция, выполняемая одной регистровой передачей за 1 такт. Для настройки схем на выполнение требуемой микрооперации при регистровой передаче требуется сформировать соответствующий набор управляющих сигналов. Код набора управляющих сигналов называют микрокомандой. Последовательность микрокоманд, соответствующая выполнению каждой машинной команды, называется микропрограммой. Каждой машинной команде соответствует своя микропрограмма. Связь между уровнями машинных команд и регистров передач осуществляется методом интерпретации.

На уровне логических вентилей рассматриваются логические схемы при логическом проектировании аппаратуры вычислительной машины. Логические вентили работают с отдельными двоичными переменными.

Многоуровневая организация упрощает реализацию вычислительной машины и управление вычислительными процессами, но снижает эффективность за счет сложности реализации.

Основные характеристики вычислительных машин и систем и методы их оценки

Основными характеристиками ЭВМ являются производительность, надежность, конфигурация и стоимость.

Производительность вычислительной машины определяется количеством вычислительных операций, выполняемых в единицу времени. Для оценки общей

производительности чаще всего определяют производительность основных
операционных узлов как	=

где pi – производительность i-ого устройства, Ti – время работы i-ого устройства; T – время общей работы вычислительной системы.

Производительность современных компьютеров измеряют обычно в миллионах операций в секунду (MIPS).

Оценка производительности приблизительна, поскольку ориентируется на некоторые усредненные или конкретные виды операций. Поэтому для

12

характеристики ЭВМ вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие компьютера, поскольку каждая операция требует для своего выполнения определенного количества тактов.

Надежность определяется отношением времени безотказной работы вычислительной системы к общему времени работы. Для большинства систем массового применения структурная избыточность для повышения надежности используется редко. Повышение надежности производится за счет совершенствования качества элементов и конструкций.

Быстродействие схем узлов, входящих в состав вычислительной системы, определяется, как правило, связями между логическими элементами и ограничивается задержками в этих связях. При современных технологиях стоимость связей и задержек, по меньшей мере, в 10 раз меньше на кристалле, чем на плате. Развитие технологии СБИС позволяет все большее число элементов и связей переместить на уровень кристалла, обеспечивая снижение стоимости, повышение быстродействия и надежности, уменьшение весогабаритных характеристик.

Для повышения надежности передачи информации между блоками вычислительной системы используется избыточное кодирование.

Конфигурация вычислительной машины предполагает требуемый набор аппаратных и программных средств, таких как

∙тип центрального процессора;

∙тип и емкость оперативной памяти;

∙тип и емкость дисковых накопителей;

∙тип видеомонитора и видеоадаптера;

∙наличие и тип периферийных устройств (принтер, сканер и т.д.);

∙наличие и тип интерфейсов связи;

∙наличие и тип сетевых подключений;

∙наличие и тип привода компакт-дисков;

∙конструктивное исполнение;

∙весогабаритные характеристики.

Стоимость определяется стоимостью элементов вычислительной системы, стоимостью изготовления и накладными расходами.

13

Запоминающие устройства вычислительной машины

Запоминающие устройства (ЗУ) или память служат для хранения информации и обмена ею с другими цифровыми устройствами.

Основными операциями обращения к памяти являются занесение информации в память – запись и выборка информации из памяти – считывание.

Основные характеристики памяти:

∙Информационная емкость – определяется максимальным количеством данных, которые могут храниться в памяти, измеряется в двоичных единицах (битах) или 8-битных машинных словах (байтах). Бит информации хранится запоминающим элементом (ЗЭ), байт – запоминающей ячейкой (ЗЯ), т.е. группой ЗЭ, к которым возможно только

одновременное обращение. При описании больших информационных емкостей пользуются множителями 210=1024 байт = 1 килобайт (кбайт), 220=1048576 байт = 1 мегабайт (Мбайт) и т. д.

∙Время доступа – промежуток времени между началом обращения процессора к данным и моментом их появления на выходе памяти. В некоторых устройствах памяти считывание информации сопровождается ее

разрушением (стиранием). В таком случае цикл обращения должен содержать операцию восстановления (регенерации) считанной информации на прежнем месте в памяти. Продолжительность обращения к памяти при считывании определяется как

t = taccess + tread + trecovery ,

где taccess – промежуток времени между моментом начала операции считывания и моментом, когда становится возможным доступ к данной

единице информации; tread – продолжительность самого физического

процесса считывания; trecovery – время, затрачиваемое на регенерацию информации (равно нулю для ЗУ, которым регенерация не требуется).

Продолжительность обращения при записи

t = taccess + tprepare + twrite ,

где taccess – промежуток времени между моментом начала операции считывания и моментом, когда становится возможным доступ к данной

единице информации; tprepare – время подготовки, расходуемое на приведение в исходное состояние запоминающих элементов для записи

заданной единицы информации; twrite – время занесения информации в память.

∙Стоимость хранения единицы информации (бита). Основную часть стоимости хранения единицы информации определяет организация ЗУ.

Совокупность устройств памяти вычислительной машины называется ее

системой памяти.

Важнейшие параметры ЗУ находятся в противоречии. Например, большая информационная емкость не сочетается с высоким быстродействием, а быстродействие не сочетается с низкой стоимостью. Поэтому системам памяти

14

свойственна многоступенчатая иерархическая структура, и в зависимости от роли того или иного ЗУ его реализация может быть существенно различной.

В наиболее развитой иерархии памяти ЭВМ можно выделить следующие уровни:

1.Регистровые ЗУ, находящиеся в составе процессора или других устройств (т. е. внутренние для этих блоков) – уменьшают число обращений к другим уровням памяти, реализованным вне процессора и требующим большего времени для операций обмена информацией.

2.Кэш-память – служит для хранения копий информации, используемой в текущих операциях обмена. Высокое быстродействие кэш-памяти повышает производительность вычислительной машины.

3.Основная память (оперативная, постоянная, полупостоянная) – работает в режиме непосредственного обмена с процессором и по возможности согласованная с ним по быстродействию. Исполняемый в текущий момент фрагмент программы обязательно находится в основной памяти.

4.Специализированные виды памяти, характерные для некоторых специфических архитектур (многопортовые, ассоциативные, видеопамять и др.).

5.Внешняя память – хранит большие объемы информации. Эта память обычно реализуется на основе устройств с подвижным носителем информации (магнитные и оптические диски, магнитные ленты и др., Flashпамять).

Классификация запоминающих устройств:

∙по способу организации обращения (адресные, ассоциативные, стековые);

∙по типу запоминающих элементов (полупроводниковые, магнитные, конденсаторные, оптоэлектронные, голографические);

∙по функциональному назначению (оперативные (ОЗУ), постоянные (ПЗУ));

∙ по характеру считывания (с разрушением	или	без разрушения
информации);

∙по способу хранения (статические или динамические);

∙по способу организации (однокоординатные, двухкоординатные,

трехкоординатные).

Все запоминающие устройства разделяют на два основных типа: внутренние и внешние. Основным критерием для такого разделения служит скорость доступа к информации.

Внешнее запоминающее устройство – предназначено для длительного хранения массивов информации и обмена ими с ОЗУ. Внутренние ЗУ организуются как взаимосвязанная совокупность нескольких типов ЗУ. В ее состав входят:

15

Внутренние ЗУ

Адресные

Ассоциативные

Стековые

ПЗУ

OЗУ (RAM)

Cтек (LIFO)

(ROM)

Очередь (FIFO)

ПЗУ (ROM)

Статические

Динамические

ППЗУ (PROM)

ПППЗУ (EPROM)

ЭПППЗУ (EEPROM,

Асинхронные

Стандартные

FLASH)

Тактируемые

Квазистатические

Синхронные

Повышенного

(конвейерные)

быстродействия

Рис. 3. Классификация внутренних запоминающих устройств

Адресными называют запоминающие устройства, в которых каждая ЗЯ имеет свой уникальный номер (адрес). Совокупность адресов памяти называется

адресным пространством памяти.

Ассоциативными запоминающими устройствами являются устройства, обращение к данным в которых производится по совпадению или частичному совпадению данных.

Стековые запоминающие устройства представляют собой совокупность ЗЯ, соединенных в цепочки и используются, например, для хранения адресов возврата подпрограмм.

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) – запоминающее устройство, из которого может производиться только выдача хранящейся в нем информации. Занесение информации в ПЗУ производится при его изготовлении. Такие ПЗУ называют масочными. Пример масочного ПЗУ представлен на рис. 4.

0xEF	0xAB	0xA5	0xE0	0xAF	0x80	0x20	0x31
7-R	6-R	5-R	4-R	3-R	2-R	1-R	0-R

пит+U

Рис. 4. Пример масочного ПЗУ с информацией «1 Апреля»

16

«Плавающий»

затвор

Сток

Затвор

Исток

Рис. 6. ЛИЗМОП транзистор

Постоянные ЗУ являются энергонезависимыми, т.е. сохраняют информацию после пропадания питающего напряжения.

ППЗУ (программируемое постоянное запоминающее устройство) – ЗУ, в котором информация может обновляться с помощью специальной аппаратуры. Программируемые постоянные запоминающие устройства могут быть организованы на базе плавких перемычек (рис. 5а) или встречно включенных диодов (рис. 5б). В ЗУ с плавкими перемычками перемычки включаются в электроды диодов или транзисторов. Перемычки могут быть металлическими или поликристаллическими (кремниевыми). В исходном состоянии запоминающий элемент хранит логическую единицу, логический ноль можно записать, расплавляя перемычку подачей импульса на базу транзистора. Второй тип запоминающего элемента ППЗУ – два встречно включенных диода. В исходном состоянии сопротивление такой цепочки настолько велико, что практически равноценно разомкнутой цепи, и запоминающий элемент хранит логический нуль. Для записи единицы к диодам прикладывают повышенное напряжение, пробивающее диод, смещенный в обратном направлении. Диод пробивается с образованием в нем короткого замыкания и играет роль появившейся проводящей перемычки.

б)

а)

Рис. 5. Организация программируемых ПЗУ

ПППЗУ (перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство) – ЗУ, в котором возможно многократное обновление информации. В EPROM стирание выполняется с помощью облучения кристалла ультрафиолетовыми лучами, а запись – электрическими сигналами.

ЭПППЗУ (электрически перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство) – ЗУ, в котором возможно многократное обновление информации, причем как стирание, так и запись информации производится под действием

электрических сигналов. В отличие от EEPROMпамяти, в которой возможны стирание и запись информации в отдельной ячейке, FLASHпамять представляет собой память блочной организации, в

которой чтение и запись данных возможны блоками данных. Чаще всего размер блока составляет 512 байт, что соответствует одному сектору памяти. Такая организация FLASHпамяти является более дешевой по сравнению с EEPROM и широко применяется для хранения больших объемов информации. Электрически

17

программируемые ПЗУ чаще всего строят на базе ЛИЗМОПтранзисторов (транзисторов с лавинной инжекцией заряда и «плавающим» затвором) (рис. 6). «Плавающим» затвор называют потому, что он не имеет электрических соединений с внешними цепями. При подаче повышенного напряжения на затвор такого транзистора электроны накапливаются в «плавающем» затворе. Поскольку «плавающий» затвор окружен диэлектриком, заряд на нем может сохраняться длительное время.

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) – запоминающее устройство, предназначенное для хранения информации, непосредственно участвующей в процессе выполнения операций, выполняемых процессором.

Оперативные ЗУ являются энергозависимыми, т. е. сохраняют информацию только до пропадания питающего напряжения.

Примером статического запоминающего элемента является триггер. В асинхронных ЗУ сигналы управления могут задаваться как импульсами, так и уровнями. В тактируемых ЗУ некоторые сигналы обязательно должны быть импульсными, например, сигнал разрешения работы CS в каждом цикле обращения к памяти должен переходить из пассивного состояния в активное. Конвейерные ЗУ – это тип ЗУ, в которых организован конвейерный тракт передачи данных, синхронизируемый от тактовой системы процессора, что дает повышение темпа передач данных в несколько раз. На рис. 7 представлена структурная схема статической запоминающей ячейки. Работа статического ЗЭ отображается таблицей 1.

Рис. 7. Структура статической запоминающей ячейки

Таблица 1

Работа статической запоминающей ячейки

OE	R/W	DI	DO	Режим
0	*	*	Z	Хранение
1	0	А	DI	Запись
1	1	*	Z	Чтение
			18

В динамических ОЗУ данные хранятся в виде зарядов конденсаторов, образуемых элементами МОП-структур. Саморазряд конденсаторов ведет к разрушению данных, поэтому они должны периодически (каждые несколько миллисекунд) регенерироваться. В то же время плотность упаковки динамических элементов памяти в несколько раз превышает плотность упаковки, достижимую в статических ОЗУ. Регенерация данных в динамических ЗУ осуществляется с помощью специальных контроллеров.

ЗУ с динамическими запоминающими элементами, имеющие внутреннюю встроенную систему регенерации называют квазистатическими.

Динамические ЗУ характеризуются наибольшей информационной емкостью и невысокой стоимостью, поэтому именно они используются как основная память ЭВМ.

Структуры ЗУ вычислительных машин

Линия

Линейная

(однокоординатная)

структура

запоминающего устройства

чтения

Линия

предполагает

обращение

к

каждому

запоминающему

элементу

по

записи

ЗЭ

ЗЭ

ЗЭ

ЗЭ

отдельной линии выборки (рис. 8).

Адрес

Такая структура является наиболее

простой, но неэффективна при работе

Рис. 8. Однокоординатная структура ЗУ

с большими объемами памяти.

Линия

Двухкоординатная

Линия

чтения

(2D)

структура

представ-

ляет

собой структуру,

по-

записи

добную квадратной матри-

ЗЭ

ЗЭ

ЗЭ

ЗЭ

це,

в

которой

каждый

адреса

запоминающий элемент на-

ходится

на

пересечении

определенных

строки

и

столбца (рис. 9).

Адрес

Формирователь

Трехкоординатная

(3D)

ЗЭ

ЗЭ

ЗЭ

ЗЭ

структура

представ-

ляет собой набор квадрат-

ных матриц. Запоминаю-

щие

устройства

типа

3D

более

экономичны

по

ЗЭ

ЗЭ

ЗЭ

ЗЭ

оборудованию,

чем ЗУ типа

2D.

Структура

типа

3D

является наиболее удобной

Рис. 9. Двухкоординатная структура ЗУ

для построения статических

ЗУ

на

многоэмиттерных

биполярных транзисторах.

19

Внешние запоминающие устройства можно классифицировать по ряду признаков: по виду носителя (магнитные, оптические, электрические и т.д.), по методу доступа (ленточные, дисковые) и т. д.

Ленточные накопители организуют только последовательный доступ к данным, что сужает круг их применения.

Дисковые накопители позволяют организовать произвольный доступ к данным.

Магнитные дисковые накопители представляют собой диски, в качестве запоминающей среды которых используются магнитные материалы со специальным свойством (прямоугольная петля гистерезиса), позволяющим фиксировать два направления намагниченности, которым ставятся в соответствие двоичные цифры: 0 и 1. Они бывают жесткими и гибкими, сменными и встроенными в ПК. Информация на магнитные диски записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей – дорожек (треков). Количество дорожек на диске и их информационная емкость зависят от типа магнитного диска, конструкции накопителя, качества магнитных головок и магнитного покрытия. Совокупность дорожек магнитного диска, находящихся на разных пластинах-дисках и на одинаковом расстоянии от его центра, называется цилиндром. При записи и чтении информации магнитного диска вращается вокруг своей оси, а механизм управления магнитной головкой подводит ее к дорожке, выбранной для записи или чтения информации.

Компакт-диски были изобретены в 1980 г. инженерами фирм Sony и Philips и первоначально использовались для записи аудиофонограмм. Стандартный компакт-диск (CD) состоит из трех слоев: основы, отражающего и защитного. Основа выполнена из прозрачного поликарбоната, на котором методом прессования сформирован информационный рельеф. Поверх рельефа напыляется металлический отражающий слой (алюминий, золото, серебро, другие металлы и сплавы). Отражающий слой покрывается сверху защитным слоем поликарбоната или нейтрального лака – так, чтобы вся металлическая поверхность была защищена от контакта с внешней средой. Информация записана на диск в виде спиральной дорожки, идущей от центра к краю диска, на которой расположены углубления (питы). Информация кодируется чередованием питов (логической 1) и промежутков между ними (логического 0).

Электрические накопители (FLASH-диски) – предназначены для долговременного хранения больших объемов информации. Стирание и запись данных осуществляется так же, как у магнитных дисков – блоками, но у FLASH - дисков отсутствуют какие-либо подвижные части, что является неоспоримым преимуществом такого типа носителей перед магнитными и оптическими.

20