Konyukhova_arhitektura

О.В. Конюхова

АРХИТЕКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, СИСТЕМЫ И СЕТИ

0

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ - УЧЕБНО-НАУЧНО- ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС»

О.В. Конюхова

АРХИТЕКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, СИСТЕМЫ И СЕТИ

Рекомендовано ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» для использования в учебном процессе в качестве учебного пособия

для высшего профессионального образования

Орел 2014

1

УДК 004

ББК 32.81Я7 К65

Рецензенты:

кандидат технических наук, доцент кафедры «Информационные системы» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Государственный университет - учебно-научно-

производственный комплекс»

А.П. Гордиенко,

доктор технических наук, профессор, заместитель директора филиала Федерального государственного унитарного предприятия «Радиочастотный центр Центрального федерального округа» в Орловской области

А.П. Фисун

Конюхова, О.В.

К65 Архитектура вычислительных систем. Вычислительные машины, системы и сети: учебное пособие для высшего профессионального образования / О.В. Конюхова. – Орел: ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК», 2014. – 193 с.

ISBN 978-5-93932-702-2

Учебное пособие содержит актуальную информацию об архитектуре современных вычислительных систем: принципах построения и функционирования вычислительных машин, вычислительных систем параллельной обработки и микроконтроллеров, компьютерных сетей, а также современном состоянии и перспективах развития данной отрасли компьютерной индустрии. Рассматриваются основные понятия вычислительных машин, систем и сетей; принципы построения и функционирования вычислительных машин, систем и сетей и их компонентов.

Предназначено для студентов направлений подготовки 230400.62 «Информационные системы и технологии», 231000.62 «Программная инженерия», 230700.62 «Прикладная информатика», специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств». Может быть полезно студентам других специальностей при изучении информатики и программирования.

УДК 004

ББК 32.81Я7

ISBN 978-5-93932-702-2 © ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК», 2014

2

10.2.Классификация систем параллельной обработки данных.150

10.3.Вычислительные системы на кристалле.

5

ВВЕДЕНИЕ

Вычислительные системы в своем развитии достигли высокого уровня совершенства. Они компактны, обладают большой скоростью выполнения заданий и достаточно просты в обращении. Все эти качества привели к их широкому использованию. Для полного учета всех преимуществ и ограничений, характеризующих процесс решения задачи с помощью вычислительных систем, необходимо знание принципов построения и функционирования как вычислительных систем в целом, так и отдельных их устройств. Для эффективного применения вычислительных машин также необходимо понимание возможностей и знание внутренней структуры современных персональных компьютеров. Основы организации архитектуры вычислительных систем необходимы для знания многих дисциплин.

Учебное пособие содержит актуальную информацию об архитектуре современных вычислительных систем: принципах построения и функционирования вычислительных машин, вычислительных систем параллельной обработки и микроконтроллеров, компьютерных сетей, а также современном состоянии и перспективах развития данной отрасли компьютерной индустрии.

В учебном пособии рассматриваются основные понятия вычислительных машин, систем и сетей; принципы построения и функционирования вычислительных машин, систем и сетей и их компонентов.

Учебное пособие соответствует требованиям ФГОС и содержанию программ учебных дисциплин «Архитектура вычислительных систем» для студентов направлений 230400.62 «Информационные системы и технологии», 231000.62 «Программная инженерия»; «Вычислительные машины, системы и сети» для студентов специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств»; «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации» для студентов направления 230700.62 «Прикладная информатика». Может быть полезно студентам других специальностей при изучении информатики и программирования.

6

МОДУЛЬ 1. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ

1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ И ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Электронные вычислительные средства завоевали прочные позиции в жизненно важных сферах деятельности человека, и область их применения постоянно расширяется. Современная вычислительная техника (ВТ) представлена широким спектром средств обработки информации.

Развитие средств ВТ идёт по двум направлениям [1]:

1.Электронно-вычислительные машины (ЭВМ) и простейшие вычислительные системы (ВС). Эти вычислительные средства основываются на эволюционных модификациях концептуальной последовательной машины Дж. фон Неймана (1945 г.). Процесс их развития отражён в ЭВМ первого (1949 г., электронные лампы), второго (1955 г., транзисторы) и третьего (1963 г., интегральные схемы) поколений. Пределом в этой модификации является конвейерный способ обработки информации в сочетании с векторизацией. По сути, такие вычислительные машины (ВМ) представляют собой простейшие ВС. Вычислительные средства данного направления постоянно совершенствуются, главным образом, за счёт улучшения физикотехнических характеристик элементов и внутренних информационных каналов.

2.Вычислительные системы (ВС) – базируются на принципе массового параллелизма при работе с информацией. Данное направление ориентировано на применение полупроводниковых пластин

сбольшим количеством обработки данных. ВС относятся к четвёртому и последующим поколениям средств ВТ.

1.1.Основные понятия и определения

Введём несколько базовых определений ВТ [1, 2].

Система – это совокупность элементов, соединённых между собой для достижения определенной цели. Понятие системы трактуется достаточно широко: практически каждое средство ВТ может рассматриваться как система – ВМ, сети, системы параллельной обработки данных и т.п.

7

Вычислительная машина (ВМ) – это система, выполняющая заданную, чётко определённую последовательность операций (программу) в соответствии с выбранным алгоритмом обработки информации.

Алгоритм – набор предписаний, однозначно определяющий содержание и последовательность выполнения действий для решения задач.

Операнд – величина (или объект), над которой проводится операция в ВМ.

Результат – совокупность данных, получаемых по завершении операции или программы.

Вычислительная система (ВС) – это совокупность аппаратнопрограммных средств, предназначенная для параллельной обработки данных или локального управления технологическим оборудованием, настроенная на решение задач конкретной области применения. ВС бывают многопроцессорными (содержат несколько процессоров, между которыми происходит интенсивный обмен информацией и имеется единое управление вычислительными процессами) и микропроцессорными (строятся на базе микропроцессора или микроконтроллера либо специализированного процессора цифровой обработки сигналов; используются для локального управления технологическим оборудованием в технических и бытовых системах).

Принципы организации и функционирования ВМ и ВС во многом схожи, однако имеются и принципиальные различия. Во избежание путаницы и излишнего использования обоих понятий при последующем изложении материала, содержащем сведения, общие для ВМ и ВС, будет использоваться термин ВМ, а содержащем сведения, характерные только для ВС, будет использоваться термин ВС.

Для наглядного представления ВМ их изображают в виде схем, состоящих из блоков и связей между ними. Такие схемы представляют собой ориентированный граф, вершины которого – блоки.

В функциональной схеме блоки выделяются по функциональному признаку, в структурной схеме блоки соответствуют конструктивным компонентам – устройствам, узлам, интегральным схемам. Отдельные блоки функциональной и структурной схем могут совпадать. С каждым блоком связаны входы, выходы и функция, которая задаёт правила получения выходных последовательностей по входным последовательностям.

Структура – это совокупность элементов и их связей.

8

Функциональная организация ВМ – это представление её как аб-

страктной системы в виде функциональной схемы, иллюстрирующей результат функциональной декомпозиции. Для сложных систем, таких, как ВМ и сети, часто используется иерархия представлений.

Структурная организация ВМ – это представление её как сис-

темы в виде схемы, содержащей реально реализуемые устройства, узлы, элементы.

Функциональные схемы ВМ состоят из блоков, каждый из которых является преобразователем информации.

Преобразователь информации – это некоторый блок, имеющий входы для поступления информации и некоторые выходы, на которых представлена выходная информация.

Информация на входах и выходах блоков представлена сигналами. Сигнал – это носитель информации в виде изменяющейся во времени физической величине, обеспечивающей передачу данных. В настоящее время подавляющее большинство преобразователей информации представляют собой электронные схемы, содержащие соединённые определённым образом между собой электронные ключи – вентили. Эти электронные схемы реализуются с использованием технологий современной микроэлектроники в виде интегральных схем. Для представления сигналов приняты два непересекающихся диапазона уровней напряжения. При напряжении 5В: диапазон 0 – 0,4В соответствует значению логического «0» в двоичной системе счисления, диапазон 2,4 – 5В соответствует значению логичес-

кой «1».

Информация в ВМ представляется в виде двоичных кодов фиксированной длины (машинных слов). Для получения, передачи, хранения и обработки информации используются аппаратные и программные средства, называемые вычислительными ресурсами.

Многоуровневая иерархия аппаратных и программных средств, из которых строится ВМ, называется архитектурой ВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения вычислительных машин.

Несколько ВМ или ВС, информационно связанных между собой, образуют вычислительный комплекс (ВК). При этом каждая машина самостоятельно управляет своими вычислительными процессами, и информационный обмен между вычислительными машинами комплекса не является интенсивным (например, цех, корабль и т.д.).

9