Конспект лекций ОЭВМиС

Тема 6. Архитектура и принципы работы ПЭВМ

План

1.Архитектура современных ПЭВМ.

2.Системная плата, ее назначение, основные элементы и их взаимодействие в системе.

3.Системная магистраль.

4.Основные стандарты системных магистралей (шин).

5.Буферизация шин.

6.Управление системной магистралью.

7.Подключение дополнительных и интерфейсных схем.

8.Адаптеры внешних устройств (платы расширения).

Внастоящее время персональные ЭВМ выпускаются миллионными тиражами с большим разнообразием архитектур. Однако наибольшее распространение получили компьютеры, построенные

на базе микропроцессоров фирмы Intel либо микропроцессоров с аналогичной архитектурой, выпускаемых другими фирмами. Поэтому вопросы, связанные с организацией современных ЭВМ, будем рассматривать на примере именно этой архитектуры.

Микропроцессоры фирмы Intel в ходе своего развития к настоящему времени прошли ряд этапов, которые с определенным приближением можно характеризовать разрядностью микропроцессора. Первым в мире микропроцессором был выпущенный в 1971 году 4-разрядныймикропроцессор Intel 4004. Следующим шагом стало появление ряда 8-разрядных микропроцессоров, наиболее характерным представителем которых стал нашедший чрезвычайно широкое применение Intel 8080, архитектурный аналог которого выпускался в нашей стране в составе микропроцессорного комплекта К580. Разработанный затем 16-разрядный микропроцессор Intel-8086(отечественный аналог – микропроцессор К1810ВМ80 ) лег в основу первых персональных ЭВМ. Его архитектура, получившая обозначениеx86, стала де факто стандартом на длительный период последующего развития этого направления вычислительной техники.Микропроцессор Intel 286 представлял собой некоторый переходный этап к архитектуре 32-разрядных микропроцессоров IA-32 ( Intel Architеcture-32 ), которая с определенными модификациями развивается, начиная с выпущенного в 1985 году микропроцессора Intel 386. Появление в 2001 году микропроцессора Itanium ознаменовало начало периода 64-разрядных микропроцессоров.

Структура 16-разрядного микропроцессора

Персональная ЭВМ типа IBM PC (рис. 6.1) включает в себя микропроцессор ( МП ), оперативную память и устройства ввода-вывода (УВВ), объединенные между собой системной шиной.

Рис. 6.1. Структура персональной ЭВМ

Микропроцессор предназначен для выполнения собственно арифметических и логических операций и управления взаимодействием блоков компьютера. Оперативная память хранит операнды и программу во время ее выполнения. Устройства ввода-вывода обеспечивают обмен информацией между ядром компьютера ( МП и ОП ) и средствами ввода и отображения данных. Сюда относятся мониторы, печатающие устройства, графопостроители, жесткие и гибкие магнитные диски и так далее.

Компьютер строится по магистрально-модульному принципу, при котором все блоки компьютера связываются между собой системной шиной, предназначенной для обмена данными, адресной и

61

управляющей информацией между составными частями ЭВМ. Как правило, при такой организации в любой момент может быть установлена связь только между двумя модулями ЭВМ. Системная шина определяет общий порядок обмена между любыми блоками компьютера, а также максимальное количество используемых устройств ввода-вывода. Она включает в себя шину адреса ( ША ), шину данных ( ШД ) и шину управления ( ШУ ), содержащую набор линий, по которым передаются управляющие сигналы между блоками компьютера. Специфика каждого конкретного блока учитывается особыми управляющими устройствами – контроллерами, входящими в состав этих блоков, например, работой жесткого диска управляет контроллер жесткого диска, используя информацию, поступающую к нему от микропроцессора по системной магистрали.

Структура 16-разрядного микропроцессора I8086 представлена на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Структура 16-разрядного микропроцессора

В состав микропроцессора входят:

1.арифметико-логическое устройство ( АЛУ ), предназначенное для выполнения арифметических и логических операций;

2.внутренняя регистровая память, состоящая из восьми 16-разрядных регистров; четыре из них допускают раздельное использование своих младших и старших байтов, обеспечивая тем самым возможность обработки как 16-разрядных слов, так и байтов информации;

3.устройство управления, включающее в себя

o буфер команд, который представляет собой регистровую память объемом 6 байт, предназначенную для хранения выполняемой в данный момент команды (аналогично регистру команд в структуре классической ЭВМ) и заполняемую очередными командами из оперативной памяти

по мере своего освобождения;
o	дешифратор кода операций, определяющий тип выполняемой команды;
o	блок	управления	операциями,	который	на
основании расшифрованного дешифратором кода			операции формирует	управляющие	сигналы,
организующие работу всех блоков микропроцессора ;

4.указатель команд ( IP – instruction pointer ), определяющий адрес выполняемой команды

всегменте команд оперативной памяти;

5.регистр флагов ( FLAGS ), содержащий признаки результата выполненных команд и некоторую управляющую информацию. Среди признаков результата отметим следующие:

ZF – флаг нуля: равен 1 при получении нулевого результата,

SF – флаг знака: устанавливается равным старшему биту результата,

CF – флаг переноса: фиксирует факт переноса из старшего бита в арифметических операциях, OF – флаг переполнения: устанавливается в 1 при получении результата вне допустимого

диапазона чисел,

PF – флаг паритета: устанавливается в 1, если младшие 8 бит результата операции содержат четное число единиц;

к флагам управления относятся

IF – флаг разрешения прерывания: когда флаг установлен в 1, процессор распознает маскируемые прерывания, что позволяет микропроцессору реагировать на особые ситуации,

62

возникающие в работе внешних устройств; если значение флага равно нулю, то эти прерывания игнорируются,

DF – флаг направления, применяется в командах обработки последовательности байт в памяти: если флаг равен 0, последовательность обрабатывается с элемента, имеющего наименьший адрес; если флаг установлен в 1, последовательность обрабатывается от старшего адреса к младшему,

TF – флаг трассировки: если значение флага равно 1, то в микропроцессоре после выполнения каждой команды генерируется внутреннее прерывание, позволяющее перейти к соответствующей подпрограмме (используется при отладке программ);

6.блок сегментных регистров, состоящий из четырех 16-разрядных регистров, каждый из которых содержит старшие разряды базового (начального) адреса сегмента оперативной памяти, выделяемого программе при ее выполнении: кодового сегмента CS, в котором содержится код программы; сегмента данных DS ; сегмента стека SS и дополнительного сегмента данных ES ;

7.шинный интерфейс, который содержит схемы, обеспечивающие связь внутренней магистрали микропроцессора с системной шиной.

Представление данных в ЭВМ

Вся информация в ЭВМ хранится в виде наборов бит, то есть комбинаций 0 и 1. Числа представляются двоичными комбинациями в соответствии с числовыми форматами, принятыми для работы в данной ЭВМ, а символьный код устанавливает соответствие букв и других символов двоичным комбинациям.

Для чисел имеется три числовых формата:двоичный с фиксированной точкой;

двоичный с плавающей запятой;

двоично-кодированный десятичный ( BCD ).

Вдвоичном формате с фиксированной точкой числа могут быть представлены без знака (коды) или со знаком. Для представления чисел со знаком в современных ЭВМ в основном применяется дополнительный код. Это приводит к тому, что, как показано ранее, отрицательных чисел при заданной длине разрядной сетки можно представить на одно больше, чем положительных. Хотя операции в ЭВМ осуществляются над двоичными числами, для записи их в языках программирования,

вдокументации и отображения на экране дисплея часто используют более удобное восьмеричное, шестнадцатеричное и десятичное представление.

Вдвоично-кодированном десятичном формате каждая десятичная цифра представляется в виде 4 битного двоичного эквивалента. Существуют две основные разновидности этого формата: упакованный и неупакованный. В упакованном BCD -формате цепочка десятичных цифр хранится в виде

последовательности 4-битных	групп. Например, число 3904 представляется в виде двоичного
числа 0011 1001 0000 0100. В	неупакованном BCD -формате каждая десятичная цифра находится в

младшей тетраде 8-битной группы (байте), а содержимое старшей тетрады определяется используемой в данной ЭВМ системой кодирования, и в данном случае несущественно. То же число 3904 в неупакованном формате будет занимать 4 байта и иметь вид:

xxxx0011 xxxx1001 xxxx0000 xxxx0100 .

Числа с плавающей запятой обрабатываются на специальном сопроцессоре ( FPU - floating point unit ), который, начиная с МП I486, входит в состав БИС микропроцессора. Данные в нем хранятся в 80-разрядных регистрах.

Организация оперативной памяти

ОП является основной памятью для хранения информации. Она организована как одномерный массив ячеек памяти размером в 1 байт. Каждый из байтов имеет уникальный 20 битный физический адрес в диапазоне от 00000 до FFFFFh (здесь и далее для записи адресов используется шестнадцатеричная система счисления, признаком которой является символ h в конце кода). Таким образом, размер адресного пространства ОП составляет 220 = 1Мбайт. Любые два смежных байта в памяти могут рассматриваться как 16-битовое слово. Младший байт слова имеет меньший адрес, а старший - больший. Так шестнадцатеричное число 1F8Ah, занимающее слово, в памяти будет расположено в последовательности 8Ah, 1Fh. Адресом слова считается адрес его младшего байта. Поэтому 20 битовый адрес памяти может рассматриваться и как адрес байта, и как адрес слова.

Команды, байты и слова данных можно размещать по любому адресу, что позволяет экономить память вследствие ее более полного заполнения. Однако для экономии времени выполнения программ целесообразно размещать слова данных в памяти, начиная с четного адреса, так

63

как микропроцессор передает такие слова за один цикл работы шины. Слово с четным адресом называется выровненным по границе слов. Невыровненные слова данных с нечетным адресом допустимы, но для их передачи требуется два цикла шины, что снижает производительность ЭВМ. Заметим, что необходимое количество циклов считывания слова данных инициируется микропроцессор автоматически. Следует иметь в виду, что при операциях со стеком слова данных должны быть выровнены, а указатель стека инициирован на четный адрес, так как в таких операциях участвуют только слова данных.

Поток команд разделяется на байты при заполнении очереди команд внутри микропроцессора. Поэтому выравнивание команд практически не влияет на производительность и не используется.

Адресное пространство ОП делится на сегменты. Сегмент состоит из смежных ячеек ОП и

является независимой и отдельно адресуемой	единицей памяти, которая в базовой
архитектуре персональной ЭВМ имеет фиксированную	емкость 216 = 64К байт. Каждому сегменту

назначается начальный (базовый) адрес, являющийся адресом первого байта сегмента в адресном поле ОП. Значение физического адреса ячейки складывается из адреса сегмента и смещения ячейки памяти

относительно	начала сегмента (внутрисегментное	смещение).	Для	хранения	значений
адреса сегмента и смещения используются 16-битовые слова.
Чтобы	получить 20-битовый физический адрес, микропроцессор автоматически осуществляет

следующие операции. Значение базового адреса сегмента умножается на 16 (сдвиг на 4 разряда влево) и суммируется со значением смещения в сегменте (рис. 14.3). В результате получается 20-битовое значение физического адреса. При суммировании может возникнуть перенос из старшего бита, который игнорируется. Это приводит к тому, что ОП оказывается как бы организованной по кольцевому принципу. За ячейкой с максимальным адресом FFFFFh следует ячейка с адресом 00000h.

Рис. 6.3. Схема получения физического адреса

Сегменты физически не привязаны к конкретному адресу ОП, и каждая ячейка памяти может принадлежать одновременно нескольким сегментам, так как базовый адрес сегмента может определяться любым 16-битовым значением. Сегменты могут быть смежными, неперекрывающимися, частично или полностью перекрывающимися. Вместе с тем, в соответствии с алгоритмом вычисления физического адреса, начальные адреса сегментов всегда кратны 16.

Системная плата

Основным аппаратным компонентом компьютера является системная плата. На системной плате реализована магистраль обмена информацией, имеются разъемы для установки процессора и оперативной памяти, а также слоты для установки контроллеров внешних устройств.

Системные платы исполняются на основе наборов микросхем, которые называются чипсетами (ChipSets). Часто на системных платах устанавливают и контроллеры дисковых накопителей, видеоадаптер, контроллеры портов и др. В гнёзда расширения системной платы устанавливаются платы таких периферийных устройств, как модем, сетевая плата, видеоплата и т.п.

Несмотря на огромное разнообразие вычислительной техники и ее необычайно быстрое совершенствование, фундаментальные принципы устройства машин во многом остаются неизменными.

64

В частности, начиная с самых первых поколений, любая ЭВМ состоит из следующих основных устройств: процессор, память (внутренняя и внешняя) и устройства ввода и вывода информации.

Частота процессора, системной шины и шин периферийных устройств. Быстродействие различных компонентов компьютера (процессора, оперативной памяти и контроллеров периферийных устройств) может существенно различаться. Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются

специальные микросхемы (чипсеты), включающие в себя контроллер оперативной памяти						(так называемый
северный	мост)		и	контроллер
периферийных устройств (южный мост)						—
рис. 1.5.
южный	мост		-	контроллер
периферийных		устройств: обеспечивает
обмен информацией			между		северным
мостом и портами для подключения
периферийного оборудования, т.е.
Устройства	хранения			информации
(жесткие диски, CD-ROM, DVD-ROM)
подключаются к южному мосту по
шине PATA — прямое подключение к
памяти).
Мышь	и	внешний			модем
подключаются к южному мосту с
помощью	последовательных				портов,
которые	передают			электрические

импульсы, несущие информацию в машинном коде, последовательно один

Для подключения принтеров, сканеров и цифровых камер обычно используется порт USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина), который обеспечивает высокоскоростное подключение к компьютеру сразу нескольких периферийных устройств.

Клавиатура и мышь подключаются обычно с помощью порта PS/2 обеспечивает обмен информацией между процессором и оперативной памятью по системной шине.

65

Шина PCI (Peripherial Component Interconnect bus — шина взаимодействия периферийных устройств), которая обеспечивает обмен информацией с контроллерами периферийных устройств. (звуковая плата, сетевая плата, SCSI-контроллер, внутренний модем) устанавливаются в слоты расширения системной платы.

Шина AGP (ускоренный графический порт) - обычно используется для подключения видеоплаы

Контрольные вопросы

1.Какие типы дискет используются в ПЭВМ?

2.Как определить и от чего зависит емкость дискеты?

3.Для чего на дискете выделяется системная область и из каких частей она состоит?

4.Каким образом найти физический адрес размещенного на дискете файла?

5.Чем отличается НМД от НГМД?

6.Что такое «чередование секторов» и для чего оно используется?

7.Для чего предназначен стриммер и какой носитель информации в нем используется?

8.Одинаковые ли принципы записи информации используются в НГМД и CD-ROM и чем они отличаются?

9.Какие физические эффекты используются в магнитооптических дисках?

66

Тема 7. ПЭВМ, рабочие станции и серверы

Использование ПЭВМ в системе обработки информации. ПЭВМ, АРМ, средства обработки сигналов на базе ПЭВМ, архитектура рабочих станций и серверов.

План лекции:

1.Использование технических средств в системе обработки информации.

2.Сетевые технологии обработки данных.

2.1.Распределенная обработка данных

2.2.Обобщенная структура компьютерной сети

2.3.Классификация вычислительных сетей

1.Использование технических средств в системе обработки информации

Система обработки данных: сбор данных; обработка данных; хранение данных; создание отчетов (документов).

Сбор данных. По мере того как фирма производит продукцию или услуги, каждое её действие сопровождается соответствующими записями данных. Обычно действия фирмы, затрагивающие внешнее окружение, выделяются особо как операции, производимые фирмой.

Обработка данных. Для создания из поступающих данных информации, отражающей деятельность фирмы, используются следующие типовые операции:

Классификация или группировка.

Сортировка, с помощью которой упорядочивается последовательность записей;

Вычисления, включающие арифметические и логические операции. Эти операции, выполняемые над данными, дают возможность получать новые данные;

Укрупнение или агрегирование, служащее для уменьшения количества данных и реализуемое

вформе расчетов итоговых и средних значений.

Хранение данных. Многие данные на уровне операционной деятельности необходимо сохранить для последующего использования либо здесь же. Либо на другом уровне. Для их хранения создаются базы данных.

Создание отчетов (документов). В информационной технологии обработки данных необходимо создавать документы для руководства и работников фирмы, а также для внешних партнеров. При этом документы могут создаваться как по запросу или в связи с проведенной фирмой операцией, так и периодически в конце каждого месяца, квартала или года.

2 Сетевые технологии обработки данных 2.1. Распределенная обработка данных

Распределенная обработка данных — обработка данных, выполняемая на независимых, но связанных между собой компьютерах, представляющих распределенную систему.

Для реализации распределенной обработки данных были созданы многомашинные ассоциации, структура которых разрабатывается по одному из следующих направлений:

многомашинные вычислительные комплексы (МВК);

компьютерные (вычислительные) сети.

Многомашинный вычислительный комплекс — группа установленных рядом вычислительных машин, объединенных с помощью специальных средств сопряжения и выполняющих совместно единый информационно-вычислительный процесс.

Многомашинные вычислительные комплексы могут быть:

локальными при условии установки компьютеров в одном помещении, не требующих для взаимосвязи специального оборудования и каналов связи;

дистанционными, если некоторые компьютеры комплекса установлены на значительном расстоянии от центральной ЭВМ и для передачи данных используются телефонные каналы связи.

Компьютерная (вычислительная) сеть — совокупность компьютеров и терминалов, соединенных с помощью каналов связи в единую систему, удовлетворяющую требованиям распределенной обработки данных.

67

2.2. Обобщенная структура компьютерной сети

Компьютерные сети являются высшей формой многомашинных ассоциаций. Основные отличия компьютерной сети от многомашинного вычислительного комплекса:

Размерность. В состав многомашинного вычислительного комплекса входят обычно две, максимум три ЭВМ, расположенные преимущественно в одном помещении. Вычислительная сеть может состоять из десятков и даже сотен ЭВМ, расположенных на расстоянии друг от друга от нескольких метров до тысяч километров.

Разделение функций между ЭВМ. Если в многомашинном вычислительном комплексе функции обработки данных, передачи данных и управления системой могут быть реализованы в одной ЭВМ, то в вычислительных сетях эти функции распределены между различными ЭВМ.

Абоненты сети — объекты, генерирующие или потребляющие информацию в сети (это м.б.: отдельные ЭВМ, комплексы ЭВМ, терминалы, промышленные роботы, станки с числовым программным управлением и т.д.). Любой абонент сети подключается к станции.

Станция — аппаратура, которая выполняет функции, связанные с передачей и приемом информации

Совокупность абонента и станции принято называть абонентской системой. Для организации взаимодействия абонентов необходима физическая передающая среда.

Физическая передающая среда — линии связи или пространство, в котором распространяются электрические сигналы, и аппаратура передачи данных.

На базе физической передающей среды строится коммуникационная сеть, которая обеспечивает передачу информации между абонентскими системами.

2.3. Классификация вычислительных сетей

В зависимости от территориального расположения абонентских систем вычислительные сети можно разделить на три основных класса:

глобальные сети (WAN — Wide Area Network);

региональные сети (MAN — Metropolitan Area Network);

локальные сети (LAN—Local Area Network).

Глобальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в различных странах, на

различных континентах. Взаимодействие между абонентами такой сети может осуществляться на базе телефонных линий связи, радиосвязи и систем спутниковой связи. Глобальные вычислительные сети позволят решить проблему объединения информационных ресурсов всего человечества и организации доступа к этим ресурсам.

Региональная вычислительная сеть связывает абонентов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга. Она может включать абонентов внутри большого города, экономического региона, отдельной страны. Обычно расстояние между абонентами региональной вычислительной сети составляет десятки — сотни километров.

Локальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в пределах небольшой территории: В настоящее время не существует четких ограничений на территориальный разброс абонентов локальной вычислительной сети. Обычно такая сеть привязана к конкретному месту. К классу локальных вычислительных сетей относятся сети отдельных предприятий, фирм, банков, офисов и т.д. Протяженность такой сети можно ограничить пределами 2 - 2,5 км.

Объединение глобальных, региональных и локальных вычислительных сетей позволяет создавать многосетевые иерархии. Они обеспечивают мощные, экономически целесообразные средства обработки огромных информационных массивов и доступ к неограниченным информационным ресурсам.

68

Тема 8. Специализированные ЭВМ

План

1.Архитектура специализированных вычислительных комплексов.

2.Архитектура комплексов, ориентированных на ПО, машины баз данных, объектноориентированная архитектура.

3.Универсальные и специальные ЭВМ высокой производительности.

1.Архитектура рабочих станций и серверов.

Типы компьютеров. Существует много разных типов компьютеров, в том числе:

мейнфреймы;

серверы;

настольные компьютеры;

рабочие станции;

портативные компьютеры;

сверхпортативные устройства.

Каждый тип компьютера разработан для конкретной цели, например для мобильного доступа к информации, обработки детализированной графики.

Дома и на предприятиях чаще всего используются серверы, рабочие станции, настольные компьютеры, ноутбуки и другие портативные устройства. Мэйнфрэймы представляют собой большие централизованные компьютеры, которые используются на крупных предприятиях и приобретаются через специализированных посредников.

Серверы предназначены для коллективной обработки и хранения данных. Данное оборудование характеризуется высокой нагрузочной способностью (меньшее падение производительности при росте нагрузки), большой производительностью системы в целом, хорошей расширяемостью,

управляемостью, средствами диагностики и отказоустойчивостью. Как следствие всего этого – более высокая цена.

Рисунок 8 – Серверы

Архитектура сервера строится по следующим принципам:

Процессоры, память, сетевые адаптеры, дисковая подсистема и платы расширения подключаются к высокоскоростным шинам.

69

Используемые процессоры обладают большим объемом кэш-памяти до 12 Мб и более, что позволяет оптимизировать обработку больших объемов данных, архитектура процессора разработана для эффективного выполнения задач множества пользователей и работы в многопроцессорных конфигурациях.

Таким образом, все наиболее важные для работы сервера части имеют возможность осуществлять обмен данными по высокоскоростным каналам без конкуренции за полосу пропускания.

Сервера, как наиболее критичное к отказам оборудование для функционирования большого количества пользователей, имеют максимальный функционал для безостановочной работы:

при изготовлении платформы используются наиболее качественные компоненты, которые проходят наиболее жесткое тестирование,

архитектурные и конструктивные решения, заложенные в данную платформу, направлены на уменьшение количества отказов и минимизацию времени простоя оборудования,

практически во всех моделях предусмотрена горячая замена отдельных элементов

(жесткие диски, блоки питания, вентиляторы системы охлаждения), а в старших моделях – плат расширения и модулей памяти,

элементы дублирования заложены в наиболее важные для работоспособности системы в целом элементы – модули памяти (вплоть до организации отказоустойчивых массивов), жесткие диски,

вентиляторы системы охлаждения и блоки питания.

Сервер имеет наибольшую устойчивость к отказам оборудования и имеют максимально полную реализацию требований по безостановочной работе, так как остановка работы сервера наиболее сильно отражается на функционировании всех пользователей.

Для обеспечения непрерывности функционирования и минимизации вынужденных простоев оборудования сервера оснащаются максимумом требуемых функций по управлению, что позволяет полноценно администрировать их, даже находясь вне здания, где они установлены. Большая часть этих функций реализована аппаратно и не зависит от работоспособности ПО, установленного на сервере.

Существует еще один тип компьютера, который выглядит примерно как настольный компьютер,

но значительно мощнее: рабочая станция.

Рабочие станции предназначены для решения сложных задач одного пользователя, оперирующих большими объемами данных или требующие большой вычислительной производительности. Этот класс оборудования характеризуется высокой нагрузочной способностью (меньшее падение производительности при росте нагрузки), большой производительностью системы в целом, меньшей отказоустойчивостью и хорошей расширяемостью. Рабочие станции применяются для решения ресурсоемких задач в сфере дизайна, инженерных расчетов, обработки финансовой информации большого объема и в разработке (как правило – это критически важные для бизнеса в целом персональные приложения). Как следствие – цена близка к стоимости аналогичного сервера.

ПК (настольные компьютеры) предназначены для решения повседневных задач пользователей.

70