Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ЭВМ и ПУ. Лекция 04 0

.pdf
Скачиваний:
30
Добавлен:
06.03.2016
Размер:
490.21 Кб
Скачать

Лекция 4.

Принципы фон Неймана и реальные структуры ЭВМ.

Понятие архитектуры вычислительной машины. Под архитектурой электрон-

ной вычислительной машины (ЭВМ) понимают совокупность принципов систем-

ной, функциональной, логической и физической организации аппаратных и программных средств ЭВМ, или другими словами, ее внутреннюю организацию, состав ее различных устройств, логику их работы и их взаимодействие. Детализация сведений об архитектуре может быть разной и зависит от категории пользователей ЭВМ. Определение понятия архитектуры вычислительных машин может быть сформулировано так: это то, что должен знать о вычислительных машинах человек, использующий компьютер в своих профессиональных и личных целях.

В понятие архитектуры отдельно взятой вычислительной машины обычно включают сведения:

о составе и взаимодействии основных ее блоков;

о системе команд машины и их репертуаре;

о типе данных, поддерживаемых аппаратурой;

о регистровой структуре ее процессора;

об организации памяти, иерархии запоминающих устройств и их взаимосвязи;

об организации системы прерываний;

об организации обмена данными с внешними устройствами;

о топологии связей отдельных устройств и модулей.

Уровень детализации перечисленных выше сведений зависит от уровня пользователя.

Структура компьютера — это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов, т. е. совокупность элементов и их связей.

Термины: вычислительная установка, вычислительная машина, компьютер, просто вычислитель, ЭВМ – электронная вычислительная машина – обозначают одно и то же.

В литературе используются понятия однопроцессорных, многопроцессорных и мультипроцессорных вычислительных машин.

Широко используется термин вычислительная система. Под вычислительной системой мы будем понимать установку, включающую в свой состав несколько взаимодействующих процессоров или вычислительных машин, связанных между собой линиями передачи данных, и способных совместно выполнять общий алгоритм. Понятие многопроцессорной системы обозначает вычислительную систему, включающую в свой состав относительно небольшое число процессоров; понятие мультипроцессорной системы предполагает, что процессоров, включенных в систему очень много. Что означает “небольшое число” и “очень много” зависит от контекста, в котором эти термины употребляются и формальному определению это не поддается.

Самая общая схема однопроцессорной вычислительной машины от калькулятора до суперкомпьютера осталась неизменной со времени изобретения первой механической программно управляемой машины Ч. Бэббиджа (1812–1820 г.). Она включала в свой состав “мельницу” (процессор), “командник” – перфорированные

1

карты для хранения команд программы (запоминающее устройство), и нечто п о- добное устройствам ввода–вывода.

В 1946 году трое учёных — Артур Бёркс (англ. Arthur Burks), Герман Голдстайн (англ. Herman Goldstine) и Джон фон Нейман — опубликовали статью «Предварительное рассмотрение логического конструирования электронного вычислительного устройства». В статье обосновывалось использование двоичной системы для представления данных в ЭВМ, выдвигалась идея использования общей памяти для программы и данных. Имя фон Неймана было достаточно широко и з- вестно в науке того времени, что отодвинуло на второй план его соавторов, и данные идеи получили название «принципы фон Неймана».

Принцип двоичного кодирования. Для представления данных и команд (арифметических и логических операций) используется двоичная система счисления. ЭВМ могут обрабатывать и нечисловые виды информации – текстовую, графическую, звуковую и др.

Принцип хранимой в общей памяти программы (однородности памяти).

Как программы (команды), так и данные кодируются в одной и той же системе счисления — двоичной в виде нулей и единиц, – и хранятся в одной и той же памяти. Над командами, т. е. программами, можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Принцип адресуемости (произвольного доступа к ячейкам) памяти.

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка памяти. ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда.

Принцип программного управления (выполнения операций). В его основе лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычисле-

ний. Алгоритм – это конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций. Программа (для ЭВМ)это упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке (международный стандарт ISO 2382/1-84). Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой, в последовательности, определяемой программой.

Принцип условного перехода. Команды из программы не всегда выполняются одна за другой. Возможно присутствие в программе команд условного перехода, которые изменяют последовательность выполнения команд в зависимости от значений данных. (Сам принцип был сформулирован задолго до Джона фон Неймана Адой Лавлейс и Чарльзом Бэббиджем, однако он логически включен в фоннеймановский набор как дополняющий предыдущий принцип.)

Принцип жесткости архитектуры. Топология, архитектура, список команд в процессе работы ЭВМ не изменяется.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Схема устройства такой ЭВМ представлена на рисунке 4.1. Сплошные

2

линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов от процессора к остальным узлам ЭВМ

Рис. 4.1. Архитектура ЭВМ, построенной на принципах Фон Неймана

УПД - устройство подготовки данных. УВС - устройство ввода.

АЛУ - арифметико-логическое устройство. УУ - устройство управления.

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство.

ДЗУ - длительно запоминающее устройство ВЗУ - внешнее запоминающее устройство.

УВ - устройство вывода. ЗУ+АЛУ+УУ - процессор.

Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок – процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (сюда относятся выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифметических, операций, согласование работы узлов компьютера). Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее устройство у современных компьютеров «многоярусно» и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время и внешние запоминающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом. На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается – определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство), и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), и другие подвиды компьютерной памяти.

В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.

3

В персональных ЭВМ, относящихся к ЭВМ четвертого поколения, произошло дальнейшее изменение структуры (рис. 4.2).

а)

б)

Рис. 4.2. Структурная схема ПЭВМ четвертого поколения

Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие элементы, которые являются общим стандартом структур современных ЭВМ:

модульность построения, магистральность, иерархия управления, т. е. архитек-

тура современных персональных компьютеров основана на магистрально-

модульном принципе.

Ядро ПЭВМ образуют процессор и основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). ПЗУ предназначается для постоянного хранения программ первоначального тестирования ПЭВМ (POST) и загрузки ОС. Подключение всех внешних устройств (ВнУ), дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ и других обеспечивается через соответствующие адаптеры -

согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств или контроллеры - специальные устройства управления периферийной аппаратурой. Контроллеры в

4

ПЭВМ играют роль каналов ввода-вывода. В качестве особых устройств следует выделить таймер - устройство измерения времени и контроллер прямого доступа к памяти (КПД) - устройство, обеспечивающее доступ к ОП, минуя процессор.

Информационная связь между устройствами компьютера осуществляется через системную шину (другое название - системная магистраль). Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее еще более децентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.

Шина - это кабель, состоящий из множества проводников. По одной группе проводников - шине данных передаётся обрабатываемая информация, по другой - шине адреса - адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Третья часть магистрали - шина управления, по ней передаются управляющие сигналы (например, сигнал готовности устройства к работе, сигнал к началу работы устройства и др). Кроме того наличествует еще и шина питания, имеющая

Системная шина характеризуется тактовой частотой и разрядностью. Количество одновременно передаваемых по шине бит называется разрядностью шины. Тактовая частота характеризует число элементарных операций по передаче данных в 1 секунду. Разрядность шины измеряется в битах, тактовая частота – в мегагерцах.

Модульная конструкция ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию. К ЭВМ можно подключать дополнительные устройства, улучшая ее технические и экономические показатели. Появляется возможность увеличения вычислительной мощности, улучшения структуры путем замены отдельных устройств на более совершенные, изменения и управления конфигурацией системы, приспособления ее к конкретным условиям применения в соответствии с требованиями пользователей.

В современных ЭВМ принцип децентрализации и параллельной работы распространен как на периферийные устройства, так и на сами ЭВМ (процессоры). Появились вычислительные системы, содержащие несколько вычислителей (ЭВМ или процессоры), работающие согласованно и параллельно. Внутри самой ЭВМ произошло еще более резкое разделение функций между средствами обработки. Появились отдельные специализированные процессоры, например сопроцессоры, выполняющие обработку чисел с плавающей точкой, матричные процессоры и др.

Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры ЭВМ. Централизованное управление осуществляет устройство управления главного, или центрального, процессора. Подключаемые к центральному процессору модули (контроллеры и КВВ) могут, в свою очередь, использовать специальные шины или магистрали для обмена управляющими сигналами, адресами и данными. Инициализация работы модулей обеспечивается по командам центральных устройств, после чего они продолжают работу по собственным программам управления. Результаты выполнения требуемых операций представляются ими «вверх по иерархии» для правильной координации всех работ.

5

Децентрализация управления и структуры ЭВМ позволила перейти к более сложным многопрограммным (мультипрограммным) режимам. При этом в ЭВМ одновременно может обрабатываться несколько программ пользователей.

В ЭВМ, имеющих один процессор, многопрограммная обработка является кажущейся. Она предполагает параллельную работу отдельных устройств, задействованных в вычислениях по различным задачам пользователей. Например, компьютер может производить распечатку каких-либо документов и принимать сообщения, поступающие по каналам связи. Процессор при этом может производить обработку данных по третьей программе, а пользователь - вводить данные или программу для новой задачи, слушать музыку и т.п.

В ЭВМ или вычислительных системах, имеющих несколько процессоров обработки, многопрограммная работа может быть более глубокой. Автоматическое управление вычислениями предполагает усложнение структуры за счет включения в ее состав систем и блоков, разделяющих различные вычислительные процессы друг от друга, исключающие возможность возникновения взаимных помех и ош и- бок (системы прерываний и приоритетов, защиты памяти). Самостоятельного значения в вычислениях они не имеют, но являются необходимым элементом структуры для обеспечения этих вычислений.

В 2008 г. фирма Intel выпустила первый четырёх ядерный процессор микроархитектуры Nehalem под кодовым названием Bloomfield. Для этой микроархите к- туры выпущен набор связующей системной логики (так называемый, чипсет) Intel X58 Express. Для такого сочетания процессора и чипсета структурная схема ПЭВМ представлена на рис. 4.3.

6

Рис. 4.3. Структурная схема ПЭВМ

(процессор Bloomfield микроархитектуры Nehalem и чипсет Intel X58 Express)

QPI (Quick Path Interconnects) – последовательный интерфейс (шина) с топологией точка-точка;

DMI (Direct Media Interface)– последовательная интерфейс (шина), предназначенная для связи северного и южного мостов чипсетов фирмы Intel,

например, X58 и ICH10.

В апреле 2012 г. корпорация Intel выпустила первую волну четырёх ядерных процессоров Intel Core третьего поколения семейства новой микроархитектуры Ivy Bridge под кодовым названием Ivy Bridge. Это первые в м ире микросхемы, созданные по 22-нанометровой производственной технологии и с использованием трехмерной транзисторной архитектуры Tri-Gate. Это позволило до двух раз увеличить производительность обработки 3D-графики и HD-мультимедиа по сравнению с предыдущими поколениями процессоров Intel. Структурная схема ПЭВМ на базе процессора Ivy Bridge показанна на рис. 4.4.

7

Рис. 4.4. Структурная схема ПЭВМ (процессор Ivy Bridge и чипсеты

Intel Express Chipset 6-й серии Z68, P67, H67, H61 и 7-й серии Z77, Z75, H77, B75. Q77, Q75

PECI (Platform Environment Control Interface) – платформа среды интер-

фейсного управления (контроля, мониторинга) тепловыми устройствами.

GPIO (General Purpose Input/Output) (регистр/регистры) – являются двунаправленными выводами (регистрами) ввода\вывода, которые нужны для реализации функций предусмотренных производителем микросхемы (по умолчанию), или функций задаваемых (описываемых программно) пользователем, т. е. дополнительный порт ввода/вывода, который нужен для реализации различных функций.

8

SPI (Serial Peripheral Interface)– для перезаписи содержимого микросхемы постоянного запоминающего устройства (Flash ROM), используемой в качестве носителя BIOS.

В то же время хабовая архитектура связующей системной логики (чипсетов) и интегрирование функций шинной организации непосредственно в процессор позволяет изменять классическую архитектуру ЭВМ.

Несмотря на все достигнутые успехи, классическая структура ЭВМ не обеспечивает возможностей дальнейшего увеличения производительности. Наметился кризис, обусловленный рядом существенных недостатков:

плохо развитые средства обработки нечисловых данных (структуры, символы, предложения, графические образы, звук, очень большие массивы данных и др.);

несоответствие машинных операций операторам языков высокого уровня;

примитивная организация памяти ЭВМ;

низкая эффективность ЭВМ при решении задач, допускающих параллельную

обработку и т.п.

Все эти недостатки приводят к чрезмерному усложнению комплекса программных средств, используемого для подготовки и решения задач пользователей.

Вычислительные машины принято делить на несколько архитектурных типов. До сих пор используется классификация архитектур вычислительных машин и систем по Флинну. Эта классификация характеризует способы обработки пото-

ка команд и потока данных, а также взаимоотношение этих двух главных процессов, выполняемых любой вычислительной системой. Под терминами поток команд и поток данных понимают временную последовательность выполнения команд в процессе работы машины, и временную последовательность обрабатываемых данных.

Классификацию Флинна можно назвать макро–классификацией, отражающей самые общие архитектурные черты вычислительной техники.

Тип SISD – ОКОД Одиночный поток Команд, Одиночный поток Данных.

К этому простейшему типу архитектуры относились почти все ЭВМ первого поколения.

Тип SIMD – ОКМД Одиночный поток Команд, Множественный поток Данных. К данному типу относятся мультипроцессорные вычислительные системы, состоящие из многих процессорных элементов, каждый из которых имеет свою л о- кальную память. Все эти процессоры выполняют, как правило, синхронно, одну и ту же команду, выбираемую из одного потока команд, над да нными, выбираемыми каждым процессором из своей локальной памяти.

Тип MIMD – МКМД Множественный поток Команд, Множественный поток Данных. Это мультипроцессорные и многомашинные вычислительные комплексы, состоящие из асинхронно работающих компонентов. Каждый компонент представляет собой машину, которая имеет собственную память для данных и программ. Следовательно, каждый компонент может выполнять свою собственную задачу и обмениваться по мере необходимости информацией с соседями по системе. Разумеется, что все машины связаны между собой линиями передачи данных. Этот

9

тип архитектуры, пожалуй, наиболее представительный по числу различных вычислительных систем, которые могут быть отнесены к нему.

К данному типу можно отнести многие супер–ЭВМ, мультипроцессорные системы и даже локальные вычислительные сети (ЛВС), объединяющие независимо работающие “полнокровные” ЭВМ. Однако под MIMD–системами чаще всего подразумевают установки, предназначенные для решения одной большой задачи, разбитой на более или менее независимые части.

Тип MISD – МКОД Множественный поток Команд, Одиночный поток Данных. Это многопроцессорная архитектура, объединяющая несколько процессоров с общей памятью. При этом каждый процессор может работать по своей собственной программе, пользуясь общим полем данных (общей оперативной памятью). Некоторые зарубежные специалисты считают, что этот класс пуст, так как в машинах типа MIMD всякий процессор тем или иным образом имеет доступ к оперативной памяти другого процессора, и, следовательно, между системами MISD и MIMD нет принципиальной разницы.

Классификация Флинна не касается многих деталей структуры вычислительных систем, имеющих принципиальное значение с точки зрения организации вычислительного процесса. Например, к классу SIMD – ОКМД относятся такие совсем непохожие друг на друга машины, как векторно –конвейерные суперкомпьютеры и персональные компьютеры бытового назначения.

По иерархическому принципу строится система памяти ЭВМ. Так, с точки зрения пользователя желательно иметь в ЭВМ оперативную память большой информационной емкости и высокого быстродействия. Однако одноуровневое построение памяти не позволяет одновременно удовлетворять этим двум противоречивым требованиям. Поэтому память современных ЭВМ строится по многоуровневому, пирамидальному принципу.

В состав процессоров может входить сверхоперативное запоминающее устройство небольшой емкости, образованное несколькими десятками регистров с быстрым временем доступа (единицы нс). Здесь обычно хранятся данные, непосредственно используемые в обработке.

Следующий уровень образует кэш-память. Она представляет собой буферное запоминающее устройство, предназначенное для хранения активных страниц объемом десятки и сотни Кбайтов. Время обращения к данным составляет 2-10 нс, при этом может использоваться ассоциативная выборка данных. Кэш-память, как более быстродействующая ЗУ, предназначается для ускорения выборки команд программы и обрабатываемых данных. Сами же программы пользователей и данные к ним размещаются в оперативном запоминающем устройстве (емкость - миллионы машинных слов, время выборки 10-70 нс).

Часть машинных программ, обеспечивающих автоматическое управление вычислениями и используемых наиболее часто, может размещаться в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). На более низких уровнях иерархии находятся внешние запоминающие устройства на магнитных носителях: на жестких и гибких магнитных дисках, магнитных лентах, магнитооптических дисках и др. Их отличает более низкое быстродействие и очень большая емкость.

10