Учебники 80389

Введение

В1802 электричество впервые было использовано для нагрева проводника. Спустя столетие, благодаря использованию электричества активное развитие получила вычислительная техника. Вычислительная техника стала электронной совсем недавно, в середине прошлого столетия, эволюционно сменив механические счетные машинки. В конце двадцатого столетия вычислительная техника совершила головокружительный рывок в развитие, обусловленный открытием полупроводниковых свойств материалов.

Внастоящее время скорость развития узлов современной электронной вычислительной машины (ЭВМ) достигла уровня, когда она морально устаревает, не успев даже запылиться. Сложность процессоров возросла многократно. Роль человека в создании новых образцов активно замещается ЭВМ. Пользователю все сложнее разобраться в принципах функционировании современной электронной техники, иные считают процессор ЭВМ не познаваемым. Однако, практически все узлы сложной современной ЭВМ, не что иное, как электрические схемы, реализующие только два логических состояния "Вкл" (включено) и "Выкл" (выключено), и нагревающиеся при протекании электрического тока.

Целью предлагаемого учебного пособия является попытка краткого изложения основных принципов организации, функционирования, взаимосвязи элементов и узлов ЭВМ, а также реализации вычислительных систем.

Вглавах с первой по третью приводится история развития ЭВМ, арифметические операции над данными в ЭВМ и рассматриваются логические элементы, и функциональные элементы вычислительных машин.

Вчетвертой главе уделено особое внимание рассмотрению работы моделирующего компьютера, простая реализация которого позволяет легко представит работу современного процессора. Вкратце рассмотрена общая структура и устройство персонального компьютера. Так же приводится обзор методов повышения производительности современных процессоров. Ввиду стремительных темпов развития микропроцессорной техники и гораздо меньших, темпов выхода учебной литературы, обзор новых процессоров предлагается провести на практических занятиях самостоятельно. Пятая глава посвящена организации оперативной памяти, рассмотрены принципы организации, разновидности и приводится обзор конкретных типов памяти. В шестой главе речь пойдет о интерфейсах ЭВМ, служащих для взаимодействия различных элементов, рассмотрена их эволюция, приведены основные характеристики.

Материнская плата рассматривается в седьмой главе. Проводится обзор основных архитектур организации системных или материнских плат. Анализ конкретных реализаций предлагается провести самостоятельно на практических занятиях. Попытка обзора многообразия внешних устройств ЭВМ осуществляется в восьмой главе. Проводится краткое рассмотрение основных принципов организации и архитектуры таких устройств как жесткий и оптический диск, сканер, принтер, монитор, мышь и т.д. Уделено внимание их характеристикам. В девятой главе излагается понятие вычислительных систем её различные классификации. Рассмотрены примеры некоторых архитектур вычислительных систем.

3

Глава 1. Начальные сведения об ЭВМ

1.1. Исторический обзор

Слово «компьютер» означает «вычислитель», т.е. устройство для вычислений. Многие тысячи лет назад для вычислений использовались счетные палочки, камешки и т.д. Более 1500 лет тому назад (а может быть и значительно раньше) для облегчения вычислений стали использоваться счеты.

В 1642 г. Блез Паскаль изобрел устройство, механически выполняющее сложение чисел, а в 1673 г. Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструировал арифмометр, позволяющий механически выполнять четыре арифметических действия. В первой половине XIX в. английский математик Чарльз Бэббидж попытался построить универсальное вычислительное устройство аналитическую машину, которая должна была выполнять вычисления без участия человека, работа осталась незавершенной из за слабой технической базы того времени. Однако Чарльз Бэббидж разработал все основные идеи вычислительных машин. В 1943 г. американец Говард Эйкен с помощью работ Бэббиджа на основе техники XX в. - электромеханических реле - смог построить на одном из предприятий фирмы IBM такую машину под названием «Марк-1». Еще раньше идеи Бэббиджа были переоткрыты немецким инженером Конрадом Цузе, который в 1941 г. построил аналогичную машину.

Начиная с 1943 г. группа специалистов под руководством Джона Мочли и Преспера Экерта в США начала конструировать подобную Машину уже на основе электронных ламп, а не реле. Их машина, называлась ENIAC и работала в тысячу раз быстрее, чем Марк-1, однако программирование осуществлялось путем сложной коммутации проводников. В 1945г. знаменитый математик Джон фон Нейман подготовил доклад в котором ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств (компьютеров). Компьютер должен иметь следующие устройства (рис.1.1):

• арифметическо - логиче-

состоять из ячеек легко доступных для других устройств компьютера;

• внешние устройства для ввода-вывода информации.

4

Между устройствами компьютера должны быть связи (жирные линии показывают управляющие связи, тонкие — информационные).

Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом.

Структура современных компьютеров несколько отличается, но в основных чертах соответствует принципам фон Неймана.

1.2. Классы вычислительных машин

Электронная вычислительная машина (ЭВМ), компьютер — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

ЭВМ можно классифицировать по ряду признаков, в частности:

•физическому представлению обрабатываемой информации;

•поколениям (этапам создания и элементной базе).

•сферам применения

Физическое представление обрабатываемой информации

Здесь выделяют аналоговые (непрерывного действия); цифровые (дискретного действия); гибридные (на отдельных этапах обработки используются различные способы физического представления данных).

АЭВМ — аналоговые электронные вычислительные машины, или вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме.

ЦЭВМ — цифровые электронные вычислительные машины, или вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в цифровой форме.

ГЭВМ — гибридные электронные вычислительные машины, или вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме. ГЭВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

В результате эволюция вычислительных систем большее развитие получили ЦЭВМ и в настоящее время в название термин «цифровые» не используется.

1.3. Поколения ЭВМ

Кпервому поколению относят машины, созданные на рубеже 50-

хгг. и базирующиеся на электронных лампах. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. Быстродействие порядка 10-20 тыс. операций в секунду.

Отечественные машины первого поколения: МЭСМ (малая электронная счетная машина), БЭСМ, Стрела, Урал, М-20.

5

Второе поколение компьютерной техники машины, сконструи-

рованные в 1955—65 гг. Характеризуются использованием в них как электронных ламп, так и дискретных транзисторных логических элементов. Их оперативная память была построена на магнитных сердечниках. Эти машины характеризуются быстродействием до сотен тысяч операций в секунду, емкостью памяти - до нескольких десятков тысяч слов.

Машины третьего поколения — появились в 60-е гг. это семейство машин с использованием интегральных схем (микросхем). Они обладают возможностями параллельного выполнения нескольких программ.

Примеры машин третьего поколения — семейства IBM-360, IBM-370, EC ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др.

Быстродействие машин изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду.

Четвертое поколение — это основной контингент современной компьютерной техники, разработанной после 70-х гг. В машинах четвертого поколения широко использовались интегральных схемы в качестве элементной базы и сверхбольшие интегральные схемы.

Быстродействие составляет до нескольких десятков миллионов операций в секунду, емкость оперативной памяти порядка 1-512 Мбайт.

В компьютерах пятого поколения предположительно должен произойти качественный переход от обработки данных к обработке зна-

ний. Система будет обладать интеллектуальным интерфейсом и широко использоваться децентрализованная обработка на основе распределенной сети большого числа несложных микропроцессоров.

1.4. Сферы применения ЭВМ

СуперЭВМ, суперкомпьютер, вычислительная система (ВС)

Предназначен для высокоскоростного выполнения прикладных процессов

Имеет скалярные и векторные процессоры. Совместная работа процессоров основывается на различных архитектурах

Супер-миниЭВМ

Многопультовые вычислительные системы Мультипроцессорная архитектура, позволяющая подключение до

нескольких сот терминалов (наличие наращиваемых дисковых запоминающих устройств)

Большие ЭВМ (мэйнфреймы -mainframe)

Обработка больших объемов данных крупных предприятий и организаций

Мультипроцессорная архитектура, позволяющая подключение нескольких сот рабочих мест

Мини-ЭВМ

Системы управления предприятиями

6

Однопроцессорная архитектура, разветвленная система периферийных устройств(ограниченныевозможности, обработкасловменьшейдлиныит. д.)

1.5. Оценка производительности вычислительных систем

Единицей измерения производительности компьютера является время: Компьютер, выполняющий тот же объем работы за меньшее время является более быстрым или меньшее время подразумевает большую производительность.

Производительность центрального процессора зависит от трех параметров: такта (или частоты) синхронизации, среднего количества тактов на команду и количества выполняемых команд.

Когда сравниваются две машины, необходимо рассматривать все три компоненты, чтобы понять относительную производительность.

Подходящей и надежной единицей измерения производительности является время выполнения реальных программ, и все предлагаемые замены этого времени в качестве единицы измерения или замены реальных программ в качестве объектов измерения на синтетические программы только вводят в заблуждение.

MIPS

Одной из альтернативных единиц измерения производительности процессора (по отношению к времени выполнения) является MIPS - (миллион команд в секунду).

В общем случае MIPS есть просто отношение количества команд в программе к времени ее выполнения. Более быстрые машины будут иметь более высокий рейтинг MIPS. Результаты MIPS соответствуют интуитивным представлениям. Проблемы использования MIPS в качестве метрики для сравнения. Во-первых, MIPS зависит от набора команд процессора, что затрудняет сравнение по MIPS компьютеров, имеющих разные системы команд. Во-вторых, MIPS даже на одном и том же компьютере меняется от программы к программе. В-третьих, MIPS может меняться по отношению к производительности в противоположенную сторону.

Другое определение MIPS связано с очень популярным когда-то компьютером VAX 11/780 компании DEC. Именно этот компьютер был принят в качестве эталона для сравнения производительности различных машин. Считалось, что производительность VAX 11/780 равна 1MIPS (одному миллиону команд в секунду).

MFLOPS

MFLOPS - миллион чисел-результатов вычислений с плавающей точкой в секунду, или миллион элементарных арифметических операций над числами с плавающей точкой, выполненных в секунду.

Как единица измерения, MFLOPS, предназначена для оценки производительности только операций с плавающей точкой, и поэтому не применима

7

вне этой ограниченной области. Рейтинг MFLOPS базируется на количестве выполняемых операций, ане на количестве выполняемых команд.

Проблема рейтинга MFLOPS заключается в том, что меняются его значения не только на смеси целочисленных операций и операций с плавающей точкой, но и на смеси быстрых и медленных операций с плавающей точкой.

Решение обеих проблем реализовано в тестовом пакете "Ливерморские циклы".

Ливерморские циклы

Ливерморские циклы - это набор фрагментов программ на Фортране, каждый из которых взят из реальных программных систем, эксплуатируемых в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (США).

Пакет Ливерморских циклов используется для оценки производительности вычислительных машин с середины 60-х годов. Ливерморские циклы это фрагменты программ численных задач. Появление новых типов машин, в том числе векторных и параллельных, не уменьшило важности Ливерморских циклов, однако изменились значения производительности и величины разброса между разными циклами.

LINPACK - это пакет программ на Фортране для решения систем линейных алгебраических уравнений. Все операции выполняются над числами с плавающей точкой, представленными с двойной точностью. Результат измеряется в MFLOPS.

Для многопроцессорных систем также имеются параллельные версии LINPACK и такие системы часто показывают линейное увеличение производительности с ростом числа процессоров.

SPECint92, SPECfp92

Пакет тестов, базирующихся на реальных прикладных программах широкого круга пользователей и обеспечивающих эффективную оценку производительности процессоров, разработан корпорацией SPEC (Standard Performance Evaluation Corporation).

Набор тестов CINT92, измеряющий производительность процессора при обработке целых чисел.

Набор тестов CFP92, измеряющий производительность процессора при обработке чисел с плавающей точкой.

SPECint92 - среднее геометрическое 6 результатов индивидуальных тестов из набора CINT92 и SPECfp92 - среднее геометрическое 14 результатов индивидуальных тестов из набора CFP92.

Следует отметить, что результаты тестирования на наборах CINT92 и CFT92 сильно зависят от качества применяемых оптимизирующих компиляторов. Для более точного выяснения возможностей аппаратных средств с середины 1994 года SPEC ввел две дополнительные составные оценки: SPECrate_base_int92 и SPECrate_base_fp92, которые наклады-

вает ограничения на используемые компиляторы.

8

Глава 2. Арифметические операции над данными в ЭВМ

2.1. Аналоговые и цифровые сигналы. Дискретизация

Для ввода и вывода данных в ЭВМ используются аналоговые и дискретные сигналы.

Аналоговым (непрерывным) называется сигнал значения которого определены в любой момент времени. К таким сигналам относятся: речь людей, температура окружающей среды и др.

a) б)

Рис. 2.1. Пример: аналоговый сигнал (а) и соответствующий ему дискретный сигнал (б)

Дискретным называется сигнал значения которого определены в счетные моменты времени, а в другие моменты значения неизвестны.

Дискретный сигнал получают из аналогового путем измерения его значений через равные интервалы времени равные τ = 12F , где F – мак-

симальная частота аналогового сигнала. Такая процедура называется дискретизацией. Для последующей обработки дискретного сигнала с помощью цифровой техники осуществляется квантование дискретных значений по амплитуде. Квантование заключается в разбиение каждого элемента дискретного сигнала на кванты. Каждое значения округляют до некоторой заданной фиксированной величины, называемой уровнем. Расстояние между соседними уровнями именуется шагом. Из-за округления квантование всегда связано с определенным искажением сигнала. Уменьшение искажения требует увеличения числа уровней квантования и уменьшения шага квантования. Число используемых уровней отображается в количестве разрядов используемых для представления величины, для цифровой техники эта величина измеряется в битах. Например для звука стандарта CD используется запись - 16 бит, 44 кГц означающая, что отсчеты сформированы через интервал времени 1/44 000 с, с точностью до 1/65 536 от максимальной громкости сигнала (поскольку 216 = 65 536). Такой стандарт воспроизводит звуковой сигнал в диапазоне частот от 0 – 22 кГц, с динамическим диапазон - 96 децибел (что составляет совершенно недостижимую для магнитной или механической звукозаписи характеристику качества).

В результате дискретизации и квантования аналогового сигнала формируется цифровой сигнал. Такое преобразование осуществляется в

9

аналого-цифровом преобразователе — АЦП (analog-to-digital conversion).

Цифровые сигналы имеют два логических уровня "0" и "1" , которым соответствуют различные напряжения (например "0" соответствует +3 В, "1" соответствует -3 В).

Вкачестве единицы информации Клод Шеннон предложил принять один бит (англ. bit — binary digit — двоичная цифра).

Ввычислительной технике битом называют наименьшую «порцию» памяти компьютера, необходимую для хранения одного из двух знаков 0 и 1, используемых для машинного представления данных и команд.

Байт равен восьми битам. В частности, восемь бит требуется для то-

го, чтобы закодировать любой из 256 символов основного компьютерного кода ASCII (256 = 28).

Используются также более крупные производные единицы инфор-

мации:

Килобайт (Кбайт) = 1024 байт = 210 байт; Мегабайт (Мбайт) .= 1024 Кбайт = 220 байт; Гигабайт (Гбайт) = 1024 Мбайт = 230 байт.

Впоследнее время в связи с увеличением объемов обрабатываемой

информации входят в употребление такие производные единицы, как: Терабайт (Тбайт) = 1024 Гбайт = 240 байт; Петабайт (Пбайт) = 1024 Тбайт = 250 байт; Экзобайт = 1018 Мбайт и пр.

Для описания скорости передачи данных можно использовать термин бод. Число бод равно количеству значащих изменений сигнала (потенциала, фазы, частоты), происходящих в секунду. Первоначально бод использовался в телеграфии. Для двоичных сигналов нередко принимают,

что бод равен биту в секунду.

2.2. Системы счисления

Наиболее естественный способ представления числа в компьютерной системе заключается в использовании строки битов, называемой двоичным числом — числом в двоичной системе счисления (символ также может быть представлен строкой битов или символа).

Система счисления — способ именования и изображения чисел с помощью символов, имеющих определенные количественные значения. В зависимости от способа изображения чисел системы счисления делятся на:

•непозиционные;

•позиционные

Непозиционные системы счисления. В непозиционной системе циф-

ры не меняют своего количественного значения при изменении их расположения в числе.

Самый простой и очевидный пример — система счисления, где количество обозначается I (палочкой / единицей): 3 = 1 1 1; 5 = 1 1 1 1 1 и т.д.

10