
- •Основные понятия.
- •Понятие архитектуры и организации эвм.
- •Обобщенное понятие архитектуры.
- •Виды архитектуры эвм и их составные элементы.
- •Краткое представление основных элементов прикладной архитектуры компьютеров. Типы, форматы и способы представления данных, аппаратно поддерживаемых в эвм.
- •Для числовых данных необходимо представлять диапазон и точность. Программная модель (регистровая структура) процессора.
- •1) Полная специализация регистров, когда каждый регистр используется только по одному специальному назначению.
- •2) Полная универсализация, когда каждый регистр можно использовать по любому назначению.
- •Регистр ip (Instruction Pointer).
- •Регистр fr (Flag Register).
- •If (Interrupt Flag) – Флаг Прерывания
- •Адресная структура основной памяти и принципы размещения информации в ней. Принципы формирования физического адреса.
- •Режимы адресации.
- •Структура и форматы машинных команд.
- •Базовая система команд.
- •1. Поддержка защищённого режима (i286).
- •3. Включение в Pentium блока mmx (Multimedia Extension), система команд, которая содержит порядка 60 команд для поддержки принципа векторной обработки на уровне целочисленных данных.
- •Внедрение в кристалл процессора блока sse (sse2)
- •Cisc- и risc – архитектура.
- •Основные особенности risc – архитектуры.
- •Стремление к выполнению большинства машинных команд за 1 машинный такт (машинный цикл).
- •Широкое использование принципов суперскалярной и суперконвейерной обработки.
- •Команды загрузки и сохранения системных регистров.
- •Команды ввода/вывода: in/out, ins/outs.
- •Команда останова процессора - hlt.
- •Упрощенная структура компьютера (эвм).
- •1. Центральную;
- •2. Периферийную.
- •Организация ввода/вывода. Понятие, основные характеристики и уровни представления интерфейса.
- •1) Совокупность линий, шин, обеспечивающих обмен информацией между устройствами.
- •2) Алгоритм (протокол) обмена, определяющий последовательность организации передачи информации по линиям интерфейса.
- •3) Разделение интерфейса на ряд уровней представлений.
- •Основные характеристики интерфейса:
- •Пропускная способность определяется максимальным количеством бит или байт данных, передаваемых по интерфейсу за одну секунду.
- •Информационная ширина (количество бит или байт данных, передаваемых параллельно по шине данных, т.Е. Разрядность линии).
- •Максимально возможное удаление устройств, подключаемых к интерфейсу.
- •Шины (интерфейсы) персональных компьютеров на базе процессоров Pentium.
- •Основные аспекты организации ввода/вывода.
- •1.Структура компьютера в плане организации связей между ядром и периферийными устройствами:
- •2. Адресация к ву или пу. Основным аспектом, связанным с адресацией ву, является объединение или разделение адресных пространств памяти и ввода/вывода.
- •3.Способ организации ввода/вывода:
- •Адресация ву.
- •Способы адресации портов ввода/вывода и их сравнительный анализ.
- •Раздельное адресное пространство.
- •Единое адресное пространство.
- •Организация ввода/вывода с отображением на память обладает следующими достоинствами:
- •Недостатками использование совмещенного адресного пространства являются:
- •Способы организации ввода/вывода.
- •Ввод/вывод по прерыванию.
- •Прямой доступ к памяти – dma (Direct Memory Access).
- •2) Стандартные контроллеры dma позволяют реализацию следующих видов обмена:
- •В современных моделях пк для обмена с жесткими дисками наряду с dma также используется и pio. Канальный ввод/вывод (квв).
- •Основные функции квв:
- •Функции по установлению логической связи между ву и оп.
- •2) Функции, связанные с непосредственной передачей данных между ву и оп.
- •3) Функции, связанные с завершением обмена и разрушением логической связи между ву и оп.
- •Участие цп в организации квв сводится к выполнению следующих функций:
- •Классификация квв.
- •Сравнение Канального вв с pio и с dma.
- •Организация прерываний. Основные отличия организации прерываний в защищенном режиме по сравнению с реальным режимом.
- •Программируемый контроллер прерываний (pic i8259a).
- •Основные функции pic.
- •Внутренняя структура pic.
- •Шифратор выделенного запроса.
- •Основные режимы работы pic.
- •1) Fnm (Fully Nested Mode – Режим вложенных прерываний).
- •Взаимодействие между cpu и ведущим pic.
- •Основы программирования pic.
- •Приказы инициализации.
- •Icw1 имеет следующий формат:
- •Icw2 определяет базовый адрес последовательности векторов прерываний, размещаемых в таблице векторов прерываний. Собственно, под базовый адрес отводятся старшие 5 битов приказа(3-7).
- •Icw4 Наиболее важным битом приказа icw4 является бит 1, именуемый aeoi – Automatic End Of Interrupt.
- •Слова рабочих приказов.
- •Установка и отмена так называемого режима специального маскирования;
- •Установка и сброс режима опроса (полинга);
- •Разрешение чтения регистров irr и isr контроллера.
- •Организация центральных процессоров.
- •Как обрабатывающее устройство: цп осуществляет выполнение программ, связанных с какой-либо обработкой данных.
- •Как управляющее устройство: цп осуществляет координацию остальных устройств компьютера, а также связь компьютера с внешним миром.
- •Принципы построения и функционирования конвейеров команд.
- •Сравнение производительности последовательного процессора (без конвейера команд) и «параллельного» процессора (с конвейером команд).
- •Наличие в программах зависимостей по данным (конфликты по данным).
- •Использование различными блоками конвейера одного и того же ресурса (структурные конфликты).
- •Наличие при выполнении программы особых случаев, приводящих к прерыванию.
- •Различное время выполнения отдельных фаз машинных команд.
- •Большой разброс длительности фазы ех для различных машинных команд. Основные действия, выполняемые процессором на различных фазах (этапах) команды.
- •Санкт-Петербург
- •1. Принципы построения и функционирования компьютеров
- •1.1. Назначение компьютеров и принцип программного управления
- •1.2. Неймановский принцип программного управления
- •1.3. Структура компьютеров
- •1.4. Запоминающие устройства и организация памяти
- •1.5. Организация ввода-вывода данных
- •1.6. Принцип многоуровневой реализации функций
- •Программа
- •Аппаратура компьютера
- •2. Характеристики и классификация компьютеров
- •2.1. Характеристики компьютеров
- •2.2. Программно-аппаратный интерфейс и интерфейс прикладных программ
- •2.3. Быстродействие и производительность компьютеров
- •2.4. Емкость памяти
- •2.5. Надежность компьютеров
- •2.6. Стоимость компьютеров
- •2.7. Классификация компьютеров
- •Оглавление Предисловие 3
- •Принципы построения и функционирования компьютеров 7
- •Характеристики и классификация компьютеров 25
- •3.Архитектура компьютеров
- •3.1.Машинные слова и байты
- •3.2.Коды с обнаружением и исправлением ошибок
- •3.3. Представление данных в компьютерах
- •3.4. Способы адресации данных
- •3.5. Операции, выполняемые компьютерами
- •3.6. Системы команд компьютеров
- •3.7. Режимы работы компьютеров
- •3.8. Средства мультипрограммирования
- •3.10. Привилегированные операции и состояния процессора
- •3.11. Организация прерывания программ
- •3.12. Средства защиты памяти
- •4. Структура операционных устройств компьютера
- •4.1. Принцип микропрограммного управления операционными устройствами
- •4.2. Каноническая структура процессора
- •4.3. Конвейерные процессоры
- •5. Организация памяти компьютеров
- •5.1. Организация виртуальной памяти
- •5.2. Организация кэш-памяти
- •5.3. Организация raid – массивов
1. Принципы построения и функционирования компьютеров
1.1. Назначение компьютеров и принцип программного управления
Первые компьютеры применялись исключительно для выполнения вычислений. Затем сфера применения компьютеров бескрайне расширилась, и ныне компьютеры используются для обработки текстовой и графической информации, изображений, речи и других форм представления информации. Компьютер – это техническая система, предназначенная для обработки данных (информации) на основе программ (алгоритмов).
Области применения компьютеров. Необходимость в вычислениях появляется в виде задач, которые люди должны решать в процессе научной, инженерной, производственной, управленческой и любой другой деятельности. Задача – это совокупность результатов, которые необходимо получить из имеющейся исходной информации. Совокупность задач, решение которых возлагается на компьютер, определяет область применения компьютера. Принято выделять три основные области применения компьютеров: научно-технические применения, коммерческие применения и специальные применения.
Научно-технические применения связаны с решением научных и инженерных задач. Основная особенность этих задач – большой объем вычислений над относительно небольшим количеством данных, представляемых в форме действительных чисел (чисел с плавающей запятой). Научные задачи связаны с моделированием процессов в системах: механических, электрических, электромагнитных, химических, биологических, социальных и т.д. Технические задачи решаются системами автоматизации проектирования (САПР) различного назначения: САПР механических, электротехнических, радиотехнических, оптических и других систем. Как и научные задачи, технические применения связаны со значительным объемом вычислений для моделирования и обработки графической информации, представляемой в виде схем, чертежей и трехмерных изображений различного назначения.
Компьютеры, ориентированные на научно-технические применения, должны иметь большую вычислительную мощность при умеренной емкости памяти, используемой для хранения данных, а компьютеры для инженерных применений должны быть хорошо приспособлены для работы с графической информацией.
Коммерческие применения компьютеров связаны с информационным обслуживанием бизнес‑процессов: банковской, торговой, страховой и тому подобной деятельности, управления производствами и транспортом, организации деятельности подразделений, предприятий, корпораций, регионов и т.д. Коммерческие применения порождают сравнительно небольшой объем вычислений над данными, представленными в основном целыми числами и в виде текстов. Однако объем данных, с которым оперируют коммерческие системы, обычно велик, а во многих применениях просто огромен. Кроме того, данные интенсивно перемещаются между участниками бизнес-процессов, что требует оснащения компьютеров мощной системой памяти и развитыми системами коммуникаций для передачи (ввода‑вывода) данных.
В области коммерческих применений компьютеров выделяют две специфичных подобласти: офисные применения и обработка транзакций.
Офисные применения – информационное обеспечение деятельности работников подразделения, предприятия, организации, корпорации или отрасли, т.е. территориально разделенной группы работников, связанных с общими для всех них данными. Компьютеры в офисных системах обеспечивают работу отдельных служб: бухгалтерский и складской учет, планирование производства, административное управление и т.д., а также обеспечивают хранение баз данных, организацию документооборота на предприятии, электронную почту и другие аналогичные функции.
Обработка транзакций – обеспечение доступа значительного числа удаленных клиентов к базам данных. Обработка транзакций сводится к получению сообщения от клиента, поиску в базе данных требуемой записи, корректировке записи на основе данных, поступивших от клиента, возврата откорректированной записи в базу данных и, возможно, выполнение других действий, связанных с поступившим сообщением. Источниками транзакций могут быть заказчики продукции, услуг, банкоматы и т.д. Тысячи потенциальных клиентов посредством системы телекоммуникаций имеют доступ к центральному узлу – системе обработки транзакций, который должен обеспечивать перемещение больших объемов данных и обрабатывать транзакции за короткое время.
Специальные применения компьютеров связаны с использованием компьютеров для управления оборудованием и техническими системами: технологическими установками, металлообрабатывающими станками, транспортным оборудованием, средствами связи, воздушным движением и т.д. В такого рода применениях компьютер является интеллектуальной частью технической системы и выполняет специфичные функции управления и контроля состояния технической системы. При этом компьютер получает информацию о состоянии технической системы с помощью датчиков физических величин: перемещений, скоростей, температуры, массы и т.д. На основе этих данных путем вычислений формирует управляющие воздействия, которые поступают к исполнительным узлам управляемой системы и обеспечивают требуемый режим функционирования системы. В таких системах темп (динамика) работы управляемого объекта предопределяет темп работы компьютера, т.е. быстродействие компьютера должно соответствовать динамике управляемого объекта: чем выше динамика управляемого объекта, тем большее быстродействие должен иметь компьютер. Такого рода системы, в которых динамика управляемого объекта согласована с временем формирования управляющих воздействий, называется системами реального времени (СРВ).
Многообразие применений компьютеров, т.е. многообразие задач, решение которых возлагается на компьютеры, предопределяет многообразие самих компьютеров. Так, для обеспечения деятельности одного человека может быть достаточен персональный компьютер стоимостью 1-2 тыс. долларов, для обеспечения профессиональной деятельности инженера – графическая рабочая станция стоимостью 5‑10 тыс. долларов, а для обеспечения работы группы физиков – суперкомпьютер стоимостью миллионы долларов. Аналогично, для обеспечения деятельности подразделения некоторого предприятия необходимо компьютерное оборудование стоимостью десятки или сотни тысяч долларов, но для обеспечения деятельности корпорации требуются мощные компьютеры, стоимость которых составляет сотни, тысячи и миллионы долларов. Таким образом, разнообразие компьютеров столь же велико, как многообразие областей их применения.
Задачи, алгоритмы и программы. Решение задачи с применением компьютера – многоэтапный процесс (рис. 1.1).

Этап





1
Задача
Необходимые результаты
Исходная информация


Результаты
Алгоритм
Исходные данные
2
Результаты
Программа
Данные
3

Компьютер
4
Результаты
Данные

Рис. 1.1. Схема решения задачи
Первый этап – постановка задачи: определение исходной информации, необходимой для решения задачи, и состава результатов, представляющих решение задачи.
Второй этап – алгоритмизация: определение способа решения задачи – алгоритма. Алгоритм – это совокупность действий над информацией (данными), приводящих к преобразованию исходных данных в требуемые результаты. Алгоритм описывается на естественном языке, в том числе с использованием математической и другой профессиональной терминологии и символики.
Третий этап – программирование: составление программы, представляющей алгоритм на машинном языке – языке программирования для конкретного компьютера.
Четвертый этап – решение задачи по программе, загруженной в компьютер. Программа, управляя работой компьютера, обеспечивает ввод исходных данных, выполнение над ними последовательности операций и вывод полученных результатов для последующего использования. Вычисления по программе могут производиться многократно для различных значений исходных данных.
Принцип программного управления. Программа, загруженная в компьютер, управляет работой компьютера, предписывая порядок выполнения действий над данными. В соответствии с программой аппаратура компьютера обеспечивает ввод исходных данных в компьютер, их хранение в памяти компьютера, выполнение последовательности арифметических и логических операций над строками символов (текстами) и вывод конечных результатов на экран монитора или на печатающее устройство. Таким образом, компьютер – только исполнительная система, функционированием которой управляет программа. Именно программа определяет порядок действий, исполняемый аппаратурой компьютера.
Программа настраивает компьютер на решение определенной задачи. Замена программы на другую программу, предназначенную для решения другой задачи, приводит к изменению функции компьютера – компьютер уже решает другую задачу. Таким образом, функция компьютера определяется загруженной в компьютер программой.
Принцип обработки информации, основанный на определении процесса обработки в виде программы, загружаемой в компьютер и используемой компьютером, называется принципом программного управления.
Когда существует возможность замены программ в компьютере, то в силу только этого свойства компьютер становится универсальным, т.е. способным решать различные задачи. Однако любой компьютер имеет ресурсы ограниченной мощности: ограниченную емкость памяти, определяющую предельное количество информации, размещаемой в компьютере, ограниченную производительность, определяемую предельным количеством операций, выполняемых за секунду, ограниченную скорость ввода и вывода информации. Следовательно, каждый компьютер, будучи универсальным, ограничивает класс задач, которые могут решаться на компьютере за приемлемое время.