Архитектура аппаратных средств

Архитектура Аппаратных средств

Преподаватель АК СибГУ им. М.Ф. Решетнева

Мустыгина Екатерина Сергеевна

e-mail: [email protected]

Лекция 1. Понятия аппаратных средств ЭВМ, архитектуры аппаратных средств

• вычислительная машина (ВМ) — совокупность технических средств, создающая возможность проведения обработки информации (данных) и получения результата в необходимой форме.

• Технические средства - в се оборудование, предназначенное для автоматизированной обработки данных.

• Электронная вычислительная машина (ЭВМ ). - вычислительная машина основные функциональные устройства которой выполнены на электронных компонентах.

• Компьютер  – модульный прибор (электронное устройство), состоящее из различных устройств, каждое из которых выполняет операции, а в совокупности производит ввод информации, хранение и обработку ее по определенной программе, вывод полученных результатов в форме, пригодной для восприятия человеком.

За любую из названных операций отвечают специальные блоки компьютера :

• – устройства ввода информации;
• – центральный процессор;
• – запоминающие устройства;
• – устройства вывода информации.

Все эти блоки, в свою очередь, состоят из отдельных устройств.

В центральный процессор могут входить:

• арифметико-логическое устройство,
• внутреннее запоминающее устройство в виде регистров процессора и кэш-памяти,
• управляющее устройство.

Запоминающее устройство  – это блок ЭВМ, предназначенный для временного (оперативная память) и продолжительного (постоянная память) хранения программ, входных и результирующих данных, а также промежуточных результатов.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ)  – это блок ЭВМ, в котором происходит преобразование данных по командам программы: арифметические действия над числами, преобразование кодов и др.

Управляющее устройство (УУ)  координирует работу всех блоков компьютера.

Современную архитектуру компьютера определяют следующие принципы:

• Принцип программного управления . Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера. Эффективность программного управления будет выше при решении задачи этой же программой много раз (хотя и с разными начальными данными).
• Принцип программы, сохраняемой в памяти.  Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения.
• Принцип произвольного доступа к памяти.  В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.

• Система (от греч. systema — целое, составленное из частей соединение) — это совокупность элементов (объектов), взаимодействующих друг с другом, образующих определенную целостность, единство.

• Объект (от лат. objectum — предмет) — это термин, используемый для обозначения элементов системы.

• Вычислительную систему (ВС) стандарт ISO/IEC2382/1 -93 определяет как одну или несколько вычислительных машин, периферийное оборудование и программное обеспечение, которые выполняют обработку данных.

Вычислительная система состоит из связанных между собой средств вычислительной техники, содержащих не менее двух основных процессоров, имеющих общую память и устройство ввода-вывода.

• Аппаратное средство (hardware) включает в себя все внешние и внутренние физические компоненты компьютерной системы.
• Программное обеспечение (software) по ГОСТ Р 53394-2009 — это совокупность информации (данных) и программ, которые обрабатываются компьютерной системой.

Необходимо понимать разницу между компьютерами и информационной системой :

• Компьютеры оснащены специальными программными системами, являются технической базой и инструментом для информационных систем.
• Информационная система - это организационно упорядоченная совокупность документов (массивов документов) и информационных технологий, в том числе с использованием средств вычислительной техники и связи, реализующих информационные процессы. Информационная система немыслима без персонала, взаимодействующего с компьютерами и телекоммуникациями.

• Архитектура (architecture) — это базовая организация системы, воплощенная в ее компонентах, их отношениях между собой и с окружением, а также принципы, определяющие проектирование и развитие системы.
• Архитектура вычислительной машины (Computer architecture) — общее описание принципов организации аппаратно-программных средств и основных их характеристик, определяющих функциональные возможности вычислительной машины.

Следует отличать архитектуру вычислительной машины от ее структуры.

• Структура вычислительной машины — это отношение между элементами системы (множество взаимосвязанных компонентов) на уровне детализации.

Элементами детализации могут быть различные функциональные узлы (блоки, устройства и т.д.). Графически описание вычислительной машины на любом уровне детализации представляется в виде структурных схем.

• Архитектура вычислительной системы — совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логичную и структурно-организованную систему и затрагивающих в основном уровень параллельно работающих вычислителей

В настоящее время установились такие понятия как программная и аппаратная архитектура компьютера , что отражает специфику компьютера как аппаратно-программного комплекса.

Аппаратная архитектура может быть разделена на структурную, схемотехническую и конструкторскую архитектуру.

• Структурные показатели позволяют установить наличие функциональных модулей (блоков) и их взаимосвязь в компьютере.
• Схемотехнические показатели могут касаться характеристик используемого микропроцессорного комплекса.
• Конструкторские показатели связаны с выявлением особенностей принятых конструкторских решений.

В настоящее время установились такие понятия как программная и аппаратная архитектура компьютера , что отражает специфику компьютера как аппаратно-программного комплекса.

Программная архитектура рассматривает архитектурные показатели компьютера с точки зрения программиста.

• Детализация программной архитектуры выделяет архитектурные характеристики центральной части ПК и архитектурные характеристики остальных основных функциональных модулей ПК .

При этом рассматриваются структуры данных, система сигналов и команд, способы адресации, программно-доступные средства, методы управления и основные режимы работы.

• Архитектура и характеристики аппаратных средств определяют характеристики всего компьютера как программно-аппаратного комплекса обработки информации. Рассмотрим коротко историю развития архитектуры аппаратных средств и их классификацию.

Наиболее обобщенный способ классификации архитектур аппаратных средств компьютера базируется на понятиях вычислительной структуры :

• потока команд I
• потока данных D:

- различают одинарный поток S

- множественный поток М .

Соответственно этому подходу можно определить четыре класса структур аппаратных средств ЭВМ:

• SISD - архитектура с одинарным потоком команд и одинарным потоком данных.

Управления осуществляет одинарная последовательность команд, любая из которых обеспечивает выполнения одной операции со своими данными и дальше передает управления следующей команде. В компьютерах этого типа команды выполняются только последовательно во времени на одном процессорном элементе.

Соответственно этому подходу можно определить четыре класса структур аппаратных средств ЭВМ:

• MISD - архитектура с множественным потоком команд и одинарным потоком данных, которая получила также название конвейера обработки данных.

Она составляет цепочку последовательно соединенных процессоров (микропроцессоров), которые управляются параллельным потоком команд. На вход конвейера из памяти подается одинарный поток данных, которые проходят последовательно через все процессоры, любой из которых делает обработку данных под управлением своего потока команд и передает результаты следующему по цепочке процессору, который использует их как входные данные. Конвейерную архитектуру предложил академик С.А. Лебедев в 1956 году.

Соответственно этому подходу можно определить четыре класса структур аппаратных средств ЭВМ:

• SIMD - архитектура ЭВМ с одинарным потоком команд и множественным потоком данных.

Процессор таких машин имеет матричную структуру, в узлах которой включенное большое количество сравнительно простых быстродействующих процессорных элементов, которые могут иметь собственную или общую память данных. Одинарный поток команд вырабатывает одно общее устройство управления. При этом все процессорные элементы выполняют одновременно одну и ту же команду, но над разными операндами, которые доставляются из памяти множественным потоком.

Соответственно этому подходу можно определить четыре класса структур аппаратных средств ЭВМ:

• MIMD - архитектура с множественными потоками команд и данных .

К таким структурам относятся многопроцессорные и многомашинные вычислительные системы.

Они могут отличаться принципом управления (централизованное или распределенное), организацией памяти (общей, распределенная или комбинированная) и структурой связей между компьютерами или процессорами. Гибкость MIMD структур разрешает организовать совместную работу компьютеров, которые входят в них, или процессоров за распараллеленной программой при решении одной сложной задачи, или раздельную работу всех компьютеров при одновременном решении великого множества задач с помощью независимых программ