Базовые понятия компьютерных систем. Классификация компьютерных систем.

Классификация КС возможна по следующим признакам:

1. Физический способ представления информации:

   1. аналоговый вид – непрерывный сигнал

   2. цифровой вид – информация в виде кода

   3. гибридный способ

2. Назначение:

   1. вычислительные системы – небольшие объемы входной и выходной информации, сложные алгоритмы обработки, много высокопроизводительных процессоров, небольшое количество устройств ввода-вывода

   2. системы обработки данных – несложный алгоритм обработки, большое количество ВЗУ, не требует высокой производительности

   3. управляющие КС – управляют компьютерными процессами, работают в масштабе реального времени

3. Область применения

   1. универсальные КС – много функций, ориентирован на решение широкого круга задач путем применения соответствующего программного обеспечения. Особенностью является высокая производительность и большой объем памяти

   2. специализированные КС – ориентированы на решение определенного круга задач, не требуют обновления ПО, дешевле и универсальнее

   3. проблемно-ориентированные КС – ориентированы на узкий круг решения задач, небольшой объем расчетов

Принципы построения компьютерных систем.

Основные принципы построения КС сформулированы ученым фон Нейманом и предусматривает реализацию:

1. единого вычислительного устройства, включающего процессор, средства передачи информации и память

Классическая архитектура КС.

Процессор

АЛУ

У-во выв

У-во вв

ЦУУ

ЗУ

АЛУ – арифметико-логическое устройство

ЦУУ- центральное устройство управления

Увв, Увыв – устройств ввода и устройство вывода информации

ЗУ – запоминающее устройство

2. линейные структуры адресации памяти, состоящей из слов фиксированной длины

3. двоичные системы счисления

4. централизованное последовательное управление

5. хранения программы

6. машинного языка низкого уровня

7. команд условной и безусловной передачи управления

8. АЛУ с представлением чисел в форме с плавающей точкой

Традиционно классическая архитектура, разработана фон Нейманом, иногда носит название принстонская архитектура. Особенностью архитектуры является единое адресное пространство, т.е. данные и адреса хранятся в одних запоминающих устройствах. Альтернативой является Гарвардская архитектура КС. Процессоры, реализованные по этому принципу, имеют два непересекающихся адресных пространства – для программ и для данных.

Основные характеристики процессора

1. Производительность

Определяется скоростью выполнения команд программы и используются показатели – число миллионов операций в секунду над дробными числами

2. Тактовая частота

Это количество циклов устройства в работе за единицу времени. Чем выше частота, тем выше скорость выполнения операции. (Ггц)

3. Разрядность

Это число двоичных разрядов, обрабатываемых одновременно при выполнении одной команды (16, 32, 64)

4. Система команд

Общее количество разновидностей команд несколько более 100-200

5. Наличие кэш-памяти

Располагается в процессоре, обладает быстродействием. Для ускорения доступа к данным в оперативной памяти используют кэш-память. Она имеет несколько уровней(первый, второй и третий). Первый уровень – наименьший объем, но имеет максимальную скорость доступа к памяти.

6. Параллельное выполнение команд

Каждая команда реализуется процессором за несколько внутренний тактов, поэтому удобно организовать конвейер обработки команд, чтобы ускорить выполнение программы

7. Технология изготовления процессора

Чем меньше размеры элементов процессора, тем больше его быстродействие, т.к. электроны быстрее проходят расстояние между элементами. Для этого увеличивают плотность расположения элементов в микросхеме, при этом уменьшая толщину проводников. Площадь кристалла уменьшилась при переходе от технологии 0.19 мкм на технологию 0.13 мкм

Основные направления совершенствования характеристик процессора:

Развитие системы команд, оптимизация кэш-памяти, увеличение плотности размещения элементов.

Важной характеристикой процессора является тепловыделение, которое связано с потребляемой энергией и потребляемой мощностью Последнее содержит статическую и динамическую составляющие.

Р(дин)=V²cf

V – Напряжение питания, с – емкость нагрузки элементов, f – тактовая частота процессора.

Решением проблемы тепловыделения является переход на другую архитектуру и новую технологию производства.

Основные типы архитектур КС

Архитектуры КС считается ее представление на некотором общем уровне, включающие описания пользовательских возможностей программирования, системы команд системы адресации, организации памяти и т.д. В общем случае архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимодействия основных логических узлов компьютера: процессора, оперативной и внешней памяти, периферийные устройства.

Классические типы архитектур

1. Централизованная структура (звезда)

ЦП

Увв

П

Увыв

Увыв

2. И

   П

   ЦП

   Пр1

   Пр2

   К

   Увв

   К

   Увыв

   К

   К

   Увв

   Увыв

   ерархическая структура

3. М

   П

   ЦП

   П

   Увв

   Увыв

   Увв

   Увыв

   агистрально-модульная структура(общая шина)

Магистраль - шина

4. А

   Память программ

   ЦП

   Память данных

   Устройство вв/выв

   рхитектура компьютера типа «Гарвардская школа»

В 1966 году ученый М. Флинн предложил подход классификации архитектур, в основу которого положено понятие потока, под которым понимается последовательность данных или команд, обрабатываемых процессором на основании рассмотрения числа потоков команд и потоков данных, можно разделить архитектуры на 4 класса.

А) Одиночный поток команд и одиночный поток данных(ОКОД-SISD; Single Instruction Stream, Single Data Stream)

Однопроцессорная одномашинная КС. Параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельно работой устройств ввода/вывода.

Б) Множественный поток команд и одиночный поток данных (МКОД-MISD)

Архитектура предполагает процессорный конвейер, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому. В такой системе реализуется схема совмещения операций, в которой параллельно работают функциональные блоки и каждый из них делает свою часть в общем цикле.

В)Одиночный поток команд и множественный поток данных(ОКМД-SIMD)

Создание структур векторной или матричной обработки, предполагает данная архитектура. Система строится из процессовых элементов, которые идентичны и управляются одной командой. Возникает сложность при коммутировании процессоров, такой тип архитектуры может быть реализован в специализированных ЭВМ.

Г) Множественный поток команд и множественный поток данных(МКМД-MIMD)

Все процессоры работают по своим программам с собственным потоком команд. Такая структура используется в крупных вычислительных центрах.

Основные цели создания различных архитектур: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных; повышение надежности и достоверности вычислений; предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг.

Отличительной особенностью КС по отношению к отдельному компьютеру является наличие нескольких вычислителе, реализующих параллельную обработку информации. Это повышает быстродействие системы и может значительно повысить процесс управления процессорами и использованием технически и программных ресурсов.