|
Содержание |
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. Королева» (СГАУ)
АРХИТЕКТУРА ЭВМ Курс лекций
Автор: доцент кафедры программных систем,
Самара 2007
Содержание
Глава 1 принципы построения и архитектура эвм 4
1.1. Основные характеристики ЭВМ 4
1.2. Классификация средств ЭВМ 9
1.3. Общие принципы построения современных ЭВМ 16
История развития ВТ (ЭВМ) 18
1 поколение ЭВМ (1940-1955 г.г.) 18
2 поколение ЭВМ (1956-1960 г.г.) 18
3 поколение ЭВМ (1960-1970 г.г.) 21
4 поколение ЭВМ (1970-1990 г.г.) 22
5 поколение ЭВМ (1990-2000 г.г.) 26
6 поколение ЭВМ (2000 г. по н/вр) 26
Модульность построения, магистральность, иерархия управления 27
Иерархический принцип построения памяти 28
1.4. Функции программного обеспечения 34
Классификация программного обеспечения 37
Основные характеристики программ: 40
Показатели качества программного продукта (ПП) 41
Глава 2 информационно-логические основы эвм 43
2.1. Системы счисления 43
2.2.1. Представление числовой информации 44
2.2.2. Представление других видов информации 47
2.3. Арифметические основы ЭВМ 49
2.3.1. Машинные коды 50
Сложение (вычитание) 52
Умножение 54
2.3.2. Арифметические операции над двоичными числами с плавающей точкой 55
2.3.4. Арифметические операции над двоично-десятичными кодами чисел 57
2.4 Логические основы ЭВМ 59
2.4.1.Основные сведения из алгебры логики 59
2.4.2. Законы алгебры логики 62
2.4.3. Понятие о минимизации логических функций 63
2.4.4. Техническая интерпретация логических функций 65
Глава 3 Классификация элементов и узлов эвм 67
3.1. Классификация элементов и узлов ЭВМ 67
3.2. Комбинационные схемы 70
Дешифраторы 70
Шифратор 73
Компаратор 73
3.2. Схемы с памятью 74
Триггер 75
RS-триггеры 76
Двухступенчатый RS-триггер 82
Т-триггер 83
JK-триггер 83
D-триггер 84
3.3 Узлы ЭВМ 85
Регистры 85
Регистр хранения 87
Регистр сдвига 88
Счетчик 91
Сумматор 92
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) 93
Устройство управления 98
Датчик сигналов на основе счетчика с дешифратором 100
Датчик сигналов на сдвиговом регистре 101
Структурная схема микропрограммного устройства управления 102
3.5 Проблемы развития элементной базы 104
Глава 4 функциональная и структурная организация эвм 107
4.1. Общие принципы функциональной и структурной организации ЭВМ 107
4.2. Организация функционирования ЭВМ с магистральной архитектурой 108
4.3. Организация работы ЭВМ при выполнении задания пользователя 113
4.4.1. Отображение адресного пространства программы на основную память 116
4.4.2. Адресная структура команд микропроцессора и планирование ресурсов 119
4.4.3. Виртуальная память 123
4.5. Система прерываний ЭВМ 127
Принципы построения и архитектура эвм
1.1. Основные характеристики эвм
Первые электронные вычислительные машины (ЭВМ) появились всего лишь в середине прошлого века. За это время микроэлектроника, вычислительная техника и вся индустрия информатики стали одними из основных составляющих мирового научно-технического прогресса. Влияние вычислительной техники на все сферы деятельности человека продолжает расширяться вширь и вглубь. В настоящее время ЭВМ используются не только для выполнения сложных расчетов, но и в управлении производственными процессами, в образовании, здравоохранении, экологии и т.д. Это объясняется тем, что ЭВМ способны обрабатывать любые виды информации:
числовую,
текстовую,
табличную,
графическую
видео,
звуковую.
Электронная вычислительная машина (ЭВМ) - комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей.
Под пользователем понимают человека, в интересах которого проводится обработка данных на ЭВМ. В качестве пользователя могут выступать заказчики вычислительных работ, программисты, операторы.
Требования пользователей к выполнению вычислительных работ удовлетворяются специальным подбором и настройкой технических и программных средств. Обычно эти средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру.
Структура - совокупность элементов и их связей, которая рассматривается в конкретном приложении.
Различают структуры технических, программных и аппаратно-программных средств. Выбирая ЭВМ для решения своих задач, пользователь интересуется функциональными возможностями технических и программных модулей (как быстро может быть решена задача, насколько ЭВМ подходит для решения данного круга задач, какой сервис программ имеется в ЭВМ, возможности диалогового режима, стоимость подготовки и решения задач и т.д.). При этом пользователь интересуется не конкретной технической и программной реализацией отдельных модулей, а более общими вопросами возможности организации вычислений. Последнее включается в понятие архитектуры ЭВМ, содержание которого достаточно обширно.
Архитектура ЭВМ – это описание цифровой вычислительной системы на некотором общем уровне, включающем
пользовательских возможностей программирования;
Описание системы команд;
Средства пользовательского интерфейса;
Организацию памяти и систему адресации;
Операции ввода/вывода и управления и т.п.
В контексте разработки вычислительной системы (ВС) и проектирования термин «Архитектура ЭВМ» используется для описания принципов действия, конфигурации и взаимного соединения логических узлов ЭВМ. Архитектура ЭВМ - это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ.
Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной техники. Инженеры-схемотехники проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы их сопряжения друг с другом. Системные программист создают программы управления техническими средствами, информационного взаимодействия между уровнями, организации вычислительного процесса. Программисты-прикладники разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и необходимый сервис при решении ими своих задач.
Самого же пользователя интересуют обычно более общие вопросы, касающиеся его взаимодействия с ЭВМ (человеко-машинного интерфейса), начиная со следующих групп характеристик ЭВМ, определяющих ее структуру (см. рисунок 1.1):
технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, показатели надежности, достоверности, точности, емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и программных средств, особенности эксплуатации и др.);
характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; возможность расширения состава технических и программных средств; возможность изменения структуры;
состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).
Одной из важнейших характеристик ЭВМ является ее быстродействие, которое характеризуется числом команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду. Поскольку в состав команд ЭВМ включаются операции, различные по длительности выполнения и по вероятности их использования, то имеет смысл характеризовать его или средним быстродействием ЭВМ, или предельным (для самых «коротких» операций типа «регистр-регистр»). Современные вычислительные машины имеют очень высокие характеристики по быстродействию, измеряемые десятками и сотнями миллионов операций в секунду. Например, в ближайшее время ожидается появление микропроцессора совместного производства фирм Intel и Hewlett-Packard (шифр Р7), быстродействие которого должно достичь миллиарда операций в секунду.
Реальное или эффективное быстродействие, обеспечиваемое ЭВМ, значительно ниже, и оно может сильно отличаться в зависимости от класса решаемых задач. Сравнение по быстродействию различных типов ЭВМ, резко отличающихся друг от друга своими характеристиками, не обеспечивает достоверных оценок. Поэтому очень часто вместо характеристики быстродействия используют связанную с ней характеристику производительности (эффективность) – объем работ, осуществляемых ЭВМ в единицу времени. Например, можно определять этот параметр числом задач, выполняемых за определенное время.
, где Кз – количество выполненных
задач за промежуток времени длиной t.
Однако сравнение по данной характеристике ЭВМ различных типов может вызвать затруднения. Поскольку оценка производительности различных ЭВМ является важной практической задачей, хотя такая постановка вопроса также не вполне корректна, были предложены к использованию относительные характеристики производительности. Так, например, фирма Intel для оценки процессоров предложила тест, получивший название индекс iCOMP (Intel Comparative Microprocessor Performance). При его определении учитываются четыре главных аспекта производительности: работа с целыми числами, с плавающей точкой, графикой и видео. Данные имеют 16- и 32-разрядное представление. Каждый из восьми параметров при вычислении участвует со своим весовым коэффициентом, определяемым по усредненному соотношению между этими операциями в реальных задачах (таблица 1.1).
Таблица 1.1 - Индекс iCOMP
Типы данных |
Тест |
Весовой коэффициент в iCOMP, % |
16- разрядные целые |
PC Labs v7.01; Processor |
52 |
32- разрядные целые |
SPECint92 |
15 |
16- разрядные, графика |
PC Labs WinBench v3.11 |
10 |
32- разрядные, графика |
SPECint92 |
5 |
16- разрядные, видео |
PC Labs v7.01; Video |
5 |
32- разрядные, видео |
SPECint92 |
5 |
16-разрядные вещественные |
Power Meter vl.7; Whetstone PC Labs v7.01; Math Coprocessor |
21 |
32-разрядные вещественные |
SPECfp92 |
5 |
По индексу iCOMP микропроцессор Pentium 100 имеет значение 810, а Pentium 133 - 1000.
Другой важнейшей характеристикой ЭВМ является емкость запоминающих устройств, которая измеряется количеством структурных единиц информации, которое может одновременно находиться в памяти. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти.
Наименьшей структурной единицей информации является бит - одна двоичная цифра. Как правило, емкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения - байтах. Современные единицы измерения приведены в таблице 1.2.
Таблица 1.2 – Единицы измерения информации
1 байт = 8 бит |
1 слово = 2 байта = 16 бит |
1 Кбайт = 210 (1024) байта |
1 Мбайт = 210Kбaйтa = = 220 байта |
1 Гбайт = 210 Мбайта = 220 Кбайта = 230 байта |
1 Тбайт = 210 Гбайта = 220 Мбайта = 230 Кбайт = 240 байта |
Обычно отдельно характеризуют емкость оперативной памяти и емкость внешней памяти. В настоящее время персональные ЭВМ могут иметь емкость оперативной памяти, равную 1-16 Гбайтам и даже больше. Этот показатель очень важен для определения, какие программные пакеты и их приложения могут одновременно обрабатываться в машине.
Емкость внешней памяти зависит от типа носителя. Так, емкость одной дискеты составляет 1,44 Мбайта в зависимости от типа дисковода и характеристик дискет. Емкость жесткого диска может достигать нескольких десятков и даже сотен Гбайтов, емкость компакт-диска (CD ROM) - сотни Мбайтов (640 Мбайт и выше) и т.д. Емкость внешней памяти характеризует объем программного обеспечения и отдельных программных продуктов, которые могут устанавливаться в ЭВМ. Например, для установки операционной среды Windows 95 требуется объем памяти жесткого диска более 100 Мбайт и не менее 8-16 Мбайт оперативной памяти ЭВМ.
Надежность - это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени (стандарт ISO 23 82/14-78).
Высокая надежность ЭВМ закладывается в процессе ее производства. Переход на новую элементную базу - сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) резко сокращает число используемых интегральных схем, а значит, и число их соединений друг с другом. Хорошо продуманы компоновка компьютера и обеспечение требуемых режимов работы (охлаждение, защита от пыли). Модульный принцип построения позволяет легко проверять и контролировать работу всех устройств, проводить диагностику и устранение неисправностей.
Точность - возможность различать почти равные значения (стандарт ISO 2382/2-76).
Точность получения результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, а также используемыми структурными единицами представления информации (байтом, словом, двойным словом).
Во многих применениях ЭВМ не требуется большой точности, например, при обрабатывании текстов и документов, при управлении технологическими процессами. В этом случае достаточно использовать 8-и, 16- разрядные двоичные коды.
При выполнении сложных расчетов требуется использовать более высокую разрядность (32, 64 и даже более). Поэтому все современные ЭВМ имеют возможность работы с 16- и 32- разрядными машинными словами. С помощью средств программирования языков высокого уровня этот диапазон может быть увеличен в несколько раз, что позволяет достигать очень высокой точности.
Достоверность – свойство информации быть правильно воспринятой.
Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов. Заданный уровень достоверности обеспечивается аппаратурно-программными средствами контроля самой ЭВМ. Возможны методы контроля достоверности путем решения эталонных задач и повторных расчетов. В особо ответственных случаях проводятся контрольные решения на других ЭВМ и сравнение результатов.