ВСС и Т

Конспект лекций

Введение

I Понятие архитектуры вычислительной машины и системы

II Связь алгоритмических и архитектурных аспектов построения вычислительных машин и систем

Понятие архитектуры вычислительной машины и системы

К настоящему времени существенно изменился подход к созданию вычислительных машин (ВМ) и систем (ВС). Ранее аппаратные и программные составляющие (hardware, software) разрабатывались независимо. В настоящее время на первый план выдвигается разработка такой концепции создания ВМ и ВС, когда технические и программные компоненты разрабатываются одновременно и взаимосвязано. В связи с этой взаимосвязью появилось новое понятие «архитектуры» ВС.

Под архитектурой ВМ и ВС понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющих функциональные возможности ЭВМ и систем при решении соответствующих классов задач.

Таким образом, архитектура ВМ и ВС охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплекса программных и аппаратных средств и учитывающих множество факторов:

• Стоимость

• Сфера применения

• Функциональные возможности

• Удобство эксплуатации

Основные компоненты архитектуры ВМ и ВС

Вычислительные и логические возможности

Аппаратные средства

Программное обеспечение

Обеспечение параллельности вычисления (для ВС)

1. Система команд (набор команд, составляющих язык низкого уровня) 2. Форматы команд 3. Способы адресации, назначение регистров

1. Структура ВМ, ВС (совокупность элементов системы или машины и связи между ними) 2. Организация памяти 3. Организация ввода/вывода 4. Принципы управления (организация вычисления)

1. Операционная система (ОС) 2. Языки программирования 3. Прикладное программное обеспечение.

1. Средство выделения уровней иерархий 2. Определение правил взаимодействия между уровнями иерархий

Вывод: архитектура определяет правила взаимодействия составных частей вычислительного средства, описание которого выполняется в той мере, в какой это необходимо для формирования правил их взаимодействия.

Наиболее традиционным является проведение различия между ВМ и ВС по признаку множественности вычислительных модулей, что соответствует признаку параллельности обработки. В соответствие с этим подходом, ВМ – это комплекс технических и программных средств, предназначенных для оптимизации, подготовки и решения задач пользователя. ВС – это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для подготовки решения. Основной чертой ВС является наличие в них средств, обеспечивающих параллельную обработку информации за счет параллельных ветвей в вычислениях.

Дадим узкое трактование понятия «архитектура»: Под архитектурой ВМ и ВС понимается логическое построение ВМ, ВС, т.е. то, какой ВМ или ВС представляется программисту, разрабатывающему программу на машинно-ориентированном языке (языке низкого уровня).

Более общее определение архитектуры: под архитектурой системы понимаются следующие принципы:

• Выделение в системе уровней и иерархий

• Наделение уровней и иерархий определенными функциями

• Отслеживание, контроль за соблюдением, выполнением заданных функций отдельными уровнями иерархий.

Связь алгоритмических и архитектурных аспектов построения вычислительных машин и систем

Пусть имеется класс алгоритмов А решения некоторых задач, S – множество различных архитектур ВМ и ВС.

Выделим множество А×S.

Попытаемся задать на этом множестве критерий сложности С.

С(А) · С(S) = Критерий

С(А) – сложность алгоритма:

• Длина выполнения алгоритма

• Трудоемкость

• Объем памяти

С(S) – сложность системы:

• Стоимость

• Число компонентов (транзисторы, корпуса микросхем и др.)

В рамках задачи поиска экстремума возникают две крайние задачи:

1. для данного алгоритма подобрать систему оптимальной сложности

2. для заданной системы выбрать оптимальный алгоритм

Развитие систем оптимизации проектирования (САПР) а также достижения в развитии элементарной базы (технологии) позволяют реализовать первую задачу (под задачу разрабатывается система). Необходимым условием создания специализированных ВМ и ВС является постоянный системный характер решения такой задачи.

Примеры таких задач (постоянные задачи):

• обработка матриц (в частности, их перемножение)

например, DAP – обеспечивает перемножение 2-х матриц 32×32 за 32 шага, при этом сама представляет собой матрицу размером 32×32 элемента.

• сортировка массивов

• перестановка, упаковка элементов массивов

• теоретико-множественное объединение, пересечение элементов массивов

• нахождение компонентов связности графов различной формы.

Принципы построения современных ЭВМ

I Классическая обобщенная структурная схема компьютера

II Принцип программного управления

III Структура ПК

IV Классификация ВМ

Классическая обобщенная структурная схема компьютера

В соответствии с представленной схемой, вычисления осуществляются последовательно под централизованным управлением команд. Набор команд составляет машинный язык низкого уровня. Он позволяет выполнять простые операции над элементарными операндами.

Память хранит как операнды, так и данные. Она состоит из ячеек фиксированного размера, линейно организованных в адресном пространстве.

УУ и АЛУ вместе образуют процессор. Важной составляющей частью центрального процессора являются регистры общего назначения. Они используются для промежуточного хранения обрабатываемой информации.

УУ – организует автоматическое управление программ и функционирование ВМ как единой системы. Основная задача – выработка управляющих сигналов.

АЛУ – предназначена для выполнения арифметических и логических операций над поступающими данными.

ОП – массив запоминающих элементов, организованных в виде ячеек.

Кроме первой особенности (совместное хранение данных и программ в ОП) другой важной негативной особенностью является необходимость прерывания процесса обработки данных в АЛУ при передаче данных в память и из нее (из УВв и в УВыв). При этом прерываются нормальные вычисления, а данные передаются без обработки.

Избежать этот недостаток удается при введении прямого доступа к памяти (ПДП). Такая архитектура ВМ называется архитектурой фон Неймана.

Структурная схема компьютера с прямым доступом к памяти

Положительный эффект от прямого доступа к памяти снижается в связи с появлением конфликтов, возникающих при одновременном обращении к памяти АЛУ и системы ввода/вывода. В этом случае необходимо обеспечить работу системы прерываний и приоритетов, что усложняет архитектуру в два раза. В реальном случае аппаратные затраты аппаратуры АЛУ могут вырасти на 90% при выигрыше по скорости вычислений 5%.

Структурная схема компьютера с каналом ввода-вывода

Main Frame

MF используется для высокопроизводительных сосредоточенных вычислений при необходимости выработки запросов от большого количества абонентов.

Канал ввода/вывода представляет собой по сути вторую сатилитную, т.е. подчиненную, несамостоятельную, ВМ со своим АЛУ, системой команд, памятью. Канал ввода/вывода играет роль «секретаря», т.е. обеспечивает установление взаимодействия с абонентами и буферизирование получаемой от абонентов информации.

MF получила широкое распространение в банковской сфере.

95% ВМ работают по архитектуре фон Неймана. Признаки данной архитектуры:

1. единственная, последовательно адресуемая память (программы и данные лежат в одной памяти)

2. память является линейной; она одномерная, имеет вид вектора слов

3. отсутствие явных различий между командами и данными

пример: объект, адресуемый командой перехода, определяется как команда, а объект, который адресует команда, определяется как операнд

4. назначение данных не является их неотъемлемой составной частью, оно определяется логикой программирования

пример: нет никаких средств, позволяющих отличить набор битов, представляющих число с плавающей точкой, от набора битов, являющихся строкой символов.

Основные характеристики языков высокого уровня:

• Память, представленная в языке высокого уровня, состоит из дискретных именуемых переменных (переменная – имя отрезка, участка памяти). Здесь отсутствует принцип размещения одной переменной рядом с другой, т.е. это существенно отличается от принципа единственности, последовательности памяти

• Языки программирования высокого уровня оперируют многомерными данными, а не просто линейными

• Языкам программирования присуще резкое различие между данными и командами

• В языках высокого уровня назначение данных является внутренней частью самих данных

В языках высокого уровня назначения данных связано с самими данными. Атрибуты данных определяют таким образом операции, выполняемые над ними.

Вывод: машина фон Неймана – плохое средство для выполнения программ, написанных на языке высокого уровня, т.к.:

1. чрезмерный расход программных средств вследствие согласования возможностей языка со структурой памяти

2. машина фон Неймана чрезмерно универсальна:

   • отказывается использовать слово, значение которого для текущего момента не определено

   • можно адресовать в память все, что угодно

   • наличие возможности обработки разной по природе информации

Такая универсальность отсутствует в языках программирования, поэтому на компилятор (компиляция – перевод языка высокого уровня на язык низкого) должна быть возложена задача устранения универсальности и обеспечения отсутствия искажений, которые эта универсальность может внести в определение языка.

Принцип программного управления

Программа представляет собой последовательность команд. Команды лежат одна за другой в смежных ячейках памяти.

Для того, чтобы выполнить программу, необходимо задать только лишь адрес первой команды этой программы (А1). Переход ко второй команде осуществляется путем вычисления адреса ее начала, для этого к адресу первой команды прибавляется её длина. Далее процесс многократно повторяется, причем автоматически - программа сама управляет работой машины, никакого внешнего управления не требуется.

Структура ПК

Персональный компьютер содержит в своем составе:

• по крайней мере, один микропроцессор;

• один или несколько модулей памяти;

• периферийные устройства (ПФУ);

• блоки сопряжения с ПФУ (контролеры).

• системная шина, которая состоит из трех шин:

• шины адресов;

• шины данных;

• шины управления.

Принцип открытой архитектуры:

Принципы организации данной архитектура таковы, что такая архитектура может быть расширена за счет подключения дополнительных устройств, ПФУ, к системной шине. Универсальность подключения достигается за счет использования специальных устройств – контролеров. Они учитывают специфику подключения устройства и унифицируют, таким образом, процедуру взаимодействия процессора и ПФУ.

Недостаток: системная шина – камень преткновения, т.к. унификация перегружает шину.

Классификация ВМ

Традиционно электронную вычислительную технику разделяют на аналоговую и цифровую, что напрямую связано с двумя формами представления информации. В настоящее время под словом ЭВМ, или компьютер, обычно понимают цифровые вычислительные машины, в которых вся информация кодируется двоичными кодами чисел. Именно эти машины благодаря универсальным возможностям и являются самой массовой вычислительной техникой. В отличие от аналоговых цифровые машины обеспечивают получение более высокой точности вычислений, но любая программная обработка является источником задержки результатов, временных ошибок. Чем сложнее программы обработки, тем больше погрешности.

1. По назначению и возможностям компьютеры подразделяют на следующие группы:

• СуперЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач научного, технического, экономического характера; для обслуживания крупнейших информационных банков данных. СуперЭВМ позволяют по сравнению с другими типами машин точнее, быстрее и качественнее решать крупные задачи, обеспечивая необходимый приоритет в разработках перспективной вычислительной техники;

• Большие ЭВМ для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров. Примером подобных машин, а точнее, систем, служат системы, имеющие производительность на порядок ниже, чем у суперЭВМ. Это очень мощные по производительности компьютеры, предназначенные для обеспечения научных исследований, построения рабочих станций для работы с графикой, Unix-серверов, кластерных комплексов и т.п.;

• Средние ЭВМ широкого назначения для управления сложными технологическими производственными процессами. ЭВМ этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой информации в качестве сетевых серверов. Такие машины являются основой построения вычислительных центров отдельных производств, научных лабораторий и т.п.;

• Персональные и профессиональные ЭВМ, позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого самого массового класса ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места для специалистов различного уровня;

• Ноутбуки. Совершенствование микропроцессоров привело к созданию мощных и малогабаритных компьютеров, вполне способных обеспечить создание мобильного офиса различного класса с ориентацией на электронную почту, передачу факсов, доступ в Интернет.

• Встраиваемые микропроцессоры, осуществляющие автоматизацию управления отдельными устройствами, механизмами, машинами, системами. Эти устройства, универсальные по характеру применения, могут встраиваться в отдельные машины, объекты, системы. Они находят все большее применение в бытовой технике (телефонах, телевизорах, электронных часах, микроволновых печах и т.д.), в городском хозяйстве (энерго-, тепло- , водоснабжении, управлении движением транспорта и т.д.), на производстве (робототехнике, управлении технологическими процессами).

2. По месту и роли в сети компьютеры делятся на:

   • Большие машины и системы предназначаются для обслуживания крупных сетевых банков данных и банков знаний. По своим характеристикам их можно отнести к классу суперЭВМ, но в отличие от них они являются более специализированными и ориентированными на обслуживание мощных потоков и хранилищ информации;

   • Кластерные структуры представляют собой многомашинные распределенные вычислительные системы, объединяющие под единым управлением несколько серверов. Это позволяет гибко управлять ресурсами сети, обеспечивая необходимую производительность, надежность, готовность и другие характеристики;

   • Серверы – это вычислительные машины и системы, управляющие определенным видом ресурсов сети. Различают файл-серверы, серверы приложений, факс-серверы, почтовые, коммуникационные, Web-серверы и др.;

   • Сетевые компьютеры, созданные на базе существующих стандартных микропроцессоров, представляют собой новый класс устройств. Они предназначаются для использования в компьютерных сетях. В зависимости от выполняемых функций и от контекста под этим термином понимают различные устройства. Если эти устройства используются для подключения к сети с целью получения из нее информации, то под сетевым компьютером обычно понимают комбинированное устройство типа КПК, дополненное функциями подключения к сети Интернет. В другом контексте под сетевым компьютером (процессором) понимают специализированные сетевые устройства, предназначенные для выполнения определенных сетевых функций: классификации сообщений, защиты передаваемых данных, управления по используемым протоколам и переадресации. Обычно эти устройства размещаются на «границах» сетей и дополняют функции маршрутизаторов, коммутаторов, шлюзов, мостов;

   • Сетевые процессоры (NPU — network processing unit). Построение сетевых устройств на основе микропроцессоров позволяет решить проблему одновременного увеличения скорости и гибкости. Возможность быстрой смены программ в специализированных сетевых устройствах обработки делает их идеальным решением. Они избавляют администраторов сетей от дорогостоящих модернизаций оборудования, разгружают процессоры серверов и рабочих станций от выполнения ими несвойственных им связных функций, обеспечивают необходимую гибкость, адаптацию к изменению обстановки и т.д.

Арифметические и логические основы построения компьютеров

I Основные положения алгебры логики

II Понятие о комбинационной схеме и цифровом автомате

III Функционально полные наборы элементов

IV Проблемы и пути развития элементной базы

Основные положения алгебры логики

Алгебра логики (АЛ) устанавливает основные законы формирования и преобразования логических функций. Она позволяет представить любую сложную функцию в виде композиции простых функций.

Базовым понятием АЛ является логическая переменная. Она может принимать два значения: 1/0, истина/ложь, да/нет, true/false…

В АЛ над логическими переменными выполняются логические операции (функции). Каждая операция задается таблицей истинности. Входом в такую таблицу является полный набор всех логических переменных, аргументов данной логической операции, а выходом – результат. Всего логических операций 16.

Основные 3 операции:

1. Отрицание

y =

x	y
0	1
1	0

2. Конъюнкция (логическое умножение/логическое И)

y = x₁ x₀; y = x_1&x₀

x0	x1	y
0	0	0	1
0	1	0	1
1	0	0	1
1	1	1	0

3. Дизъюнкция (логическое сложение/логическое ИЛИ)

y = x₁ x₀

x0	x1	y
0	0	0	1
0	1	1	0
1	0	1	0
1	1	1	0

В АЛ существуют законы, позволяющие преобразовывать сложные логические функции:

1. Коммутативный (переместительный)

x_1*x₂ = x_2*x₁, x₁₊x₂ = x₂₊x₁

2. Ассоциативный

(x₁* x₂) *x₃ = x₁*(x₂ *x₃)

(x₁+x₂) +x₃ = x₁+(x₂+ x₃)

3. Дистрибутивный (распределительный)

x₁*( x₂₊ x₃) = x₁*x₂₊ x₁*x₃

x₁₊ x₂* x₃ = ( x₁₊ x₂) * ( x₁₊ x₃)

4. Поглощения

x₁*( x₁₊x₂) = x₁

5. Склеивания

x₁*x₂ x₁* ₂ = x₁

( x₁₊x₂)*( x₁₊x₂) = x₁

6. Свертки

x+ F = x₊F (F – некая логическая функция)

x*( ) = x*F

7. Правило де Моргана

=

=

Система булевых функций (логических функций) W называется функционально полной, если для любой другой булевой функции f (функция любой сложности), зависящей от переменных x₁, x₂,…,x_n, может быть построена равная ей функция путем суперпозиции функции из системы W от аргументов x₁, x₂,…,x_n.

В математической логике доказывается, что:

• Если система булевых функций W содержит конъюнкцию, дизъюнкцию и отрицание, то она является функционально полной;

• Функционально полным набором являются следующие системы булевых функций:

  1. И-ИЛИ-НЕ

  2. И-НЕ

ИЛИ-НЕ

Существуют также и другие функционально полные системы булевых функций.

Понятие о комбинационной схеме и цифровом автомате

Преобразование информации в ВМ производится электронными устройствами двух классов:

• Комбинационные схемы (КС)

• Цифровые автоматы (ЦА)

1. КС

В КС совокупность входных сигналов y в любой момент времени определена входными сигналами x, поступающими на входы в тот же самый момент времени. Реализуемый способ работы обработки информации называется комбинационным, т.к. результат обработки зависит только от комбинации входных сигналов и вырабатывается сразу при подаче входной информации.

Закон функционирования КС определен, если задано соответствие между ее входными и выходными словами. Это соответствие может быть задано в виде таблицы или с помощью булевых функций.

2. ЦА (базой является КС)

ЦА в отличие от КС имеет некоторое конечное число различных внутренних состояний. Под воздействием входного слова X ЦА переходит из одного состояния в другое и выдает при этом выходное слово.

Выходное слово в такте определяется выходным словом, поступившим в этот такт на вход автомата, и внутренним состоянием автомата, которое явилось результатом воздействия на автомат входных слов в предыдущем такте.

Комбинация входного слова и текущего состояния автомата в данном такте определяет не только выходное слово, но и состояние, в котором автомат перейдет к началу следующего такта.

Функционально полные наборы элементов

Логические операции над двоичными переменными реализуются схемами, которые называются комбинационными логическими элементами (КЛЭ). Число входов КЛЭ соответствует числу аргументов, воспроизводимых им одной или нескольких булевых функций. Подобно тому, как сложная логическая функция может быть получена суперпозицией более простых функций, так и комбинационная схема строится из элементарных схем, т.е. КЛЭ.

Набор логических элементов для построения КС называется функционально полным, если реализованные этими элементами булевые функции образуют функционально полную систему функций. Набор логических элементов обладают функциональной полнотой для построения ЦА, если он содержит функционально полный набор логических элементов для построения комбинационных схем и элементарный автомат с полной системой выходов и переходов (из любого состояния автомата можно перейти в любое другое состояние автомата). В ВМ в качестве элементарных автоматов используют триггеры.

Логические функции:

Системой логических элементов называется предназначенный для построения цифровых устройств функционально полный набор логических элементов, объединенных общими электрическими, конструктивными, техническими параметрами и использующих одинаковый способ представления информации и одинаковый тип межэлементных связей.

Система элементов содержит:

• Элементы для выполнения логических операций

• Запоминающие элементы

• Элементы усиления, восстановления и формирования сигналов.

Основными параметрами систем логических элементов являются:

• Уровень питающих напряжений

• Уровни сигналов для представления логических единиц и нулей

• Нагрузочная способность

• Помехоустойчивость

• Рассеиваемая мощность и быстродействие

Основные типы интегральных логических элементов:

• Потенциальные элементы ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика)

• Потенциальные элементы транзисторной логики с электронными связями

• Элементы МОП (металл, оксид, полупроводник) транзистора

Узлы ЭВМ

Триггер – самый маленький запоминающий элемент; простейшее последовательностное (логические устройства, выходные сигналы которых определяются не только сигналами на входах, но и предысторией их работы) устройство, которое может длительно находиться в одном из нескольких возможных устойчивых состояний и переходить из одного в другое под воздействием входных сигналов.

Регистр – логическое устройство, используемое для хранения n-разрядных двоичных чисел и выполнения преобразований над ними.

Регистр представляет собой упорядоченную последовательность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове. С каждым регистром обычно связано комбинационное цифровое устройство, с помощью которого обеспечивается выполнение некоторых операций над словами. Фактически любое цифровое устройство можно представить в виде совокупности регистров, соединённых друг с другом при помощи комбинационных цифровых устройств.

Дешифраторы преобразуют код на входе в потенциальный сигнал на одном из выходов (выходов всегда меньше, чем входов).

Счетчик - устройство, на выходах которого получается двоичный (двоично-десятичный) код, определяемый числом поступивших импульсов. Основной параметр счётчика — модуль счёта — максимальное число единичных сигналов, которое может быть сосчитано счётчиком.

Проблемы и пути развития элементной базы

Одним из главных факторов достижения высокого быстродействия, а значит и высокой производительности ЭВМ является построение их на новейшей элементной базе. Смена поколений ЭВМ в значительной степени связана с переходами на новые поколения элементной базы. Качество элементной базы является показателем технического прогресса.

Проблемы развития:

• Сверхточная технология:

Все современные ЭВМ строятся на микропроцессорных наборах, основу которых составляют большие и сверхбольшие интегральные схемы (ИС). Степень микроминиатюризации, размер кристалла ИС, производительность и стоимость технологии при производстве ИС напрямую определяются типом литографии. В настоящее время ведущие компании, производящие микросхемы, реализуют кристаллы с размерами примерно 400мм² - для процессоров (например, Pentium) и 200мм² - для схем памяти. Минимальный топологический размер (толщина линий) при этом составляет 0,5 - 0,35 мкм. Для сравнения можно привести такой пример. Толщина человеческого волоса составляет примерно 100 мкм. Значит, при таком разрешении на толщине волоса могут вычерчивать более 200 линий.

• Сверхчистые материалы:

При высоких технологиях микроскопическая толщина линий, сравнимая с диаметром молекул, требует высокой чистоты используемых и напыляемых материалов. Достаточно попадания мельчайшей пылинки при изготовлении микросхемы, как она попадает в брак.

• Рассеиваемая мощность:

Уменьшение линейных размеров микросхем и повышение уровня их интеграции заставляют проектировщиков искать средства борьбы с потребляемой (Wn) и рассеиваемой (Wp) мощностью. При сокращении линейных размеров микросхем в 2 раза их объемы изменяются в 8 раз. Пропорционально этим цифрам должны меняться и значения Wn и Wp, в противном случае схемы будут перегреваться и выходить из строя.

Пути развития:

• Молекулярный компьютер

Молекулярные компьютеры - вычислительные системы, использующие вычислительные возможности молекул (преимущественно, биологических). Это устройства, в которых вместо кремниевых чипов, применяемых в современных компьютерах, работают молекулы и молекулярные ансамбли. В основе новой технологической эры лежат „интеллектуальные молекулы“. Такие молекулы могут существовать в двух термодинамически устойчивых состояниях, каждое из которых имеет свои физические и химические свойства. Переводить молекулу из одного состояния в другое можно с помощью света, тепла, химических агентов, электрического и магнитного поля и т.д. Фактически такие переключаемые бистабильные молекулы — это наноразмерная двухбитовая система, воспроизводящая на молекулярном уровне функцию классического транзистора. Эффективность и производительность таких компьютеров в миллиарды раз выше современных (благодаря намного меньшим размерам молекулярного транзисторов и времени отклика).

• Квантовый компьютер

  Квантовый компьютер  - гипотетическое вычислительное устройство, которое путём выполнения квантовых алгоритмов существенно использует при работе квантовомеханические эффекты, такие как квантовый параллелизм (при применении одной квантовой операции большое число коэффициентов суперпозиции квантовых состояний преобразуется одновременно) и квантовая запутанность (некое объединённое состояние атома — "распада — не распада"). Базовые характеристики квантовых компьютеров в теории позволяют им преодолеть некоторые ограничения, возникающие при работе классических компьютеров; квантовый компьютер, работая не с единицами информации, а с целыми массивами, действовал бы значительно быстрее.

• Оптический компьютер

Оптический компьютер - это сложная информационная система, в которой носители сигналов не электроны, а фотоны (частицы электромагнитного излучения). Оптический компьютер имеет невиданную производительность и совершенно иную, чем электронный компьютер, архитектуру. Самые скромные оценки показывают, что за 1 такт длительностью менее 1 наносекунды (это соответствует тактовой частоте более 1000 МГц) в оптическом компьютере возможна обработка массива данных порядка 1 мегабайта и более. Самый впечатляющий элемент оптического компьютера - это голографический экран. Оптический компьютер размером с ноутбук даст обычному пользователю возможность разместить в нем едва ли не всю информацию о мире, при этом компьютер сможет решать задачи любой сложности, в том числе такие, с которыми сегодня едва справляются мощные серверы. Специалисты с помощью оптического компьютера смогут обрабатывать данные геологоразведки прямо на месте исследования. Менеджер банка сможет работать с корпоративной базой, не выходя в открытую сеть - сколь велики бы ни были размеры базы данных, эта информация уместится в памяти оптического компьютера.

Функциональная и структурная организация компьютера

I Организация функционирования ПК с магистральной архитектурой

II Способы адресации

III Цикл выполнения команды

Организация функционирования ПК с магистральной архитектурой

Устройства ВМ делятся на два класса:

1. центральные (электронные)

2. периферийные (электронные/электронно-механические)

Основные устройства:

• центральный процессор

• основная память (ОП)

• дополнительные узлы – системная магистраль, которая связывает микропроцессорный комплект в единое целое.

Магистраль:

• шина адреса (ША)

• шина данных (ШД)

• шина управления (ШУ)

• регистры для запоминания передаваемой информации

• шинные арбитры

• шинные формирователи

ША, ШД и ШУ составляют системную шину (СШ). Интерфейс СШ образуют:

• логика работы системной магистрали

• количество разрядов (линий) в шинах данных, адреса, управления

• порядок разрешения конфликтной ситуации при одновременном обращении устройств к системной магистрали.

Алгоритм функционирования ВМ с магистральной архитектурой

0. Управляющая работой ВМ программа загружается операционной системой в ОП перед выполнением; адрес первой команды передается процессору и запоминается в счетчике команд.

0. Адрес очередной команды устанавливается на ША; на ШУ устанавливается сигнал «Выборка из ОП».

1. ОП получается сигнал «Выборка из ОП», считывает адрес с ША, находит заданную ячейку и ее содержимое (тело команды) устанавливает на ШД. На ШУ устанавливается сигнал «Выполнена ОП».

2. Процессор получает сигнал «Выполнена ОП» и тело команды (с ШД), которое он направляет с ШД в регистр команд.

3. В регистре команд анализируется адресная часть и операционная часть команды, при этом операционная часть направляется в блок управления для выработки управляющих сигналов, в адресная часть устанавливается на ША, при это на ШУ устанавливается идентификатор, который называется «Выборка из ОП».

4. Выбранная из ОП информация через ША поступает на внутреннюю магистраль процессора и далее в АЛУ.

5. Выполняется операция.

6. Результат выполнения операции устанавливается на ШД, а на ШУ устанавливается сигнал «запись в ОП».

7. Процессор получает по ШУ сигнал «Выполнена ОП». Тогда процессор переходит к выполнению следующей команды (т.е. переходит к пункту 1).

Данный алгоритм можно назвать диалогом процессора и памяти. Другой тип диалога – процессор - периферийное устройство.

Процесс передачи команды от процессора периферийному устройству.

1. Процессор устанавливает на ША системной магистрали адрес устройства, а на ШУ сигнал «Поиск устройства».

2. Устройство с совпавшим адресом откликается по ШУ сигналом совпадения.

3. Процессор специальным сигналом запрашивает байт состояния устройства и получает его.

4. В ответ на получение нулевого байта состояния процессор помещает на ШД команду, а на ШУ сигнал «Передаю команду».

5. Процессор ожидает от устройства квитанции – подтверждения о приеме команды устройством и после ее получения переходит к выполнению очередной команды. Устройство сообщает процессору о завершении выполнения команды.

Совокупность протокола, т.е. последовательности действий, связанных с поиском устройства, определением технического состояния, обменом командами и информацией, а также технических средств реализующих протокол, называется интерфейсом ввода-вывода. В одной ВМ может быть насколько различных интерфейсов ввода-вывода. Если их свести к одному универсальному, то такой интерфейс называется стандартным.

В современных ПК IBM можно выделить 2 интерфейса:

1. параллельный (centronics)

2. последовательный (USB)

Интерфейсы постоянно совершенствуются. Проблемой является универсализация. Многопрограммный режим возник именно из-за того, что была предпринята попытка экономии времени обращения к ПУ. Так, например, при обращении к жесткому магнитному диску при выполнении операции записи или чтения затрагивается несколько миллисекунд для функционирования головок при частоте 1 мегагерц. Одна миллисекунда потерь времени при позиционировании соответствует потерям одного миллиона тактов центрального процессора.

Способы адресации

В современных вычислительных машинах используется насколько типов адресаций. Рассмотрим некоторые из них:

1. Первым и самым простым является непосредственная адресация

В этом случае операнд представляет собой число, записанное непосредственно в команду. Как правило это числа, являющиеся часто используемыми константами.

Достоинством является сокращение времени выполнения команды, т.е. отсутствует обращение в оперативную память.

Недостатком является ограничение размера непосредственного операнда, т.е. операнд может занять примерно половину разрядной сетки команды; чем меньше разрядов общего назначения выделяется на операнд, тем меньше диапазон представления этого числа.