Архитектура ЭВМ (лекция 7) проф. Петрова И.Ю. Курс Информатики

Введение u Архитектура охватывает понятие принципов организации системы (аппаратно-программного комплекса), включающее такие высокоуровневые аспекты разработки компьютера как систему памяти, структуру системной шины, организацию ввода/вывода, систему команд, форматы данных, операционную систему

Архитектура фон Неймана u Принцип фон Неймана - "управление потоком команд задаваемых программой". u u Данные занимают подчиненное положение, ход выполнения вычислительного процесса определяется только потоком команд.

Модель фон Неймана, разбивает все оборудование компьютерной системы на пять главных элементов: u центральный вычислительный блок (CPU); u устройства ввода; u устройства вывода; u память; u массовое хранилище данных.

Архитектура фон Неймана

В ЭВМ вводится информация двух типов: u Программа u Программа - набор команд, указывающий центральному процессору как нужно осуществлять решение задачи. Программа помещается в памяти ЭВМ и используется только устройством управления. u Данные u Данные - это определенные факты, цифры, необходимые для решения конкретной задачи. Они направляются к различным устройствам внутри ЭВМ и обрабатываются в АЛУ (арифметико-логическом устройстве). Данные не нужны для устройства управления.

Потоки команд и данных в ЭВМ.

Структура ЭВМ состоит из 5 основных функциональных блоков: u Устройство ввода информации - обеспечивает передачу от человека или первичных датчиков информации к ЭВМ. Здесь осуществляется кодирование информации с языка человека (аналоговый сигнал) на язык двоичных кодов для ЭВМ.

Структура ЭВМ состоит из 5 основных функциональных блоков: u Память (внутренняя и внешняя) - хранилище данных и программ.

Структура ЭВМ состоит из 5 основных функциональных блоков: u Арифметическое устройство (АЛУ) - складывает, вычитает, сравнивает, выполняет другие логические операции. АЛУ связано с ОЗУ двунаправленным потоком данных.

Структура ЭВМ состоит из 5 основных функциональных блоков: u Устройство управления - последо- вательно считывает содержимое ячеек памяти, где находится программа и организует ее выполнение. Порядок команд может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода) - это позволяет организовать циклы, ветвления и т.д., т.е. выполнять сложные программы.

Структура ЭВМ состоит из 5 основных функциональных блоков: u Устройство вывода информации - связующее звено между машиной и человеком или исполнительным механизмом. Здесь осуществляется дешифрация с языка ЭВМ на язык понятный человеку (или аналоговый сигнал).

Система шин ЭВМ В вычислительной системе, состоящей из множества подсистем, необходим механизм для их взаимодействия. Эти подсистемы должны быстро и эффективно обмениваться данными с помощью центральной шины или системы нескольких шин.

Адресная шина служит для выбора определенной ячейки памяти, порта ввода-вывода (16 линий).

Шина данных - двунаправленная пересылка данных к микропроцессору и от него (8 линий).

Шина управления - координирует работу всех устройств.

Архитектура системы команд. Классификация процессоров.

Архитектура системы команд u Это перечень команд, которые способен выполнить процессор ЭВМ, она служит границей между аппаратурой и программным обеспечением и представляет ту часть системы, которая видна программисту или разработчику компиляторов.

Архитектуры CISC и RISC u CISC (Complete Instruction Set Computer) архитектура с полным набором команд - это архитектура фон Неймана, т.е. однопроцессорная архитектура со строго последовательным выполнением команд. Стержень процесса образуется последовательностью (потоком) команд, заданных программой. Данные занимают подчиненное положение. Процессор по очереди выбирает команды программы и также по очереди обрабатывает данные - все строго последовательно.

Архитектуры CISC и RISC u Архитектура компьютера с сокращенным набором команд (RISC - Reduced Instruction Set Computer) отделяет команды обработки от команд работы с памятью и использует эффективную конвейерную обработку. Другая особенность - отделение медленной памяти от высокоскоростных регистров и использование регистровых окон. Составление программ для таких процессоров упрощается, а производительность - возрастает. RISC архитектура эффективна при выполнении научных и инженерных расчетов, где над каждой единицей данных производится большой объем вычислений.

Параллелизм процесса вычислений. u Компьютерные вычисления обладают естественным параллелизмом, т.е. часть команд программы может выполняться независимо друг от друга одновременно. u Возможность параллельной работы различных устройств системы является основой ускорения основных операций.

Две причины, порождающие вычислительный параллелизм (американский ученый M. Flynn : u Независимость потоков команд, одновременно существующих в системе; u Независимость и несвязанность данных, обрабатываемых в одном потоке команд.

У.Флинн выделяет 6 уровней программного параллелизма: Параллелизм верхнего уровня достигается за счет многопроцессорной обработки Параллелизм верхнего уровня достигается за счет многопроцессорной обработки.

У.Флинн выделяет 6 уровней программного параллелизма: Параллелизм нижнего уровня достигается за счет конвейерной обработки - каждый блок процессора выполняет только одну операцию