Реферат: Архитектура ЭВМ

Архитектура ЭВМ

С середины 60-х годов очень сильно изменился подход ксозданию вычислительных машин. Вместо разработки аппаратуры и средствматематического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из синтезааппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на главныйплан выдвинулась концепция взаимодействия. Так возникло новое понятие — архитектураЭВМ.

Под архитектурой ЭВМ принято понимать совокупность общихпринципов организации аппаратно-программных средств и их основныххарактеристик, определяющая функциональные возможности вычислительной машиныпри решении соответствующих типов задач.

Архитектура ЭВМ охватывает значительный круг проблем,связанных с созданием комплекса аппаратных и программных средств и учитывающихбольшое количество определяющих факторов. Среди этих факторов основнымиявляются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство вэксплуатации, а одним из основных компонентов архитектуры считаются аппаратныесредства.

Архитектуру вычислительного средства необходимо отличатьот структуры ВС. Структура вычислительного средства определяет его текущийсостав на определенном уровне детализации и описывает связи внутри средства.Архитектура же определяет основные правила взаимодействия составных элементоввычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какойнеобходимо для формирования правил взаимодействия. Она устанавливает не всесвязи, а только наиболее необходимые, которые должны быть известны для болееграмотного использования применяемого средства.

Так, пользователю ЭВМ не важно, на каких элементахвыполнены электронные схемы, схемно или программно исполняются команды и томуподобное. Архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, которыеотносятся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их ПО.

Архитектура ЭВМ включает в себя как структуру, отражающуюсостав ПК, так и программно – математическое обеспечение. Структура ЭВМ — совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом построения всехсовременных ЭВМ является программное управление.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин былизаложены Джон фон Нейманом. Совокупность этих принципов породила классическую(фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципылогического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, представленную нарисунке.

/>

Положения фон Неймана:

ü   Компьютерсостоит из нескольких основных устройств (арифметико-логическое устройство,управляющее устройство, память, внешняя память, устройства ввода и вывода)

ü   Арифметико-логическоеустройство – выполняет логические и арифметические действия, необходимые дляпереработки информации, хранящейся в памяти

ü   Управляющееустройство – обеспечивает управление и контроль всех устройств компьютера(управляющие сигналы указаны пунктирными стрелками)

ü   Данные,которые хранятся в запоминающем устройстве, представлены в двоичной форме

ü   Программа,которая задает работу компьютера, и данные хранятся в одном и том жезапоминающем устройстве

ü   Для вводаи вывода информации используются устройства ввода и вывода

Современную архитектуру компьютера определяют следующиепринципы:

Принцип программного управления. Обеспечиваетавтоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решениякаждой задачи составляется программа, которая определяет последовательностьдействий компьютера. Эффективность программного управления будет выше прирешении задачи этой же программой много раз (хотя и с разными начальнымиданными).

Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этомупринципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел иобрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнениемзагружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения.

Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии сэтим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольноеместо оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу(к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.

На основании этих принципов можно утверждать, чтосовременный компьютер — техническое устройство, которое после ввода в памятьначальных данных в виде цифровых кодов и программы их обработки, выраженнойтоже цифровыми кодами, способно автоматически осуществить вычислительныйпроцесс, заданный программой, и выдать готовые результаты решения задачи вформе, пригодной для восприятия человеком.

Реальная структура компьютера значительно сложнее, чемрассмотренная выше (ее можно назвать логической структурой). В современныхкомпьютерах, в частности персональных, все чаще происходит отход оттрадиционной архитектуры фон Неймана, обусловленный стремлением разработчиков ипользователей к повышению качества и производительности компьютеров. КачествоЭВМ характеризуется многими показателями. Это и набор команд, которые компьютерспособный понимать, и скорость работы (быстродействие) центрального процессора,количество периферийных устройств ввода-вывода, присоединяемых к компьютеруодновременно и т.д. Главным показателем является быстродействие — количествоопераций, какую процессор способен выполнить за единицу времени. На практикепользователя больше интересует производительность компьютера — показатель егоэффективного быстродействия, то есть способности не просто быстрофункционировать, а быстро решать конкретные поставленные задачи.

Как результат, все эти и прочие факторы способствуютпринципиальному и конструктивному усовершенствованию элементной базыкомпьютеров, то есть созданию новых, более быстрых, надежных и удобных в работепроцессоров, запоминающих устройств, устройств ввода-вывода и т.д. Тем неменее, следует учитывать, что скорость работы элементов невозможно увеличиватьбеспредельно (существуют современные технологические ограничения и ограничения,обусловленные физическими законами). Поэтому разработчики компьютерной техникиищут решения этой проблемы усовершенствованием архитектуры ЭВМ.

Так, появились компьютеры с многопроцессорнойархитектурой, в которой несколько процессоров работают одновременно, а этоозначает, что производительность такого компьютера равняется суммепроизводительностей процессоров. В мощных компьютерах, предназначенных длясложных инженерных расчетов и систем автоматизированного проектирования (САПР),часто устанавливают два или четыре процессора. В сверхмощных ЭВМ (такие машинымогут, например, моделировать ядерные реакции в режиме реального времени,прогнозировать погоду в глобальном масштабе) количество процессоров достигаетнескольких десятков.

Скорость работы компьютера существенным образом зависит отбыстродействия оперативной памяти. Поэтому, постоянно ведутся поиски элементовдля оперативной памяти, затрачивающих меньше времени на операции чтения-записи.Но вместе с быстродействием возрастает стоимость элементов памяти, поэтомунаращивание быстродействующей оперативной памяти нужной емкости не всегдаприемлемо экономически.

Проблема решается построением многоуровневой памяти.Оперативная память состоит из двух-трех частей: основная часть большей емкостистроится на относительно медленных (более дешевых) элементах, а дополнительная(так называемая кэш-память) состоит из быстродействующих элементов. Данные, ккоторым чаще всего обращается процессор находятся в кэш-памяти, а больший объемоперативной информации хранится в основной памяти.

Раньше работой устройств ввода-вывода руководил центральныйпроцессор, что занимало немало времени. Архитектура современных компьютеровпредусматривает наличие каналов прямого доступа к оперативной памяти для обменаданными с устройствами ввода-вывода без участия центрального процессора, атакже передачу большинства функций управления периферийными устройствамиспециализированным процессорам, разгружающим центральный процессор и повышающимего производительность.


Методы классификации компьютеров

Номенклатура видов компьютеров сегодня огромная: машиныразличаются по назначению, мощности, размерам, элементной базе и т.д. Поэтомуклассифицируют ЭВМ по разным признакам. Следует заметить, что любаяклассификация является в некоторой мере условной, поскольку развитиекомпьютерной науки и техники настолько бурное, что, например, сегодняшняямикроЭВМ не уступает по мощности миниЭВМ пятилетней давности и дажесуперкомпьютерам недавнего прошлого. Кроме того, зачисление компьютеров копределенному классу довольно условно через нечеткость разделения групп, так ивследствии внедрения в практику заказной сборки компьютеров, где номенклатуруузлов и конкретные модели адаптируют к требованиям заказчика. Рассмотримраспространенные критерии классификации компьютеров.

Классификация по назначению

большие электронно-вычислительные машины (ЭВМ);

миниЭВМ;

микроЭВМ;

персональные компьютеры.

Большие ЭВМ (Main Frame)

Применяют для обслуживания крупных областей народногохозяйства. Они характеризуются 64-разрядными параллельно работающимипроцессорами (количество которых достигает до 100), интегральнымбыстродействием до десятков миллиардов операций в секунду,многопользовательским режимом работы. Доминирующее положение в выпускекомпьютеров такого класса занимает фирма IBM (США). Наиболее известнымимоделями суперЭВМ являются: IBM 360, IBM 370, IBM ES/9000, Cray 3, Cray 4,VAX-100, Hitachi, Fujitsu VP2000.

На базе больших ЭВМ создают вычислительный центр, которыйсодержит несколько отделов или групп (структура которого изображена на рис. 2).Штат обслуживания — десятки людей.

группа технического обслуживания центральний процессор группа подготовки данных группа системных программистов отдел выдачи результатов группа прикладных программистов /> группа информационной поддержки />

Рис.2. Структура вычислительного центра на базе большой ЭВМ

Центральный процессор — основной блок ЭВМ, в которомпроисходит обработка данных и вычисление результатов. Представляет собойнесколько системных блоков в отдельной комнате, где поддерживается постояннаятемпература и влажность воздуха.

Группа системного программирования — занимаетсяразработкой, отладкой и внедрением программного обеспечения, необходимого дляфункционирования вычислительной системы. Системные программы обеспечиваютвзаимодействие программ с оборудованием, то есть программно-аппаратный интерфейсвычислительной системы.

Группа прикладного программирования — занимается созданиемпрограмм для выполнения конкретных действий с данными, то есть обеспечениепользовательского интерфейса вычислительной системы.

Группа подготовки данных — занимается подготовкой данных,которые будут обработаны на прикладных программах, созданных прикладнымипрограммистами. В частности, это набор текста, сканирование изображений,заполнение баз данных.

Группа технического обеспечения — занимается техническимобслуживанием всей вычислительной системы, ремонтом и отладкой аппаратуры,подсоединением новых устройств.

Группа информационного обеспечения — обеспечиваеттехнической информацией все подразделения вычислительного центра, создает исохраняет архивы разработанных программ (библиотеки программ) и накопленныхданных (банки данных).

Отдел выдачи данных — получает данные от центральногопроцессора и превращает их в форму, удобную для заказчика (распечатка).

Большим ЭВМ присуща высокая стоимость оборудования иобслуживания, поэтому работа организована непрерывным циклом.

МиниЭВМ

Похожа на большие ЭВМ, но меньших размеров. Используют накрупных предприятиях, научных учреждениях и организациях. Часто используют дляуправления производственными процессами. Характеризуются мультипроцессорнойархитектурой, подключением до 200 терминалов, дисковыми запоминающимиустройствами, которые наращиваются до сотен гигабайт, разветвленной периферией.Для организации работы с миниЭВМ, нужен вычислительный центр, но меньший чемдля больших ЭВМ.

МикроЭВМ

Доступны многим учреждениям. Для обслуживания достаточновычислительной лаборатории в составе нескольких человек, с наличием прикладныхпрограммистов. Необходимые системные программы покупаются вместе с микроЭВМ,разработку прикладных программ заказывают в больших вычислительных центрах илиспециализированных организациях.

Программисты вычислительной лаборатории занимаютсявнедрением приобретенного или заказанного программного обеспечения, выполняютего настройку и согласовывают его работу с другими программами и устройствамикомпьютера. Могут вносить изменения в отдельные фрагменты программного исистемного обеспечения.

Персональные компьютеры

Бурное развитие приобрели в последние 20 лет. Персональныйкомпьютер (ПК) предназначен для обслуживания одного рабочего места и способенудовлетворить потребности малых предприятий и отдельных лиц. С появлениемИнтернета популярность ПК значительно возросла, поскольку с помощьюперсонального компьютера можно пользоваться научной, справочной, учебной иразвлекательной информацией.

Персональные компьютеры условно можно поделить напрофессиональные и бытовые, но в связи с удешевлением аппаратного обеспечения,грань между ними размывается. С 1999 года введен международный сертификационныйстандарт — спецификация РС99:

массовый персональный компьютер (Consumer PC)

деловой персональный компьютер (Office PC)

портативный персональный компьютер (Mobile PC)

рабочая станция (WorkStation)

развлекательный персональный компьютер (Entertaiment PC)

Большинство персональных компьютеров на рынке подпадают докатегории массовых ПК. Деловые ПК — имеют минимум средств воспроизведенияграфики и звука. Портативные ПК отличаются наличием средств коммуникацииотдаленного доступа (компьютерная связь). Рабочие станции — увеличенныетребования к устройствам хранения данных. Развлекательные ПК — основной акцентна средствах воспроизведения графики и звука.

Классификация по уровню специализации

универсальные;

специализированные.

На базе универсальных ПК можно создать любую конфигурациюдля работы с графикой, текстом, музыкой, видео и т.п… Специализированные ПКсозданы для решения конкретных задач, в частности, бортовые компьютеры всамолетах и автомобилях. Специализированные миниЭВМ для работы с графикой(кино- видеофильмы, реклама) называются графическими станциями.Специализированные компьютеры, объединяющие компьютеры в единую сеть,называются файловыми серверами. Компьютеры, обеспечивающие передачу информациичерез Интернет, называются сетевыми серверами.

Классификация по размеру

настольные (desktop);

портативные (notebook);

карманные (palmtop).

Наиболее распространенными являются настольные ПК, которыепозволяют легко изменять конфигурацию. Портативные удобны для пользования,имеют средства компьютерной связи. Карманные модели можно назвать«интеллектуальными» записными книжками, разрешают хранить оперативныеданные и получать к ним быстрый доступ.

Классификация по совместимости

Существует великое множество типов компьютеров, которыесобираются из деталей, изготовленных разными производителями. Важным являетсясовместимость обеспечения компьютера:

аппаратная совместимость (платформа IBM PC и AppleMacintosh)

совместимость на уровне операционной системы;

программная совместимость;

совместимость на уровне данных.


Архитектура современных суперЭВМ

В этом обзоре не имеет смысла останавливаться на деталяхклассификации архитектуры суперкомпьютеров [3,4], ограничимся толькорассмотрением типичных архитектур суперЭВМ, широко распространенных сегодня, иприведем классическую систематику Флинна [5].

В соответствии с ней, все компьютеры делятся на четырекласса в зависимости от числа потоков команд и данных. К первому классу(последовательные компьютеры фон Неймана) принадлежат обычные скалярныеоднопроцессорные системы: одиночный поток команд — одиночный поток данных(SISD). Персональный компьютер имеет архитектуру SISD, причем не важно,используются ли в ПК конвейеры для ускорения выполнения операций.

Второй класс характеризуется наличием одиночного потокакоманд, но множественного nomoka данных (SIMD). К этому архитектурному классупринадлежат однопроцессорные векторные или, точнее говоря, векторно-конвейерныесуперкомпьютеры, например, Cray-1 [6]. В этом случае мы имеем дело с однимпотоком (векторных) команд, а потоков данных — много: каждый элемент векторавходит в отдельный поток данных. К этому же классу вычислительных системотносятся матричные процессоры, например, знаменитый в свое время ILLIAC-IV.Они также имеют векторные команды и реализуют векторную обработку, но непосредством конвейеров, как в векторных суперкомпьютерах, а с помощью матрицпроцессоров.

К третьему классу — MIMD — относятся системы, имеющиемножественный поток команд и множественный поток данных. К нему принадлежат нетолько многопроцессорные векторные суперЭВМ, но и вообще все многопроцессорныекомпьютеры. Подавляющее большинство современных суперЭВМ имеют архитектуруMIMD.

Четвертый класс в систематике Флинна, MISD, непредставляет практического интереса, по крайней мере для анализируемых намикомпьютеров. В последнее время в литературе часто используется также терминSPMD (одна программа — множественные данные). Он относится не к архитектурекомпьютеров, а к модели распараллеливания программ и не является расширениемсистематики Флинна. SPMD обычно относится к MPP (т.е. MIMD) — системам иозначает, что несколько копий одной программы параллельно выполняются в разныхпроцессорных узлах с разными данными.

Интересно также упомянуть о принципиально ином направлениив развитии компьютерных архитектур — машинах потоков данных[7]. В середине 80-хгодов многие исследователи полагали, что будущее высокопроизводительных ЭВМсвязано именно с компьютерами, управляемыми потоками данных, в отличие от всехрассмотренных нами классов вычислительных систем, управляемых потоками команд.В машинах потоков данных могут одновременно выполняться сразу много команд, длякоторых готовы операнды. Хотя ЭВМ с такой архитектурой сегодня промышленно невыпускаются, некоторые элементы этого подхода нашли свое отражение всовременных суперскалярных микропроцессорах, имеющих много параллельноработающих функциональных устройств и буфер команд, ожидающих готовностиоперандов. В качестве примеров таких микропроцессоров можно привести HP РА-8000[8] и Intel Pentium Pro [9].

В соответствии с классификацией Флинна, рассмотрениеархитектуры суперЭВМ следовало бы начать с класса SISD. Однако всевекторно-конвейерные (в дальнейшем — просто векторные) суперЭВМ имеютархитектуру «не меньше» SIMD. Что касается суперкомпьютерныхсерверов, использующих современные высокопроизводительные микропроцессоры,таких как SGI POWER CHALLENGE на базе R8000 или DEC AlphaServer 8200/8400 набазе Alpha 21164, то их минимальные конфигурации бывают однопроцессорными.Однако, если не рассматривать собственно архитектуру этих микропроцессоров, товсе особенности архитектуры собственно серверов следует анализировать в«естественной» мультипроцессорной конфигурации. Поэтому начнем анализсуперкомпьютерных архитектур сразу с класса SIMD.

еще рефераты
Еще работы по информатике, программированию