Архитектура ЭВМ и систем

Цель дисциплины Целью дисциплины «Архитектура ЭВМ и систем» является формирование у студентов базовой системы знаний в области устройства средств вычислительной техники, принципов организации вычислительных систем и сетей, подготовка студентов к профессиональной деятельности в сфере эксплуатации средств вычислительной техники организации.

Задачи изучения дисциплины изучение принципов создания автоматизированных систем обработки данных; формирование системного подхода к процессам обработки информации, изучение информационных систем с точки зрения технического устройства средств обработки информации; изучение теоретических основ архитектуры Электронно-Вычислительных Машин (ЭВМ) и Вычислительных Сетей (ВС); формирование представления о развитии средств вычислительной техники и перспективных разработках в этой области;

Задачи изучения дисциплины изучение устройства основных компонент компьютера: центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ), центральное устройство управления (УУ), память, т.е. запоминающее устройство (ЗУ), система ввода информации, система вывода информации; формирование представления о топологиях вычислительных систем и сетей, способах параллельной обработки информации; развитие технического мышления по широкому кругу проблем эксплуатации средств вычислительной техники.

Студент должен иметь представление об информатике как науке, технологии и отрасли народного хозяйства; о функциональной и структурной организации систем; об истории развития информационно- вычислительных систем (ИВС); о назначении и принципах работы арифметико- логического устройство (АЛУ) процессора; о внешних интерфейсах ПК; кластеризации как способе организации многомашинных ВС; о принципах построения и возможностях суперкомпьютеров; о ВС с массовым параллелизмом

Студент должен знать показатели качества информации; понятие системы обработки данных (СОД) и их классификацию; принципы архитектуры Электронно-Вычислительных Машин (ЭВМ) Джона фон Неймана; принципы создания элементов структур современных ЭВМ; этапы развития элементной базы электронных вычислительных машин (ЭВМ); классификацию ЭВМ по различным признакам (принцип действия, назначение, вычислительная мощность и так далее); типы современных компьютеров и сферы их использования; классификацию процессоров; логическое и техническое устройство процессоров; систему команд микропроцессора, в том числе типы команд; порядок обработки команд микропроцессором; назначение и принципы обработки прерываний микропроцессором;

Студент должен знать порядок адресации данных в оперативной памяти (ОП); порядок доступа и операции с данными оперативной памяти; понятие прямого доступа к ОП (DMA); режимы работы микропроцессора при обращении к ОП; принципы подключения периферийных устройств; понятия: драйвер, стандартные периферийные устройства, устройства сопряжения; стандарты внешних интерфейсов: Centronics, RS-232C, USB, PCI; назначение и основные принципы построения информационно-вычислительных сетей (ИВС); показатели качества работы ИВС;

Студент должен знать виды ИВС и топологии их построения; модели взаимодействия открытых систем; способы организации взаимодействия компьютеров в многомашинных ВС; организацию и принципы построения многопроцессорных ВС; классификацию многопроцессорных параллельных ВС по режиму выполнения команд (классификация Флинна); различные подходы к классификации многопроцессорных параллельных ВС (классификации Дункана, Хокни и другие);

Студент должен уметь: определять тип и класс ЭВМ по его техническим параметрам и описанию; определять тип ЛВС по представленной топологии; формулировать требования к ЛВС с точки зрения экономичности, качества работы, требований заказчика и других критериев; определять тип архитектуры ВС по представленному описанию режиму выполнения команд (классификация Флинна);

Студент должен приобрести навыки: использования системного подхода применительно к процессам обработки информации; определения типа и класса вычислительной системы или вычислительной сети по ее техническим параметрам и способу организации; формирования требований к вычислительным системам и вычислительным сетям, исходя из решаемого с их помощью комплекса задач.

Тема 1 ЭВМ как средство обработки информации: основные характеристики информационно- вычислительных систем

Учебные вопросы: Назначение ЭВМ. Представление информации в ЭВМ. Показатели качества информации. Информатика как технология, сфера народного хозяйства и наука об информации. Систематизация процесса обработки информации - информационные системы (ИС), их структура и классификация. Взаимосвязь понятий "информатика", "информация", "система", "информационно-вычислительная система". Информационно-вычислительные системы (ИВС) как логическое развитие информационных систем. Классификация, состав и функции ИВС. Поколения ЭВМ. Эволюция ЭВМ и вычислительных систем (ВС).

Введение Развитие Вычислительной Техники (ВТ) обусловлено успехами в 3-х областях: В технологии производства, как элементарной базы ВТ, так и самих машин в целом. В принципах организации ВМ (успехи в развитии архитектуры). В разработке математического и программного обеспечения. Любая ВМ должна рассматриваться, как некоторый программно - аппаратный комплекс, обеспечивающий реализацию некоторого класса алгоритмов над информацией.

Архитектура В процессе работы ВМ все ее компоненты каким-то образом взаимодействуют между собой. Причем уровни рассмотрения этого взаимодействия могут быть различными: Низший уровень: на уровне электрических импульсов. Высший уровень: взаимодействие узлов ВМ на уровне программных модулей (1 и 2 рассматривать не будем). Функциональный уровень каждого отдельного узла: функция и их реализация программно – аппаратными средствами (под этим и понимается понятие Архитектура). Под Архитектурой понимается совокупность свойств и характеристик ВМ, рассматриваемая с точки зрения пользователя.

Обобщенная структура ЭВМ Принцип действия обычной ВМ можно считать копией обычного процесса вычислений (например, с помощью калькулятора). Этапы вычислений: 1. Определение и задание порядка вычислений. 2. Задание исходных данных. 3. Выполнение вычислений (для получения промежуточных результатов) 4. Получение конечного результата. То есть любая ВМ имеет 4 базовых узла.

Архитектура

Алгоритм В основе функционирования любой ВМ лежат два фундаментальных понятия в вычислительной технике: понятие алгоритма. принцип программного управления. Алгоритм - некоторая однозначно определенная последовательность действий, состоящая из формально заданных операций над исходными данными, приводящая к решению за конечное число шагов.

Алгоритм Алгоритм - некоторая однозначно определенная последовательность действий, состоящая из формально заданных операций над исходными данными, приводящая к решению за конечное число шагов. Свойства алгоритмов: 1. дискретность алгоритма (действия выполняются по шагам, а сама информация дискретна) 2. детерминированность (сколько бы раз один и тот же алгоритм не реализовывался для одних и тех же данных результат один и тот же) 3. массовость (алгоритм "решает задачу" для различных исходных данных из допустимого множества и дает всегда правильный результат)

Программа Программа – описание алгоритма на каком-либо языке. Принцип программного управления (ППУ) впервые был сформулирован Венгерским математиком и физиком Джоном фон Нейманом, при участии Гольцтайна и Берца в 1946 году.

Архитектурно-функциональные принципы ППУ включает в себя несколько архитектурно – функциональных принципов. Любой алгоритм представляется в виде некоторой последовательности управляющих слов – команд. Каждая отдельная команда определяет простой (единичный) шаг преобразования информации. Принцип условного перехода. В процессе вычислений в зависимости от полученных промежуточных результатов возможен автоматический переход на тот или иной участок программы. Принцип хранимой программы. Команды в ЭВМ представляются в такой же кодируемой форме, как и любые данные и хранятся в таком оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). Это значит, что если рассматривать содержимое памяти, то без какой-то команды невозможно различить данные и команды. Следовательно, любые команды можно принципиально обрабатывать как данные (информация в ЭВМ отличается не представлением, а способом ее использования). Принцип двоичного кодирования. Принцип иерархии запоминающих устройств (ЗУ).

Назначение ЭВМ ЭВМ обладает способностью собирать и хранить информацию, обрабатывать и анализировать ее, проводя определенные логические операции По назначению электронно- вычислительные машины разделяются на специализированные (предназначенные для решения узкого круга специальных задач) и универсальные (предназначенные для решения широкого круга задач).

Представление информации в ЭВМ Любая информация, поступающая в ЭВМ, преобразуется в двоичный код. Это могут быть тексты, изображения, числа, звуки и т.д. Например, все клавиши клавиатуры компьютера закодированы 8-разрядными двоичными кодами таким образом, что любая буква латинского и русского алфавита, как заглавная, так и прописная, цифры десятичной системы счисления, знаки препинания и другие служебные символы имеют свой индивидуальный двоичный код. Поскольку двоичное 8- разрядное число (байт) может иметь 28 = 256 комбинаций, то этого вполне достаточно для кодирования сразу нескольких текстовых алфавитов. Изображение на экране компьютера представляется в виде растрового расположения точек (пикселей). Информация о содержании каждой точки хранится в одном 8-разрядном двоичном коде. Это позволяет отображать черно-белые изображения с 256-ю градациями яркости. Для цветных изображений каждый из 3-х основных цветов также кодируется 1 байтом, следовательно на каждую цветную точку выделяется 3 байта информации. На кодирование звукового элемента - ноты требуется от нескольких единиц до десятков байт и т.д. С учётом вышеизложенного, одна страница текста имеет информационный объём ~3 Кбайт, один цветной экранный кадр содержит уже ~3 Мбайт, а 1,5-часовой цветной телевизионный фильм ~ 300 Гбайт.

Показатели качества информации Возможность и эффективность использования информации для управления обусловливается такими ее потребительскими показателями качества, как репрезентативность, содержательность, полнота, доступность, актуальность, своевременность, точность, устойчивость, достоверность и ценность.

Показатели качества Репрезентативность информации связана с правильностью ее отбора и формирования с целью адекватного отражения заданных свойств объекта. Содержательность информации определяется удельной семантической емкостью (коэффициентом содержательности), равной отношению количества семантической информации к общему объему данных. Полнота информации означает, что она содержит минимальный, но достаточный для принятия правильного управленческого решения состав. Доступность информации для ее восприятия при принятии управленческого решения обеспечивается нением соответствующих процедур ее получения и преобразования. Актуальность информации определяется степенью хранения ценности информации для управления в момент ее использования.

Показатели качества Своевременность информации определяется возможностью ее использования при принятии управленческого решения без нарушения установленной процедуры и регламента. Таким образом, своевременной является информация, поступающая на тот или иной уровень управления не позже заранее назначенного момента времени. Точность информации определяется степенью близости отображаемого информацией параметра управления и истинного значения этого параметра. Устойчивость это свойство информации реагировать на изменение исходных данных, сохраняя необходимую точность. Достоверность информации определяется ее свойством отображать реально существующие объекты с необходимой точностью. Наконец, ценность информации это комплексный показатель ее качества, мера количества информации на прагматическом уровне.

Информатика как технология, сфера народного хозяйства и наука об информации Информатика это научная и прикладная область знаний, изучающая законы, методы и способы накопления, обработки и передачи информации с помощью компьютерных и других технических средств.

Информатика Информатика изучает свойства, структуру и функции информационных систем, а также происходящие в них информационные процессы. Под информационной системой понимают систему, организующую, хранящую и преобразующую информацию. Подавляющее большинство современных информационных систем являются автоматизированными. Информатика тесно связана с кибернетикой, но не тождественна ей. Кибернетика изучает общие закономерности процессов управления сложными системами в разных областях человеческой деятельности независимо от наличия или отсутствия компьютеров. Информатика же изучает общие свойства только конкретных информационных систем. Информатику можно рассматривать как науку, как технологию и как индустрию.

ИНформатика Информатика как наука объединяет группу дисциплин, занимающихся изучением различных аспектов свойств информации в информационных процессах, а также применением алгоритмических, математических и программных средств для ее обработки с помощью компьютеров. Информатика как технология включает в себя систему процедур компьютерного преобразования информации с целью ее формирования, хранения, обработки, распространения и использования. Основными чертами современной (новой) информационной технологии являются: дружественный программный и аппаратный интерфейс; интерактивный (диалоговый) режим решения задач; сквозная информационная поддержка всех этапов решения задачи на основе интегрированной базы данных; возможность коллективного решения задач на основе информационных сетей и систем телекоммуникаций; безбумажная технология, при которой основным носителем информации является не бумажный, а электронный документ.

Информатика Информатика как индустрия это инфраструктурная отрасль народного хозяйства, обеспечивающая все другие отрасли необходимыми информационными ресурсами. Индустрия информатики включает в себя предприятия, производящие вычислительную технику и ее элементы; вычислительные центры различного типа и назначения (индивидуальные, кустовые, коллективного пользования и др.); предприятия, осуществляющие производство программных средств и проектирование информационных систем; организации, накапливающие, распространяющие и обслуживающие фонды алгоритмов и программ; станции технического обслуживания вычислительной техники.

Информатика Роль информатики в современных условиях постоянно возрастает. Деятельность как отдельных людей, так и целых организаций все в большей степени зависит от их информированности и способности эффективно использовать имеющуюся информацию. Внедрение компьютеров, современных средств переработки и передачи информации в различные индустрии послужило началом процесса, называемого информатизацией общества. Современное материальное производство и другие сферы деятельности все больше нуждаются в информационном обслуживании, переработке огромного количества информации. Информатизация на основе внедрения компьютерных и телекоммуникационных технологий является реакцией общества на потребность в существенном увеличении производительности труда в информационном секторе общественного производства, где сосредоточено более половины трудоспособного населения. Результатом процесса информатизации является создание информационного общества, где манипулируют не материальными объектами, а идеями, образами, интеллектом, знаниями. Для каждой страны ее движение от индустриального этапа развития к информационному определяется степенью информатизации общества.

Информатика

Систематизация процесса обработки информации - информационные системы (ИС), их структура и классификация Инфopмaциoннaя cиcтeмa - этo cpeдa, oбecпeчивaющaя цeлeнaпpaвлeннyю дeятeльнocть пpeдпpиятия. Тo ecть oнa пpeдcтaвляeт coбoй coвoкyпнocть кoмпoнeнтoв (инфopмaция, пpoцeдypы, пepcoнaл, aппapaтнoe и пpoгpaммнoe oбecпeчeниe), oбъeдинeнныx peгyлиpyeмыми взaимooтнoшeниями для фopмиpoвaния opгaнизaции кaк eдинoгo цeлoгo и oбecпeчeния ee цeлeнaпpaвлeннoй дeятeльнocти Миccия инфopмaциoнныx cиcтeм - этo пpoизвoдcтвo нyжнoй для opгaнизaции инфopмaции для oбecпeчeния эффeктивнoгo yпpaвлeния вceми ee pecypcaми, coздaниe инфopмaциoннoй и тexничecкoй cpeды для ocyщecтвлeния yпpaвлeния opгaнизaциeй.

Систематизация процесса обработки информации - информационные системы (ИС), их структура и классификация Структуру информационной системы составляет совокупность отдельных ее частей, называемых подсистемами Общую структуру информационной системы можно рассматривать как совокупность подсистем независимо от сферы применения. В этом случае говорят о структурном признаке классификации, а подсистемы называют обеспечивающими. Таким образом, структура любой информационной системы может быть представлена совокупностью обеспечивающих подсистем Среди обеспечивающих подсистем обычно выделяют информационное, техническое, математическое, программное, организационное и правовое обеспечение.

Систематизация процесса обработки информации - информационные системы (ИС), их структура и классификация

Важнейшими принципами построения эффективных информационных систем являются следующие: Принцип интеграции, заключающийся в том, что обрабатываемые данные, однажды введенные в систему, многократно используются для решения большого числа задач. Принцип системности, заключающийся в обработке данных в различных аспектах, чтобы получить информацию, необходимую для принятия решений на всех уровнях управления. Принцип комплексности, заключающийся в механизации и автоматизации процедур преобразования данных на всех этапах функционирования информационной системы.

Систематизация процесса обработки информации - информационные системы (ИС), их структура и классификация Информационные системы также классифицируются: по функциональному назначению: производственные, коммерческие, финансовые, маркетинговые и др.; по объектам управления: информационные системы автоматизированного проектирования, управления технологическими процессами, управления предприятием (офисом, фирмой, корпорацией, организацией) и т. п.; по характеру использования результатной информации: информационно-поисковые, предназначенные для сбора, хранения и выдачи информации по запросу пользователя; информационно-советующие, предлагающие пользователю определенные рекомендации для принятия решений (системы поддержки принятия решений); информационно-управляющие, результатная информация которых непосредственно участвует в формировании управляющих воздействий.

Взаимосвязь понятий "информатика", "информация", "система", "информационно- вычислительная система" самостоятельно

Информационно-вычислительные системы (ИВС) как логическое развитие информационных систем самостоятельно

Классификация, состав и функции ИВС Классификация по принципам: по территориальности по организация передачи данных по геометрии

Поколения ЭВМ Первое (ламповые, начало 50-х) Второе (транзисторные 60-е) Третье (интегральная системотехника, конец 60-х) Четвертое (БИС, конец 70-х) Пятое (микропроцессорные, конец 80-х) Шестое (Оптоэлектронные с массовым параллелизмом и нейронной структурой, наше тысячелетие)

Первое поколение Ламповые ЭВМ, промышленный выпуск начат в начале 50-х годов. В нашей стране началом выпуска можно считать начало 50-х годов МЭСМ. Разработана под руководством Лебедева. В годах на этой основе, под руководством Мельникова и Бурцева была разработана БЭСМ-1 (Большая электронная счетная машина). А на ее основе был произведен серийный выпуск машины БЭСМ-2. В это же время в США выпускают машину Эдвак. Технические характеристики машины БЭСМ-2 были гораздо выше. Это было связано с тем, что в БЭСМ-2, использовались два совершенно новых принципа: конвейеризации и стека. Для БЭСМ-2, быстродействие АЛУ составляло порядка операций в секунду. В 1953 году была разработана машина Стрела под руководством Василевского. А так же в Московском Энергетическом институте под руководством академика Брука были разработаны ЭВМ получившие название М. В Минске был создан завод по производству ЭВМ, серийное производство машин Минск. В городе Пензе было создано ОКБ (отдел конструкторского бюро) под руководством академика Рамеева, где разработали и выпускали серийно ЭВМ Урал. Структура ЭВМ первого поколения полностью соответствовали машине фон Неймана. Технические характеристики машин были значительно ниже характеристик современных ПК. Программирование велось в машинных кодах. Емкость ОЗУ – 2 тысячи слов. Ввод информации с перфоленты и кинопленки.

Второе поколение Связывают с переходом от ламповых к транзисторным ЭВМ. Транзисторы позволяли обеспечить большую надежность, быстродействие и меньшее энергопотребление (среднее время отказа около 100 часов, тогда как на машинах первого поколение около 10 часов, энергоемкость на два порядка ниже, по сравнению с машинами первого поколения). Переход к печатному монтажу также улучшило надежность.

Архитектура второго поколения

Второе поколение Начинается бурное развитие математического и программного обеспечения. Высшая точка: создание алгоритмических языков (Fortran, ALGOL). Создаются простейшие компиляторы и интерпретаторы. Становится нецелесообразна работа пользователя у пульта управления. Основным режимом становится работа через операторов. Появляются многопрограммные ЭВМ. Многопрограммность достигается за счет программной обработки. Для работы в пакетном режиме создаются первые мониторы и supervisorы. Вследствие чего происходит резкое увеличение использование ЭВМ второго поколения.

Третье поколение В конце 60-х годов появляются первые машины третьего поколения. Переход к третьему поколению ЭВМ связывают с серьезными архитектурными изменениями. Изменение технической базы связано с переходом на интегральную схематехнику. Правда степень интеграции была небольшой. Вследствие чего произошло заметное увеличение надежности. В машинах третьего поколения формируется концепция канала, начинается работа с распараллеливанием процессора, появляется микропрограммное управление, иерархируется память, впервые вводится понятие агрегатирования.

Архитектура третьего поколения Канал является основным структурным элементом. В структуре процессора и оперативной памяти появляются специальные устройства, которые организуют адресные механизмы (обеспечивающие адресацию, перемещение программы в памяти, взаимную защиту). В процессоре появляется несколько АЛУ (целочисленные, с плавающей арифметикой, для работы с адресами). Правда, эти устройства параллельно не работают, но для выполнения той или иной обработки выбирается определенное АЛУ.

Третье поколение В памяти четко выделяется основная память, к которой процессор обращается непосредственно, и массовая память, емкость которой значительно больше емкости основной памяти, но непосредственно процессору она недоступна. Тем более данные с внешних устройств непосредственно недоступны процессору. Так как память иерархична, то создаются механизмы для управления памятью. Развивается и внутренняя память процессора (создаются предпосылки кэширования). В конце третьего поколения ЭВМ появляется концепция управления виртуальной памяти, развиваются внешние устройства и терминальное оборудование. Самое главное в тот период: унификация ЭВМ по конструктивно - технологическим параметрам. ЭВМ третьего поколения начинают выпускаться сериями или семействами, совместимыми моделями. Дальнейшее развитие математического и программного обеспечения приводит к созданию пакетных программ для решения типовых задач, проблемно - ориентированных программных языков (для решения задач отдельной категории) и впервые создаются уникальные программные комплексы, - операционные системы (разработаны IBM).

Четвертое поколение В конце 70-х кодов появляются первые ЭВМ четвертого поколения. Связано с переходом на интегральные схемы средней и большой степени интеграции. Характерные свойства ЭВМ четвертого поколения: Мультипроцессорность Параллельно – последовательная обработка Языки высокого уровня Появляются первые сети ЭВМ

Технические характеристики 4-го поколения Средняя задержка сигнала 0.7 нс./вентиль (вентиль – типовая схема) Впервые основная память – полупроводниковая. Время выработки данного из такой памяти нс. Емкость 1012 –1013 символов. Впервые применяется аппаратная реализация оперативной системы Модульное построение стало применяться и для программных средств Основная внимание машин четвертого поколения было направлено на сервис (улучшение общения ЭВМ и человека).

Пятое поколение В конце 80-х годов появляются первые ЭВМ пятого поколения. Пятое поколение ЭВМ связывают с переходом к микропроцессорам. С точки зрения структурного построения характерна максимальная децентрализация управления. С точки зрения программного и математического обеспечения – переход на работу в программных средах и оболочках. Производительность операций в секунду. Для пятого и шестого поколения характерны многопроцессорные структуры созданные на упрощенных микропроцессорах, которых очень много (решающие поля или среды). Создаются ЭВМ ориентированные на языки высокого уровня.

Современные тенденции В этот период существуют две диаметрально противоположных тенденции: Персонификация ресурсов Коллективизация ресурсов (коллективный доступ – сети)

Шестое поколение Оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой с сетью из большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих структуру нейронных биологических систем.

Эволюция ЭВМ и вычислительных систем (ВС) История ВТ отсчитывается с опубликования работы Джона фон Неймана. Впервые возможность построения цифровой ВМ была доказана английским математиком Тьюрингом в 1936 году. Он показал, что любой алгоритм реализуется с помощью его дискретного автомата, который был назван машиной Тьюринга. Независимо это же доказал Пост (машина Поста).

Первая настоящая ЭВМ Физически первая цифровая ВМ была сконструирована в 1935 году фирмой Белл (США). Такого же вида машина была сконструирована для специальных задач под руководством К. Цунзе (1941, Германия). Попытка построения универсальной ЭВМ была предпринята Айтнетом (США). Она получила название Марк-1. Спроектирована и изготовлена в Гарвардском университете.

Характеристики Характеристики ВМ (работали с 23 разрядными десятичными цифрами): Программа вводилась по-командно с перфоленты. Сложение 2-х чисел 0.3 секунды Умножение 2-х чисел 6 секунд Деление 2-х чисел 11 секунд. Релейная основа была ненадежна. Для ЭВМ были разработаны специальные реле. На которых была разработана ВМ Марк-2. Реальный отсчет ВТ ведется с перехода от реле к триггерам. Триггер был изобретен в 1918 году в России Бонч- Бруевичем.

Адамы современных ЭВМ Первая ЭВМ, разработанная на электронных компонентах, изготовлена в 1942 году (Эниак). Серийный выпуск в годах. Разработана в Пенсельванском университете под руководством Маушли и Энкера. В 1943 году под руководством Тьюринга была разработана ЭВМ Колос. После рассекречивания архивов в 70-х годах оказалось, что первая ЭВМ была разработана в 1939 году выходцем из Германии Антоносовым, которая получила название ABC.