- •Организация эвм и систем
- •Содержание
- •Глава 1. Становление и эволюция цифровой вычислительной техники 8
- •Глава 2. Архитектура системы команд 37
- •Глава 3. Программная модель процессора на примере Intel i8086 71
- •Глава 4. Интерфейсы и шины в вычислительной системе 87
- •Глава 5. Системы ввода/вывода. Организация обмена в вычислительной системе 116
- •Глава 6. Основные направления в архитектуре процессоров 129
- •Глава 7. Подсистема памяти 169
- •Глава 8. Внешние накопители 197
- •Глава 9. Основы параллельных вычислений 220
- •Глава 10. Архитектура многопроцессорных систем 237
- •Глава 1. Становление и эволюция цифровой вычислительной техники
- •1.1. Определение понятия «архитектура»
- •1.2. Уровни детализации структуры вычислительной машины
- •1.3. Эволюция средств автоматизации вычислений
- •1.3.1. Нулевое поколение (1492-1945)
- •1.3.2. Первое поколение(1937-1953)
- •1.3.3. Второе поколение (1954-1962)
- •1.3.4. Третье поколение (1963-1972)
- •1.3.5. Четвертое поколение (1972-1984)
- •1.3.6. Пятое поколение (1984-1990)
- •1.3.7. Шестое поколение (1990–)
- •1.4. Концепция машины с хранимой в памяти программой
- •1.4.1. Принцип двоичного кодирования
- •1.4.2. Принцип программного управления
- •1.4.3. Принцип однородности памяти
- •1.4.4. Принцип адресности
- •1.6 Типы структур вычислительных машин и систем
- •1.6.1. Структуры вычислительных машин
- •1.6.2. Структуры вычислительных систем
- •1.6.3. Перспективные направления исследований в области архитектуры
- •Контрольные вопросы
- •Глава 2. Архитектура системы команд
- •2.1. Понятие архитектуры системы команд
- •2.2. Классификация архитектур системы команд
- •2.2.1. Классификация по составу и сложности команд
- •2.2.2. Классификация по месту хранения операндов
- •2.3. Форматы команд
- •2.3.1. Длина команды
- •2.3.2. Разрядность полей команды
- •2.3.3. Количество адресов в команде
- •2.4. Выбор адресности команд
- •2.4.1. Адресность и емкость запоминающего устройства
- •2.4.2. Адресность и время выполнения программы
- •2.4.3. Адресность и эффективность использования памяти
- •2.5. Способы адресации операндов
- •2.5.1. Непосредственная адресация
- •2.5.2. Прямая адресация
- •2.5.3. Косвенная адресация
- •2.5.4. Регистровая адресация
- •2.5.5. Косвенная регистровая адресация
- •2.5.6. Адресация со смещением
- •2.5.7. Относительная адресация
- •2.5.8. Базовая регистровая адресация
- •2.5.9. Индексная адресация
- •2.5.10. Страничная адресация
- •2.6. Цикл команды
- •2.7. Основные показатели вычислительных машин
- •Контрольные вопросы
- •Глава 3. Программная модель процессора на примере Intel i8086
- •3.1. Программная архитектура i80х86
- •3.2. Микропроцессор i8086
- •3.3. Доступ к ячейкам памяти
- •3.4. Команды микропроцессора
- •3.5. Основные группы команд и их краткая характеристика
- •3.6. Способы адресации в архитектуре i80x86
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №1. Программная архитектура процессора i8086
- •Глава 4. Интерфейсы и шины в вычислительной системе
- •4.1. Структура взаимосвязей вычислительной машины
- •4.2. Типы шин
- •4.2.1. Шина «процессор-память»
- •4.2.2. Шина ввода/вывода
- •4.2.3. Системная шина
- •4.3. Иерархия шин
- •4.3.1. Вычислительная машина с одной шиной
- •4.3.2. Вычислительная машина с двумя видами шин
- •4.3.3. Вычислительная машина с тремя видами шин
- •4.4. Физическая реализация шин
- •4.4.1. Механические аспекты
- •4.4.2. Электрические аспекты
- •4.5. Распределение линий шины
- •4.6. Выделенные и мультиплексируемые линии
- •4.7. Арбитраж шин
- •4.7.1. Схемы приоритетов
- •4.7.2. Схемы арбитража
- •4.8. Основные интерфейсы современных вм на базе архитектуры ia-32
- •4.8.1. Интерфейс pci
- •4.8.2. Порт agp
- •4.8.3. Pci Express
- •Глава 5. Системы ввода/вывода. Организация обмена в вычислительной системе
- •5.1. Основные функции модуля ввода-вывода
- •5.1.1. Локализация данных
- •5.1.2. Управление и синхронизация
- •5.1.3. Обмен информацией
- •5.2. Методы управления вводом/выводом
- •5.3. Система прерываний и исключений в архитектуре ia-32
- •5.4. Расширенный программируемый контроллер прерываний (apic)
- •Глава 6. Основные направления в архитектуре процессоров
- •6.1. Конвейеризация вычислений
- •6.1.1. Синхронные линейные конвейеры
- •6.1.2. Метрики эффективности конвейеров
- •6.1.3. Нелинейные конвейеры
- •6.2. Конвейер команд
- •6.3. Конфликты в конвейере команд
- •6.4. Методы решения проблемы условного перехода
- •6.5. Предсказание переходов
- •6.5.1. Статическое предсказание переходов
- •6.5.2. Динамическое предсказание переходов
- •6.6. Суперконвейерные процессоры
- •6.7. Архитектуры с полным и сокращенным набором команд
- •6.8. Основные черты risc-архитектуры
- •6.9. Преимущества и недостатки risc
- •6.10. Суперскалярные процессоры
- •Лабораторная работа №4. Исполнительные устройства вм
- •Глава 7. Подсистема памяти
- •7.1. Характеристики систем памяти
- •7.2. Иерархия запоминающих устройств
- •7.3. Основная память
- •7.4. Блочная организация основной памяти
- •7.5. Организация микросхем памяти
- •7.6. Синхронные и асинхронные запоминающие устройства
- •7.7. Оперативные запоминающие устройства
- •7.8 Статическая и динамическая оперативная память
- •7.9. Статические оперативные запоминающие устройства
- •7.10. Динамические оперативные запоминающие устройства
- •Лабораторная работа №5. Расширенная работа с памятью и передача управления в программе
- •Глава 8. Внешние накопители
- •8.1. Магнитные диски
- •8.1.1. Организация данных и форматирование
- •8.1.2. Внутреннее устройство дисковых систем
- •8.2. Массивы магнитных дисков с избыточностью
- •8.2.1. Концепция массива с избыточностью
- •8.2.2. Повышение производительности дисковой подсистемы
- •8.2.3. Повышение отказоустойчивости дисковой подсистемы
- •8.2.4. Raid уровня 0
- •8.2.5. Raid уровня 1
- •8.2.6. Raid уровня 2
- •8.2.7. Raid уровня 3
- •8.2.8. Raid уровня 4
- •8.2.9. Raid уровня 5
- •8.2.10. Raid уровня 6
- •8.2.11. Raid уровня 7
- •8.2.12. Raid уровня 10
- •8.2.13. Raid уровня 53
- •8.2.14. Особенности реализации raid-систем
- •8.3. Оптическая память
- •Контрольные вопросы
- •Глава 9. Основы параллельных вычислений
- •9.1. Уровни параллелизма
- •9.1.1. Параллелизм уровня задания
- •9.1.2. Параллелизм уровня программ
- •9.1.3. Параллелизм уровня команд
- •9.2. Метрики параллельных вычислений
- •9.2.1. Профиль параллелизма программы
- •9.2.2. Ускорение, эффективность, загрузка и качество
- •9.3. Закон Амдала
- •9.4. Закон Густафсона
- •9.5. Классификация параллельных вычислительных систем. Классификация Флинна
- •Контрольные вопросы
- •Глава 10. Архитектура многопроцессорных систем
- •Классификация многопроцессорных систем
- •Организация коммуникационной среды в системах с разделяемой памятью.
- •Когерентность кэш- памяти в smp- системах.
- •Когерентность кэш- памяти в mpp-системах.
- •Организация прерываний в мультипроцессорных системах.
- •Заключение
- •Библиографический список
Контрольные вопросы
Перечислите основные компоненты HDD.
Какие две цели достигаются с помощью организации HDD в RAID?
Оцените утилизацию дискового пространства для RAID 1 и 5.
Какие преимущества имеются у составных RAID-массивов?
За счёт чего достигается повышенная отказоустойчивость RAID?
От чего зависит количество секторов на дорожке?
Каким способом можно увеличить плотность записи на пластину HDD?
На чём основан принцип считывания информации с CD?
Почему в CD используется только метод считывания с постоянной линейной скоростью?
За счёт чего увеличена ёмкость DVD по сравнению с CD?
Глава 9. Основы параллельных вычислений
В основе архитектуры большинства современных ВМ лежит представление алгоритма решения задачи в виде программы последовательных вычислений. Базовые архитектурные идеи ВМ, ориентированной на последовательное исполнение команд программы, были сформулированы Джоном фон Нейманом. В условиях постоянно возрастающих требований к производительности вычислительной техники все очевидней становятся ограничения классической фон-неймановской архитектуры, обусловленные исчерпанием всех основных идей ускорения последовательного счета. Дальнейшее развитие вычислительной техники связано с переходом к параллельным вычислениям как в рамках одной ВМ, так и путем создания многопроцессорных систем и сетей, объединяющих большое количество отдельных процессоров или отдельных вычислительных машин. Для такого подхода вместо термина «вычислительная машина» более подходит термин «вычислительная система» (ВС). Отличительной особенностью вычислительных систем является наличие в них средств, реализующих параллельную обработку, за счет построения параллельных ветвей в вычислениях, что не предусматривалось классической структурой ВМ. Идея параллелизма как средства увеличения быстродействия ЭВМ возникла очень давно — еще в XIX веке.
9.1. Уровни параллелизма
Методы и средства реализации параллелизма зависят от того, на каком уровне он должен обеспечиваться. Обычно различают следующие уровни параллелизма:
Уровень заданий. Несколько независимых заданий одновременно выполняются на разных процессорах, практически не взаимодействуя друг с другом. Этот уровень реализуется на ВС с множеством процессоров в многозадачном режиме.
Уровень программ. Части одной задачи выполняются на множестве процессоров. Данный уровень достигается на параллельных ВС.
Уровень команд. Выполнение команды разделяется на фазы, а фазы нескольких последовательных команд могут быть перекрыты за счет конвейеризации. Уровень достижим на ВС с одним процессором.
Уровень битов (арифметический уровень). Биты слова обрабатываются один за другим, это называется бит-последовательной операцией. Если биты слова обрабатываются одновременно, говорят о бит-параллельной операции. Данный уровень реализуется в обычных и суперскалярных процессорах.
К понятию уровня параллелизма тесно примыкает понятие гранулярности. Это мера отношения объема вычислений, выполненных в параллельной задаче, к объему коммуникаций (для обмена сообщениями). Степень гранулярности варьируется от мелкозернистой до крупнозернистой. Определим понятия крупнозернистого (coarse grained), среднезернистого (medium grained) и мелкозернистого (fine grained) параллелизма.
Крупнозернистый параллелизм:, каждое параллельное вычисление достаточно независимо от остальных, причем требуется относительно редкий обмен информацией между отдельными вычислениями. Единицами распараллеливания являются большие и независимые программы, включающие тысячи команд. Этот уровень параллелизма обеспечивается операционной системой.
Среднезернистый параллелизм: единицами распараллеливания являются вызываемые процедуры, включающие в себя сотни команд. Обычно организуется как программистом, так и компилятором.
Мелкозернистый параллелизм: каждое параллельное вычисление достаточно мало и элементарно, составляется из десятков команд. Обычно распараллеливаемыми единицами являются элементы выражения или отдельные итерации цикла, имеющие небольшие зависимости по данным. Сам термин «мелкозернистый параллелизм» говорит о простоте и быстроте любого вычислительного действия. Характерная особенность мелкозернистого параллелизма заключается в приблизительном равенстве интенсивности вычислений и обмена данными. Этот уровень параллелизма часто используется распараллеливающим (векторизирующим) компилятором.
Эффективное параллельное исполнение требует искусного баланса между степенью гранулярности программ и величиной коммуникационной задержки, возникающей между разными гранулами. В частности, если коммуникационная задержка минимальна, то наилучшую производительность обещает мелкоструктурное разбиение программы. Это тот случай, когда действует параллелизм данных. Если коммуникационная задержка велика (как в слабосвязанных системах), предпочтительней крупнозернистое разбиение программ.