А. П. Писарев. Всс и тк




страница1/5
Дата28.09.2016
Размер1.15 Mb.
  1   2   3   4   5

А.П. Писарев.

ВСС и ТК



Учебное пособие

Пенза 2014 г.


Содержание



Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Глава 1 Принципы организации ЭВМ

1.1 Факторы, определяющие принципы организации ЭВМ . . . . . . 4


1.2 Области применения ВТ и основные типы ЭВМ . . . . . . . . . 7

1.2.1 ЭВМ общего назначения . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2.2 Малые ЭВМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2.3. Микропроцессоры и МИКРО-ЭВМ . . . . . . . . . . . . 9

1.3. Понятие об архитектуре и структуре ЭВМ . . . . . . . . . . 10

1.4. Принцип действия ЭВМ . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

1.5. Аппаратные и программные средства реализации алгоритмов . . 13

Глава 2 Характеристики и классификация ЭВМ и систем

2.1 Основные технические характеристики ЭВМ . . . . . . . . . . 17


2.2. Общая классификация вычислительных машин . . . . . . . . 19

2.3 Основные пути повышения производительности ЭВМ . . . . . 21



Глава 3. Организация систем памяти

3.1. Характеристики и классификация запоминающих устройств. Иерар- хия систем памяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.2. Организация адресной памяти . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.3. Безадресная стековая память . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.4. Ассоциативная память. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.5. Системы памяти с расслоением. . . . . . . . . . . . . . . 33

3.6. Понятие о виртуальной памяти. . . . . . . . . . . . . . . . 34

Глава 4. Организация процессоров

4.1. Назначение и классификация процессоров . . . . . . . . . . . 41

4.2. Логическая организация процессора общего назначения . . . . . 42

4.3. Операционные устройства процессоров . . . . . . . . . . . . 44

4.3.1. Операционные устройства процедурного типа и с жесткой структурой. Понятие об I-процессорах и M-процессорах . . . . . . . . . . 44

4.3.2. Блочные операционные устройства . . . . . . . . . . . . 46

4.3.3. Конвейерные операционные устройства . . . . . . . . . . 47

4.4 Архитектура системы команд. RISC и CISC процессоры . . . . . 51

4.5. Устройства управления процессоров . . . . . . . . . . . . . 52

4.5.1 Назначение и классификация устройств управления . . . . . 52

4.5.2 Архитектура простого RISC – процессора . . . . . . . . . 53

4.5.3 Конвейер команд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.5.4 Суперскалярные архитектуры . . . . . . . . . . . . . . 62

4.5.5 Процессоры с длинным командным словом (VLIW) . . . . . 64

4.6 Обзор архитектур процессоров Intel . . . . . . . . . . . . . 64

Глава 5 Организация систем ввода-вывода.

5.1. Назначение и состав системы ввода-вывода.. . . . . . . . . . . 70

5.2. Структуры систем ввода-вывода . . . . . . . . . . . . . . . 74

5.3 Основные режимы ввода-вывода . . . . . . . . . . . . . . 76

5.4 Основные принципы организации передачи информации в вычислительных системах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

Глава 6 Параллельные вычислительные системы

6.1. Классификация параллельных ВС . . . . . . . . . . . . . . 80

6.2 Параллельные вычислительные системы типа SIMD.

Векторные ВС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

6.3 Понятие о систолических структурах и алгоритмах . . . . . . 86

6.4 Масштабируемые параллельные системы МКМД . . . . . . . 88

6.5 Потоковые вычислительные системы . . . . . . . . . . . 91

Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93


Введение


В настоящее время основой развития всех сфер жизни общества – материального производства, образования, науки и культуры – стало получение информации, её обработка и эффективное использование.

Доминирование компьютерных технологий стало возможным благодаря совершенствованию технологий создания и эксплуатации электронных вычислительных средств (ЭВС), построенных на основе высокопроизводительных ЭВМ. Применение компьютеров в самых различных сферах человеческой деятельности обуславливает необходимость изучения основ построения средств вычислительной техники (ВТ) специалистами, работающими в промышленности, научных и коммерческих организациях и структурах.

В настоящем пособии изложены принципы построения современных ЭВМ и систем, их классификация и области применения. Рассмотрены и проиллюстрированы примерами вопросы организации систем памяти, процессоров и систем ввода-вывода в ЭВМ, даны арифметические и логические основы их построения и приведена классификация и понятия о параллельных вычислительных системах. Пособие предназначено для студентов Института информатики и вычислительной техники Пензенского государственного университета и соответствует государственному образовательному стандарту, а также программам обучения по дисциплинам «Организация ЭВМ и систем» и «Вычислительные машины и системы».

1 ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЭВМ.




1.1 Факторы, определяющие принципы организации ЭВМ


Определяющее влияние на внутреннюю организацию ЭВМ оказывают два фактора - назначение ЭВМ и элементная база.

Влияние элементной базы. В ЭВМ используется исключительно двоично-кодированная форма представления информации. Пример: двоичная и десятичная арифметика – отличаются как небо и земля в смысле сложности алгоритмов операций и, как следствие, сложности устройств, реализующих эти операции. Более простой пример: триггер как элемент хранения двоичной цифры и элемент с десятью устойчивыми состояниями как элемент хранения десятичной цифры (существенно сложнее и дороже триггера). При использовании двоично-кодированной формы существенно возрастает надёжность элементов и ЭВМ в целом.

Второй фактор назначение ЭВМ. Из определения ЭВМ (автоматизация обработки информации на основе алгоритмов) следует, что принципы организации ЭВМ неизбежно должны зависеть от свойств алгоритмов. Наиболее существенное влияние на организацию ЭВМ оказывают следующие три свойства алгоритмов.



  1. Детерминированность (однозначность) вычислительных процессов, порождаемых алгоритмами.

  2. При описании алгоритмов используется конечный набор элементарных операций. Примеры из начальной школы: правила умножения, деления и т.д.

  3. Дискретное представление информации, с которой оперируют алгоритмы

Детерминированность процессов – это основное свойство алгоритмов, которое позволило Джону фон Нейману использовать алгоритм как основу, источник управления процессом вычислений, процессом обработки информации в ЭВМ. А именно: алгоритм представляется в форме программы, вводится в память машины и используется для управления вычислительным процессом (отсюда, кстати, потребность в “армии” программистов).

Конечный набор элементарных операций – отсюда вытекает, что и аппаратура ЭBM (т.е. ВК) должна выполнять конечный набор сравнительно простых операций: сложение, вычитание, умножение, деление и др. Следовательно, F={+,,,/,...} - список машинных операций конечен и сравнительно прост.

Дискретное представление информации, с которой оперируют алгоритмы. Из этого свойства следует, что информация в ЭВМ представляется исключительно в дискретной форме — числовой, символьной, в форме логических значений. Причём, с учётом фактора элементной базы – не просто числовой, символьной и т.д., а ещё и в двоично-кодированной форме.

Анализируя сказанное, можно сформулировать принципы построения и функционирования современных ЭВМ в виде нескольких основных тезисов. Впервые их сформулировал Джон фон Нейман в 1945 году под названием “Принципы программного управления ЭВМ”. В популярном изложении их можно сформулировать следующим образом:



  1. Информация, подлежащая обработке с помощью ЭВМ, кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы информации - слова. Слово - это совокупность двоичных элементов a1, a2, ..., ak, где ai {0,1}, k=8,16,32,64, k=const.

  2. Перед обработкой слова информации (исходные данные) размещаются в ячейках памяти ЭВМ. Ячейка памяти - это место хранения одного слова информации. Ячейки памяти нумеруются. Номер ячейки памяти называют адресом.

  3. Алгоритм обработки информации представляется в виде последовательности управляющих слов - т.н. команд. Каждая команда задаёт, предписывает аппаратуре ЭВМ тип выполняемой операции (указывает одну операцию из списка F), т.е. указывает аппаратуре что делать. Кроме того, команда, в случае необходимости, указывает и местоположение операндов в памяти машины путём указания номера ячейки, т.е. указывает аппаратуре, где взять данные для обработки. Алгоритм, представленный в терминах команд, называют программой.

  4. Команды, как и данные, кодируются в двоичной форме и располагаются в ячейках памяти ЭВМ.

  5. Выполнение операций, предписанных программой, сводится к поочерёдному выбору команд из памяти и их выполнению (интерпретации) аппаратурой ЭВМ. Порядок, в котором команды извлекаются из памяти, задаётся алгоритмом решения задачи и зависит от исходных данных.

Основная особенность ЭВМ, работающих по принципу программного управления, - универсальность. Универсальность ЭВМ вытекает из анализа сформулированных фон Нейманом принципов программного управления: функция ЭВМ задаётся программой, введённой в память ЭВМ, а не аппаратурой ЭВМ. Аппаратура ЭВМ может выполнять только операции из списка машинных операций F. Именно программа задаёт тот порядок, в котором операции должны выполняться для решения задачи (именно программа обеспечивает аранжировку операций). Таким образом, замена программы в памяти легко приводит к изменению функций ЭВМ, реализуемых аппаратурой ЭВМ. Универсальность – это, несомненно, основное достоинство ЭВМ.

Недостатки фон Неймановских машин. Свойство универсальности является и основным недостатком! Почему? Дело в том, что для решения задачи алгоритм разрабатывается человеком и в форме программы загружается в память ЭВМ. Именно программа и несёт в себе всю необходимую для решения задачи информацию. Если человек допустил ошибку, то решение будет неверным. Аппаратура ЭВМ лишь быстро и надёжно (т.е. без собственных ошибок) реализует ее. Следовательно, аппаратура ЭВМ не обладает интеллектом и не может быть помощником человеку при решении интеллектуальных задач, например – при разработке новых алгоритмов. Следовательно, ЭВМ - это просто автоматизированный калькулятор.

В связи с этим недостатком уже много лет актуальной является задача пересмотра классических принципов построения ЭВМ и поиск более рациональных. Переход к новым принципам организации ЭВМ специалисты связывают с появлением машин пятого поколения.

К настоящему времени сменилось четыре поколения машин. Все они фон Неймановские по принципу построения: первое поколение – ламповые ЭВМ, второе – ЭВМ на основе полупроводниковых дискретных элементов - транзисторов и интегральных схем (ИС) малой и средней степени интеграции, третье поколение – ЭВМ на основе ИС, четвертое поколение – ЭВМ на основе микропроцессорных больших ИС (БИС).

1.2 Области применения ВТ и основные типы ЭВМ


Развитие вычислительной техники и сферы и методов ее использования - процессы взаимосвязанные и взаимообусловленные. С одной стороны, потребности народного хозяйства, науки и культуры стимулируют поиски учеными и конструкторами новых путей построения ЭВМ, а с другой стороны, появление электронных вычислительных машин, систем и устройств с большими функциональными возможностями, с существенно улучшенными показателями по производительности, стоимости, габаритным размерам, надежности и т.п. создает предпосылки для непрерывного расширения областей развития форм применения ЭВМ. Первоначально сравнительно узкая сфера применения ЭВМ, главным образом для научных и технических расчетов, в короткий срок существенно расширилась и охватила почти все области науки, техники, планирования и управления технологическими процессами, все области человеческой деятельности, связанные с обработкой больших объемов информации. Разнообразие областей и форм использования ЭВМ породило широкий спектр требований к характеристикам и особенностям организации машин и систем. В результате к настоящему времени в соответствии с областями применения определились основные типы ЭВМ, которые при сохранении указанных в п.1.2 основных фундаментальных принципов существенно разнятся не только по количественным характеристикам, но и по архитектуре, электронно-технологической базе и используемым периферийным устройствам. Основные средства современной вычислительной техники можно классифицировать следующим образом: сверхпроизводительные ЭВМ,ЭВМ общего назначения, малые ЭВМ, микро-ЭВМ, микропроцессоры.

К сверхпроизводительным машинам (системам) в настоящее время относят машины (системы), выполняющие свыше 100 млн. операций/с. Подобные машины используются для решения особенно сложных научно-технических задач, задач обработки больших объемов данных в реальном времени, поиска оптимальных решений в задачах экономического планирования и при автоматизированном проектировании.

1.2.1 ЭВМ общего назначения

Первые ЭВМ были созданы для выполнения научных и технических расчетов, для которых типичными являются возможность работы со словами фиксированной длины, относительно небольшие объемы входной (исходных данных)и выходной (результатов расчета)информации очень большое количество вычислений, которые необходимо проделать в процессе решения задачи. Совсем иной характер носят задачи учета, статистики и т.п. Эти задачи связаны с вводом в машину и запоминанием очень большого количества исходных данных. Сама обработка данных требует выполнения сравнительно небольшого числа логических и арифметических операций. По окончании обработки выводится и печатается большое количество информации, причем результаты обработки должны печататься в отредактированной форме в виде таблиц, ведомостей и т.д. Задачи подобного типа получили название задач обработки данных, а ЭВМ, предназначенные для их решения, часто называют системами автоматической обработки данных. Системы автоматической обработки данных составляют основу автоматизированных систем управления (АСУ). Для систем обработки данных характерно наличие большого количества внешних, или периферийных устройств, способных хранить очень большой объем информации и устройств, осуществляющих ввод и вывод данных, их регистрацию, и отображение. Современные ЭВМ общего назначения универсальны, они могут использоваться как для решения научно-технических задач численными методами, так и в режиме автоматической обработки данных в АСУ. Такие машины имеют высокое быстродействие, память большого объема, гибкую систему команд, широкий набор периферийных устройств и способ кодирования информации, учитывающий требования обработки данных.

1.2.2 Малые ЭВМ

Имеется большое число, условно говоря, "малых" применений вычислительных машин, таких, как автоматизация производственного контроля изделий, обработка данных при экспериментах, прием и обработка данных с линий связи, управление технологическими процессами, управление станками и разнообразными цифровыми терминалами (расчерчивающими устройствами и др.), и т.д. Для этих применений ЭВМ общего назначения слишком велики и дороги. Возникла необходимость в небольших, простых, надежных и, главное, дешевых ЭВМ, в которых обеспечиваются простота программирования и наглядность системы программного обеспечения, а также сравнительная простота эксплуатационного обслуживания. Развитие технологии интегральных электронных схем позволило создать машины, удовлетворяющие указанным выше требованиям. Уменьшение объема аппаратуры и стоимости машин достигнуто, в первую очередь, за счет короткого машинного слова (12 - 16 разрядов вместо 32 - 64 в машинах общего назначения), уменьшения по сравнению с ЭВМ общего назначения количества типов обрабатываемых данных (в некоторых моделях только целые числа без знака), ограниченного набора команд, сравнительно небольшого объема оперативной памяти и небольшого набора периферийных устройств. Подобные машины за свои небольшие размеры получили название малых или мини-ЭВМ. Для преодоления трудностей, возникающих при проектировании малых ЭВМ из-за короткого машинного слова, предложен ряд решений по представлению данных, адресации, составу и структуре команд, логической структуре процессора, организации обмена информацией между устройствами ЭВМ. Первые модели малых ЭВМ имели длину слова 12 разрядов. Впоследствии достижения интегральной микроэлектроники позволили перейти в малых машинах к слову длиной 16 разрядов, что не только повысило точность вычислений и создало возможности для построения более гибкой системы команд, но и обеспечило согласованность форматов данных с ЭВМ общего назначения. Высокое быстродействие позволило малым ЭВМ обслуживать технологические процессы в реальном масштабе времени, а также компенсировать замедление обработки данных, связанное с тем, что многие процедуры обработки при ограниченном объеме аппаратуры, скромном наборе команд и отсутствии специализации машины приходится реализовать не аппаратурными средствами, а соответствующими подпрограммами (например, операции арифметики с плавающей запятой).


1.2.3. Микропроцессоры и МИКРО-ЭВМ

Положительный опыт разработки и применения малых ЭВМ оказал влияние на направления развития интегральной электроники. При переходе от схем малой и средней степени интеграции с большим и сверхбольшим интегральным микросхемам (БИС и СБИС) возникает проблема их применимости. Большую интегральную микросхему, содержащую тысячи логических элементов, не говоря о СБИС с ее десятками тысяч и более элементов, если это не схема памяти, трудно сделать пригодной для широкого круга потребителей. Первоначально считалось, что на основе автоматизированного проектирования будут выпускаться заказные БИС и СБИС, изготавливаемые по индивидуальным требованиям заказчиков. Однако в дальнейшем оказался возможным другой путь - создание на одной или нескольких БИС или СБИС функционально законченного малоразрядного (первоначально на 2-4, а впоследствии на 16-32 разрядов и более) устройства обработки информации, управляемого хранимой в памяти программой. Это устройство (микросхему или несколько образующих его микросхем) называют микропроцессором, так как оно по своим логическим функциям и структуре напоминает упрощенный вариант процессора обычных ЭВМ. Микропроцессоры по быстродействию и возможностям системы команд приближаются к процессорам малых ЭВМ.

Устройство обработки данных, имеющее в своем составе один или несколько микропроцессоров, БИС постоянной и оперативной памяти, БИС управления вводом и выводом и др., называется микро-ЭВМ. Микро-ЭВМ оснащают необходимыми периферийными устройствами (устройствами ввода-вывода, ЗУ на гибких дисках и др.). Электронная аппаратура микро-ЭВМ содержит несколько десятков корпусов БИС и СИС, размещаемых на одной или нескольких съемных платах. В микро-ЭВМ сочетаются высокая скорость выполнения операций в микропроцессоре, повышенная надежность и небольшая стоимость. Микропроцессоры и микро-ЭВМ открывают принципиально новые возможности для высокоэффективной автоматизации производственных процессов, научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ, обработки информации при планировании и управлении производством на предприятиях во всех отраслях народного хозяйства. Поэтому с полным основанием создание и применение микропроцессоров и микро-ЭВМ оцениваются как одно из важнейших направлений научно-технического прогресса.

1.3. Понятие об архитектуре и структуре ЭВМ

Аппаратные средства вычислительной техники (ВТ) строятся по иерархической схеме (от низших уровней к высшим):


  1. Элементарные логические схемы (базовые вентили), в свою очередь
    построенные на нескольких интегральных транзисторах.

  2. Типовые схемотехнические узлы - комбинационные схемы (триггеры,
    регистры, дешифраторы, одноразрядные и параллельные сумматоры).

  3. Функциональные узлы ЭВМ, состоящие из нескольких типовых схем (блок
    регистров, запоминающее устройство, матричный умножитель, АЛУ и т.д.)

  4. Подсистемы ЭВМ (процессор, числовой сопроцессор, контроллер внешнего
    устройства, система памяти, подсистема ввода-вывода и т.д.)

  5. Автономные вычислительные машины.

  6. Вычислительные системы, комплексы и сети.

Для описания сложной системы, которую представляет собой вычислительная машина, часто используют 2 понятия: архитектура и структура.

Под архитектурой понимают абстрактное представление о ВМ с точки зрения программиста. Сюда входит описание программных средств, аппаратных средств и принципов организации вычислительного процесса на аппаратных средствах с помощью программных средств. В отличие от архитектуры структуру ВМ можно определить как совокупность аппаратных средств с указанием основных связей между ними.

Архитектура в более широком смысле определяется как концепция взаимосвязи элементов сложной структуры и включает в себя компоненты логической, физической и программной организации ВМ. В более узком смысле архитектура ВМ - это описание ее системы команд для программиста (архитектура системы команд).

Развернутое описание архитектуры должно включать:



  • форму представления программ в ВМ и правила их интерпретации;

  • основные форматы представления данных;

  • способы адресации данных в программе;

  • состав аппаратных средств ВМ и их характеристики;

  • соотношение и взаимодействие аппаратных и программных средств.

К классическим архитектурам можно отнести, прежде всего, архитектуру фон-Неймана. Вот некоторые из характерных особенностей этой архитектуры:

1. Программное управление вычислительным процессом путем автоматического извлечения команд программы из памяти и последовательного их выполнения.

2. Общая память для программ и данных.

3. Одинаковое кодирование программ и данных.

4. Использование двоичной системы счисления.

5. Арифметическое устройство на базе двоичного сумматора.

6. Иерархическое построение памяти и др.


В
Рис. 1.1


ычислительная машина фон-Неймана на самом общем уровне имеет структуру, представленную на рис. 1.1 Она состоит из центрального процессора (ЦП), запоминающего устройства, образующих процессорное ядро ВМ, и внешних устройств (ВУ), взаимодействующих с ядром через систему ввода-вывода (СВВ). Сам процессор включает устройство управления (УУ), последовательно извлекающее из общей памяти программ/данных команды и управляющее их исполнением, арифметико-логическое устройство (АЛУ) на базе двоичного сумматора, непосредственно исполняющее последовательности простых арифметических и логических операций под управлением УУ.

К
Рис. 1.


лассической архитектурой примерно с середины 70-х годов можно считать и гарвардскую архитектуру. Основным ее отличием от архитектуры фон-Неймана является раздельная память программ и данных. Такая архитектура характерна для управляющих, встраиваемых, специализированных машин, программное обеспечение которых зачастую не меняется с момента изготовления («зашитые» программы), в то время как программа в машине фон-Неймана может даже менять саму себя в процессе работы.

Все остальное многообразие архитектур ВМ можно также отнести к не-фон-неймановским. Многие из них также уже являются почти классическими (как, например, векторные машины). Как правило, основным отличием не-фон-неймановских архитектур является распараллеливание работы, допускаемое ими. Современные ВМ довольно редко полностью соответствуют требованиям классической архитектуры фон-Неймана, тем не менее, одни из них в целом близки к ней, другие - сильно отличаются от «классической» вычислительной машины.

1.4. Принцип действия ЭВМ

Чтобы лучше понять принцип действия ЭВМ, вспомним, как проводятся вычисления с помощью простейшей настольной счетной машины (калькулятора).

Предварительно на листе бумаги выписываются исходные данные, формулы расчета и вычерчивается таблица для занесения промежуточных и конечных результатов. В процессе вычислений с листа бумаги переносятся на регистр счетной машины числа, участвующие в очередной операции, в соответствии с расчетной формулой включается нужная операция, и полученный результат переписывается с регистра счетной машины в таблицу на листе бумаги.

Таким образом, в этом процессе счетная машина выполняет арифметические операции над числами, которые человек в нее вводит. Лист бумаги служит запоминающим устройством, хранящим программу вычислений (расчетные формулы), исходные данные, промежуточные и конечные результаты. Человек управляет процессом вычислений, в том числе переносит информацию с листа бумаги в машину и обратно, заставляет машину выполнять необходимую операцию, а также выбирает нужный вариант продолжения процесса вычислений в соответствии с результатом, полученным на данном этапе счета.

В рассматриваемом процессе практически ничего не меняет переход от механической счетной машины к использованию электронного арифметического устройства, способного с огромной скоростью производить арифметические операции. Человек будет по-прежнему слишком медленно вводить числа в арифметическое устройство, включать нужную операцию, считывать и переносить на бумагу результат операции.

Эффект, и притом принципиальный, будет достигнут, если к электронному быстродействующему арифметическому устройству добавить быстродействующую память, которая, как лист бумаги при расчете, хранит программу вычислений, исходные данные, промежуточные и конечные результаты, а также быстродействующее управляющее устройство, производящее необходимый для реализации программы вычислений обмен числами между памятью и арифметическим устройством и включающее последнее на выполнение нужной операции.

Если еще позаботиться том, чтобы комплекс нашей аппаратуры имел средства для связи с внешним миром, т.е. устройство для ввода в память данных и программы вычислений, а также устройство вывода результатов вычислений, то придем к классической структурной схеме ЭВМ, изображенной на рис.1.1.

ЭВМ содержит следующие основные устройства:



  • арифметическо-логическое устройство,

  • память,

  • устройство управления,

  • устройства ввода данных в машину и вывода из нее результатов расчета,

  • пульт ручного управления.

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) производит арифметические и логические преобразования над поступающими в него машинными словами, т.е. кодами определенной длины, представляющими собой числа или другой вид информации.

Память хранит информацию, передаваемую из других устройств, в том числе поступающую машину извне через устройство ввода, и выдает во все другие устройства информацию, необходимую для протекания вычислительного процесса. Память машины в большинстве случаев состоит из двух существенно отличающихся по своим характеристикам частей: быстродействующей основной или оперативной (внутренней) памяти (ОП) и сравнительно медленно действующей, но способной хранить значительно больший объем информации внешней памяти (ВП).

Оперативная память содержит некоторое число ячеек, каждая из которых служит для хранения машинного слова. Ячейки нумеруются, номер ячейки называется адресом.

В запоминающих устройствах, реализующих в ЭВМ функцию памяти, выполняются операции считывания хранимой информации для передачи в другие устройства и записи информации, поступающей из других устройств. При считывании слова из ячейки содержимое последней не меняется и при необходимости слово может быть снова взято из той же ячейки. При записи хранившееся в ячейке слово стирается и его место занимает новое.

Непосредственно в вычислительном процессе участвует только ОП, и лишь после окончания отдельных этапов вычислений из ВП в ОП передается информация, необходимая для следующего этапа решения задачи.

Управляющее устройство (УУ) автоматически без участия человека управляет вычислительным процессом, посылая всем другим устройствам сигналы, предписывающие им те или иные действия. В частности, УУ указывает ОП, какие слова должны быть переданы в АЛУ и в другие устройства, включает АЛУ на выполнение нужной операции и помещает полученный результат в ОП.

Алгоритмом решения задачи численным методом называют последовательность арифметических и логических операций, которые надо произвести над исходными данными и промежуточными результатами для получения решения задачи. Поэтому алгоритм можно задать указанием, какие следует произвести операции, в каком порядке и над какими словами. Описание алгоритма в форме, воспринимаемой ЭВМ, называется программой.

1.5. Аппаратные и программные средства реализации алгоритмов

Вычислительная машина (ВМ) - это искусственная инженерная система для автоматической обработки информации по заданному алгоритму.

Как известно, средства реализации алгоритмов вычислений делятся на аппаратные и программные. Любая вычислительная структура (ВС) это совокупность указанных средств. Их соотношение определяется требованиями к производительности и стоимости ВС.

Аппаратные средства реализуют какие-либо действия алгоритма одномоментно, без возможности дробления со стороны программиста. (Примеры аппаратной реализации: сумматоры, быстрые умножители, устройства для преобразования сигналов в реальном времени и т.д.).

Программные средства - это совокупности инструкций по реализации вычислительного процесса с помощью аппаратных средств в соответствии с алгоритмом. Традиционно под программированием обычно понимают процедурное программирование - задание последовательности действий по реализации алгоритма, причем действия происходят последовательно во времени. В то же время «программировать» решение задачи можно и структурно, пользуясь заданным набором аппаратных средств, в этом случае программирование - это указание путей следования потоков данных от одних аппаратных средств к другим. (Термин «структурное программирование» в литературе по вычислительной технике обычно используется для указания на определенную методологию разработки программного обеспечения, подразумевающую нисходящее проектирование системы, использование только основных управляющих конструкций, отказ от операторов GOTO и т.д. В данном контексте «структурное программирование» означает программирование в пространстве аппаратных структур.) Структурное программирование еще называют «аппаратурно-ориентированным».

Программирование структуры и процедурное программирование не являются взаимоисключающими подходами, как правило, они дополняют друг друга.

При программной реализации алгоритма вычислительный процесс организуется как последовательность процедур, выполняемых поочерёдно во времени на одном операционном устройстве (ОУ). Такое процедурное представление алгоритма удобно оформлять в виде блок-схемы алгоритма. При аппаратурной реализации алгоритма вычислительный процесс разворачивается в пространстве операционных блоков, соединённых между собой в соответствии с потоковым графом алгоритма и работающих параллельно во времени.

На рис. 1.2 показаны два варианта представления алгоритма, а на рис. 1.3 -два варианта его реализации. Очевидно, что во втором случае отпадает необходимость в программной памяти, так как программа вычислений заменяется схемой соединений операционных блоков.

Рис.1.2. Процедурное (а) и потоковое (б) представление алгоритма вычисления

значения f = ab/c+d

Рис.1.3.Программная (а) и аппаратурная (в) реализации алгоритма f = ab/c+d

Сравнивая рассмотренные варианты, можно отметить, что при программной реализации сложность алгоритма влияет на длину программы, а при аппаратурной реализации - на количество оборудования. Время вычисления одного результата в обоих случаях может быть одинаковым (без учёта времени обращения к памяти). Однако аппаратурная реализация позволяет организовать конвейерную обработку, что существенно повысит её производительность. Это обстоятельство и определяет современные тенденции развития вычислительной техники, учитывая блестящие успехи современной микроэлектроники.

Очень быстрый рост степени интеграции современных микросхем, когда сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) могут содержать сотни миллионов транзисторов в одном корпусе, диктует необходимость проектирования мощных аппаратурных средств реализации алгоритмов. Однако разработанные алгоритмы решения прикладных задач, в том числе и цифровой обработки сигналов, мало ориентированы на аппаратурную реализацию. Необходимы специальные -аппаратурно-ориентированные алгоритмы, синтезированные с учётом требований технологии СБИС. В идеальном случае процесс разработки алгоритма должен быть совмещён с проектированием СБИС, так как топология СБИС изоморфна потоковому графу аппаратурно-реализуемого алгоритма.

Рассмотрим процесс решения задачи на универсальной ЭВМ, включающий ряд этапов, показанных на рис. 1. 4. На начальном этапе задача, возникающая в некоторой прикладной

области, формулируется на естественном языке (составляется описание задачи).Затем осуществляется математическая постановка задачи выбор

с
Рис. 1.4.

оответствующих типовых подзадач. Следующим этапом является выбор типовых вычислительных процедур для реализации необходимых подзадач и отображение алгоритма на структуру вычислительной системы. После этого алгоритм исполняется на имеющейся вычислительной структуре.

логическое устройство (АЛУ) строится, как правило, на основе универсального сумматора. Такое АЛУ выполняет лишь элементарные операции типа сложения, сдвига и некоторые другие. Поэтому для исполнения алгоритма на таком АЛУ необходима программа, состоящая из таких операций.

Таким образом, выбор типовых подзадач, типовых процедур и отображение алгоритма на структуру вычислительной системы осуществляется в универсальной ЭВМ на этапе процедурного программирования.

Время решения задачи на такой ЭВМ прямо зависит от длины программы. Чем крупнее будет математическая функция, выполняемая аппаратурно, тем меньше будет длина программы, меньше обращений к памяти, а, следовательно, меньше время решения и выше производительность ЭВМ. По мере роста возможностей интегральной электроники увеличивается сложность задач, для которых возможна аппаратная реализация их решения, и граница между задачами, реализуемыми аппаратурно и программно, сдвигается. То есть, аппаратурно реализуются уже типовые вычислительные процедуры, крупные математические и даже прикладные алгоритмы. С другой стороны, рост производительности процессоров позволяет решать более сложные задачи, традиционно решавшиеся аппаратным способом, программными средствами (примером может служить появление т.н. Winmodem'ов). Таким образом, граница между программными и аппаратными средствами при реализации алгоритмов постоянно перемещается.


2 ХАРАКТЕРИСТИКИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ И СИСТЕМ
  1   2   3   4   5


База данных защищена авторским правом ©infoeto.ru 2016
обратиться к администрации
Как написать курсовую работу | Как написать хороший реферат
    Главная страница