Файл: Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическо е обеспечение вычислительных систем.pdf

Введение

К настоящему времени спроектированы и опробованы сотни различных компьютеров, использующих в своей архитектуре тот или иной вид параллельной обработки данных. В научной литературе и технической документации можно найти более десятка различных названий, характеризующих лишь общие принципы функционирования параллельных машин: векторно-конвейерные, массивно-параллельные, компьютеры с широким командным словом, систолические массивы, гиперкубы, спецпроцессоры и мультипроцессоры, иерархические и кластерные компьютеры, dataflow, матричные ЭВМ и многие другие. Если же к подобным названиям для полноты описания добавить еще и данные о таких важных параметрах, как, например, организация памяти, топология связи между процессорами, синхронность работы отдельных устройств или способ исполнения арифметических операций, то число различных архитектур станет и вовсе необозримым.[3].

Основные принципы построения, закладываемые при создании ВС:

• возможность работы в разных режимах;
• модульность структуры технических и программных средств, что позволяет совершенствовать и модернизировать вычислительные системы без коренных их переделок;
• унификация и стандартизация технических и программных решений;
• иерархия в организации управления процессами;
• способность систем к адаптации, самонастройке и самоорганизации;
• обеспечение необходимым сервисом пользователей при выполнении вычислений.

В данной работе рассмотрена тема "Состав и свойства вычислительных систем. Информационное и математическое обеспечение вычислительных систем". В работе рассматриваются следующие вопросы: что такое ВС; основные понятия, используемые в ВС; структура ВС; классификация ВС.

Устройство ЭВМ

ЭВМ, используемые для целей САПР и в системах управления (СУ), состоят из :

- системного блока;

- клавиатуры для ввода символов в компьютер;

- монитора (или дисплея) для отображения текстовой и графической информации.

Клавиатура и монитор вместе образуют консоль , т.е «выступающую вперед часть»

ЭВМ. Это наследие эпохи мэйнфреймов, к которым подключалось много консолей..

РкРис 1. Консоли и мэйнфрейм ЭВМ.

Кроме того, ЭВМ оснащается дополнительными устройствами, к которым относятся:

- мышь или другой манипулятор;

- принтер (печатающее устройство);

- сканнер для считывания текстовой и графической информации;

- плоттер (графопостроитель) для вывода чертежей на бумагу.; [2]

РисРис 2. Консоли персонального компьютера

- дигитайзер (графический планшет) для ввода чертежей в компьютер;

- стример - устройство для резервного копирования на магнитную ленту информации в ЭВМ;

- модем для обмена информацией с другими компьютерами через телефонную сеть;

- радиомодем для обмена информацией через радиоканал;

- источник бесперебойного питания.

- Центральный микропроцессор (Central Processor Unit - CPU) основной элемент ЭВМ, выполняет все вычисления и обработку информации. В IBM PC используют ЦП фирм Intel, AMD, Cyrix, IBM и др.

- Арифметический сопроцессор помогает выполнять основному ЦП математические операции над вещественными числами.

Для ЦП фирмы Intel (80486, Pentium и выше) сопроцессоры не нужны.

- Оперативная память (Random Access Memory - RAM) служит для быстрой передачи данных и программ процессору и сопроцессору. После отключения все данные исчезают.

- Есть постоянная энергонезависимая оперативная память ROM, доступная только для чтения (Read Only Memory), где хранятся программы тестирования РС при включении и базовая система ввода-вывода информации -(Basic Input-Output System - BIOS).

- Контроллеры и шина служат для связи и обмена информацией между оперативной памятью и внешними устройствами - монитором, дисками, принтером и т.д.

Для каждого внешнего устройства в РС имеется управляющая схема – контроллер или адаптер.

Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с ЦП и оперативной памятью через магистраль передачи данных, которую называют шиной.

- Электронные платы в модульном исполнении упрощают подключение устройств. На основной плате РС – системной или материнской (Motherboard) обычно располагаются процессор, сопроцессор, оперативная память и шина.

Контроллеры и адаптеры находятся на отдельных платах, вставляющихся в унифицированные разъемы (слоты) на материнской плате. Через слоты контроллеры устройств подключаются непосредственно к шине[1].

Рис 3. Материнские платы

Рис 4. Структура материнской платы

Рис. 5 Сетевая и видеокарта

- Контроллеры портов ввода-вывода бывают параллельные (Line PrinTer – LPT1-LPT4) для подключения принтера и асинхронные последовательные (Communication – COM1-COM3) для подключения мыши, модема.

Рис 6. Порты ввода-вывода персонального компьютера

Архитектура ЭВМ

Архитектура ее абстрактное представление. Она отражает структурную, логическую, схемотехническую организацию ЭВМ и включает в себя:

• структурную схему ЭВМ;
• средства и способы доступа к элементам структурной схемы ЭВМ;
• организацию и разрядность интерфейсов ЭВМ;
• набор и доступность регистров;
• организацию и способы адресации памяти;
• способы представления и форматы данных ЭВМ;
• набор машинных команд ЭВМ;
• форматы машинных команд;
• обработку нештатных ситуаций (прерываний).

Общие архитектурные свойства и принципы ЭВМ

-Принцип хранимой программы. Код программы и ее данные находятся в одном адресном пространстве в оперативной памяти.

-Принцип микропрограммирования. В состав ЦП входит блок микропрограммного управления. Он для каждой машинной команды имеет набор действий-сигналов, которые нужно сгенерировать для физического выполнения требуемой машинной команды.

- Линейное пространство памяти. Это совокупность ячеек памяти, которым последовательно присваиваются номера (адреса) 0, 1,2, ....

-Последовательное выполнение программ. ЦП выбирает из памяти команды строго последовательно. Для изменения хода выполнения программы или ветвления используют специальные команды условного и безусловного перехода.

- Не различение ЦП между данными и командами. Данные и машинные команды в виде последовательности 0 и 1 находятся в одном пространстве памяти. Потому всегда важно в программе четко разделять пространство данных и команд.

-Безразличие к целевому назначению данных. ЭВМ все равно, какую логическую нагрузку несут обрабатываемые данные[6].

Типы процессоров

Обозначение ЦП указывает на фирму изготовитель (i - Intel, AMD - Advanced Micro Devices, CX - VIA Cyrix). Далее следуют цифры номера типа CPU 80 (часто опускают) и две-три другие (486, 586, 686), значение тактовой частоты в МГц (25, 120, 200, 330, 500, 700, 1700, 2400 и т.д.).

С июня 2004 г. все ЦП Intel разбиты на три модельных ряда: Зхх, 5хх и 7хх без указания их тактовой частоты.

Рис.7 Типы процессоров

Производительность ЦП характеризуется следующими параметрами:

• степенью интеграции;
• внутренней и внешней разрядностью;
• тактовой частотой;
• памятью, к которой он может адресовываться.

Степень интеграции микросхемы показывает, сколько транзисторов может в ней уместиться. Для ЦП Pentium Intel – около 3 млн. транзисторов на 3,5 см², для ЦП Pentium 4 – 42 млн.

Внутренняя разрядность показывает, сколько бит может одновременно обрабатывать ЦП внутри себя - 16, 32, 64, 128.

Внешняя разрядность показывает, сколько бит может одновременно обрабатываться вне ЦП другими элементами материнской платы.

Тактовая частота кварцевого датчика такта определяет скорость обработки информации в PC. Важно, чтобы все элементы системной платы могли работать с высокой тактовой частотой.

Адресация памяти определяет кол-во памяти RAM, в которую ЦП может отправлять данные.

В реальном режиме (Real Mode) ЦП (8086) может адресовать не более 1 Мб памяти.

В защищенном режиме (Protected Mode) ЦП (80286) может адресовать до 16 Мб физической и до 1 Гб виртуальной (на жестком диске). Здесь возможна многозадачность (Multitasking).

В виртуальном режиме (Enhanced Mode) ЦП (80386) может адресовать до 4 Гб физической и до 64 Гб виртуальной памяти, эмулировать работу нескольких ЦП 8086 (до 256), обеспечивая многопользовательский режим и рост числа выполняемых задач[3].

Архитектурные особенности ЦП i486 – Pentium

Для совершенствования архитектуры и роста производительности ЭВМ используют:

- распараллеливание операций;

- кэширование памяти;

- расширение системы команд.

Для распараллеливания используется конвейерная (Pipeline) и суперскалярная (Superscalar) технологии.

Конвейеризация позволяет организовать параллельную обработку нескольких инструкций в одном исполнительном блоке (с перекрытием по времени).

Суперскалярная технология позволяет произвести пространственное распараллеливание – по нескольким исполнительным блокам (конвейерам).

Обе технологии используются в комбинации.

При конвейеризации процесс выполнения инструкции раскладывается на стадии (число стадий – это длина конвейера), каждая из которых выполняется за один такт.

В конвейере одновременно обрабатываются n инструкций, а результат выполнения очередной инструкции выдается на каждый такт.

В ЦП Intel 486, P5 пятистадийный конвейер. В современных ЦП (Intel P6, AMD K7) конвейер имеет 10-12 стадий, в новом ЦП Intel Pentium 4 число стадий – 20.

Рис.8 Схема работы конвейера

Пятиступенчатый конвейер ЦП i486 включает в себя:

-выборку команды из кэш-памяти или оперативной памяти;

-декодирование команды;

-генерацию адреса, при которой определяются адреса операндов в памяти;

-выполнение операции с помощью АЛУ;

-запись результата (куда он будет записан, зависит от алгоритма работы конкретной машинной команды).

ЦП с одним конвейером называют скалярными, а с 2 и более конвейерами – суперскалярными.

ЦП Pentium (Р5) имеет два конвейера, т.е. использует суперскалярную архитектуру и может выполнять 2 команды за машинный такт.

Внутренняя структура конвейера у ЦП Pentium такая же, как и у i486.

Для снижения потерь от остановов из-за нарушения порядка операций при условных переходах (каждая пятая инструкция) применяется предсказание переходов (Branch Prediction), основанное на анализе уже осуществленных переходов.

Способствует росту производительности и спекулятивное исполнение (Speculative Execution), когда инструкции, следующие за предполагаемым переходом, начинают обрабатываться еще до самого перехода.

Кэширование памяти используется для ускорения операций с динамической памятью, которая функционирует очень медленно по сравнению с современными ЦП. Поэтому между ЦП и DRAM ставят специальный буфер (кэш-память, или кэш {Cache - склад}) на основе максимально быстрой памяти.

Оптимальным решением является иерархическая организация кэш-памяти в виде двух блоков – 1-го (L1) уровня {быстрая, небольшая по объему} и 2-го (L2) уровня {большая по объему, но более медленная}[4].