4 Персональный компьютер.

1985г.-первый ‘’Альтаир’’-развлекательный компьютер компании ‘’Appall'' . ''Appall-1''- был выполнен на куске фанеры.

1981г.-12 августа IBM представила компьютер составной. При создании был использован весь предшествующий опыт и произведены новые изыскания, что являлось основанием для того, чтобы назвать этот компьютер стандартом IBM-PC. Персональные компьютеры других производителей, удовлетворившие (IBM PC) их стандарту назывались PC-совместимые.

7)

Первое поколение ЭВМ.

1. Использование реле, электронных ламп.

2. Механические системы памяти.

В архитектуре ЭВМ второго поколения можно отметить следующие особенности: 

1. применение специальных устройств преобразования адресов;

2. использование индексного регистра; 

3. применение иерархической структуры памяти; 

4. обособленное управление вводом / выводом; 

5. использование системы прерываний для работы с  устройствами ввода/вывода; 

6. использование принципов микропрограммного управления; 

Третье поколение ЭВМ.

1. Переход на интегральную схематехнику.

2. Формируется концепция канала,

3. Начинается работа с распараллеливанием процессора,

4. появляется микропрограммное управление,

5. иерархируется память,

6. вводится понятие агрегатирования

Четвертое поколение ЭВМ.

1. Компьютеры 4-го поколения строятся на СБИС, с дальнейшим увеличением интеграции без изменения технической базы; 

2. расширется многофункциональность процессора (используются принципы конвейерной обработки данных и команд); 

3. для согласования скорости работы процессора и памяти вводится буферная память (кэш 1-го уровня) между регистровой памятью процессора (СОЗУ) и оперативной памятью (ОЗУ); 

4. используются устройства логического предсказания последующих переходов;      используются специальные устройства формирования адресов для работы с кэш памятью 1-го уровня; 

5. используется модульный принцип построения вычислительных систем, позволяющий наращивать их мощность; 

6. для реализации режимов реального времени и разделения времени используются  сети ЭВМ ; 

7. используется режим мультипрограммирования, многозадачности, реализованный аппаратно и программно; 

8. разрабатываются новые архитектуры многомашинных и многопроцессорных систем.

8)

Первое поколение ЭВМ.

Второе поколение ЭВМ.

Третье поколение ЭВМ.

Ч етвертое поколение ЭВМ.ПК

9)

Абстрактная модель последовательного компьютера

Абстрактная модель параллельной системы

10)

Организация - это способы распределения функций, установления связи и взаимодействия процессоров, устройств памяти и внешних устройств, используемые для реализации возможностей, заложенных в архитектуре. При изучении организации рассматривают:

 представление и формат данных;

 уровни памяти и их взаимодействие;

 состав и формат машинных команд;

 систему прерываний;

 способы обмена данными.

Реализация – способы технического исполнения конкретных устройств, линий или шин связи и протоколов взаимодействия между ними.

Обычно на уровнях организации и реализации происходит перераспределение функций между аппаратными и программными средствами. Это порождает семейство машин одной архитектуры, но разной производительности.

11)

Классическая архитектура ЭВМ 1-го и 2-го поколения

Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана. Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные - управляющих сигналов от процессора к остальными узлам ЭВМ

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 устройстве управления (УУ).

Шинная (магистральная) архитектура ЭВМ

Наличие интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой машин третьего и четвертого поколений.

Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой внешнего устройства. Такой процессор имеет собственную систему команд. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором.

Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия центрального процессора. Последний получает возможность «заниматься своим делом», т.е. выполнять программу дальше (если по данной задаче до завершения обмена ничего сделать нельзя, то можно в это время решать другую).

Из рисунка видно, что для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая шина (часто ее называют магистралью). Шина состоит из трех частей:

• шина данных, по которой передается информация;

• шина адреса, определяющая, куда передаются данные;

• шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.

Описанную схему легко пополнять новыми устройствами - это свойство называют открытостью архитектуры. Для пользователя открытая архитектура означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости от круга решаемых задач.

Архитектуры персональных компьютеров

Среди архитектур персональных компьютеров выделяют:

- по разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-разрядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности);

- по особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW;

CISC (Complex Instruction Set Computer) – компьютер с полным набором команд,

RISC (Reduced Instruction Set Computer) – компьютер с ограниченным набором команд,

VLIW (Very Long Instruction Word) - «очень длинная машинная команда». Характеризуется тем, что одна инструкция процессора содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно.

- по количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные.

Архитектура современного персонального компьютера подразумевает такую логическую организацию аппаратных компонент компьютера, при которой все устройства связываются друг с другом через магистраль, включающую в себя шины данных, адресов и управления.

Важной составляющей частью архитектуры ЭВМ является система команд. Система команд ЭВМ включает:

• команды выполнения арифметических и логических операций

• команды управления (это прежде всего команды условного и безусловного перехода, команды обращения к подпрограмма)

• команды передачи данных (копируют информацию из одного места в другое и

• команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами

При построении системы команд для современных компьютеров существует два взаимно конкурирующих направления:

1. компьютер с полным набором команд CISC (Complex Instruction Set Computer)

2. компьютер с ограниченным набором - RISC (Reduced Instruction Set Computer).

12) CISC (Complicated Instruction Set Computers – компьютеры с усложненной системой команд) – исторически первый подход к компьютерной архитектуре, суть которого в том, что в систему команд компьютера включаются сложные по семантике операции, реализующие типовые действия, часто используемые при программировании и при реализации языков – например, вызов рекурсивных процедур и автоматическое обновление дисплей-регистров, групповые операции пересылки строк и массивов и др. Типичными представителями CISC -компьютеров были: из зарубежных компьютерных систем – машины серии IBM 360/370,из отечественных – многопроцессорные вычислительные комплексы (МВК) "Эльбрус "

RISC (Reduced Instruction Set Computers – компьютеры с упрощенной системой команд) – упрощенный подход к архитектуре компьютеров, предложенный в начале 1980-х гг. профессором Дэвидом Паттерсоном (университет Беркли, США) и его студентом Дэвидом Дитцелом (впоследствии – крупным ученым, руководителем компании Transmeta). Примеры семейств RISC -компьютеров: SPARC, MIPS, PA-RISC, PowerPC. Принципы данного подхода: упрощение семантики команд, отсутствие сложных групповых операций (которые могут быть реализованы последовательностями команд, содержащими циклы); одинаковая длина команд (32 бита – архитектура была разработана в расчете на 32-битовые процессоры); выполнение арифметических операций только в регистрах и использование специальных команд считывания из памяти в регистр и записи из регистра в память; отсутствие специализированных регистров (например, дисплей-регистров для адресации доступных областей локальных данных в стеке); использование большого набора регистров ( регистрового файла ) общего назначения– 512, 1024, 2048 регистров и т.д., в зависимости от конкретной модели процессора; передача при вызове процедур параметров через регистры

VLIW (Very Long Instruction Word – компьютеры с широким командным словом) – подход к архитектуре компьютеров, сложившийся в 1980-х – 1990-х гг. Основная идея данного подхода – статическое планирование параллельных вычислений компилятором на уровне отдельных последовательностей команд и подкоманд. Достоинством такой архитектуры является возможность распараллеливания вычислений, недостатком – сложность (по сравнению с RISC -архитектурой). Примеры компьютеров таких архитектур: из зарубежных – компьютеры Cray X/MP, Cray Y/MP и др., разработанные компьютерным гением Сеймуром Креем (Cray) и его фирмой Cray Research; из отечественных – многопроцессорный вычислительный комплекс "Эльбрус-3".

EPIC (Explicit Parallelism Instruction Computers – компьютеры с явным распараллеливанием) – по архитектуре аналогичны VLIW, но с добавлением ряда важных усовершенствований: например, спекулятивных вычислений – параллельного выполнения обеих веток условной конструкции с вычислением условия. Подход сложился и используется с 1990-х гг. Примеры процессоров данной архитектуры - Intel IA-64, AMD-64.

Multi-core computers (многоядерные компьютеры) – получившая наиболее широкую популярность в настоящее время архитектура компьютеров, при которой каждый процессор имеет несколько ядер (cores),объединенных в одном кристалле и параллельно работающих на одной и той же общей памяти, что дает широкие возможности для параллельных вычислений. В настоящее время известны многоядерные процессоры фирмы Intel (Core 2 Duo, Dual Core и др.), а также мощные многоядерные процессоры фирмы Sun / Oracle: Ultra SPARC-T1 ("Niagara") - 16-ядерный процессор ; Ultra SPARC-T2 ("Niagara2") – 32-ядерный процессор. Все ведущие фирмы мира заняты разработкой и выпуском все более мощных многоядерных процессоров. Соответственно, создатели операционных систем для таких компьютеров разрабатывают базовые библиотеки программ, позволяющие в полной мере использовать возможности параллельного выполнения на многоядерных процессорах.

Hybrid processor computers (компьютеры с гибридными процессорами) – новый, все шире распространяющийся подход к архитектуре компьютеров, при котором процессор имеет гибридную структуру – состоит из ( многоядерного ) центрального процессора (CPU) и (также многоядерного ) графического процессора (GPU – Graphical Processor Unit ). Такая архитектура была разработана, в связи с необходимостью параллельной обработки графической и мультимедийной информации, что особенно актуально для компьютерных игр, просмотре на компьютере высококачественного цифрового видео и др. Гибридная архитектура является новым "интеллектуальным вызовом" для разработчиков компиляторов, которым необходимо разработать и реализовать адекватный набор оптимизаций как для центральных, так и для графических процессоров. Примерами таких архитектур являются новые процессоры фирмы AMD, а также графические процессоры серии Tesla фирмы NVidia.

13)      Основные положения, на которых основан принцип микропрограммного управления ОУ, заключаются в следующих пунктах :

1. Любая операция процессора рассматривается как сложное действие и разделяется на совокупность элементарных действий, называемых микрооперациями (МО). Выполнение каждой МО осуществляется специальной комбинационной схемой (КС) за один такт машинного времени;

2. Порядок выполнения МО задается алгоритмом операции и зависит от значений логических условий (ЛУ). ЛУ принимают значения истина или ложь в зависимости от резудьтатов операции. ЛУ используются в качестве условий альтернативных переходов в алгоритмах операций;

3. Алгоритм, представленный, записанный в терминах МО и ЛУ, называется микропрограммой (МП). МП задает порядок выполнения МО и проверки ЛУ во времени.

Совокупность микропрограмм реализует любую команду процессора.

14) Современные компьютеры можно представить как структуру, состоящую из 6 уровней:

Ради полноты нужно упомянуть о существовании еще одного уровня, который расположен ниже нулевого. Этот уровень не показан на рис. выше, так как он попадает в сферу электронной техники и, следовательно, не рассматривается из-за сложности материала. Он называется уровнем физических устройств. На этом уровне находятся транзисторы, которые для разработчиков компьютеров являются примитивами. Объяснить, как работают транзисторы, — задача физики.

Уровень 0: Цифровой логический уровень

Объекты цифрового логического уровня — вентили. Хотя вентили состоят из аналоговых компонентов, таких как транзисторы, они могут быть точно смоделированы как цифровые устройства. У каждого вентиля есть один или несколько цифровых входов (сигналов, представляющих 0 или 1). Вентиль вычисляет простые функции этих сигналов, такие как И или ИЛИ. Каждый вентиль формируется из нескольких транзисторов. Несколько вентилей формируют 1 бит памяти, который может содержать 0 или 1. Биты памяти, объединенные в группы, например, по 16, 32 или 64, формируют регистры. Каждый регистр может содержать одно двоичное число до определенного предела. Из вентилей также может состоять сам компьютер.

Уровень 1: уровень Микроархитектуры

Следующий уровень называется уровнем микроархитектуры. На этом уровне находятся совокупности 8 или 32 регистров, которые формируют локальную память и схему, называемую АЛУ (арифметико-логическое устройство). АЛУ выполняет простые арифметические операции. Регистры вместе с АЛУ формируют тракт данных, по которому поступают данные. Тракт данных работает следующим образом. Выбирается один или два регистра, АЛУ производит над ними какую-либо операцию, например сложения, после чего результат вновь помещается в один из этих регистров.

На некоторых машинах работа тракта данных контролируется особой программой, которая называется микропрограммой. На других машинах тракт данных контролируется аппаратными средствами.

Уровень 2: уровень архитектуры набора команд

Уровень 2 мы будем называть уровнем архитектуры набора команд. Каждый производитель публикует руководство для компьютеров, которые он продает, под названием «Руководство по машинному языку X», «Принципы работы компьютера У» и т. п. Подобное руководство содержит информацию именно об этом уровне. Описываемый в нем набор машинных команд в действительности выполняется микропрограммой-интерпретатором или аппаратным обеспечением. Если производитель поставляет два интерпретатора для одной машины, он должен издать два руководства по машинному языку, отдельно для каждого интерпретатора.

Уровень 3: уровень операционной системы

Этот уровень обычно является гибридным. Большинство команд в его языке есть также и на уровне архитектуры набора команд (команды, имеющиеся на одном из уровней, вполне могут быть представлены и на других уровнях). У этого уровня есть некоторые дополнительные особенности: новый набор команд, другая организация памяти, способность выполнять две и более программы одновременно и некоторые другие. При построении уровня 3 возможно больше вариантов, чем при построении уровней 1 и 2.

Мы будем называть этот уровень уровнем операционной системы.

Между уровнями уровнем архитектуры набора команд и уровнем операционной системы есть существенная разница. Нижние три уровня задуманы не для того, чтобы с ними работал обычный программист. Они изначально ориентированы на интерпретаторы и трансляторы, поддерживающие более высокие уровни. Эти трансляторы и интерпретаторы составляются так называемыми системными программистами, которые специализируются на разработке новых виртуальных машин. Уровни с четвертого и выше предназначены для прикладных программистов, решающих конкретные задачи.

Еще одно изменение, появившееся на уровне операционной системы, — механизм поддержки более высоких уровней. Уровни 2 и 3 обычно интерпретируются, а уровни 4, 5 и выше обычно, хотя и не всегда, транслируются.

Уровень 4: уровень Ассемблера

Уровень 4 представляет собой символическую форму одного из языков более низкого уровня. На этом уровне можно писать программы в приемлемой для человека форме. Эти программы сначала транслируются на язык уровня 1, 2 или 3, а затем интерпретируются соответствующей виртуальной или фактически существующей машиной. Программа, которая выполняет трансляцию, называется ассемблером.

Уровень 5: уровень языка прикладных программистов

Уровень 5 обычно состоит из языков, разработанных для прикладных программистов. Такие языки называются языками высокого уровня. Существуют сотни языков высокого уровня. Наиболее известные среди них — С, C++, Java, LISP и Prolog. Программы, написанные на этих языках, обычно транслируются на уровень 3 или 4. Трансляторы, которые обрабатывают эти программы, называются компиляторами. Отметим, что иногда также имеет место интерпретация. Например, программы на языке Java сначала транслируются на язык, напоминающий ISA и называемый байт-кодом Java, который затем интерпретируется.

15) Многопроцессорные вычислительные системы могут существовать в различных конфигурациях. Наиболее распространенными типами МВС являются:

• системы высокой надежности;

• системы для высокопроизводительных вычислений;

• многопоточные системы.

SMP-архитектура

SMP (symmetric multiprocessing) – симметричная многопроцессорная архитектура. Главной особенностью систем с архитектурой SMP является наличие общей физической памяти, разделяемой всеми процессорами.

Основные преимущества SMP-систем:

• простота и универсальность для программирования. Архитектура SMP не накладывает ограничений на модель программирования, используемую при создании приложения: обычно используется модель параллельных ветвей, когда все процессоры работают независимо друг от друга. Однако можно реализовать и модели, использующие межпроцессорный обмен. Использование общей памяти увеличивает скорость такого обмена, пользователь также имеет доступ сразу ко всему объему памяти. Для SMP-систем существуют довольно эффективные средства автоматического распараллеливания;

• простота эксплуатации. Как правило, SMP-системы используют систему кондиционирования, основанную на воздушном охлаждении, что облегчает их техническое обслуживание;

• относительно невысокая цена.

Недостатки:

• системы с общей памятью плохо масштабируются.

MPP-архитектура

MPP (massive parallel processing) – массивно-параллельная архитектура. Главная особенность такой архитектуры состоит в том, что память физически разделена. В этом случае система строится из отдельных модулей, содержащих процессор, локальный банк операционной памяти (ОП), коммуникационные процессоры (рутеры) или сетевые адаптеры, иногда – жесткие диски и/или другие устройства ввода/вывода. По сути, такие модули представляют собой полнофункциональные компьютеры.

Недостатки:

• отсутствие общей памяти заметно снижает скорость межпроцессорного обмена, поскольку нет общей среды для хранения данных, предназначенных для обмена между процессорами. Требуется специальная техника программирования для реализации обмена сообщениями между процессорами;

• каждый процессор может использовать только ограниченный объем локального банка памяти;

• вследствие указанных архитектурных недостатков требуются значительные усилия для того, чтобы максимально использовать системные ресурсы. Именно этим определяется высокая цена программного обеспечения для массивно-параллельных систем с раздельной памятью.