Дисциплина «Архитектура ЭВМ и систем»

Содержание лекционного курса (36 часов):

1. Архитектура эвс (8 часов)

   1. Принципы построения вычислительных машин. Машина Фон Неймана. Гарвардская машина. Базовая структура вычислительной машины.

   2. Вычислительная система. Состав вычислительной системы. Стратифицированное представление вычислительной системы.

   3. Основные характеристики и области применения ЭВМ различных классов.

   4. Структуры машинных команд. Основные стадии выполнения команды. Базовая система машинных операций. Адресация.

2. Функциональная и структурная организация процессора (8 часов)

   1. Центральный процессор вычислительной машины, управляемый микропрограммой. Машины с сокращенным набором команд. Процессоры ПЭВМ.

   2. Многопроцессорные системы. Сопроцессоры. Процессоры цифровой обработки сигналов. Транспьютеры. Матричные процессоры.

3. Организация ЭВМ (6 часов)

   1. Иерархическая структура памяти. Основная память машины. Сверхоперативное запоминающее устройство. Внешняя память, расслоение памяти.

   2. Ассоциативная память. Организация КЭШ-памяти. Структура, алгоритмы замены.

   3. Страничная и сегментная структура памяти.

4. Организация обмена данными в ЭВМ (6 часов)

   1. Программный обмен данными. Организация прерываний, прямой доступ к памяти.

   2. Организация ввода-вывода. Сопроцессоры ввода – вывода. Периферийные устройства.

   3. Архитектурные особенности организации ЭВМ различных классов.

5. Параллельные системы (6 часов)

   1. Понятие о многомашиных и многопроцессорных вычислительных системах. Основные структуры.

   2. Матричные и ассоциативные вычислительные системы. Конвейерные и потоковые вычислительные системы.

6. Сети ЭВМ (2 часа)

   1. Информационно-вычислительные системы и сети.

Перечень лабораторных занятий (18 часов)

1. Структурная и логическая организация гарвардской машины Поста (П- машина). Элементная база операционного и управляющего автомата. (1 час)

2. Структурная и функциональная организация оперативного ЗУ. Порт ввода-вывода: структура и функции (2 часа)

3. Система команд П-машины, тест системы команд (задача анализа). Исследование логической организации машины при интерпретации команд (анализ теста). (2 часа)

4. Структурная и функциональная организация Базовой Учебной ЭВМ (БУ ЭВМ). Пример работы. Организация регистрового АЛУ. Местное управление: осведомительные и управляющие сигналы. (2 часа)

5. Подключение к базовой ЭВМ внешнего устройства (ВУ), образование ВК. Протокол обмена с периферией. Блок управления каналом. Обращение к ОЗУ и ВУ за вводом – выводом данных. Обмен данными ОЗУ – ВУ. (2 часа)

6. Системная организация управляющей ЭВМ. Микропрограммное управление межрегистровым обменом в РАЛУ. Операции обработки данных РАЛУ. (4 часа)

7. Микропрограммное управление процессом обращения к ВУ в циклах ВВОД и ВЫВОД. Протокол, интерфейс, логическая организация. (5 часов)

1. Архитектура ЭВС (8 часов)

1.1. Принципы построения вычислительных машин.

Машина Фон Неймана.

Гарвардская архитектура.

Базовая структура вычислительной машины.

В 1946 году трое учёных — Артур Бёркс (англ. Arthur Burks), Герман Голдстайн (англ. Herman Goldstine) и Джон фон Нейман (англ. John von Neumann) — опубликовали статью «Предварительное рассмотрение логического конструирования электронного вычислительного устройства». В статье был изложен способ представления данных в ЭВМ в двоичном виде. Принципы конструирования ЭВМ, которые описывались в работе ученых, упрощали реализацию выполнения арифметических и логических операций. В то время машины хранили данные в десятичном виде. Идея использования общей памяти для программы и данных позволила реализовать первые компьютеры. Имя фон Неймана было широко известно в науке и принципы, предложенные учеными, получили название «принципы фон Неймана»:

Принцип двоичного кодирования.

Команды и данные представляются в двоичной системе счислении, в виде нолей и единиц.

Принцип однородности памяти.

Программы (последовательности команд) и данные хранятся в одной памяти. Работа с этой памятью позволяет оперировать и с данными, и с командами.

Принцип последовательного программного управления.

Команды располагаются в памяти и выполняются последовательно.

Принцип адресуемости памяти.

Структурно, память представляется в виде пронумерованных ячеек. Процессору доступна любая ячейка в произвольный момент времени.

Принцип жесткости архитектуры

Архитектура, список команд и топология процессора неизменны в процессе его работы.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу фон-неймановских. Архитектура фон Неймана (англ. von Neumann architecture) — это широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», однако, соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных. Такое представление отображено на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структура процессора фон-неймановской архитектуры

В середине 1940-х проект компьютера, хранящего свои программы в общей памяти, был разработан в Школе электрических разработок Мура (англ. The Moore School of Electrical Engineering) в Университете штата Пенсильвания (англ. The University of Pennsylvania). Подход, описанный в этом документе, стал известен как архитектура фон Неймана, по имени единственного из названных авторов проекта Джона фон Неймана, хотя на самом деле авторство проекта было коллективным. Архитектура фон Неймана решала проблемы, свойственные компьютеру «ЭНИАК», который создавался в то время, за счёт хранения программы компьютера в его собственной памяти. Информация о проекте стала доступна другим исследователям вскоре после того, как в 1946 году было объявлено о создании «Эниака». По плану предполагалось осуществить проект силами Муровской школы в машине EDVAC, однако до 1951 года EDVAC не был запущен из-за технических трудностей в создании надёжной компьютерной памяти. Другие научно-исследовательские институты, получившие копии проекта, сумели решить эти проблемы гораздо раньше группы разработчиков из школы Мура. Они реализовали их в собственных компьютерных системах. Первыми пятью компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, были:

Манчестерский Марк I. Прототип — Манчестерская малая экспериментальная машина. Университет Манчестера (англ. The University of Manchester), Великобритания, 21 июня 1948 года;

EDSAC. Кембриджский университет (англ. The Cambridge University), Великобритания, 6 мая 1949 года;

BINAC. США, апрель или август 1949 года;

CSIR Mk 1. Австралия, ноябрь 1949 года;

SEAC. США, 9 мая 1950 года.

Наличие заданного набора исполняемых команд и программ было характерной чертой первых компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют с целью упрощения конструкции вычислительного устройства. Так, настольные калькуляторы, в принципе, являются устройствами с фиксированным набором выполняемых программ. Их можно использовать для математических расчётов, но невозможно применить для обработки текста и компьютерных игр, для просмотра графических изображений или видео. Изменение встроенной программы для такого рода устройств требует практически полной их переделки, и в большинстве случаев невозможно. Всё изменила идея хранения компьютерных программ в общей памяти. Ко времени её появления использование архитектур, основанных на наборах исполняемых инструкций, и представление вычислительного процесса как процесса выполнения инструкций, записанных в программе, чрезвычайно увеличило гибкость вычислительных систем в плане обработки данных. Один и тот же подход к рассмотрению данных и инструкций сделал лёгкой задачу изменения самих программ. [1]

Принципы фон Неймана выражаются следующими правилами построения ЭВМ:

1. ЭВМ состоит из трех основных компонент: процессор, память и устройства ввода-вывода (УВВ).

2. Информация, которую обрабатывает ЭВМ, делится на два типа: команды и данные.

3. И команды, и данные вводятся и хранятся в памяти Оперативного Запоминающего Устройства (ОЗУ).

4. Устройство управления (УУ) читает команды из ОЗУ и выполняет их, а арифметико-логическое устройство (АЛУ) проводит арифметические и логические операции с данными.

5. С процессором и ОЗУ связаны устройства ввода-вывода (УВВ).

Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе (рис. 2).

Рисунок 2 - Магистрально-модульный принцип

Соединения между устройствами компьютера осуществляется через системную шину (другое название - системная магистраль) т.е. кабель, состоящий из множества проводников. По шине данных передается информация. По шине адреса процессор обращается к адресу памяти или внешнего устройства. По шине управления, передаются управляющие сигналы (например, сигнал готовности устройства к работе, сигнал к началу работы устройства и др.).

Системная шина характеризуется тактовой частотой и разрядностью. Разрядность шины - это количество одновременно передаваемых по шине бит и измеряется в битах (bit). Тактовая частота характеризует число элементарных операций по передаче данных в 1 секунду и измеряется в Герцах.(Hz)

В современных ЭВМ реализован принцип открытой архитектуры, позволяющий пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости её модернизацию. Конфигурацией компьютера называют фактический набор компонентов ЭВМ, которые составляют компьютер. Принцип открытой архитектуры позволяет менять состав устройств ЭВМ. К информационной магистрали могут подключаться дополнительные периферийные устройства, одни устройства могут заменяться другими. Аппаратное подключение периферийного устройства к магистрали на физическом уровне осуществляется через специальный блок - контроллер шины. Для соединения устройства с контроллером шины имеются специальные разъёмы, т .н. слоты расширения.

Управление работой периферийного устройства производится через программу - драйвер, которая является компонентой операционной системы. Так как существует огромное количество разнообразных устройств, которые могут быть установлены в компьютер, то обычно к каждому устройству поставляется драйвер, взаимодействующий непосредственно с этим устройством.

Связь компьютера с внешними устройствами осуществляется через порты – специальные разъёмы на задней панели компьютера. Различают последовательные и параллельные порты. Последовательные (COM – порты) служат для подключения манипуляторов, модема и передают небольшие объёмы информации на большие расстояния. Параллельные (LPT - порты) служат для подключения принтеров, сканеров и передают большие объёмы информации на небольшие расстояния. В последнее время широкое распространение получили последовательные универсальные порты (USB), к которым можно подключать различные устройства. Минимальная конфигурация компьютера включает в себя: системный блок, монитор, клавиатуру и мышь. [2]

Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительным признаком которой является раздельное хранение и обработка команд и данных. Архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете.

В 30-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру ЭВМ для военно-морской артиллерии. Победила разработка Принстонского университета (более известная как архитектура фон Неймана, названная так по имени разработчика, первым предоставившего отчет об архитектуре), так как она была проще в реализации. Гарвардская архитектура использовалась советским учёным А. И. Китовым в М-100 (ВЦ-1 МО СССР, 1958)..

Классическая гарвардская архитектура

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие.

Модифицированная гарвардская архитектура

Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток — высокую стоимость. При разделении каналов передачи команд и данных на кристалле процессора последний должен иметь почти в два раза больше выводов (так как шины адреса и данных составляют основную часть выводов микропроцессора). Способом решения этой проблемы стала идея использовать общую шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой. Такой подход применяется в современных сигнальных процессорах. Еще дальше по пути уменьшения стоимости пошли при создании однокристальных ЭВМ — микроконтроллеров. В них одна шина команд и данных применяется и внутри кристалла. Разделение шин в модифицированной Гарвардской структуре осуществляется при помощи раздельных управляющих сигналов: чтения, записи или выбора области памяти.

Расширенная гарвардская архитектура

Часто требуется выбрать три составляющие : два операнда и инструкцию (в алгоритмах цифровой обработки сигналов это наиболее распространенная задача в БПФ и КИХ, БИХ фильтрах). Для этого существует кэш-память. В ней может храниться инструкция — следовательно, обе шины остаются свободными и появляется возможность передать два операнда одновременно. Использование кэш-памяти вместе с разделёнными шинами получило название «Super Harvard Architecture» («SHARC») — расширенная Гарвардская архитектура. Примером могут служить процессоры «Analog Devices»: ADSP-21xx — модифицированная Гарвардская Архитектура, ADSP-21xxx(SHARC) — расширенная Гарвардская Архитектура.

Гибридные модификации с архитектурой фон Неймана

Существуют гибридные модификации, сочетающие достоинства как Гарвардской, так и фон-неймановской архитектуры. Современные CISC-процессоры обладают раздельной кэш-памятью 1-го уровня для инструкций и данных. Это позволяет им за один такт получать одновременно как команду, так и данные для её выполнения, то есть процессорное ядро, формально, является гарвардским, но с программной точки зрения выглядит как фон-неймановское, что упрощает написание программ. Обычно в данных процессорах одна шина используется и для передачи команд, и для передачи данных, что упрощает конструкцию системы. Современные варианты таких процессоров могут содержать встроенные контроллеры сразу нескольких разнотипных шин для работы с различными типами памяти. Например, память DDR и Flash. В этом случае, шины используются и для передачи команд, и для передачи данных без разделения. Такие процессоры больше относятся к фон-неймановской архитектуре, при сохранении достоинств гарвардской архитектуры.

Использование

Первым компьютером, в котором была использована идея гарвардской архитектуры, был Марк I. Гарвардская архитектура используется в ПЛК и микроконтроллерах, таких, как Atmel AVR, Intel 4004, Intel 8051. [3]