Архитектура информационных систем

части 1 и 2

Введение

Уважаемые студенты, наша дисциплина является одной из базовых дисциплин в изучении вычислительных систем, и предполагает изучение следующих вопросов:

1. Основы архитектуры (построения) ЭВМ;

2. Основные узлы и функциональные устройства, входящие в состав ЭВМ;

3. Основные пользовательские характеристики (технические параметры) ЭВМ;

4. Основы машинного языка ЭВМ, функционирования подсистем прерываний и обработки исключительных ситуаций;

5. Основные технические решения, применяемые при построении современных высокопроизводительных ЭВМ и вычислительных комплексов;

6. Перспективы дальнейшего развития ЭВМ и вычислительных комплексов;

7. Основы кодирования данных в вычислительной технике;

8. Основы алгоритмии помехозащищённого кодирования, широко применяемого как в реализации многих подсистем ЭВМ, так и сетевых систем, систем телеобработки данных;

9. Основы алгоритмии сжатия данных, также широко применяемого в сетевых системах и системах телеобработки данных;

10. Основы построения вычислительных сетей и систем телеобработки;

11. Основы построения многомашинных и многопроцессорных вычислительных комплексов;

Знание вопросов рассматриваемых в курсе имеет большое значение для более углублённого изучения в дальнейшем аппаратных средств ЭВМ и сетей, а также, знание многих вопросов, рассматриваемые в курсе - важно для эффективного программирования ряда задач (например - для программирования ввода/вывода данных, программной обработки исключительных ситуаций, программирования ряда сетевых задач). Курс является базовым для многих дисциплин, изучение которых предстоит Вам в дальнейшем.

Материал курса предполагает наличие у Вас начальных знаний и навыков в объёме, предлагаемом дисциплиной "Информатика" - изучаемой в средней школе, владение начальными навыками алгоритмизации и программирования задач, дисциплинами "Введение в специальность" и "Информатика" - изучаемыми в вузе. Требует наличие навыков работы на ПЭВМ в качестве пользователя. Материал некоторых разделов курса предполагает знание ряда разделов физики и высшей математики.

Материал курса представлен в форме:

1. Лекционных материалов;

2. Методических материалов лабораторных работ.

Предлагается самостоятельное выполнение заданий, описанных в методических материалах лабораторных работ.

В ходе учебного процесса, с целью контроля качества выполнения лабораторных работ предполагается также выполнение вами аудиторных тестовых заданий. Форма проверки решение за определеннее, достаточное (но ограниченное) время, задач из курса лабораторных работ. Образцы решения задач смотрите в файле с соответствующим названием.. По итогам изучения всего курса предусмотрен экзамен на который выносятся теоретический материал лекций, теоретический материал из лабораторных работ, и также на экзамене потребуется решить одну из задач, что из курса лабораторных работ.

Дополнительный материал по курсу, можно найти, например, в учебном пособии для ВУЗов: Л.С. Бройдо Вычислительные системы, сети и телекоммуникации / СПб: Питер, 2003 – 688с.

Успехов!

1. Архитектура Гарварда и фон Неймана

1.1 Введение

В первой части курса рассмотрим вопрос: как, в общем виде, устроена Электронная Вычислительная Машина. Современные ЭВМ - достаточно сложны. В отличие от первых "классических" ЭВМ (ЭВМ первых поколений), в конструкциях современных ЭВМ можно найти множество архитектурных решений, улучшений - направленных на повышение возможностей, характеристик ЭВМ. Решений, понимание которых требует достаточно высокого уровня инженерной подготовки - недоступного для начинающих. Однако: основные принципы положенные в устройство, функционирование ЭВМ, за годы развития вычислительной техники - не изменились. Поэтому, для начала, рассмотрим устройство ЭВМ на примере более простых по архитектуре "классических" ЭВМ. Это позволит нам, не углубляясь преждевременно в рассмотрение более сложных (но второстепенных) вопросов, быстрее понять: как "в целом" устроены, и на каких принципах основана работа ЭВМ. Позднее, получив и усвоив первоначальные базовые знания, мы получим возможность рассмотреть и некоторые из современных архитектурных видоизменений классической архитектуры.

1.2 Архитектура Гарварда и архитектура Фон Неймана.

Одна из первых ЭМВ была разработана в университете Гарварда (США). Принцип построения (или, как принято говорить, "архитектура") той, одной из первых ЭВМ, позднее (с несущественными с точки зрения принципов функционирования отличиями) был повторён и в последующих ЭВМ. Да и современные ЭВМ, если говорить о "принципах работы" - очень мало отличаются от классических ЭВМ, как говорят "ЭВМ архитектуры Гарварда". На рисунке представлены основные узлы ЭВМ "архитектуры Гарварда":

Рисунок 1.

ЦП – центральный процессор

УУ – устройство управления

АЛУ – арифметически логическое устройство

УР – универсальные регистры

СР – специальные регистры

ТГ – тактовый генератор

ОЗУД – оперативное запоминающее устройство данных

ОЗУК – оперативное запоминающее устройство данных

ШД – шина данных

ШК – шина команд

ЭЯ – элементарная ячейка (бит)

A₀, A_n – адреса ячеек

ШВВ – шина ввода вывода

КВУ₁ – КВУ₂ – контроллеры внешних устройств

ВР – внешние регистры

U_1, U_z – интерфейсные разъемы

ВУ₁ – ВУ_z – внешние устройства

КП – контроллер прерываний

INT_1, INT_z – линии прерываний

INT – генеральная линия запроса прерывания

INTA – генеральная линия ответа на прерывание

1.3 Устройство озуд

1) Любая информация, с которой работает ЭВМ (будь то данные любого типа, будь то команды машинной программы) - представлена "двоичными числами" или "двоичными кодами". Скажем, для примера, символьная информация (символы алфавита) хоть и не является числовой, но хранится и обрабатывается ЭВМ - как двоичные числовые коды.

2) ОЗУД состоит из множества "элементарных ячеек" (ЭЯ). Каждая элементарная ячейка хранит 1 бит информации (0 или 1).

3) Конструктивно каждая ЭЯ представляет несложную электронную схему, способную в течении длительного времени сохранять определённый уровень напряжения на выходе схемы.

Напряжение выше некоторого U_п ("порогового напряжения") - интерпретируется как хранение ячейкой 1. Напряжение на ячейке мене U_п – интерпретируется как хранение 0 .

4) ЭЯ сгруппированы по несколько в "ячейки памяти" (или, если говорить более кратко – "ячейки"). Количество ЭЯ в одной "ячейке памяти" – L_я (длина ячейки). Очень часто (хотя и не всегда) L_я=8. Для последовательности из восьми бит принят термин - "байт".

5) Каждая ячейка имеет адрес (A₀-A_n). Адрес – это двоичное число, номер ячейки, который используется в операциях записи/чтения ячеек. Электронная схема управляющая записью и чтением данных в ОЗУ (называют "контроллер ОЗУ" – на рисунке не показан) обеспечивают запись данных в ячейку по указанному (выданному процессором) "адресу записи" ( при записи), или чтение по указанному "адресу чтения" (при чтении).

6) Не всякий элемент данных (говорят "слово данных") может быть размещено всего в одной ячейке. Если слово данных не умещается в одной ячейке памяти – оно занимает несколько соседних ячеек. Если процессору необходимо считать (записать) такое длинное слово данных, процессор сообщает не только адрес, но и "длину слова данных". "Длинна слова данных" – число ячеек, которое занимает в памяти данное слово данных. При этом, в качестве адреса слова данных - указывается адрес ячейки с которого начинается размещение данных в ОЗУ (ячейки с наименьшим адресом, из числа ячеек занятых словом данных).