Архитектура вычислительных систем |
Прошкина Елена Николаевна |
|
Пенза
2011 г.
Оглавление
Архитектура вычислительных систем 3
Этапы развития вычислительных машин 3
Фон неймановская архитектура 4
Типы структур вычислительных машин и систем 5
Вычислительная система с общей памятью 6
Распределенная система 7
Классификация параллельных вычислительных систем 7
Способы ускорения традиционных архитектур 14
Супер скалярные процессоры 17
Кэш-память 18
Алгоритмы замещения информации в заполненной кэш-памяти. 21
Расслоенная память 23
Блочная организация основной памяти 23
Структура основной памяти на основе блочной схемы 24
Циклическая организация 24
Блочно-циклическая схема расслоения памяти 25
Архитектура с сокращенным набором команд 26
Класс SIMD 26
Векторные и векторно-конвейерные вычислительные системы 26
Понятие вектора и размещение данных в памяти 26
Понятие векторного процесса 27
Обобщенная структура векторного процессора 27
Структура типа память-память и регистр-регистр 28
Матричные вычислительные системы 29
Контроллер массива процессоров 30
Массив процессоров 31
Ассоциативные вычислительные системы 33
Вычислительные системы с систолической структурой 35
Классификация систолических структур 36
Основы теории вычислительных систем 39
Задача синтеза 40
Модели вычислительных систем 42
Статистические модели 42
Аналитические методы 43
Имитационные модели 43
Экспериментальные методы 44
Класс MIMD 46
Симметричные мультипроцессорные системы (SMP) 46
Архитектура с общей шиной 47
Архитектура с коммутатором типа «кросс-бар» 48
Архитектура с многопортовой памятью 48
Архитектура с централизованным устройством управления 49
Кластерные вычислительные системы 49
Классификация кластеров 49
Топологии кластеров 50
Системы с массовой параллельной обработкой (MPP-системы) 53
Транспьютеры 54
Вычислительные системы с неоднородным доступом к памяти (CC-NUMA) 57
Вычислительные системы с обработкой по принципу волнового фронта 58
Надежность и отказоустойчивость вычислительных систем 58
Трансляторы 59
Варианты взаимодействия двух трансляторов 62
Многопроходная трансляция 62
Однопроходная трансляция 63
Архитектура вычислительных систем
Вычислительная машина – устройство, способное: хранить программу обработки данных, быть свободно перепрограммируемой в соответствии с требованиями пользователей; выполнять арифметические вычисления; выполнять программу обработки, требующую изменение действий, путем принятия логических решений в процессе обработки.
Вычислительная система – совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров вычислительной системы, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенная для подготовки и решения задач пользователя.
Под архитектурой вычислительной машины понимается логическое построение вычислительной машины.
Этапы развития вычислительных машин
Простейшим вычислительным инструментом являются счеты, логарифмическая линейка.
Механические счетные устройства появляются с 17 века; Лейбниц в 1673 году изобрел арифмометр;
Отличительной особенность аналитических машин является автоматическое выполнение операций, возможность изменений программ, использование памяти для хранения данных во время вычислений.
Электромеханические счетные машины – в 1943 г была изобретена машина Марк-1;
Электронно-вычислительные машины;
В основе архитектуры современных вычислительных машин лежат 4 основных принципа:
принцип двоичного кодирования – вся информация, как данные так и команды кодируются двоичными цифрами: 0 и 1. Каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат. Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем;
Принцип программного управления – все вычислений, предусмотренные алгоритмом решения задачи, представляются в виде программы состоящей из последовательности управляющих слов (команд); команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти и выполняются в естественной последовательности. Решение об изменении порядка выполнения команд принимается либо на основании анализа результатов предшествующих вычислений, либо безусловно;
Принцип однородности памяти: команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне не различимы это позволяет выполнять над командами те же операции что и над числами, а циклически изменяя адресную часть команды можно обеспечить обращение к последовательным элементам массива данных. Так же команды одной программы могут быть получены как результат исполнения другой программы. Вычислительные машины с единой памятью для хранения команд и данных получили название машин с принстонской архитектурой. Вычислительные машины, имеющие отдельную память для команд и данных – машины с гарвардской архитектурой.
Принцип адресности – основная память состоит из пронумерованных ячеек, процессору в любой момент времени доступна любая ячейка, для доступа к ячейкам используются номера – адреса.
Фон неймановская архитектура
Рисунок 1Фоннеймановская архитектура
Типичная фон Неймановская вычислительная машина содержит: основную память, вторичную память, устройство управления, арифметико-логическое устройство, устройство ввода\вывода.
В любой вычислительной машине есть периферийные устройства, предназначенные для ввода\вывода информации. Связь и взаимодействие вычислительной машины и периферийных обеспечивают порты ввода и порты вывода, которые в совокупности образуют устройства ввода\вывода информации или модули ввода\вывода информации.
Введенная информация сначала запоминается в основной памяти, а затем переносится во вторичную память для длительного хранения, чтобы программа могла выполняться, команды и данные должны располагаться в основной памяти. Основная память должна состоять из ОЗУ.
В машине возможны два способа адресации: адресация по младшему байту или адресация по старшему байту. Для долговременного хранения больших программ и данных используется вторичная память. Информация хранится в виде специальных программно-поддерживаемых объектов-файлов.
Устройство управления (УУ) – часть вычислительной машины, организующая автоматическое выполнение команд и обеспечивающая функционирование вычислительной машины как единой системы. Пересылка информации между любыми элементами вычислительной машины инициализируется сигналом управления. Основной функцией УУ является формирования управляющих сигналов, отвечающих за извлечение команд из памяти в порядке, определяемым программой и последующее исполнение этих команд.
АЛУ – обеспечивает арифметическую и логическую обработку входных переменных, формируя результат. Помимо результата АЛУ формирует ряд признаков (флаги), которые анализируются УУ с целью принятия решения о дальнейшей последовательности выполнения команд программы.
15.09.2011