- •Астраханский государственный технический университет
- •Уровни детализации структуры вычислительной машины
- •Эволюция средств автоматизации вычислений
- •Нулевое поколение (1492-1945)
- •Первое поколение (1937-1953)
- •Второе поколение(1954-1962)
- •Третье поколение(1963-1972)
- •Четвертое поколение (1972-1984)
- •Пятое поколение(1984-1990)
- •Шестое поколение (1990-)
- •Концепция машины с хранимой в памяти программой
- •Принцип двоичного кодирования
- •Принцип программного управления
- •Принцип однородности памяти
- •Принцип адресности
- •Типы структур вычислительных машин и систем
- •Структуры вычислительных машин
- •Структуры вычислительных систем
- •2. Классификация архитектур системы команд
- •Классификация по составу и сложности команд
- •Классификация по месту хранения операндов
- •Системы счисления
- •Двоичная система счисления
- •Шестнадцатеричная система счисления.
- •Перевод чисел из одной системы счисления в другую
- •Перевод в десятичную систему счисления
- •Перевод в двоичную систему счисления Перевод из десятичной системы счисления
- •Перевод из шестнадцатеричной системы счисления.
- •Перевод в шестнадцатеричную систему счисления. Перевод из десятичной системы счисления.
- •3. Организация шин
- •Типы шин
- •Шина «процессор-память»
- •Шина ввода/вывода
- •Системная шина
- •Иерархия шин
- •Вычислительная машина с одной шиной
- •Вычислительная машина с двумя видами шин
- •Вычислительная машина с тремя видами шин
- •Распределение линий шины
- •Арбитраж шин
- •Схемы приоритетов
- •Схемы арбитража
- •Надежность и отказоустойчивость
- •4. Память
- •Характеристики систем памяти
- •Основная память
- •Оперативные запоминающие устройства
- •Постоянные запоминающие устройства
- •Энергонезависимые оперативные запоминающие устройства
- •Специальные типы оперативной памяти
- •Обнаружение и исправление ошибок
- •Стековая память
- •Ассоциативная память
- •Емкость кэш - памяти
- •Одноуровневая и многоуровневая кэш - память
- •Дисковая кэш-память
- •Понятие виртуальной памяти
- •Массивы магнитных дисков с избыточностью
- •Повышение производительности дисковой подсистемы
- •Повышение отказоустойчивости дисковой подсистемы
- •Raid уровня о
- •Raid уровня 1
- •Raid уровня 2
- •Raid уровня 3
- •Raid уровня 4
- •Raid уровня 5
- •Raid уровня 6
- •Raid уровня 7
- •Raid уровня 10
- •Raid уровня 53
- •Особенности реализации raid-систем
- •Магнитные ленты
- •5. СиСтемы ввода/вывода
- •Адресное пространство системы ввода/вывода
- •Внешние устройства
- •Модули ввода/вывода Функции модуля
- •Методы управления вводом/выводом
- •Программно управляемый ввод/вывод
- •Ввод/вывод по прерываниям
- •Прямой доступ к памяти
- •Каналы и процессоры ввода/вывода
Типы структур вычислительных машин и систем
Достоинства и недостатки архитектуры вычислительных машин и систем изначально зависят от способа соединения компонентов. При самом общем подходе можно говорить о двух основных типах структур вычислительных машин и двух типах структур вычислительных систем.
Структуры вычислительных машин
В настоящее время примерно одинаковое распространение получили два способа построения вычислительных машин: с непосредственными связями и на основе шины.
Типичным представителем первого способа может служить классическая фон-неймановская ВМ. В ней между взаимодействующими устройствами (процессор, память, устройство ввода/вывода) имеются непосредственные связи. Особенности связей (число линий в шинах, пропускная способность и т. п.) определяются видом информации, характером и интенсивностью обмена. Достоинством архитектуры с непосредственными связями можно считать возможность развязки «узких мест» путем улучшения структуры и характеристик только определенных связей, что экономически может быть наиболее выгодным решением. У фон-неймановских ВМ таким «узким местом» является канал пересылки данных между ЦП и памятью, и «развязать» его достаточно непросто. Кроме того, ВМ с непосредственными связями плохо поддаются реконфигурации.
В варианте с общей шиной все устройства вычислительной машины подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных и управления. Наличие общей шины существенно упрощает реализацию ВМ, позволяет легко менять состав и конфигурацию машины. Благодаря этим свойствам шинная архитектура получила широкое распространение в мини-и микроЭВМ. Вместе с тем, именно с шиной связан и основной недостаток архитектуры: в каждый момент передавать информацию по шине может только одно устройство. Основную нагрузку на шину создают обмены между процессором и памятью, связанные с извлечением из памяти команд и данных и записью в память результатов вычислений. На операции ввода/вывода остается лишь часть пропускной способности шины. Практика показывает, что даже при достаточно быстрой шине для 90% приложений этих остаточных ресурсов обычно не хватает, особенно в случае ввода или вывода больших массивов данных.
В целом следует признать, что при сохранении фон-неймановской концепции последовательного выполнения команд программы шинная архитектура в чистом ее виде оказывается недостаточно эффективной. Более распространена архитектура с иерархией шин, где помимо магистральной шины имеется еще несколько дополнительных шин. Они могут обеспечивать непосредственную связь между устройствами с наиболее интенсивным обменом, например процессором и кэш-памятью. Другой вариант использования дополнительных шин — объединение однотипных устройств ввода/вывода с последующим выходом с дополнительной шины на магистральную. Все эти меры позволяют снизить нагрузку на общую шину и более эффективно расходовать ее пропускную способность.
Структуры вычислительных систем
Понятие «вычислительная система» предполагает наличие множества процессоров или законченных вычислительных машин, при объединении которых используется один из двух подходов.
Ввычислительныхсистемах с общей памятью имеется общая основная память, совместно используемая всеми процессорами системы. Связь процессоров с памятью обеспечивается с помощью коммуникационной сети, чаще всего вырождающейся в общую шину. Таким образом, структура ВС с общей памятью аналогична рассмотренной выше архитектуре с общей шиной, в силу чего ей свойственны те же недостатки. Применительно к вычислительным системам данная схема имеет дополнительное достоинство: обмен информацией между процессорами не связан с дополнительными операциями и обеспечивается за счет доступа к общим областям памяти.
Альтернативный вариант организации —распределенная система, где общая память вообще отсутствует, а каждый процессор обладает собственной локальной памятью. Часто такие системы объединяют отдельные ВМ. Обмен информацией между составляющими системы обеспечивается с помощью коммуникационной сети посредством обмена сообщениями.
Подобное построение ВС снимает ограничения, свойственныe для общей шины, но приводит к дополнительным издержкам на пересылку сообщений между процессорами или машинами.