ЭВМ Лектор: к.т.н., доцент, Попов Алексей Юрьевич ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА 1.Цилькер Б.Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов. – СПб.: Питер, – 668 с.: ил. 2.Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника: Учеб. Пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – СПб.: БХВ-Петербург, – 800 с.: ил. Цель дисциплины: получить знания и навыки, необходимые для проектирования и эффективного использования современных аппаратных вычислительных средств. Задачами дисциплины является изучение: принципов организации ЭВМ; методики проектирования ЭВМ и устройств, их составляющих. 1

2 Семестр Теоретические занятия Лабораторные работы Семинарские занятия Вид отчетности 6 Введение Принципы построения и архитектура ЭВМ Средства проектирование цифровых устройств с использованием ПЛИС Организация памяти ЭВМ Проектирование систем на кристалле [1-4 неделя] Проектирование цифровых устройств на основе ПЛИС [5-10 неделя] (Защита домашнего задания 1. Проектирование цифровых автоматов) Проектирование устройств управления на основе ПЛИС [11-14 неделя] (Защита домашнего задания 2. Проектирование устройств управления с жесткой логикой) Организация памяти конвейерных суперскалярных электронных вычислительных машин [15-16 неделя] Проектирование ЦУ на основе ПЛИС Языки описания аппаратных устройств Параллельные и последовательные операторы VHDL Описание примитивов устройств на VHDL Проектирование цифровых автоматов Проектирование устройств управления РК1. Основы построения ЭВМ (8 неделя) РК2. Язык VHDL (12 неделя) РК3. Организация памяти ЭВМ (16 неделя) Зачет План проведения теоретических и практических занятий:

3 I. Введение Поколения электронных вычислительных машин. Классификация ЭВМ. Основные характеристики ЭВМ.

4 Поколения электронных вычислительных машин Поколение ЭВМЭлементная база Тип основного запоминающего устройства Представители классов ЭВМ Языки программи- рования Программное обеспечение Средства связи с пользователем I (с конца 30-х до середины 50- х) Электро- магнитные реле; электронные лампы Линии задержки на электронные лучевых трубках, Ферритовые сердечники (~ ) Калькуляторы (ABC, ENIAC), Большие ЭВМ (MARK I, EDVAC, UNIVAC, БЭСМ, МЭСМ, Стрела, Минск, IAS) Ручная коммутация, Машинные коды АссемблерИндикаторы, Пульт управления, Перфокарты ЭВМ MARK I ЭВМ ENIAC Первое поколение ЭВМ (с конца 30-х до середины 50-х) Ферритовые сердечники

5 Второе поколение ЭВМ (с середины 50-х до середины 60-х) Поколение ЭВМ Элементная база Тип основного запоминающего устройства Представители классов ЭВМ Языки программиров ания Программное обеспечение Средства связи с пользователем II (с середины 50- х до середины 60-х) ТранзисторыФерритовые сердечники (до 2 19 ) Малые и средние ЭВМ (БЭСМ-4, Урал- 14, Минск-2, Днепр), Большие ЭВМ(TRADIAC, IBM 7030, IBM 7090, TX-O, БЭСМ-2,3) Фортран, Алгол, Кобол Компиляторы, автоматизирова нные системы управления, диспетчеры Индикаторы, Пульт управления, Перфокарты, Перфоленты ЭВМ БЭСМ-4

6 Третье поколение ЭВМ (с середины 60-х до середины 70-х) Поколение ЭВМ Элементная базаТип основного запоминающего устройства Представители классов ЭВМ Языки программи- рования Программное обеспечение Средства связи с пользователем III (с середины 60-х до середины 70-х) Интегральные схемы малой и средней степени интеграции Полупроводни- ковые ЗУ на интегральных схемах (до 2 25 ) Мини и микро-ЭВМ (Мир-1, М220), Средние и большие универсальные ЭВМ (ILLIAC IV, CDC6600, CDC7600, IBM 360, EC ЭВМ, СМ ЭВМ, БЭСМ-6) Фортран, Алгол, B, C ОС (UNIX, IBM), СУБД, САПР, Пакеты прикладных программ Алфавитно- цифровые дисплеи ЭВМ БЭСМ-6IBM 360

7 Четвертое поколение ЭВМ (с середины 70-х до середины 80-х) Поколение ЭВМ Элементная базаТип основного запоминающего устройства Представители классов ЭВМ Языки программи- рования Программное обеспечение Средства связи с пользователем IV (с середины 70-х до середины 80-х) Интегральные схемы большой и сверхбольшой степени интеграции Полупроводниковые ЗУ на сверх больших интегральных схемах (до 2 28 ) Персональные компьютеры (Intellec8, IBM PC/XT/AT, Sinclair Spectrum), Средние и Большие ЭВМ (Cray, Эльбрус-1,2,3) Пролог, Фортран, C, Паскаль Графические ОС,Среды визуальной разработки, САПР, Системы программиров ания, Игры Графические дисплеи, клавиатура, мышь Intellec8 (Intel 8080) Sinclair Spectrum

8 Пятое поколение ЭВМ (с середины 80-х) Поколение ЭВМ Элементная базаТип основного запоминающего устройства Представители классов ЭВМ Языки программи- рования Программное обеспечение Средства связи с пользователем V (с середины 80-х) Интегральные схемы сверхбольшой степени интеграции Полупроводниковые ЗУ на сверх больших интегральных схемах (до ~2^32) ПК на универсальных конвейерных МП (IA 32, PowerPC), Средние большие ЭВМ с массовым параллелизмом (серия IBM Mainframes, Cray, HP, DEC) Языки с ООП, Языки параллельн ого программир ования (MPI), Специализи рованные языки (VHDL, Perl, PHP, SQL и т.д.) Мультимедиа, WWW Графические дисплеи, клавиатура, мышь, звук

9 Классификация ЭВМ Классификация ЭВМ по режимам работы: Однопрограммные Мультипрограммные Мультипрограммные в составе систем ЭВМ в системах реального времени Классификация ЭВМ по структуре: Однопроцессорные Многопроцессорные Классификация ЭВМ по количеству потоков команд и данных: ЭВМ с одним потоком команд и одним потоком данных (ОКОД, SISD); ЭВМ с одним потоком команд и многими потоками данных (ОКМД, SIMD); ЭВМ с многими потоками команд и одним потоком данных (МКОД, MISD); ЭВМ с многими потоками команд и многими потоками данных (МКМД, MIMD). Классификация ЭВМ по назначению: Общего назначения –Супер ЭВМ –Минисупер ЭВМ –Мэйнфреймы –Серверы –Рабочие станции –Персональные компьютеры –Ноутбуки –Портативные компьютеры –... Специализированные...

10 ОКОД, SISD ОКМД, SIMD МКОД, MISDМКМД, MIMD

11 Общий коэффициент эффективности Основные характеристики ЭВМ Эффективность Производительность Надежность Стоимость Энергопотребление

12 Производительность ЭВМ Единицы измерения производительности: MIPs = 10 6 целочисленных операций в секунду. МFlops = 10 6 операций с плавающей запятой в секунду.

13 Закон Мура Число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца

14 Надежность ЭВМ Надежность это свойство выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в допустимых пределах в течение требуемого промежутка времени, и возможность возобновления функционирования, траченного по тем или иным причинам. Не каждая неисправность приводит к невыполнению ЭВМ заданных функций в отношений основных параметров Для оценки надежности систем введены понятия "работоспособность" и "отказ" Работоспособность состояние ЭВМ, при котором она в данный момент времени соответствует всем требованиям в отношении основных параметров, характеризующих нормальное протекание вычислительных процессов. Отказ событие, состоящее в полной или частичной утрате работоспособности системы. По характеру изменения параметров до момента возникновения отказы делят на внезапные и постепенные. По характеру устранения отказы делят на устойчивые и самоустраняющиеся.

15 Список наиболее производительных ЭВМ ( ) Параметры: Количество процессоров; Максимальная производительность Rmax (TFlops); Пиковая производительность Rpeak (TFlops); Рассеиваемая мощность (KW).

16 Список наиболее производительных ЭВМ ( , продолжение)

17 Top500 статистика

18 Top500 статистика

19 Top500 статистика

20 Top500 статистика

21 Top500 статистика