Основные понятия и определения. Лекция 1. Основные понятия вычислительной техники и принципы организации вычислительных систем
Электронные вычислительные средства завоевали прочные позиции в жизненно важных сферах деятельности человека, и область их применения постоянно расширяется. Современная вычислительная техника (ВТ) представлена широким спектром средств обработки информации.
Развитие средств ВТ идёт по двум направлениям /1/:
1) Электронно-вычислительные машины (ЭВМ) и простейшие вычислительные системы (ВС). Эти вычислительные средства основываются на эволюционных модификациях концептуальной последовательной машины Дж. фон Неймана (1945 г.). Процесс их развития отражён в ЭВМ первого (1949 г., электронные лампы), второго (1955 г., транзисторы) и третьего (1963 г., интегральные схемы) поколений. Пределом в этой модификации является конвейерный способ обработки информации в сочетании с векторизацией. По сути, такие ВМ представляют собой простейшие ВС. Вычислительные средства данного направления постоянно совершенствуются, главным образом, за счёт улучшения физико-технических характеристик элементов и внутренних информационных каналов.
2) Вычислительные системы (ВС) – базируются на принципе массового параллелизма при работе с информацией Данное направление ориентировано на применение полупроводниковых пластин с большим количеством обработки данных. ВС относятся к четвёртому и последующим поколениям средств ВТ.
Введём несколько определений /1, 2/.
Система – это совокупность элементов, соединённых между собой для достижения определенной цели. Понятие системы трактуется достаточно широко: практически каждое средство ВТ может рассматриваться как система – ВМ, сети, системы параллельной обработки данных и т.п.
Вычислительная машина – это система, выполняющая заданную, чётко определённую последовательность операций (программу) в соответствии с выбранным алгоритмом обработки информации.
Алгоритм – набор предписаний, однозначно определяющий содержание и последовательность выполнения действий для решения задач.
Вычислительная система – это информационная система, настроенная на решение задач конкретной области применения, т.е. в ней имеется аппаратная и программная специализация. Вычислительные системы бывают многопроцессорными (содержат несколько процессоров, между которыми происходит интенсивный обмен информацией; имеют единое управление вычислительными процессами) и микропроцессорными (строятся на базе микропроцессора или микроконтроллера, либо специализированного процессора цифровой обработки сигналов; используются для локального управления технологическим оборудованием в технических и бытовых системах).
Для наглядного представления ВС их изображают в виде схем, состоящих из блоков и связей между ними. Такие схемы представляют собой ориентированный граф, вершины которого – блоки.
В функциональной схеме блоки выделяются по функциональному признаку, в структурной схеме блоки соответствуют конструктивным компонентам – устройствам, узлам, интегральным схемам. Отдельные блоки функциональной и структурной схем могут совпадать. С каждым блоком связаны входы, выходы и функция, которая задаёт правила получения выходных последовательностей по входным последовательностям.
Структура – это совокупность элементов и их связей.
Функциональная организация ВС – это представление её как абстрактной системы в виде функциональной схемы, иллюстрирующей результат функциональной декомпозиции. Для сложных систем, таки как вычислительные машины и сети, часто используется иерархия представлений.
Структурная организация ВС — это представление её как системы в виде схемы, содержащей реально реализуемые устройства, узлы, элементы.
Функциональные схемы ВС состоят из блоков, каждый из которых является преобразователем информации.
Преобразователь информации – это некоторый блок, имеющий входы для поступления информации и некоторые выходы, на которых представлена выходная информация.
Информация на входах и выходах блоков представлена сигналами. Сигнал — это носитель информации в виде изменяющейся во времени физической величине, обеспечивающей передачу данных. В настоящее время подавляющее большинство преобразователей информации представляют собой электронные схемы, содержащие соединённые определённым образом между собой электронные ключи – вентили. Эти электронные схемы реализуются с использованием технологий современной микроэлектроники в виде интегральных схем. Для представления сигналов приняты два непересекающихся диапазона уровней напряжения. При напряжении 5В: диапазон 0 — 0,4В соответствует значению логического «0» в двоичной системе счисления, диапазон 2,4 – 5В соответствует значению логической «1».
Информация в ВС представляется в виде двоичных кодов фиксированной длины (машинных слов). Для получения, передачи, хранения и обработки информации используются аппаратные и программные средства, называемые вычислительными ресурсами.
Многоуровневая иерархия аппаратных и программных средств, из которых строится ВМ или ВС, называется архитектурой ВМ (ВС). Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения вычислительных машин.
Несколько вычислительных машин или вычислительных систем, информационно связанных между собой, образуют вычислительный комплекс. При этом каждая машина самостоятельно управляет своими вычислительными процессами, и информационный обмен между вычислительными машинами комплекса не является интенсивным (например, цех, корабль и т.д.).
Сеть (компьютерная, информационно- вычислительная) – это информационная система, которая состоит из множества абонентских систем и телекоммуникационной системы для их информационного взаимодействия. Отличительной особенностью сетей являются развитые функции информационного взаимодействия.
Множество операций над данными и порядок выполнения этих операций называется моделью вычислений. В рамках изучения принципов работы вычислительных машин, систем и сетей подразумевается модель вычислений, заложенная в оборудование и, следовательно, зависящая от их (вычислительных машин) структуры и архитектуры.
Ознакомившись с основными терминами, перейдем к рассмотрению подходов к организации вычислительных машин и систем, а также их характеристик.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Архитектура вычислительных систем. Вычислительные машины, системы и сети
Архитектура вычислительных систем. Вычислительные машины, системы и сети/ О.В. Конюхова. – Орел: ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», 2013. – 195 с.
К 65 Учебное пособие содержит актуальную информацию об архитектуре современных вычислительных систем: принципах построения и функционирования вычислительных машин, вычислительных систем параллельной обработки и микроконтроллеров, компьютерных сетей, а также современном состоянии и перспективах развития данной отрасли компьютерной индустрии.
В учебном пособии рассматриваются основные понятия вычислительных машин, систем и сетей; принципы построения и функционирования вычислительных машин, систем и сетей и их компонентов.
Учебное пособие соответствует требованиям ФГОС и содержанию программ учебных дисциплины «Архитектура вычислительных систем» для студентов направлений 230400.62 «Информационные системы и технологии», 231000.62 «Программная инженерия»; дисциплины «Вычислительные машины, системы и сети» для студентов специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств»; дисциплины «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации» для студентов направления 230700.62 «Прикладная информатика».
© ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», 2013
МОДУЛЬ 1. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ 8
1 Основные понятия вычислительной техники и принципы организации вычислительных систем 8
1.1 Основные понятия и определения 8
1.2 Принципы организации вычислительных машин и систем 11
1.3 Основные характеристики вычислительных машин и 16
1.4 Многоуровневая организация вычислительных процессов 18
Вопросы для самопроверки 20
2 Простейшие типовые элементы вычислительных машин 21
2.1 Комбинационные схемы 21
2.4 Проблемы и перспективы развития элементной базы 28
Вопросы для самопроверки 33
3 Функциональные узлы комбинационного и 34
последовательного типов 34
3.1 Функциональные узлы последовательного типа 34
3.1 Функциональные узлы комбинационного типа 38
3.2.1 Шифраторы и дешифраторы 38
Вопросы для самопроверки 42
4 Функциональная организация процессора 44
4.1 Основные характеристики и классификация процессоров 44
4.2 Физическая и функциональная структура процессора 48
4.2.1 Операционное устройство процессора 49
4.2.2 Шинный интерфейс процессора 53
4.3 Архитектурные принципы организации RISC-процессоров 54
4.4 Производительность процессоров и архитектурные 57
Вопросы для самопроверки 62
5 Организация работы процессора 63
5.1 Классификация и структура команд процессора 63
5.2 Способы адресации данных и команд 66
5.2.1 Способы адресации данных 66
5.2.2 Способы адресации команд 72
5.3 Поток управления и механизм прерываний 74
Вопросы для самопроверки 82
6 Современное состояние и тенденции развития процессоров 83
6.1 Архитектурные особенности процессоров Pentium 83
6.2 Программная модель процессоров Pentium 86
6.2.1 Прикладная программная модель процессоров Pentium 86
6.2.2 Системная программная модель процессоров Pentium 87
6.2.3 Система команд и режимы адресации процессоров 88
6.3 Аппаратная организация защиты в процессорах Pentium 88
6.4 Аппаратные средства поддержки многозадачности 93
6.5 Перспективы развития процессоров 95
Вопросы для самопроверки 96
7 Память. Организация памяти. 98
7.1 Иерархическая организация памяти 98
7.2 Классификация запоминающих устройств 99
7.3 Структура основной памяти 102
7.4 Память с последовательным доступом 105
7.5 Ассоциативная память 108
7.6 Организация флэш-памяти 110
7.7 Архитектурные способы повышения скорости обмена между процессором и памятью 112
Вопросы для самопроверки 116
8 Управление памятью. Виртуальная память 118
8.1 Динамическое распределение памяти 118
8.2 Сегментная организация памяти 120
8.3 Страничная организация памяти 123
8.4 Сегментно-страничная организация памяти 125
Вопросы для самопроверки 127
9 Организация ввода-вывода информации. Системная шина 128
9.1 Организация шин. Системная шина 128
9.1.1 Структура системной шины 128
9.2 Организация взаимодействия между периферийными устройствами и процессором и памятью вычислительных машин 137
9.3 Внешние интерфейсы вычислительных машин 141
9.3.1 Параллельный порт LPT и интерфейс Centronics 142
9.3.1 Последовательный порт COM и интерфейс RS-232C 142
9.3.3 Универсальная последовательная шина USB 144
9.3.4 Беспроводные интерфейсы 145
Вопросы для самопроверки 146
МОДУЛЬ 2. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ 147