Учебники 80389

9.5.Обобщенные представления об архитектуре вычислительных машин, систем и сетей

Рассматривая архитектуру ЭВМ, вычислительных систем, суперкомпьютеров и информационно-вычислительных сетей с общих позиций и абстрагируясь от деталей, можно воспользоваться следующей схемой (рис. 9.11).

Основываясь на принципах классификации Скилликорна (рис.9.5), построенной на следующих элементах-объектах:

•процессор команд (IP — Instruction Processor) — функциональное устройство, работающее как интерпретатор команд; в системе, вообще говоря, может отсутствовать;

•процессор данных (DP — Data Processor) — функциональное уст-

ройство, работающее как преобразователь данных, в соответствии с арифметическими операциями;

•иерархия памяти (IM — Instruction Memory, DM — Data Memory)

—запоминающее устройство, в котором хранятся данные и команды, пересылаемые между процессорами;

•переключатель — абстрактное устройство, обеспечивающее связь между процессорами и памятью.

Таким образом, имеются:

•процессоры и блоки памяти — информационно-вычислительная

среда;

•средства коммутации и коммуникации - коммуникационно-

коммутационная среда.

Все эти компоненты активно присутствуют как в ЭВМ, так и в вычислительных сетях и системах (суперЭВМ).

Процессоры (один или несколько)

Коммутационная среда или среды

Коммуникационная среда или среды

Коммутационная среда или среды

Блоки памяти (запоминающая среда)

Рис. 9.11. Абстрактное представление об архитектурах ЭВМ, вычислительных систем и сетей.

271

Заключение

Понятие архитектура ЭВМ объединяет общие принципы построения вычислительной техники, принципы действия, взаимные соединения и взаимодействие основных функциональных узлов, организацию памяти и систему команд, функционирование и организация работы процессора.

Современный уровень развития вычислительной техники есть результат многих трудов инженеров и ученых не один десяток лет занимающихся развитием и разработкой электронных вычислительных устройств. Первая появившаяся счетная машинка была механической, её изобрел французский математик Паскаль в 1642г. Идея программно-управляемого вычислителя, имеющего арифметическое устройство, устройства управления, ввода и печати, предложена английским математиком Бэббиджем в 1822г. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. В основе его лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычисления.

Стандартом для построения практически всех ЭВМ является принцип программного управления, описанный Фон-Нейманом в 1945г. Суть его заключается в том, что все вычисления предписанные алгоритмом решения задач должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов команд. Каждая команда должна содержать указание на конкретную, выполняемую операцию, места нахождения (адреса) операндов и ряд служебных признаков. Для доступа к программам, командам и операциям используют их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ предназначенных для хранения объектов. Информация (командная и данные: числовые, текстовая, графическая и т.п.) кодируется двоичными цифрами 0 и 1, что делает не различимыми различные типы информации, размещенные в памяти ЭВМ. Идентификация информации возможна только при выполнении программ согласно её логике по контексту.

Процессор или микропроцессор является основным устройством ЭВМ он предназначен для выполнения команд обработки данных по хранящейся в запоминающем устройстве программы и обеспечения общего управления ЭВМ. Во всех процессорах используются такие функциональные элементы, как регистр, счетчик, сумматор, шифратор, мультиплексор. Быстродействие ЭВМ зависит от многих факторов, основными из которых

272

являются структура процессора и используемая длинна команд, тактовая частота, разрядность шины данных и шины адреса, объем и быстродействие оперативных запоминающих устройств, оптимальность программного управления. Не оптимальность одного из них приводит к снижению производительности всей ЭВМ. До недавнего времени рост производительности ЭВМ был связан с повышением тактовой частоты процессора и увеличением объема и быстродействия оперативной памяти. Такая тенденция имеет физически обоснованный предел на тактовую частоту, связанный с волновыми процессами, происходящими в процессоре и ЭВМ в целом. Этот предел в 3ГГц достигнут. Основным перспективным направлением повышения производительности ЭВМ является использование многоядерных процессоров и значительное увеличение разрядности шин адреса и данных. Такой прием широко используется в специализированных вычислительных системах. Благодаря достижениям полупроводниковой промышленности изготовление микросхем выполняется на основе нанометровой технологии, значительно повышающей плотность упаковки микроэлементов на кристалле.

Большое число производителей различных узлов вычислительной техники, конкурирующих друг с другом, обусловлено тем, что современные ЭВМ построены по принципу «открытой архитектуры». Согласно этому принципу стандарты на разъемы, параметры сигналов и правила обмена модулей друг с другом являются открытыми, и любая фирма может производить оборудование в соответствии с этими стандартами. Это обеспечивает большое разнообразие внешних устройств и отдельных модулей ПК, но все они совместимы друг с другом.

Высокая скорость развития и многообразие вычислительной технике не позволяет охватить в учебном пособие все современные модификации и достижения в структуре и архитектуре узлов, устройств, процессоров ЭВМ. Изучение конкретных реализации вычислительных систем, в большинстве уникальных, достаточно трудоемко, кропотливо и выходит за рамки пособия. Изложенные же базовые понятия архитектуры ЭВМ позволят разобраться с новыми разработками, для этого необходимо только желание выучить и желание узнать новое.

273

Вопросы для самопроверки

1.История развития ЭВМ. Классы, поколения и сферы применения вычислительных машин.

2.Оценка производительности вычислительных систем

3.Системы счисления, двоичная арифметика.

4.Кодирование, обработка и представление чисел в ЭВМ

5.Выполнение арифметических операции в ЭВМ

6.Высказывание. Сложные высказывания.

7.Основные законы алгебры логики.

8.Триггер. Регистр. Счетчики.

9.Шифраторы и дешифраторы. Мультиплексоры. Демультиплексоры

10.Сумматоры.

11.Логические узлы ЭВМ, простейшие типы архитектур

12.Персональный компьютер структура и основные принципы функционирования

13.Процессор, структура и функционирование

14.Структурная схема МП8086 и его основные элементы

15.Способы ввода – вывода данных

16.Арифметико-логическое устройство процессора

17.Характеристики процессоров

18.Технологии повышения производительности процессора. Параллелизм и конвейеризация.

19.Динамическое исполнение инструкций.

20.Технология Hyper-Threading. Многоядерность

21.Оперативные запоминающие устройства. Основные принципы организации и характеристики

22.Динамическаяпамять. Основныепринципыорганизацииихарактеристики

23.Статическая память. Постоянные запоминающие устройства.

24.Логическая организация памяти. Адресация памяти в ЭВМ.

25.Интерфейсы. Классификация интерфейсов. Внутренние интерфейсы.

26.Интерфейсы периферийных устройств. Внешние интерфейсы.

27.Внешние запоминающие устройства. Принцип действия и параметры. Карты памяти.

28.Внешние устройства вывода графической, текстовой, мультимедиа информации. Принцип действия и параметры.

29.Средства интерактивного взаимодействия пользователя с ЭВМ.

30.Системная(материнская) платаЭВМ. Характеристики. Основныеэлементы.

31.Звуковая карта. Основные принципы организации и характеристики.

32.Видео карта (плата). Основные принципы организации и характеристики.

33.Вычислительная система. Основные определения.

34.Уровни и средства комплексирования.

35.Классификация архитектуры ВС с параллельной обработкой данных.

36.Основные классы архитектур вычислительных систем.

274

Библиографический список

1.Таненбаум, Э. Архитектура компьютера / Э.Таненбаум. - СПб.: Пи-

тер, 2003, 704 с.

2.Цилькер, Б.Я. Организация ЭВМ и систем / Б.Я. Цилькер, С.А. Ор-

лов. - СПб.: Питер, 2004, 668 с.

3.Жмакин, А.П., Архитектура ЭВМ / А.П. Жмакин. – СПб.: БХВПетербург, 2006. 320с.

4.Ильина, О.П. Архитектура ЭВМ и систем / О.П.Ильина, В.Л. Бройдо.

– изд-во: Питер.- 2006

5.Беркс, А. Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства / А. Беркс, Г. Голдстейн, Дж.. Нейман // Кибернетический сборник.- Вып. 9. - М.: Мир, 1964.

6.Гилмор, Ч. Введение в микропроцессорную технику / Ч. Гилмолр :

пер. с англ. – М.: Мир, 1984.-334 с.

7.Савельев, А.Я. Прикладная теория цифровых автоматов / А.Я. Савельев. - М.: Высшая школа, 1987

8.Шагурин, И.И. Процессоры семейства P6 – Pentium II, Pentium III, Celeron и другие. Архитектура, программирование, интерфейс./ И.И. Шагурин, Е.М. Бердышев.- М.: Телеком.- 2000.- 248 c.

9.Митницкий, В.Я. Архитектура IBM PC и язык Ассемблер / В.Я.

Митницкий. – М.: МФТИ, 2000.-148с. 10.http://www.ixbt.com 11.http://www.compreviews.ru 12.http://www.xard.ru 13.http://www.3dnews.ru 14.http://www.accessoft.ru

275

Оглавление

Введение………………………………………………………….......................3

Глава 1. Начальные сведения об ЭВМ………………………………………..4

1.1.Исторический обзор…………………………………………….…..4

1.2.Классы вычислительных машин…………………………...………5

1.3.Поколения ЭВМ……………………………………………….……5

1.4.Сферы применения ЭВМ………………………………………...…6

1.5.Оценка производительности вычислительных систем……….......7

Глава 2. Арифметические операции над данными в ЭВМ……………….….9

2.1.Аналоговые и цифровые сигналы. Дискретизация……….………9

2.2.Системы счисления…………………………………………..……10

2.3.Представление чисел в ЭВМ…………………………………...…12

2.4.Специальные коды представления чисел в ЭВМ……………..…14

2.5.Двоичная арифметика…………………………………………..…16

2.6.Выполнение арифметических операции в ЭВМ……………...…17

Глава 3. Логические основы вычислительных машин…………………..…23

3.1. Элементы алгебры логики……………………………………..…23

3.2 Основные законы алгебры логики……………………………..…26

3.3.Основные логические и функциональные элементы вычислительных машин……………………………………….…28

3.4.Регистр и счетчики……………………………………………...…30

3.5.Шифраторы и дешифраторы……………………………………...32

3.6Мультиплексоры и демультиплексоры ……………………..……35

3.7.Сумматоры…………………………………………………………38

Глава 4. Архитектура и структура вычислительных машин и систем….…41

4.1.Базовые представления об архитектуре ЭВМ………………...…41

4.2.Логические узлы (агрегаты) ЭВМ,

простейшие типы архитектур……………………………………42

4.3.Персональный компьютер……………………………………..…45

4.4.Структура моделирующего компьютера

ипринцип его действия……………………………………………50

4.5.Процессор, структура и функционирование……………….……54

4.6.Структурная схема микропроцессора……………………………58

4.7.Арифметико-логическое устройство (АЛУ)……………….……72

4.8.Характеристики процессоров………………………………….…74

4.9.Технологии повышения производительности процессора…..…77

4.10.Динамическое исполнение (Dynamic execution technology)…..85

276

4.11 Технология Hyper-Threading. Многоядерность…………………89

Глава 5. Организация оперативной памяти…………………………………96

5.1.Основные принципы организации оперативной памяти……..…96

5.2.Динамическая память………………………………………….…101

5.3.Статическая память………………………………………………110

5.4.Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ)……………...…113

5.5.Логическая организация памяти………………………………...114

5.6.Адресация памяти в ЭВМ……………………………………..…118

Глава 6. Интерфейсы……………………………………………………...…120

6.1.Классификация интерфейсов……………………………………120

6.2.Внутренние интерфейсы…………………………………………121

6.3.Интерфейсы периферийных устройств…………………………129

6.4.Внешние интерфейсы……………………………………………133

Глава 7. Системные платы…………………………………………..………140

7.1.Основные понятия системной платы………………………...…140

7.2.Формфактор системных плат……………………………………143

7.3.Компоненты системной платы…………………………………..143

7.4.Архитектура организации систем…………………………….…145

7.5.Шины ввода-вывода………………………………………...……149

7.6.Дополнительные интегральные микросхемы………………..…150

7.7.Основы BIOS…………………………………………………..…152

Глава 8. Внешние устройства…………………………………………….…155

8.1.Накопители массивов информации (ВЗУ)…………………...…155

8.1.1.Накопители на магнитных лентах…………………….…156

8.1.2.Накопители на магнитных дисках……………………….160

8.1.3.Съемные магнитные накопители……………………...…165

8.1.4.Накопители на компакт-дисках……………………….…167

8.1.5.Технология DVD………………………………………….169

8.1.6.Магнитооптические накопители…………………………170

8.1.7.Флэш – накопители…………………………………….…173

8.2.Периферийные устройства ввода-вывода текстовой

играфической информации………………………………….………174

8.2.1.Принтеры…………………………………………………174

8.2.2.Сканеры……………………………………………………183

8.2.3.Плоттеры…………………………………………..………185

277

8.3.Мультимедиа…………………………………………………..…188

8.3.1.Звуковые карты……………………………………………189

8.3.2.Входы / выходы звуковой карты……………………...…196

8.3.3.Принцип работы звуковой карты……………………..…197

8.3.4.Основные характеристики звуковых карт………………201

8.3.5.Видео адаптер или видео карта………………………..…204

8.3.6.Построение трехмерных изображений……………….…210

8.3.7.Особенности видеопамяти………………………….……216

8.3.8.Видеоадаптеры – эволюция интерфейсов………….……218

8.3.9.Принцип действия технологии SLI…………………...…220

8.3.10.Аппаратное ускорение физики в играх……………...…223

8.3.11.ТВ-тюнеры………………………………………………226

8.3.12.Видеокарты-комбайны…………………………………232

8.3.13.Платы видеозахвата………………………………….…233

8.4.Средства интерактивного взаимодействия…………….………235

(ввод-вывод данных и управление компьютером)

8.4.1.Терминал…………………………………………….….…235

8.4.2.Устройство монитора на основе ЭЛТ…………….…..…237

8.4.3.Устройство ЖК монитора…………………………..……238

8.4.4.Другие типы плоскопараллельных дисплеев…………...244

8.4.5.Манипуляторы — мыши, трекболы. Дигитайзеры…….245

Глава 9. Вычислительные системы…………………………………………252

9.1.Основные понятия……………………………………………..…252

9.2.Уровни и средства комплексирования. Логические и физические уровни…………………………………………..…253

9.3.Классификация архитектуры вычислительных систем с

параллельной обработкой данных………………………………255

9.4 Примеры некоторых архитектур вычислительных систем….…261

9.5.Обобщенные представления об архитектуре вычислительных машин, систем и сетей……………………….271

Заключение……………………………………………………...……………272

Вопросы для самопроверки…………………………………………………274

Библиографический список…………………………………………………275

278