Организация эвм и систем

Введение

Глава 1 Структура современного компьютера

1. Основные понятия

2. Принцип действия компьютера

3. Аппаратура и программное обеспечение компьютера. Понятие об архитектуре.

4. Надежность, производительность и показатели быстродействия

5. Вычислительные системы и сети

Глава 2 Представление информации в компьютере

2.1 Системы счисления

2. Формы представления чисел

3. Машинные коды

4. Кодирование текстовой информации

Глава 3 Элементы и типовые узлы компьютера

3.1 Составные части компьютера

3.2 Логические элементы

3.3 Триггеры

Общие сведения о триггерах

Асинхронный и синхронный RS-триггеры

Асинхронный и синхронный D-триггеры

T-триггер

JK-триггер

3.4 Типовые узлы комбинационного типа

Дешифраторы

Сумматоры

Мультиплексоры

Демультиплексоры

3.5 Типовые узлы накапливающего типа

Регистры

Счетчики

Глава 4 Арифметико-логическое устройство

4.1 Организация АЛУ

4.2 Операции над числами с фиксированной точкой

4.3 Операции над числами с плавающей точкой

4.4 Многофункциональные АЛУ

Глава 5 Архитектура современных процессоров

5.1 Назначение и структура процессора

5.2 Система команд. Форматы команд и способы адресации

5.3 Система прерываний и приостановок, состояние процессора

Характеристика системы прерываний

Приоритет прерываний

Организация перехода к прерывающей программе

5.4 Режимы работы процессора: однопрограммный, пакетный, разделения времени, реального времени

5.5 CISC и RISC компьютеры. Процессоры персональных компьютеров

5.6 Устройства управления

Устройства управления с «жесткой» логикой

Устройства управления с хранимой в памяти логикой

5.7 Методы и средства повышения производительности процессоров персональных компьютеров:

Конвейерная обработка информации

Суперскалярная обработка

Переименование регистров

Динамическое прогнозирование условных переходов

Глава 6 Организация памяти

6.1 Адресное пространство

6.2 Виды памяти

6.3 Оперативная память

Организация ОП. Динамическая память

Ускорение обменов с ОП

6.4 Кэш-память

6.5 Внешняя память. Прямой доступ к ОЗУ

6.6 Организация виртуальной памяти

Страничное, сегментное и странично-сегментное распределение

Свопинг

6.7 Защита памяти

Глава 7 Интерфейсы

7.1 Понятие интерфейса и его характеристики

7.2 Состав линий интерфейса (шины)

7.3 Подключение устройств. Арбитраж.

7.4 Шина PCI

7.5 Малые интерфейсы (USB, IDE, RS-232C, SCSI)

Глава 8 Периферийные устройства ЭВМ

8.1 Организация систем ввода-вывода. Каналы, контроллеры

8.2 Клавиатура и мышь

8.3 Дисплеи

8.4 Принтеры

8.5 Накопители на магнитных дисках

8.6 Оптические диски (CD-ROM, CD-R, CD-WR, DVD)

8.7 Другие виды периферийных устройств

Глава 9 Организация мультипроцессорных и многомашинных систем

9.1 Классификация ВС с несколькими процессорами

9.2 Конвейерные системы

9.3 Симметричные системы

9.4 ВС со сверхдлинным командным словом

9.5 Другие архитектуры мультипроцессорных систем

Глава 10 Организация вычислительного процесса

10.1 Основные задачи управления вычислительным процессом

10.2 Состав и назначение операционной системы

10.3 Операционные системы однопроцессорных машин

10.4 Особенности операционных систем мультипроцессорных машин

Глава 11 Локальные сети

11.1 Организация вычислительных сетей

11.2 Классификация сетей ЭВМ

Локальная сеть

Региональная сеть

11.3 Особенности структурной реализации локальных вычислительных сетей

11.4 Локальные вычислительные сети архитектуры Ethernet

Протокол доступа к среде

Кабельная система IEEE 802.3

Кодирование на физическом уровне

Производительность 802.3 Технология Fast Ethernet

Технология Gigabit Ethernet

Коммутируемый Ethernet

11.5 Беспроводные ЛВС стандарта 802.11

11.6 Функции вычислительной машины в локальной вычислительной сети

Глава 12 Особенности машин для построения серверов

12.1 Требования к серверам различного назначения

12.2 Системы автоматического контроля и диагностики

Корректирующая способность кода и функции систем контроля Контроль передач информации

Контроль арифметических операций

12.3 Защита памяти. RAID-массивы

12.4 Построение «безотказных» систем питания

Литература

Введение

Без вычислительных машин, или компьютеров в настоящее время невозможна ни одна сфера человеческой деятельности. Компьютеры проникли не только в сферу производства, но и в домашний быт; многие из нас проводят целые часы за экраном своего компьютера, получая последние новости, биржевые сводки, цены, технические сведения, прогнозы погоды и многое другое из сети Интернет, а также используют компьютер для игр и развлечений. При написании этого учебного пособия авторы также широко пользовались компьютером и материалами из сети. Это позволило не только подготовить рукопись значительно быстрее, но и сделать ее полнее и современнее.

Термин «электронная вычислительная машина», или ЭВМ совершенно не означает, что с ее помощью мы выполняем лишь какие-либо вычисления. Более того, мы уже давно имеем дело не просто с вычислительными машинами, а с системами обработки данных, т.е. системами, способными хранить информацию, редактировать, обновлять, выполнять сортировку и поиск нужных данных, формировать таблицы, диаграммы и отчеты, осуществлять логические преобразования, выдачу результатов и т.п. По этой причине в настоящее время вычислительную машину (особенно персональную) принято называть английским термином «компьютер».

[Первая электронная цифровая вычислительная машина, или программируемый калькулятор ENIAC – Electronic Numerical Integrator and Computer – была создана в Пенсильванском университете под руководством Д.Мочли и П.Эккерта в 1945 г. На роль первой машины претендуют также разработанный в начале 40-х годов прошлого столетия Дж. Атанасовым и К.Берри специализированный калькулятор ABC и предназначенный для расшифровки кодов немецкой шифровальной машины вычислитель Colossus, созданный под руководством М.Ньюмена.].

Широкое проникновение компьютеров в нашу жизнь, регулярное обновление их аппаратных и программных средств, постоянная модернизация и появление все новых компонентов требует глубокого знания принципов их работы. К сожалению, аппаратные средства компьютеров, а именно современные процессоры, память, периферийные устройства и устройства подключения вычислительных машин к сетям описаны в учебной литературе явно недостаточно. Возможно, это вызвано тем, что мы обычно покупаем «готовый» компьютер и часто не пытаемся узнать, как он устроен, а возможно и тем, что в нашей стране персональные компьютеры не изготавливаются. Под термином «изготавливаются» мы понимаем производство всех необходимых деталей и узлов, а не только их сборку. Обычно нас интересуют лишь стандартные программные средства, их возможности и потребности. Но невозможно понять работу программных средств, не обладая хотя бы минимальными знаниями аппаратуры.

Небольшие по размерам, но обладающие достаточной «вычислительной мощностью» компьютеры стали широко доступными, а объединение нескольких машин между собой, т.е. создание компьютерных сетей, привело к возможности получения самой разнообразной информации. В настоящее время машинами пользуется все цивилизованное человечество; это стало возможным благодаря «дружественным» программам и интерфейсам, ставшими непременной частью машины, и огромным объемам информации, которую теперь стало легко получать с помощью компьютера.

Получила развитие всемирная сеть Интернет, объединившая средства вычислительной техники и техники связи и дающая возможность узнавать и сообщать другим последние новости. Теперь практически все машины тем или иным способом взаимодействуют с глобальными и локальными сетями, т.е. компьютеры становятся компонентами все более крупных систем. Для подключения к такой сети не требуется сложных и дорогостоящих аппаратных средств – достаточно простых и недорогих адаптеров, модемов и каналов передачи данных – при этом скорость получения информации будет определяться быстродействием самой машины и пропускной способностью каналов связи, работой программ, размещением и надежностью всех компонентов, участвующих в доставке информации пользователю.

В настоящем учебном пособии мы рассмотрим работу компьютера в целом, состав, назначение и принципы действия основных его компонентов, а также структуру процессора, организацию памяти и работу средств сопряжения основных устройств между собой, т.е. работу интерфейсов. Кроме того, мы остановимся на некоторых способах повышения производительности и надежности путем объединения нескольких процессоров или машин в многопроцессорные и многомашинные системы, на способах объединения машин в локальные сети и обеспечения надежности аппаратуры для работы компьютеров в локальных сетях. Конечно, большие многопроцессорные и многомашинные компьютерные системы никак нельзя назвать «персональными». Ими пользуются многие пользователи одновременно, но для этого нужны особые средства и режимы. Нельзя не учитывать важность таких систем, предназначенных для решения сложнейших задач, например, прогноза погоды. Количество таких систем от года к году не уменьшается.

Основное внимание в пособии уделено построению аппаратуры, а не разработке программных средств. Но нужно помнить, что без программ вычислительная машина представляет собой кучу бесполезного «железа»; ошибки в программном обеспечении столь же существенны, как и ошибки при разработке аппаратуры. Неудачно составленная программа может выполняться очень медленно, требуя огромных вычислительных ресурсов. Однако и ошибки в аппаратуре недопустимы: примером могут служить первые модели процессора Pentium, в которых была обнаружена ошибка, приводящая к неправильным результатам при выполнении некоторых операций над числами с плавающей точкой.

В основу учебного пособия положен опыт преподавания дисциплин «Организация ЭВМ, комплексов и систем», «Вычислительные системы», «Периферийные устройства ЭВМ» и ряда других для студентов, обучающихся по специальности «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» в Московском Государственном Техническом Университете Гражданской Авиации (МГТУ ГА). По просьбе авторов глава 7 «Интерфейсы» написана профессором МГТУ ГА В.Е. Смирновым.

При работе над рукописью помимо литературных источников, приведенных в списке литературы, авторы широко использовали материалы периодических отечественных и зарубежных изданий, изданные в МГТУ ГА методические пособия, а также материалы различных организаций, представленные в сети Интернет.