Архитектура вычислительных систем

Преподаватель: Яковлев А.В.

Два цикла ЛР:

1) Понимание ВМ на уровне системы команд процессора одной из старых ВМ.

2) Процессор Intel, 32 разрядный (минимум). Нет понятия команда, есть командное слово, в котором размещается 8 команд, которые можно выполнять одновременно. Конвейерное устройство. На разных этапах выполнения порядка 20 команд. Синхронизация всего этого ложится на программиста.

Лекция 1 (04.09.2012)

Вычислительная система, отличие от ВМ.

ВМ выполняет одну операцию за один такт. Повышение производительности за счет распараллеливания процессов. Это и есть вычислительные системы. Но четкой грани между ВМ и ВС нет.

Классические ВС – это многоавтоматные системы.

Первая мощная ВС – 64 операционных автомата и один управляющий.

Ноутбук – мультипроцессорная система (комплекс).

Будем рассматривать различные подходы к получению более быстрых вычислительных машин.

Процессоры Intel интересны аппаратной поддержкой системного ПО (ОС).

Существует две системы подготовки специалистов:

- классическая немецкая школа (перешла в классическую советскую школу) – дается все, что может пригодится в жизни (как правило это бюджетник);

- американская (частная) – усиленно вводится сейчас: давать как можно меньше знаний, чтобы студент как можно больше платил за новые порции.

Мы будем по старому (классическая советская школа).

Лекция 2 (11.09.2012)

Задача

|

Алгоритм (последовательность действий для решения задачи)

|

Процесс (последовательная смена состояний) T → [Состояние] ↔ [Новое состояние]

|

Процессор (совокупность средств, реализующих процесс)

[Память состояния] ↔ [Средство формирования нового состояния]

|

Автомат

[Память] ↔ [Комбинационная схема (КС)]

Принцип декомпозиции: каждая задача может быть представлена в виде как минимум двух задач, которые могут выполняться последовательно или параллельно. Новые задачи тоже реализуются процессором и, соответственно, имеют память состояния и средство формирования нового состояния.

Алгоритм – набор (множество) операций и определение последовательности операций.

[Операционная часть] ↔ [Управляющая часть]

Каждую из этих частей можно рассматривать как процессор.

ОЧ: [Память] ↔ [Средство формирования новых значений]

↑↓

УЧ: [Память] ↔ [Средство формирования новых значений]

Гарвардская архитектура: [Данные] → [АУ] ↔ [ЦУУ] ← [Команды]

Алгоритм, записанный на формальном языке – программа. То, что делается на каждом шаге программы, определяется командой (состоит из нескольких операций).

Задача → Алгоритм → Программа → Команда → Операция → микроАлгоритм → микроПрограмма → микроКоманда → микроОперация (элементарное действие)

[Исходные данные] → (Функция) → [Выходные данные]

[Регистр входных данных] → (Функция) → [Регистр выходных данных]

Выполнить операцию (в том числе и микрооперацию), значит записать результат в регистр, подав управляющий сигнал (тоже назван микрооперацией).

Множество управляющих сигналов является микрокомандой.

Операционная часть у всех машин одинаковая (можно сделать универсальный ОА для всех машин). Управляющая часть это память микрокоманд и устройство выборки микрокоманд.

Вывод: ВМ отличаются только микрокомандами.

Тактовые сигналы поступают на элементы памяти. Расстояние между двумя тактовыми сигналами равно задержке на регистре + задержка на схеме преобразования. Тактовая частота может быть увеличена за счет дробления схем, реализующих функции.

Особенность синхронных конвейеров: время начальной загрузки конвейера > время работы конвейера (стабильно быстрая работа) > разгрузка конвейера. Перезагрузка конвейера критична. Чем длиннее конвейер, тем больше времени требуется на его перезагрузку из-за постоянной задержки на регистрах.

Два подхода к построению ВМ:

1) Классический подход через модель Глушкова – ОА+УА;

2) Построение ВМ из последовательности мелких схем – появляется специализированное устройство, которое может решать только одну задачу, зато быстро.