1. Структура ЭВМ. Основные характеристики устройств ЭВМ




Название1. Структура ЭВМ. Основные характеристики устройств ЭВМ
страница1/4
Дата08.11.2012
Размер1.25 Mb.
ТипДокументы
  1   2   3   4
1. Структура ЭВМ. Основные характеристики устройств ЭВМ.

В широком cмыcле понятие архитектура - архитектура аппаратных средств, и в некоторой степени тождественная ей микроархитектура,помимо архитектуры команд,охватывает принципы структурной организации вычислительных машин.Функциональная и структурная организция ВМ базируется на определенных принципах,состовляющих методоогическую основу цифровой вычислительной техники.В основе функциональной организации ВМ лежит принцип програмного управления и двоичногокодирования,сформированный фон Нейманом(1946г).

В основе организации большинства однопроцессорных ВС ле­жит концепция вычислительной машины фон Наймана, так назы­ваемая принстонская архитектура. Основными компонентами та­кой машины являются: арифметическое логическое устройство (АЛУ), память и устройство ввода-вывода (УВВ), где память ма­шины используется для хранения как инструкции (кодов), так и данных.

Основными тенденциями при проектировании ЭВМ были: уве­личение быстродействия, снижение стоимости аппаратных средств, повышение их надежности. Поэтому было оправдано стремление к снижению доли аппаратных средств, т.е. к предельному упроще­нию структуры ЭВМ и, естественно, расхода аппаратуры для ее реализации.

Под термином ЭВМ скрывается большое разнообразие вычис­лительных машин, отличающихся по структуре, по составу функ­циональных устройств, назначению, производительности и стои­мости. Простейшая однопроцессорная последовательная ЭВМ со­держит следующие основные функциональные устройства: процес­сор (центральный процессор - ЦП), память (основная память), уст­ройства ввода-вывода (внешняя память и периферийные устройст­ва).

Основные принципы так называемой фон-нейманской архитек­туры и многих последующих заключаются в следующем:

одна последовательно адресуемая основная память, т.е. линей­ное одномерное устройство хранения команд и данных;

отсутствие явного различия между командами и данными. Они

идентифицируются в машине неявным образом - способом их ис­пользования;

вид и назначение данных определятся не самими данными, а ло­гикой программы.

В зависимости от числа используемых устройств ЭВМ, ее компонентов,их функциоанльного назначения,способов взаимодействия друг с другом, наличия доп. устройств образуюших более сложные по структуре ЭВМ,часто определяемые как Вычислительные Системы(ВС).

Процессор - это одно из главных функциональных устройств предназначенное для обработки данных и обеспечения взаимодействия других устройств в ЭВМ. Процессор обычно состоит из одного или нескольких операционых устройств,получивших название арифметико-логические устройство(АЛУ),устройства управления(УУ),локальной памяти,блоков сопряжения с другими устройствами ЭВМ,средствами контроля и диагностики.

АЛУ - один или несколько сумматоров и блоков умножения,группа регистров для храннения данных и результатов.

УУ - устройство управления. Это автомат, обеспечивающий управление процессами выполнения команд и операций, а также передачей данных. УУ принимает, расшифровывает команды про­граммы, формирует последовательности управляющих сигналов -микроопераций, распределяемых во времени выполнения опера­ции, проверяет возможность возникновения различных условий, формирует адреса команд и данных, обслуживает или инициирует процедуры обмена информацией процессора с другими устройст­вами. У У осуществляет координацию работы устройств процессора путем выдачи синхронизирующих и управляющих сигналов, обес­печивая выполнение временной диаграммы работы процессора.

Память является одной из главных функциональных частей вы­числительной машины, предназначенной для записи, хранения и выдачи информации.В общем случае иерархия устройств хранения информации состоит из регистров процессора,различных типов сверхбыстродействующей памяти,основной памяти(ОП) и внешних запоминающих устройств(ВЗУ).

К устройствам ввода-вывода вычислительных машин обычно относят как внешние запоминающие устройства (ВЗУ), так и раз­личные периферийные устройства - внешние устройства (ВУ), разнообразие которых зависит от класса машины и ее применения. Управление работой информационных каналов, связывающих ЦП и ОП с внешними устройствами, осуществляется при помощи под­системы в/в.


2. Основные направления повышения производительности ЭВМ и ВС.

Закон Мура - каждые 2 года плотность транзисторов в микросхеме удваивается.

Перспективы развития: 1.Квантовые(размеры субатомных частиц),функционируют по закон квантовой физики,количество состояний гораздо больше чем в реальных системах,на их основе хорошо производить паралельные системы. 2. Молекулярные компьютеры,использование в качестве логических ключей(и,или,не) молекул(в 100 млрд раз экономичнее современыхкомпьютеров). 3. Нейросистемы(биологические компьютеры): размеры живой клетки. 4. Оптические компьютеры,использование света.

Паралелелизм- средство повышения быстродействия(выполнение операций на нескольких процессорах),достигается за сет разных способов обьединения процессоров.(способ совмещения: при дешифрации(выполнении)начинается новая операция,выполнение команды совмещается)

Конверизация-деление команд на несколько этапов.

Виртуальные системы- процессоры находятся удаленно друг от друга,но образуют систему.


3. Семантический разрыв - мера различия архитектур ЭВМ и языков программирования

В основе организации большинства однопроцессорных ВС ле­жит концепция вычислительной машины фон Наймана, так назы­ваемая принстонская архитектура. Основными компонентами та­кой машины являются: арифметическое логическое устройство (АЛУ), память и устройство ввода-вывода (УВВ), где память ма­шины используется для хранения как инструкции (кодов), так и данных.

Основными тенденциями при проектировании ЭВМ были: уве­личение быстродействия, снижение стоимости аппаратных средств, повышение их надежности. Поэтому было оправдано стремление к снижению доли аппаратных средств, т.е. к предельному упроще­нию структуры ЭВМ и, естественно, расхода аппаратуры для ее реализации.

Применение языков программирования высокого уровня, раз­личных способов организации и обработки данных, методов и спо­собов оптимальной организации вычислительных процессов при­вело к несоответствию аппаратно-реализованных и управляемых объектов, используемых при выполнении машинных операций, с объектами и операциями, используемыми в языках программиро­вания. Это явление получило название семантического разрыва. Семантический разрыв предлагается использовать в качестве меры различия принципов, лежащих в основе языков программирования, и тех принципов, которые положены в основу архитектуры ЭВМ

Имеющий место семантрический разрыв приводит к определен­ным проблемам при программировании, что ведет к его усложне­нию и удорожанию, и в итоге оказывает влияние на экономиче­скую эффективность вычислений.

Определенные объекты, процедуры и операции, нашедшие применение в современных языках програмирования, до сих пор не реализованы соответствующим образом в архитектуре ЭВМ или реализованы частично. Вот некоторые из них массивы данных,различные структуры,в том числе блочные,обработа строк,представление данных и тп.

По существу, семантический разрыв имеет место между архи­тектурой ЭВМ и принципами построения программных средств, с одной стороны, и архитектурой ЭВМ и операционной системой

(ОС), с другой.

Семантический разрыв между архитектурой аппаратных средств и средствами программирования обусловлен особенностью аппа­ратной реализации способов отображения данных, объектов струк­туры ЭВМ и отсутствием аппаратной поддержки объектов, ис­пользуемых при программировании. В современных ЭВМ некото­рые используемые достаточно общие принципы являются источни­ками семантического разрыва. Это прежде всего двоичная арифме­тика, наличие представления чисел с фиксированной и плавающей точкой, обладающие определенными особенностями, которые при­ходится учитывать при использовании.

Семантический разрыв между архитектурой ЭВМ и операцион­ной системой обусловлен тем, что процесс (задача, поток) - основ­ное действие, используемое при построении ОС - не обеспечен адекватной аппаратной поддержкой.


4. Последствия семантического разрыва и пути их преодоления.

Применение языков программирования высокого уровня, раз­личных способов организации и обработки данных, методов и спо­собов оптимальной организации вычислительных процессов при­вело к несоответствию аппаратно-реализованных и управляемых объектов, используемых при выполнении машинных операций, с объектами и операциями, используемыми в языках программиро­вания. Это явление получило название семантического разрыва. Семантический разрыв предлагается использовать в качестве меры различия принципов, лежащих в основе языков программирования, и тех принципов, которые положены в основу архитектуры ЭВМ

По существу, семантический разрыв имеет место между архи­тектурой ЭВМ и принципами построения программных средств, с одной стороны, и архитектурой ЭВМ и операционной системой

(ОС), с другой.

Семантический разрыв между архитектурой аппаратных средств и средствами программирования обусловлен особенностью аппа­ратной реализации способов отображения данных, объектов струк­туры ЭВМ и отсутствием аппаратной поддержки объектов, ис­пользуемых при программировании.

Семантический разрыв между архитектурой ЭВМ и операцион­ной системой обусловлен тем, что процесс (задача, поток) - основ­ное действие, используемое при построении ОС - не обеспечен адекватной аппаратной поддержкой.

Естественно что наличие разного по уровню сематического разрыва в отдельных ЭВМ пирводит к определенным последствиям:

1.ненадежность програмного обеспечения,которая обусловлена тем что определенная доля ошибок програмирования,которые теоретически могли бы быть обнаружены,не выявляется находящиися в эксплуатации ЭВМ. 2.Снижене эффективности ЭВМ.В большинстве ЭВМ используется сравнительно простой набор инструкций,поэтому генерация компилятором сложных прцоедур и команд приводит к увеличению в программе машинных инструкций Последнее увеличивае как время выполнения программы, так и объем необходимой памяти.

управление памятью с учетом ее иерархической организации требует использования дополнительных машинных инструкций;

при значительном семантическом разрыве компилятор языка не всегда оказывается в состоянии полностью его преодолеть. В опре­делении языка имеют место ограничения, которые в машине, ис­пользующей этот язык, не всегда удается учесть. Вследствие этого возможно некорректное применение языка программирования. Например, в системе 1ВМ-370 при использовании языка програм­мирования ПЛ/1, десятичные числа должны представляться нечет­ным числом цифр. Поэтому при объявлении программистом деся­тичного числа с фиксированной точкой с четным числом цифр бу­дут появляться ошибки, необнаруживаемые компилятором и аппа­ратурой машины.

Не обеспечивается защита от динамических ошибок, которые не удалось обнаружить при трансляции, такие как использование не­определенного значения параметра, неверная адресация при ис­пользовании неконтролируемых указателей (языка ПЛ/1), или ад­ресной арифметики (в ассемблерных языках и в языке Си), несоот­ветствие типов данных смыслу операции.

В развитии архитектур ЭВМ, программных средств среди мно­гих проблем можно проследить стремление в явном или неявном виде к сокращению семантического разрыва, минимизации издер­жек для его преодоления. В частности, решение отмеченных про­блем стимулирует отказ от классических архитектур и создание новых. В общих чертах новая архитектура обработки должна соот­ветствовать следующим требованиям:

параллелизм выполнения задач, работы процессоров и памяти;

ассоциативная память с ориентацией на обработку наборов дан­ных;

специализированный набор нечисловой обработки с непосред­ственной аппаратной поддержкой.


5. Система команд ЭВМ общего назначения и направления ее развития.

Система команд или машинный язык является одной из опреде­ляющих характеристик архитектуры ЭВМ. Стремление к повыше­нию производительности и эффективности ЭВМ сопровождается изменениями в системе машинных команд. Машинные команды в определенной степени влияют на построение и взаимодействие отдельных объектов архитектуры ЭВМ, а следовательно, и на уро­вень ее совершенствования. Кроме того, состав машинных команд оказывает влияние и на возможность эффективной компиляции программ. При этом определенную роль играет ряд свойств и осо­бенностей машинного набора команд. Обычно выделяются сле­дующие свойства.

Свойства общности, ортогональности и симметричности команд часто используются компромиссно с целью сокращения размера кода команды и сложности схемы машины

В развитии машинных команд или машинных языков наблюдается несколько тенденций их модернизации, состоящих не только усложнении команд и расширении их состава, но и наоборот, упрощении команд и сокращении их количества

Традиционное направление заключается в расширении состава и содержания операций, способов адресации и спецификации операндов. В систему машинных команд помимо операции цело­численной арифметики включаются операции десятичной арифметики, преобразования и редактирования алфавитно-цифровой информации, управления потоком команд, организация вызова подпрограмм и т.п.

Кроме того, расширение системы команд заключается также в] введении команд, предусматривающих комплексную обработку данных, повышение функционального уровня машинных операций. Это позволяет обеспечить более эффективную микропрограммную] интерпретацию команд, иметь более компактное представление программы, предусмотреть полноразрядную обработку данных, реализующих так называемую полную точность.

В развитии машинного языка можно выделить два направления: системно- и проблемно-ориентированные расширения.

Системно-ориентированное расширение связано с введением в] машинный язык средств поддержки системных функций и функций операционных систем. Например, микропрограммная поддержка отдельных процедур операционной системы.

Проблемно-ориентированное расширение состоит в введении в машинный язык элементарных математических функций или сложных операций.Другая тенденция в развитии машинных команд характеризует­ся вынесением из структуры кода команды информации, прямо ссылающейся на используемые при ее выполнении аппаратные средства. С ростом объема адресуемой памяти для управления адресацией вводятся средства ссылок. Адрес, определяющий место положение адресуемого объекта, заменяется его условным номе-оом или псевдоименем в системе. Так, в IBM-совместимых компь­ютерах используется механизм аппаратной реализации ссылок к сегментам памяти. При этом удается полностью изолировать спо­соб обращения к данным от конкретной физической организации памяти и приблизить систему адресации к описанию подобного обращения к переменным, используемым в языках программиро­вания. Это еще один шаг, способствующий сокращению семанти­ческого разрыва.

Второе основное направление заключалось в использовании ЭВМ с ограниченным (сокращенным) набором команд, получив­ших название ЭВМ с RISC-архитектурой или RISC ЭВМ (Reduced Istruction Set Computer). Увеличение количества команд привело к росту сложности процессоров. Количество различных вариантов выполнения команд стало достигать нескольких сот. Однако из всего множества команд программист, как правило, использует не более 70%. В большинстве программ, написанных на языках высо­кого уровня, при их переводе в машинный код используется огра­ниченный тип машинных команд. Кроме того, при работе ЭВМ типичным является использование более чем 80% времени лишь 20% команд (так называемое правило "80, 20"). ЭВМ тратит боль­шую часть времени не на выполнение сложных команд, а на про­стые арифметико-логические операции, ветвления и хранения. В наборе команд RISC-архитектуры включаются в основном простые и наиболее часто встречающиеся операции.

  1   2   3   4

Похожие:

1. Структура ЭВМ. Основные характеристики устройств ЭВМ icon«Сети ЭВМ и средства коммуникаций»
На тему: 3 Основные виды архитектур эвм, микро-эвм и пк. Эвм и мультимедиа. 4 Состав устройств, структура и порядок функционирования...
1. Структура ЭВМ. Основные характеристики устройств ЭВМ iconПрограмма учебной дисциплины «эвм и периферийные устройства»
Эвм, систем и их периферийных устройств, теоретических основ и практических навыков их анализа, проектирования и исследования, взаимодействия...
1. Структура ЭВМ. Основные характеристики устройств ЭВМ iconПериферийные устройства ЭВМ
В состав современных ЭВМ входят многочисленные и разнообразные внешние (периферийные) устройства. К ним относят устройства ввода-вывода...
1. Структура ЭВМ. Основные характеристики устройств ЭВМ iconЛекция периферийные устройства ЭВМ
В состав современных ЭВМ входят многочисленные и разнообразные внешние (периферийные) устройства. К ним относят устройства ввода-вывода...
1. Структура ЭВМ. Основные характеристики устройств ЭВМ iconОтветы к экзамену Традиционные принципы построения ЭВМ. Какие еще принципы построения ЭВМ вы знаете?
Основные из традиционных принципов построения эвм, сформулированные фон Нейманом
1. Структура ЭВМ. Основные характеристики устройств ЭВМ iconПрограмма по кафедре Вычислительной техники
Основной целью и задачей «Введение в схемотехнику эвм» является получение студентами систематизированных сведений о совместной работе...
1. Структура ЭВМ. Основные характеристики устройств ЭВМ iconПрограмма дисциплины по кафедре Вычислительной техники
Основной целью и задачей курса «Схемотехника эвм» является получение студентами систематизированных сведений о совместной работе...
1. Структура ЭВМ. Основные характеристики устройств ЭВМ iconСборник тестовых заданий по информатике
Эвм, в том числе архитектура компьютера (основной комплект и дополнительные устройства), элементная база и поколения эвм, состав...
1. Структура ЭВМ. Основные характеристики устройств ЭВМ iconВопросы к экзамену по курсу "Организация эвм" для потока К2 на 2004-2005 учебный год
Системы кодирования команд. Структура одно-, двух-, трех-, четырехадресной ЭВМ. Естественный и принудительный порядок выполнения...
1. Структура ЭВМ. Основные характеристики устройств ЭВМ iconРабочая программа дисциплины «Архитектура ЭВМ и систем» (наименование дисциплины) для специальности
Целью изучения дисциплины является приобретение студентами знаний о принципах построения современных эвм, комплексов и систем; основ...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница