1. Структура эвм. Основные характеристики устройств эвм.

Простейшая однопроцессорная последовательная ЭВМ со­держит следующие основные функциональные устройства: процес­сор (центральный процессор - ЦП), память (основная память), уст­ройства ввода-вывода (внешняя память и периферийные устройст­ва).

Основные принципы так называемой фон-нейманской архитек­туры и многих последующих заключаются в следующем:

- одна последовательно адресуемая основная память, т.е. линей­ное одномерное устройство хранения команд и данных;

- отсутствие явного различия между командами и данными. Они идентифицируются в машине неявным образом - способом их ис­пользования;

- вид и назначение данных определятся не самими данными, а ло­гикой программы.

В зависимости от числа используемых устройств ЭВМ, ее ком­понентов, их функционального назначения, способов взаимодейст­вия друг с другом, наличия дополнительных устройств образуются более сложные по структуре ЭВМ, часто определяемые как вычис­лительные системы (ВС).

●Процессор - это одно из главных функциональных устройств, предназначенное для обработки данных и обеспечения взаимодей­ствия других устройств в ЭВМ. Процессор обычно состоит из од­ного или нескольких операционных устройств, получивших назва­ние арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройства управ­ления (УУ), локальной памяти, блоков сопряжения с другими уст­ройствами ЭВМ, средствами контроля и диагностики.

- АЛУ - это один или несколько сумматоров и блоков умноже­ния, группа регистров для хранения данных и результатов. Предназначен для преобразования информации.

- УУ - устройство управления. Это автомат, обеспечивающий управление процессами выполнения команд и операций, а также передачей данных.

По своему назначению и, соответственно, возможностям выде­ляют следующие типы процессоров:

Центральный процессор - универсальный процессор, который наряду с обработкой данных общего назначения обеспечивает функции управления системой, запуск операции ввода-вывода (в/в), обработку прерываний, управления доступом к ОП.

Спецпроцессоры - предназначены для применения в узкой об­ласти и, соответственно, представляют собой проблемно-ориентированные или функционально-ориентированные процессо­ры, реализующие на аппаратном уровне более общие и специфич­ные функции.

Процессоры ввода-вывода - предназначены для непосредст­венного управления процедурами в/в, обеспечивая их выполнение одновременно с обработкой данных центральным процессором.

Системные процессоры - предназначены для реализации раз­личных служебных функций.

Среди параметров и характеристик процессоров следует отметить основ­ные, анализу которых будет уделено внимание:

- время выполнения операций или количество выполняемых в единицу времени операций;

- тактовая частота работы процессора;

- состав машинных команд, их количество и инициируемые ими операции;

- структура (формат) команд; вид и количество; адресов в коман­дах;

- режимы адресации;

- величина адресного пространства, число независимо адресуе­мых объектов данных;

- принцип организации управления;

- наличие опережающего просмотра и/или конвейеризация;

- наличие кэширования и его особенности.

● Память в любой современной ЭВМ имеет иерархическую структуру:

- КЭШ – память. Очень быстрая, дорогая и энергозависимая память.

- оперативная память – среднескоростная, средней цены, энергозависимая память.

- жесткий диск – медленная, дешевая и энергонезависимая память.

● Устройства ввода-вывода в современных ЭВМ очень разнообразны и очень широко распространены. Отличаются качеством, скоростью работы, функциональными возможностями и ценой.

2. Основные направления повышения производительности ЭВМ и ВС.

Архитектура – описывает вопросы функционирования и реализации вычислительных машин.

Большинство современных компьютеров состоит из двух и более уровней.

Уровень 0 – аппаратное обеспечение машины. Его электронные схемы выполняют программы, написанные на языке уровня 1. Повышение производительности ЭВМ и ВС осуществляется за счет усовершенствования двух его «компонентов»: hard & soft.

1) hard development. Разработка железа (электронных компонентов компьютера).

Основная стратегия: увеличение количества и производительность процессоров, работающих в системе.

При таком подходе появляется очевидные проблемы:

- организация совместной работы двух и более микропроцессоров.

- невозможность бесконечного увеличения мощности процессоров (физические ограничения).

В итоге в бесконечном увеличении количества процессоров нет смысла.

Направления развития:

1. Квантовые компьютеры.

2. Молекулярные компьютеры.

3. Нейросистемы (блоккомпьютеры).

4. Оптические компьютеры.

2) soft development. Разработка программного обеспечения. Увеличение производительности системы при увеличении количества и качества процессоров невозможно без организации надежного и эффективного программного обеспечения для таких ВС.

Главная стратегия развития данной отрасли: организация конвейерной организации данных, когда выполнение команды делиться на части, каждая из которых выполняется на отдельном блоке и параллелизм – параллельное выполнение операций.

3. Семантический разрыв – мера различия архитектур ЭВМ и языков программирования.

Основными тенденциями при проектировании ЭВМ были: уве­личение быстродействия, снижение стоимости аппаратных средств, повышение их надежности. Поэтому было оправдано стремление к снижению доли аппаратных средств, т.е. к предельному упроще­нию структуры ЭВМ и, естественно, расхода аппаратуры для ее реализации.

Применение языков программирования высокого уровня, раз­личных способов организации и обработки данных, методов и спо­собов оптимальной организации вычислительных процессов при­вело к несоответствию аппаратно-реализованных и управляемых объектов, используемых при выполнении машинных операций, с объектами и операциями, используемыми в языках программиро­вания. Это явление получило название семантического разрыва. Семантический разрыв предлагается использовать в качестве меры различия принципов, лежащих в основе языков программирования, и тех принципов, которые положены в основу архитектуры ЭВМ.

Семантический разрыв между архитектурой аппаратных средств и средствами программирования обусловлен особенностью аппа­ратной реализации способов отображения данных, объектов струк­туры ЭВМ и отсутствием аппаратной поддержки объектов, ис­пользуемых при программировании (массивы данных, различные структуры, в том числе блочные, обработка строк, пред­ставление данных и т.п.).

Имеющий место семантический разрыв приводит к определен­ным проблемам при программировании, что ведет к его усложне­нию и удорожанию, и в итоге оказывает влияние на экономиче­скую эффективность вычислений.

4. Последствия семантического разрыва и пути их преодоления.

По существу, семантический разрыв имеет место между архи­тектурой ЭВМ и принципами построения программных средств, с одной стороны, и архитектурой ЭВМ и операционной системой (ОС), с другой.

1) Семантический разрыв между архитектурой аппаратных средств и средствами программирования обусловлен особенностью аппа­ратной реализации способов отображения данных, объектов струк­туры ЭВМ и отсутствием аппаратной поддержки объектов, ис­пользуемых при программировании. В современных ЭВМ некото­рые используемые достаточно общие принципы являются источни­ками семантического разрыва. Это прежде всего двоичная арифме­тика, наличие представления чисел с фиксированной и плавающей точкой, обладающие определенными особенностями, которые при­ходится учитывать при использовании.

Для обеспечения высокого быстродействия практически во всех ЭВМ используются регистры общего назначения в качестве ниж­него уровня иерархической организации памяти. Наличие общих регистров влечет за собой ряд неудобств, при программировании:

- частую перезагрузку регистров;

- потерю общности принципов обращения к данным из-за разли­чия способов адресации к основной памяти (ОП) и общим регист­рам;

- проблемы, возникающие вследствие отличия структуры содер­жимого регистров от структуры содержимого ячеек ОП. Обычно ОП имеет байт-ориентированную структуру с линейной адресацией, а к содержимому регистров обращаются как к словам, используя короткие адреса и др.

2) Семантический разрыв между архитектурой ЭВМ и операцион­ной системой обусловлен тем, что процесс (задача, поток) - основ­ное действие, используемое при построении ОС - не обеспечен адекватной аппаратной поддержкой. Не нашли экономной и эф­фективной аппаратной реализации способы синхронизации и взаи­модействия процессов, решаемые при помощи семафоров, крити­ческих секций, каналов и мониторов.

Естественно, что наличие разного по уровню семантического разрыва в отдельных ЭВМ приводит к определенным последстви­ям:

- ненадежность программного обеспечения, которая обусловлена тем, что определенная доля ошибок программирования, которые теоретически могли бы быть обнаружены, не выявляется находя­щимися в эксплуатации ЭВМ;

- снижение эффективности ЭВМ. В большинстве ЭВМ использу­ется сравнительно простой набор инструкций, поэтому генерация компилятором сложных процедур и команд приводит к увеличе­нию в программе машинных инструкций. Последнее увеличивает как время выполнения программы, так и объем необходимой памя­ти;

- управление памятью с учетом ее иерархической организации требует использования дополнительных машинных инструкций и некоторые другие.

Решение отмеченных про­блем стимулирует отказ от классических архитектур и создание новых. В общих чертах новая архитектура обработки должна соот­ветствовать следующим требованиям:

- параллелизм выполнения задач, работы процессоров и памяти;

- ассоциативная память с ориентацией на обработку наборов дан­ных;

- специализированный набор нечисловой обработки с непосред­ственной аппаратной поддержкой.