1. Структура ЭВМ. Основные характеристики устройств ЭВМ
Скачать 1.25 Mb.
|
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. |
Похожие:
 | «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... |  | Программа учебной дисциплины «эвм и периферийные устройства» Эвм, систем и их периферийных устройств, теоретических основ и практических навыков их анализа, проектирования и исследования, взаимодействия... |
| Периферийные устройства ЭВМ В состав современных ЭВМ входят многочисленные и разнообразные внешние (периферийные) устройства. К ним относят устройства ввода-вывода... | | Лекция периферийные устройства ЭВМ В состав современных ЭВМ входят многочисленные и разнообразные внешние (периферийные) устройства. К ним относят устройства ввода-вывода... |
| Ответы к экзамену Традиционные принципы построения ЭВМ. Какие еще принципы построения ЭВМ вы знаете? Основные из традиционных принципов построения эвм, сформулированные фон Нейманом | | Программа по кафедре Вычислительной техники Основной целью и задачей «Введение в схемотехнику эвм» является получение студентами систематизированных сведений о совместной работе... |
| Программа дисциплины по кафедре Вычислительной техники Основной целью и задачей курса «Схемотехника эвм» является получение студентами систематизированных сведений о совместной работе... | | Сборник тестовых заданий по информатике Эвм, в том числе архитектура компьютера (основной комплект и дополнительные устройства), элементная база и поколения эвм, состав... |
| Вопросы 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... | | Рабочая 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... |