КОНСПЕКТЫ ЛЕКЦИЙ
по дисциплине «Архитектура ЭВМ»
090104.65 «Комплексная защита объектов информатизации»
г. Владивосток 2012
МОДУЛЬ I. Архитектура ЭВМ (34 час.)
РАЗДЕЛ 1. Основные характеристики и области применения ЭВМ различных классов (21 час.)
ТЕМА 1. Общие принципы построения и архитектуры вычислительных машин (2 час.)
Цели и задачи: Изучить общие принципы построения и архитектуры вычислительных машин.
Рассмотреть понятия кластерные системы, мейнфреймы.
Учебные вопросы: Понятие архитектуры, специфика общих принципов построения и архитектуры вычислительных машин.
Учебная информация:
Термин «архитектура системы» употребляется как в узком, так и в широком смысле этого слова. В узком смысле под архитектурой понимается архитектура набора команд. Архитектура набора команд служит границей между аппаратурой и программным обеспечением и представляет часть системы, которая видна программисту или разработчику. В широком смысле архитектура охватывает понятие организации системы, включающее такие высокоуровневые аспекты как систему памяти, структуру системной шины, организацию ввода/вывода и подсистему команд т.п.
Применительно к вычислительным системам термин «архитектура» может быть определен как распределение функций, реализуемых системой, между ее уровнями, точнее как определение границ между этими уровнями. Таким образом, архитектура вычислительной системы предполагает многоуровневую организацию. Архитектура первого уровня определяет, какие функции по обработке данных выполняются системой в целом, а какие возлагаются на внешний мир (пользователей, операторов, администраторов баз данных и т.д.). Система взаимодействует с внешним миром через набор интерфейсов: языки (язык оператора, языки программирования, языки описания и манипулирования базой данных, язык управления заданиями) и системные программы (программы-утилиты, программы редактирования, сортировки, сохранения и восстановления информации).
Интерфейсы следующих уровней могут разграничивать определенные уровни внутри программного обеспечения. Например, уровень управления логическими ресурсами (управление файлами, виртуальной памятью и т.д.), и уровень управления физическими ресурсами (управление внешней и оперативной памятью, управления процессами и т.д.).
Следующий уровень отражает основную линию разграничения системы, а именно границу между системным программным обеспечением и аппаратурой. Эту идею можно развить и дальше и говорить о распределении функций между отдельными частями физической системы. Например, некоторый интерфейс определяет, какие функции реализуют центральные процессоры, а какие - процессоры ввода/вывода. Архитектура следующего уровня определяет разграничение функций между процессорами ввода/вывода и контроллерами внешних устройств. В свою очередь можно разграничить функции, реализуемые контроллерами и самими устройствами ввода/вывода (терминалами, модемами, накопителями на магнитных дисках и лентах). Архитектура таких уровней часто называется архитектурой физического ввода/вывода.
Архитектура системы команд. Архитектуры CISC и RISC.
Двумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники являются архитектуры CISC и RISC. Основоположником CISC-архитектуры можно считать компанию IBM с ее базовой архитектурой IBM360, ядро которой используется с1964 года и дошло до наших дней, например, в таких современных мейнфреймах как IBM ES/9000.
Лидером в разработке микропроцессоров с полным набором команд (CISC - Complete Instruction Set Computer) считается компания Intel со своей серией x86 и Pentium. Эта архитектура является практическим стандартом для рынка микрокомпьютеров. Для CISC-процессоров характерно: сравнительно небольшое число регистров общего назначения; большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов; большое количество методов адресации; большое количество форматов команд различной разрядности; преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.
Основой архитектуры современных высокопроизводительных рабочих станций и серверов является архитектура компьютера с сокращенным набором команд (RISC - Reduced Instruction Set Computer). Корни этой архитектуры уходят к компьютерам CDC6600, которые одни из первых начали оснащаться упрощенным набором команд для увеличения быстродействия. RISC в современном его понимании сформировалось на базе трех исследовательских проектов компьютеров: процессора 801 компании IBM, процессора RISC университета Беркли и процессора MIPS Стенфордского университета.
Эти три машины имели много общего. Все они придерживались архитектуры, отделяющей команды обработки от команд работы с памятью, и делали упор на эффективную конвейерную обработку. Система команд разрабатывалась таким образом, чтобы выполнение любой команды занимало небольшое количество машинных тактов (предпочтительно один машинный такт). Сама логика выполнения команд с целью повышения производительности ориентировалась на аппаратную, а не на микропрограммную реализацию. Чтобы упростить логику декодирования команд использовались команды фиксированной длины и фиксированного формата.
Среди других особенностей RISC-архитектур следует отметить наличие достаточно большого регистрового файла (в типовых RISC-процессорах реализуются 32 или большее число регистров по сравнению с 8 - 16 регистрами в CISC-архитектурах), что позволяет большему объему данных храниться в регистрах на процессорном кристалле большее время и упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные. Для обработки, как правило, используются трехадресные команды, что помимо упрощения дешифрации дает возможность сохранять большее число переменных в регистрах без их последующей перезагрузки.
С 1986 года началась активная промышленная реализация архитектуры RISC. К настоящему времени эта архитектура прочно занимает лидирующие позиции на мировом компьютерном рынке рабочих станций и серверов.
Следует отметить, что в последних разработках компании Intel, а также ее последователей-конкурентов (AMD, Cyrix, NexGen и др.) широко используются идеи, реализованные в RISC-микропроцессорах, так что многие различия между CISC и RISC стираются. Однако сложность архитектуры и системы команд x86 остается и является главным фактором, ограничивающим производительность процессоров на ее основе.
Классификация компьютеров по областям применения
ЭВМ можно классифицировать по областям применения следующим образом:
Персональные компьютеры и рабочие станции
X-терминалы
Серверы
Мейнфреймы
Кластерные архитектуры
Персональные компьютеры и рабочие станции. Персональные компьютеры (ПК) появились в результате эволюции миникомпьютеров при переходе элементной базы машин с малой и средней степенью интеграции на большие и сверхбольшие интегральные схемы. ПК – это прежде всего «дружественный интерфейс», проблемно-ориентированные среды и инструментальные средства для автоматизации разработки прикладных программ, низкая стоимость и т.д.
Создание RISC-процессоров и микросхем памяти большой емкости привело к формированию настольных систем высокой производительности, которые также известны как рабочие станции. Ориентация рабочих станций на профессиональных пользователей привела к тому, что рабочие станции - это хорошо сбалансированные системы, в которых высокое быстродействие сочетается с большим объемом оперативной и внешней памяти, высокопроизводительными внутренними магистралями, высококачественной и быстродействующей графической подсистемой и разнообразными устройствами ввода/вывода. Это свойство выгодно отличает рабочие станции среднего и высокого класса от ПК и сегодня.
В последнее время быстрый рост производительности ПК на базе новейших микропроцессоров в сочетании с резким снижением цен на эти изделия и развитием технологии стирает грань между ПК и рабочими станциями. ПК в настоящее время имеют достаточную производительность, а рабочие станции чаще на базе UNIX имеют программное обеспечение, способное выполнять большинство функций, которые ассоциируются с понятием ПК.
Х-терминалы. Вычислительные системы обладающие минимальным набором средств обработки информации и ориентированные, главным образом, на организацию взаимодействия пользователя с высокопроизводительной вычислительной системой (сервером), которая и осуществляет обработку информации.
Серверы. Прикладные многопользовательские коммерческие и бизнес-системы, крупные издательские системы, сетевые приложения и системы обслуживания коммуникаций все более требуют перехода к модели организации системы «клиент-сервер» и распределенной обработке данных. В распределенной модели «клиент-сервер» часть работы выполняет сервер, а часть пользовательский компьютер (клиент). Существует несколько типов серверов, ориентированных на разные применения: файл-сервер, сервер базы данных, принт-сервер, вычислительный сервер, сервер приложений. Таким образом, тип сервера определяется видом ресурса, которым он владеет (файловая система, база данных, принтеры, процессоры или прикладные пакеты программ). В зависимости от числа пользователей и характера решаемых ими задач требования к составу оборудования и программного обеспечения сервера, к его надежности и производительности сильно варьируются.
Современные серверы высокой мощности характеризуются:
наличием двух или более центральных процессоров RISC, реже CISC;
многоуровневой шинной архитектурой, в которой запатентованная высокоскоростная системная шина связывает между собой несколько процессоров и оперативную память, а также множество стандартных шин ввода/вывода, размещенных в том же корпусе;
поддержкой технологии дисковых массивов RAID;
поддержкой режима симметричной многопроцессорной обработки, которая позволяет распределять задания по нескольким центральным процессорам или режима асимметричной многопроцессорной обработки, которая допускает выделение процессоров для выполнения конкретных задач.
Мейнфреймы. Мейнфрейм – это синоним понятия «большая универсальная ЭВМ». Мейнфреймы и до сегодняшнего дня остаются наиболее мощными (не считая суперкомпьютеров) вычислительными системами общего назначения, обеспечивающими непрерывный круглосуточный режим эксплуатации. Они могут включать один или несколько процессоров, каждый из которых, в свою очередь, может оснащаться векторными сопроцессорами (ускорителями операций с суперкомпьютерной производительностью).
Основными поставщиками мейнфреймов являются известные компьютерные компании IBM (ведущая роль), Amdahl, ICL, Siemens Nixdorf и др. В архитектурном плане мейнфреймы представляют собой многопроцессорные системы, содержащие один или несколько центральных и периферийных процессоров с общей памятью, связанных между собой высокоскоростными магистралями передачи данных. При этом основная вычислительная нагрузка ложится на центральные процессоры, а периферийные процессоры (в терминологии IBM - селекторные, блок-мультиплексные, мультиплексные каналы и процессоры телеобработки) обеспечивают работу с широкой номенклатурой периферийных устройств.
Стремительный рост производительности персональных компьютеров, рабочих станций и серверов создал тенденцию перехода с мейнфреймов на компьютеры менее дорогих классов: миникомпьютеры и многопроцессорные серверы. Эта тенденция получила название "разукрупнение" (downsizing). Однако этот процесс в самое последнее время несколько замедлился. Основной причиной возрождения интереса к мейнфреймам эксперты считают сложность перехода к распределенной архитектуре клиент-сервер, которая оказалась выше, чем предполагалось. Кроме того, многие пользователи считают, что распределенная среда не обладает достаточной надежностью для наиболее ответственных приложений, которой обладают мейнфреймы.
Главным недостатком мейнфреймов в настоящее время остается относительно низкое соотношение производительность/стоимость.
Кластерные архитектуры. Двумя основными проблемами построения вычислительных систем для критически важных приложений, являются обеспечение высокой производительности и продолжительного функционирования систем. Наиболее эффективный способ достижения заданного уровня производительности – применение параллельных масштабируемых архитектур. Задача обеспечения продолжительного функционирования системы имеет три составляющих: надежность, готовность и удобство обслуживания. Наиболее эффектиными в этом плане являются кластерные системы. Термин «кластеризация» можно определить как реализация объединения машин, представляющегося единым целым для операционной системы, системного программного обеспечения, прикладных программ и пользователей. Машины, кластеризованные вместе таким способом могут при отказе одного процессора очень быстро перераспределить работу на другие процессоры внутри кластера.
Первой концепцию кластерной системы анонсировала компания DEC, определив ее как группу объединенных между собой вычислительных машин, представляющих собой единый узел обработки информации. VAX-кластер представляет собой слабосвязанную многомашинную систему с общей внешней памятью, обеспечивающую единый механизм управления и администрирования. В настоящее время на смену VAX-кластерам приходят UNIX-кластеры. При этом VAX-кластеры предлагают проверенный набор решений, который устанавливает критерии для оценки подобных систем.
Вопросы для самопроверки:
1.Какова первая концепция кластерной системы?
2.Главный недостаток мейнфреймов.
3.Какая компания считается лидером в разработке микропроцессоров?
Список литературы:
Бройдо В. Л. Архитектура ЭВМ и систем : учебник для вузов / В.Л. Бройдо, О.П. Ильина - Санкт-Петербург : Питер, 2009. 720 c.
Колдаев В.Д. Архитектура ЭВМ : учебное пособие / В.Д. Колдаев, С.А. Лупин - Москва : Форум, 2009. 384 c.
Максимов Н. В. Архитертура ЭВМ и вычислительных систем : учебник / Н.В. Максимов, Т.Л. Партыка, И.И. Попов - Москва : ИНФРА-М, 2006. 512 c.
ТЕМА 2. Информационно-логические основы вычислительных машин их функциональная и структурная организация (2 час.)
Цели и задачи: Изучить информационно-логические основы вычислительных машин их функциональную и структурную организацию.
Рассмотреть узлы вычислительной системы.
Учебные вопросы: Специфика информационно-логических основ вычислительных машин их функциональная и структурная организация.
Учебная информация:
Любая вычислительная система включает следующие узлы:
Арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции.
Устройство управления (УУ), которое организует процесс выполнения программ.
Запоминающее устройство (память) для хранения программ и данных.
Внешние устройства для ввода–вывода информации (ВУ).
В общих чертах работу вычислительной системы можно описать следующим образом: устройство управления инициирует процесс чтения из памяти очередной команды программы, расшифровывает ее и подключает необходимые для ее выполнения цепи и устройства (АЛУ или ВУ), после чего цикл повторяется для выполнения следующей команды. Таким образом, все действия в ЭВМ выполняются под управлением программы, хранящейся в памяти. В связи с этим основным принципом работы ЭВМ является принцип программного управления.
Описанный принцип работы и структура ЭВМ – это классическая организация вычислительной системы, известная под названием неймановской архитектуры. Характерным ее отличием является то, что для хранения программ и данных используется одно и то же пространство памяти, т.е. содержимое ячейки памяти интерпретируется оператором обработки информации, в качестве которого в простейшем случае выступает процессор. Другим типом архитектуры является т.н. гарвардская архитектура, в которой память программ и память данных разделены и имеют собственные адресные пространства и способы доступа к ним.
Подсистема ввода-вывода в простейшем случае представлена набором адресуемых буферных схем и регистров (портов), через которые осуществляется связь с внешними и внутренними аппаратными средствами системы. Подсистема ввода-вывода обычно использует единый механизм адресации портов, размещаемых в специальном пространстве ввода-вывода. В некоторых системах для размещения пространства ввода-вывода выделяется область в пространстве памяти данных – т.н. отраженный на память ввод-вывод. Организация доступа к портам в таких системах ничем не отличается от процесса записи-считывания данных в ячейки памяти. В других системах пространство ввода-вывода размещается в специальном логически изолированном от других пространств данных пространстве - т.н. изолированный ввод-вывод. В этом случае для доступа к портам необходимы специальные команды ввода-вывода.
Современные ЭВМ могут иметь различную архитектуру, но обязательно содержат в своей структуре рассмотренные элементы и используют основной принцип функционирования ЭВМ, дополненный новыми принципами, к которым можно отнести принципы модульности, магистральности и микропрограммируемости.
Модульность – это способ построения компьютера на основе набора модулей. Модулем называется конструктивно и функционально законченный электронный блок в стандартном исполнении. Это означает, что с помощью модуля может быть реализована какая-то функция либо самостоятельно, либо совместно с другими модулями.
Магистральность – это способ соединения между различными модулями компьютера, когда входные и выходные устройства модулей соединяются одними и теми же проводами, совокупность которых называется шиной. Магистраль компьютера состоит из нескольких групп шин, разделяемых по функциональному признаку - шина адреса, шина данных, шина управления.
Микропрограммируемость – это способ реализации принципа программного управления. Суть его состоит в том, что принцип программного управления распространяется и на реализацию устройства управления. Другими словами, устройство управления строится точно так же, как и весь компьютер, только на микроуровне, т.е. в составе устройства управления имеется своя память, называемая управляющей памятью или памятью микрокоманд, свой "процессор", свое устройство управления и т. д.
Использование рассмотренных принципов и объединение в одном устройстве, названом центральный процессор (ЦП), АЛУ и УУ, привели к видоизмененной структуре современной ЭВМ.
Наиболее распространенной является структура вычислительной системы (ВС), имеющая две или три (в большинстве случаев) общих магистрали (шины), к которым под воздействием устройств управления могут поочередно подключаться, входящие в систему узлы.
Синхронизируемый тактовыми импульсами устройства синхронизации. Обмен информацией между МП и остальными блоками ВС осуществляется по трем магистралям (шинам): адресной, данных и управляющей. Магистраль адреса (МА, ША) служит для передачи кода адреса, по которому производится обращение к устройствам памяти ввода-вывода и прочим внешним устройствам. Обрабатываемая информация и результаты вычислений передаются по магистрали данных (МД, ШД). Магистраль управления (МУ) передает управляющие сигналы на все блоки ВС, настраивая устройства, участвующие в выполняемой команде, на нужный режим работы.
Использование в ВС трех магистралей обеспечивает высокое быстродействие и упрощает процесс вычисления. Возможно построение ВС с одной или двумя магистралями, по которым последовательно передаются код адреса и обрабатываемая информация, но при этом значительно возрастает время выполнения команды и усложняется организация обмена информацией между узлами.
Вопросы для самопроверки:
Поясните принцип программного управления.
Опишите магистральность.
Что такое тактовые импульсы.
Список литературы:
Бройдо В. Л. Архитектура ЭВМ и систем : учебник для вузов / В.Л. Бройдо, О.П. Ильина - Санкт-Петербург : Питер, 2009. 720 c.
Колдаев В.Д. Архитектура ЭВМ : учебное пособие / В.Д. Колдаев, С.А. Лупин - Москва : Форум, 2009. 384 c.
Максимов Н. В. Архитертура ЭВМ и вычислительных систем : учебник / Н.В. Максимов, Т.Л. Партыка, И.И. Попов - Москва : ИНФРА-М, 2006. 512 c.
|
