Это способ соединения между различными модулями компьютера когда входные и выходные устройства
Структура компьютера и принципы его функционирования
В 1946 - 1948 годах в Принстонском универс-итете
(США)
коллективом
исследователей
под
руководством Джона фон Неймана был разработан
проект ЭВМ, который никогда не был реализован,
но идеи которого используются по сей день. Этот
проект получил название машины фон Неймана
или
Принстонской
машины.
Структуру
Принстонской машины представляют следующим
образом:
блоки
АЛУ,
Память,
Устройства
Ввода/Вывода,
Устройство
Управления,
соединенные
связями,
управляющими
и
информационными.
В основе функционирования ЭВМ лежат два фундаментальных для вычислительной техники понятия:
алгоритм;
принцип программного управления.
Алгоритм - однозначно определенная последовательность операций из набора формально заданных операций над исходными
объектами, приводящая к решению за конечное число шагов.
Свойства алгоритмов
1) дискретность информации с которой работают алгоритмы;
2) конечность и элементарность набора операций, выполняемых при реализации алгоритма;
3) детерминированность - воспроизводимость результатов выполнения алгоритма;
4) массовость - возможность применения алгоритма для различных исходных данных из допустимого множества.
1
Принцип программного управления (ППУ) впервые был Джоном фон Нейманом, при участии Гольцтайна и Берца в 1946 году.
ППУ включает в себя несколько архитектурно - функциональных принципов.
1) Принцип двоичного кодирования информации. Арифметические и логические операции в двоичной системе счисления
также выполняются достаточно просто.
2) Принцип хранимой программы считается одним из наиболее важных, состоит в том, что программа, как и данные, хранится
в памяти компьютера. Команды представлены в виде числового двоичного кода. Другими словами, данные и программы
различаются по способу использования, но не способами кодирования.
3) Принцип адресности. Ячейки памяти машины идентифицируются номерами, называемых адресами.
В любой момент по адресу ячейки доступно ее содержимое
4) Принцип программного управления. Выполнение вычислений есть последовательное выполнение команд, порядок выбора
команд однозначно определяется программой. Вычисления продолжается до выполнения команды завершения.
5) Принцип иерархии памяти: память ЭВМ неоднородна. Для часто используемых данных выделяется память меньшего
объема, но большего быстродействия; для редко используемых данных выделяется память большего объема, но меньшего
быстродействия.
Принципы фон Неймана актуальны и сегодня. Достоинства:
Простота реализации аппаратной части за счет использования двоичного кодирования.
Высокая универсальность, которая ограничивается лишь набором команд процессора.
Несмотря на огромное разнообразие вычислительной, фундаментальные принципы устройства машин во многом остаются
неизменными. В частности, начиная с самых первых поколений, любая ЭВМ состоит из следующих основных устройств:
процессор,
память (внутренняя и внешняя),
устройства ввода-вывода.
2
Центральный процессор (ЦП)
ЦП — электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции. Главными
характеристиками ЦПУ являются:
тактовая частота,
производительность,
архитектура.
Для каждого ЦП существует набор команд, который он обрабатывает. Процессор Pentium не обрабатывает процессора
команды Spark и наоборот, Spark не обрабатывает команды Pentium. Так как доступ к памяти для выборки команд и данных
занимает намного больше времени, чем выполнение команд, все ЦП содержат внутреннюю память – регистры. Выделяют
следующие регистры:
1) регистры общего назначения для хранения аргументов команд и результатов, для передачи данных,
2) сегментные регистры содержат указатели на сегменты данных, кода, стека (указатели на сегменты соответствующие
области памяти).
3) служебные регистры – регистр флагов (признаков, которые формируются при выполнении операций), указатель на
следующую исполняемую инструкцию (счетчик команд) и др.
В целях улучшения производительности от простой модель процессора, которая считывала одну команду за один такт, уже
давно используют модель, которая обрабатывает несколько команд одновременно. Процессор имеет модули, которые
параллельно выполняют следующие задачи:
выборка команды из памяти,
декодирование команды,
исполнение команды.
Такая модель называется конвейерной, а процесс обработки команд – конвейером. Пусть при отсутствии конвейера
выполнение команды займёт n единиц времени (так как для выполнения команды по-прежнему необходимо выполнять
выборку, дешифровку и т. д.), и для исполнения m команд понадобится n m единиц времени. При использовании конвейера (в
самом оптимистичном случае) для выполнения команд понадобится всего лишь n+m единиц времени.
4
В 2000-2002 годах практически единственным параметром, определявшим рыночную цену процессора, была тактовая частота. Покупатели
охотно платили за более производительные процессоры, поэтому усилия разработчиков были направлены на увеличение тактовой частоты по
возможности без удорожания продукта. Резкие изменения наступили в 2003 году. Отметка 2.2 ГГц оказалась как будто заколдованной:
переступить через нее удалось лишь в 2004 году, подняв цену процессора с 80 до 700 (!) долларов. Таким образом, внезапный обвал роста
производительности процессоров в 2003 году не имел “рыночных“ причин, причиной прекращения роста послужило достижение некоего
физического предела.
В течение всего времени, пока продолжалась «гонка мегагерцев», лишь один значимый параметр микропроцессоров оставался практически
постоянным: этим параметром был физический размер ядра процессора. Постоянство этого параметра диктовалось
наличием
противоречивых требований к процессору: при увеличении размера ядра у разработчиков появлялась возможность увеличить число
элементов электрической схемы, что давало выигрыш в функционале и производительности (положительные эффекты), но при этом
увеличивалась стоимость и, кроме того, повышалось потребление энергии, которую было необходимо куда-то отвести во избежание
перегрева процессора и его выхода из строя, а в случае мобильных устройств,это снижало ресурс их работы (нежелательные эффекты).
Как число элементов схемы, так и потребляемая ими энергия с увеличением размера процессора росли приблизительно пропорционально
квадрату его диагонали. В этой ситуации было нельзя (или очень невыгодно) ни сильно увеличивать размер процессора, ни сильно уменьшать
его. Компромиссное значение порядка 1 сантиметра продержалось с момента появления первых персональных компьютеров до наших дней
мало изменилось.
6
При любой тактовой частоте процессора, естественно, необходимо, чтобы за один такт электрический сигнал успел
”пробежать” от центра процессора до его края и обратно. С учетом скорости света (300 000 км/с) минимальное время
прохождения расстояния 1.4 см (диагональ квадрата со стороной 1 см) примерно равно ≈ 0.05 наносекунды, что
соответствует предельно возможной тактовой частоте примерно 20 гигагерц:
1.4 см
0.014 м
14 10−3 сек
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.
Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры ЭВМ. Централизованное управление осуществляет устройство управления главного, или центрального, процессора. Подключаемые к центральному процессору модули (контроллеры и КВВ) могут, в свою очередь, использовать специальные шины или магистрали для обмена управляющими сигналами, адресами и данными. Инициализация работы модулей обеспечивается по командам центральных устройств, после чего они продолжают работу по собственным программам управления. Результаты выполнения требуемых операций представляются ими “вверх по иерархии” для правильной координации всех работ.
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.
Обработку информации осуществляет ЦП, 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.
Архитектура универсальных компьютеров – мейнфреймов(селекторные, мультиплексные каналы)
Мейнфрейм – высокопроизводительный компьютер со значительным объёмом оперативной и внешней памяти, предназначенный для организации централизованных хранилищ данных большой ёмкости и выполнения интенсивных вычислительных работ.
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.
Селекторный и мультиплексный каналы служат для обеспечения связи между ЭВМ и периферийными (внешними) устройствами. По средствам селекторного канала ЭВМ соединяется с быстродействующими внешними устройствами, такими как накопители на МД, МБ и МЛ. Работа идет только с одним внешним устройством. Такой режим работы называется монопольным.
Так же селекторный канал может быть оснащён адаптером “канал-канал”, который устанавливает связь между каналами ЭВМ.
Через мультиплексный канал идёт обмен информацией между оперативной памятью и периферийным оборудованием с малым быстродействием, например, устройства ввода-вывода на перфоленты и перфокарты, алфавитно-цифровое печатающее устройство. Такие устройства могут работать независимо друг от друга
Современные ЭВМ могут иметь различную архитектуру, но обязательно содержат в своей структуре следующие элементы (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).) и используют основной принцип функционирования ЭВМ – принцип программируемости, 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.
Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры ЭВМ. Централизованное управление осуществляет устройство управления главного, или центрального, процессора. Подключаемые к центральному процессору модули (контроллеры и КВВ) могут, в свою очередь, использовать специальные шины или магистрали для обмена управляющими сигналами, адресами и данными. Инициализация работы модулей обеспечивается по командам центральных устройств, после чего они продолжают работу по собственным программам управления. Результаты выполнения требуемых операций представляются ими “вверх по иерархии” для правильной координации всех работ.
Иерархический принцип построения и управления характерен не только для структуры ЭВМ в целом, но и для отдельных ее подсистем.
Использование рассмотренных принципов и объединение в одном устройстве, названом центральный процессор (ЦП), АЛУ и УУ, привели к видоизмененной структуре современной ЭВМ, изображенной на рис. 1.
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 (см. рис. 2).
В приведенной на рис. 2. схеме, обработку информации осуществляет ЦП, 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.
• 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.
14. 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).
22. SISD (single instruction, single data)
• - одиночный поток команд и одиночный
поток данных. К этому классу относятся,
прежде всего, классические последовательные
машины, или иначе, машины фоннеймановского типа, например, PDP-11 или
VAX 11/780. В таких машинах есть только один
поток команд, все команды обрабатываются
последовательно друг за другом и каждая
команда инициирует одну операцию с одним
потоком данных.
4. Классификация компьютеров по областям применения
• Персональные компьютеры и рабочие
станции
• X-терминалы
• Серверы
• Мейнфреймы
• Кластерные архитектуры
• 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.
• Существует несколько типов серверов,
ориентированных на разные применения:
файл-сервер, сервер базы данных, принтсервер, вычислительный сервер, сервер
приложений. Таким образом, тип сервера
определяется видом ресурса, которым он
владеет (файловая система, база данных,
принтеры, процессоры или прикладные
пакеты программ).
25. MIMD (multiple instruction, multiple data)
• - множественный поток команд и
множественный поток данных. Этот класс
предполагает, что в вычислительной системе
есть несколько устройств обработки команд,
объединенных в единый комплекс, каждое из
которых работает со своим потоком команд и
данных. Основное отличие этих систем от
многопроцессорных SIMD-машин состоит в
том, что инструкции и данные связаны, потому
что они относятся к одной и той же
исполняемой задаче.
3. 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
33. Многопроцессорные вычислительные системы (МПВС)
• – это система (комплекс), включающий в себя
два или более процессоров, имеющих общую
ОП, общие периферийные устройства и
работающих под управлением единой ОС,
которая, в свою очередь, осуществляет общее
управление техническими и программными
средствами комплекса.
20. 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
16. гарвардская архитектура
• память программ и память данных
разделены и имеют собственные адресные
пространства и способы доступа к ним.
• 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
23. SIMD (single instruction, multiple data)
• - одиночный поток команд и множественный
поток данных. В архитектурах подобного рода
сохраняется один поток команд, включающий,
в отличие от предыдущего класса, векторные
команды. Это позволяет выполнять одну
арифметическую операцию сразу над
многими данными - элементами вектора. В
таких системах обычно очень много модулей
обработки (от 1024 до 16384), которые и
позволяют за одну инструкцию обрабатывать
несколько данных.
18. 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.
22. SISD (single instruction, single data)
• - одиночный поток команд и одиночный
поток данных. К этому классу относятся,
прежде всего, классические последовательные
машины, или иначе, машины фоннеймановского типа, например, PDP-11 или
VAX 11/780. В таких машинах есть только один
поток команд, все команды обрабатываются
последовательно друг за другом и каждая
команда инициирует одну операцию с одним
потоком данных.
14. 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).
9. 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).
• 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.
21. Классификация вычислительных систем
• В соответствии с наиболее известной
классификацией архитектур ВС,
предложенной в 1966 году М.Флинном и
базирующейся на понятии потока, под
которым понимается последовательность
элементов, команд или данных,
обрабатываемая процессором, выделают
четыре типа архитектур ВС: SISD, MISD,
SIMD, MIMD:
4. Классификация компьютеров по областям применения
• Персональные компьютеры и рабочие
станции
• X-терминалы
• Серверы
• Мейнфреймы
• Кластерные архитектуры
• 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.
• Существует несколько типов серверов,
ориентированных на разные применения:
файл-сервер, сервер базы данных, принтсервер, вычислительный сервер, сервер
приложений. Таким образом, тип сервера
определяется видом ресурса, которым он
владеет (файловая система, база данных,
принтеры, процессоры или прикладные
пакеты программ).
26. Многомашинные и многопроцессорные вычислительные системы
24. MISD (multiple instruction, single data)
• - множественный поток команд и одиночный
поток данных. Определение подразумевает
наличие в архитектуре многих процессоров,
обрабатывающих один и тот же поток данных.
Однако ни Флинн, ни другие специалисты в
области архитектуры компьютеров до сих пор
не смогли представить убедительный пример
реально существующей вычислительной
системы, построенной на данном принципе.
11. Кластерные архитектуры
• 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.
• VAX-кластер(компания DEC) 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 VAXкластеры предлагают проверенный набор
решений, который устанавливает критерии
для оценки подобных систем.
• 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.
27. Многомашинная вычислительная система (ММВС)
• – система (комплекс), включающая в себя
две или более ЭВМ (каждая из которых
имеет процессор, ОЗУ, набор
периферийных устройств и работает под
управлением собственной ОС), связи между
которыми обеспечивают выполнение
функций, возложенных на ММВС.
• По характеру связей между ЭВМ
• ММВС можно разделить на три типа:
косвенно-, или слабосвязанные;
прямосвязанные;
• Сателлитные.
прямосвязанные
ЭВМ1
ОЗУ
ООЗУ
ОЗУ
П
Канал
прямого
управления
П
КВВ
АКК
КВВ
УУ
ПУ
ПУ
ВЗУ
слабосвязанные
ЭВМ2
• В ММВС существуют три вида связей :
общее ОЗУ (ООЗУ);
• прямое управление, иначе связь процессор
– процессор;
• адаптер канал – канал (АКК).
• Для ММВС с сателлитными связями ЭВМ
характерным является не способ связи, а
принципы взаимодействии ЭВМ
• во-первых, ЭВМ существенно различаются по
своим характеристикам, а во-вторых, имеет
место определенная соподчиненность машин
и различие функций, выполняемых каждой
ЭВМ. Основная ЭВМ (чаще более
высокопроизводительная) предназначена для
основной обработки информации.
Сателлитная (подчиненная меньшей
производительности) осуществляет
организацию обмена информацией основной
ЭВМ с периферийными устройствами, ВЗУ,
удаленными абонентами и т.д. Некоторые
ММВС могут включать не одну, а несколько
сателлитных ЭВМ, при этом каждая из них
ориентируется на выполнение определенных
функций.
15. неймановская архитектура
• 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.
34. типы структурной организации МПВС
• В МПВС с общей шиной проблема связей
всех устройств между собой решается
крайне просто: все они соединяются общей
шиной, по которым передаются
информация, адреса и сигналы управления
Достоинством такой структуры является
простота, в том числе изменения комплекса, а
также доступность модулей ОЗУ для всех
остальных устройств.
Недостатками является невысокое
быстродействие (одновременный обмен
информацией возможен между двумя
устройствами, не более), относительно низкая
надежность системы из-за наличия общего
элемента – шины.
• 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.
9. 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).
• 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.
24. MISD (multiple instruction, single data)
• - множественный поток команд и одиночный
поток данных. Определение подразумевает
наличие в архитектуре многих процессоров,
обрабатывающих один и тот же поток данных.
Однако ни Флинн, ни другие специалисты в
области архитектуры компьютеров до сих пор
не смогли представить убедительный пример
реально существующей вычислительной
системы, построенной на данном принципе.
21. Классификация вычислительных систем
• В соответствии с наиболее известной
классификацией архитектур ВС,
предложенной в 1966 году М.Флинном и
базирующейся на понятии потока, под
которым понимается последовательность
элементов, команд или данных,
обрабатываемая процессором, выделают
четыре типа архитектур ВС: SISD, MISD,
SIMD, MIMD:
27. Многомашинная вычислительная система (ММВС)
• – система (комплекс), включающая в себя
две или более ЭВМ (каждая из которых
имеет процессор, ОЗУ, набор
периферийных устройств и работает под
управлением собственной ОС), связи между
которыми обеспечивают выполнение
функций, возложенных на ММВС.
• По характеру связей между ЭВМ
• ММВС можно разделить на три типа:
косвенно-, или слабосвязанные;
прямосвязанные;
• Сателлитные.
прямосвязанные
ЭВМ1
ОЗУ
ООЗУ
ОЗУ
П
Канал
прямого
управления
П
КВВ
АКК
КВВ
УУ
ПУ
ПУ
ВЗУ
слабосвязанные
ЭВМ2
• В ММВС существуют три вида связей :
общее ОЗУ (ООЗУ);
• прямое управление, иначе связь процессор
– процессор;
• адаптер канал – канал (АКК).
• Для ММВС с сателлитными связями ЭВМ
характерным является не способ связи, а
принципы взаимодействии ЭВМ
• во-первых, ЭВМ существенно различаются по
своим характеристикам, а во-вторых, имеет
место определенная соподчиненность машин
и различие функций, выполняемых каждой
ЭВМ. Основная ЭВМ (чаще более
высокопроизводительная) предназначена для
основной обработки информации.
Сателлитная (подчиненная меньшей
производительности) осуществляет
организацию обмена информацией основной
ЭВМ с периферийными устройствами, ВЗУ,
удаленными абонентами и т.д. Некоторые
ММВС могут включать не одну, а несколько
сателлитных ЭВМ, при этом каждая из них
ориентируется на выполнение определенных
функций.
3. 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
34. типы структурной организации МПВС
• В МПВС с общей шиной проблема связей
всех устройств между собой решается
крайне просто: все они соединяются общей
шиной, по которым передаются
информация, адреса и сигналы управления
Достоинством такой структуры является
простота, в том числе изменения комплекса, а
также доступность модулей ОЗУ для всех
остальных устройств.
Недостатками является невысокое
быстродействие (одновременный обмен
информацией возможен между двумя
устройствами, не более), относительно низкая
надежность системы из-за наличия общего
элемента – шины.
11. Кластерные архитектуры
• 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.
• VAX-кластер(компания DEC) 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 VAXкластеры предлагают проверенный набор
решений, который устанавливает критерии
для оценки подобных систем.
• 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.
8. 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.
16. гарвардская архитектура
• память программ и память данных
разделены и имеют собственные адресные
пространства и способы доступа к ним.
• 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
20. 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
19. 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
25. MIMD (multiple instruction, multiple data)
• - множественный поток команд и
множественный поток данных. Этот класс
предполагает, что в вычислительной системе
есть несколько устройств обработки команд,
объединенных в единый комплекс, каждое из
которых работает со своим потоком команд и
данных. Основное отличие этих систем от
многопроцессорных SIMD-машин состоит в
том, что инструкции и данные связаны, потому
что они относятся к одной и той же
исполняемой задаче.
8. 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.
33. Многопроцессорные вычислительные системы (МПВС)
• – это система (комплекс), включающий в себя
два или более процессоров, имеющих общую
ОП, общие периферийные устройства и
работающих под управлением единой ОС,
которая, в свою очередь, осуществляет общее
управление техническими и программными
средствами комплекса.
23. SIMD (single instruction, multiple data)
• - одиночный поток команд и множественный
поток данных. В архитектурах подобного рода
сохраняется один поток команд, включающий,
в отличие от предыдущего класса, векторные
команды. Это позволяет выполнять одну
арифметическую операцию сразу над
многими данными - элементами вектора. В
таких системах обычно очень много модулей
обработки (от 1024 до 16384), которые и
позволяют за одну инструкцию обрабатывать
несколько данных.
26. Многомашинные и многопроцессорные вычислительные системы
18. 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.
19. 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
15. неймановская архитектура
• 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.
Читайте также: