Файл: А. Д. Чередов, А. Н. Мальчуков.docx

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 26.10.2023

Просмотров: 2907

Скачиваний: 4

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

АРХИТЕКТУРЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ

ПК-блокноты (ноутбуки) Все ноутбуки (notebook) классифицируются на несколько типовых разновидностей по размеру диагонали дисплея, назначению, компонов- ке составных узлов, функциональным возможностям, габаритам, весу и другим отличиям. К основным типам ноутбуков можно отнести: «за- мену настольного ПК» (Desktop Replacement), массовые ноутбуки, уль- трабуки, смартбуки.В качестве замены настольного ПК обычно позиционируются но- утбуки с диагональю экрана 17 дюймов и выше. Габариты и вес (от 3 кг и выше) портативных компьютеров весьма значительны, что делает их неудобными в переноске. Однако относительно большой размер дис- плея обеспечивает более комфортную работу, а объемистый корпус позволяет установить мощные компоненты и обеспечить им достаточ- ное охлаждение. Такие ноутбуки имеют встроенные жесткий диск, ак- кумулятор, CD или DVD-привод, порты ввода/вывода. Снаружи подсо- единяется блок питания, как у всех других ноутбуков. Одним из самых мощных и дорогих ноутбуков категории Desktop Replacement в 2015 г. является ASUS ROG G751JL с размером экрана по диагонали 17,3', с разрешение 1920х1080 точек. Процессор – Intel Core i7-4720HQ с часто- той 2,6 ГГц. Оперативная память до 32 Гбайт, видеокарта – NVIDIA GeForce GTX 965M с двумя гигабайтами собственной памяти. Вес – 4,5 кг. Стоимость $2500.Массовые ноутбуки (специального названия для данной категории ноутбуков не предусмотрено) имеют диагональ экрана 14'-16', их вес обычно укладывается в 2–3 кг, толщина оказывается чуть меньше ноут-буков «замена настольного ПК». Обычно эти модели оснащены встро- енными жестким диском и оптическим накопителем.Ультрабуки (ultrabooks) – тонкий и легкий ноутбук, обладающий ещё меньшими габаритами и весом по сравнению с обычными ноутбу- ками, но при этом – большей частью характерных черт полноценного ноутбука. Термин стал широко распространяться в 2011 году, после то- го как корпорация Intel презентовала новый класс мобильных ПК – уль- трабуки.Немного истории. Первоначально концепция мобильного компью- тера, более компактного и лёгкого, чем обычный ноутбук, появилась в 1996 году, когда корпорация Toshiba выпустила семейство ноутбуков Toshiba Libretto. Этот класс компьютеров получил наименование субно- утбуки. С тех пор в течение 15 лет субноутбуки постоянно развивались в направлении снижения габаритов и цены и увеличения вычислитель- ной мощности и длительности автономной работы от встроенной акку- муляторной батареи.15 января 2008 года Стив Джобс провёл презентацию нового сверхлёгкого субноутбука Apple MacBook Air, выполненного в сверх- тонком алюминиевом корпусе и не имевшего аналогов на тот момент. После начала продаж выяснилось, что данный субноутбук имеет повы- шенный спрос у потребителей, и вскоре стали появляться аналоги от других производителей ноутбуков: Dell Adamo, Lenovo ThinkPad X300, Samsung 900X3A, Sony Vaio Y.В мае 2011 года появился новый класс мобильных ПК – ультрабу- ки, который является дальнейшим эволюционным развитием классиче- ских субноутбуков и во многом использует идеи, реализованные в сверхтонком ноутбуке от Apple, MacBook Air.Нетбуки (netbooks) как отдельная категория ноутбуков были выде- лены из категории субноутбуков в 2008 г. компанией Intel. Размер диа- гонали экрана нетбуков – от 7' до 12,1'. Нетбуки ориентировались на просмотр веб-страниц, работу с электронной почтой и офисными про- граммами. Для этих ноутбуков были разработаны специальные энер- гоэффективные процессоры Intel Atom, VIA C7, VIA nano, AMD Geode. Малый размер экрана, небольшая клавиатура и низкая производитель- ность подобных устройств компенсировались умеренной ценой и отно- сительно большим временем автономной работы. Габариты обычно не позволяли устанавливать в нетбук дисковод оптических дисков, однако Wi-Fi-адаптер являлся обязательным компонентом. Столкнувшись с конкуренцией со стороны ультрабуков и планшетных ПК, натиск по- следних выдержали лишь компнаии Asustek и Acer, которые продавалисвои нетбуки плоть до конца 2012 года в основном на разививающихся рынках Южной Азии и Южной Африки. Эра нетбуков закончилась в 2012 г. В 2013 г. распродавались только их запасы.В 2015 году компания Microsot неожиданно для многих, кроме планшета Surface Pro 4, представила также ультрабук Surface Book. Сейчас такие устройства принято называть гибридными.Однако Microsoft называет новинку просто ноутбуком. В этом слу- чае в первую очередь обращает на себя внимание дисплей диагональю 13,5 дюйма. У него крайне необычное для ноутбуков соотношение сто- рон (3:2) и разрешение (3000 х 2000 точек).С технической точки зрения аппарат похож на новый планшет Microsoft. Тут используется корпус из того же магниевого сплава, а дисплей также располагает специальным слоем для работы со стилусом. К слову, перо Surface Pen поставляется в комплекте с новинкой.Необычным выглядит конструкция петель. Несмотря на отключае- мую планшетную часть, инженеры Microsoft наделили устройство воз- можностью раскрыть дисплей на 360°.Сердцем ноутбука служат процессоры Intel Core i5 или i7 поколе- ния Skylake. В оперативной памяти предусмотрено 8 либо 16 ГБ. Для хранения данных присутствует SSD объёмом 128, 256, 512 ГБ либо 1 ТБ. Что любопытно, в продаже будут модификации ноутбука с дискрет- ными видеокартами Nvidia. Модели не называются, но данный компо- нент расположен в клавиатурном блоке. Ёмкости аккумулятора должно быть достаточно для 12 часов в режиме проигрывания видео.Габариты ноутбука составляют 312,3 х 232,1 х 13-22,8 мм при мас- се 1,5 кг с подключенной клавиатурой. Список портов представлен па- рой USB 3.0, Mini DisplayPort и слотом для карт SD. В минимальной конфигурации ноутбук обойдётся покупателям в $1500, а за версию с процессором Core i7 и видеокартой Nvidia придётся отдать $2700.В 2009 г. разработчики и производители компьютерной техники за- говорили о новой категории компьютеров под названием смартбуки.Смартбук – это небольшой компьютер с дисплеем и клавиатурой, представляющий собой нечто среднее между смартфоном и нетбуком. По размерам он меньше нетбука, а по функциональным возможностям аналогичен смартфону. Смартбук способен обеспечивать постоянное беспроводное 3G-соединение и работать не менее 8 часов без подзаряд- ки. Он обладает экраном с диагональю от 7 до 9 дюймов и может бази- роваться на процессорах с архитектурой ARM под управлением ОС на ядре Linux, например Google Android.Статистика использования в настольных ПК и ноутбуках различ- ных ОС на декабрь 2015 г. представлена в таблице 1.2:Таблица 1.2 Статистика использования ОС на декабрь 2015 г.

2. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ

3. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ

4. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ПОДСИСТЕМЫ ПАМЯТИ ЭВМ И ВС

ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМНОГО ИНТЕРФЕЙСА И ВВОДА/ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ

МНОГОПРОЦЕССОРНЫЕ И МНОГОМАШИННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ И СИСТЕМ


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»


А.Д. Чередов, А.Н. Мальчуков



ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ И СИСТЕМ
РекомендовановкачествеучебногопособияРедакционно-издательскимсоветомТомскогополитехническогоуниверситета


4-е издание, переработанное и дополненное

Издательство

Томского политехнического университета 2016
УДК 004.38+004.7(075.8)

ББК 32.973+32.973.202я73 Ч–462


Ч–462
Чередов А.Д., Мальчуков А.Н.

Организация ЭВМ и систем: учебное пособие / А.Д. Чередов, А.Н. Мальчуков; Томский политехниче- ский университет. – 4-е изд., перераб. и доп. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2016.

– 236 с.
Вучебномпособиирассматриваютсяосновныевопросы,связанные с организацией ЭВМ и систем: архитектуры, характе-ристики и классификация ЭВМ; функциональная и структурнаяорганизация ЭВМ и центрального процессора; принципы органи-зации подсистемы памяти ЭВМ и вычислительных систем; прин-ципы организации подсистемы ввода-вывода; архитектуры и спо-собыорганизациимногопроцессорныхвычислительныхсистем.Учебное пособие подготовлено на кафедре вычислительнойтехники ТПУ и предназначено для студентов ИДО, обучающихсяпо направлению 09.03.01 «Информатика и вычислительная техни-ка».УДК 004.38+004.7(075.8)ББК32.973+32.973.202я73
РецензентыКандидаттехническихнаук,зам. начальник управления информационных технологийОАО«Востокгазпром»П.М.ОстрастьКандидат технических наук,доценткафедрыпрограммированияТГУС.А.Останин©Томскийполитехническийуниверситет»,2000©ЧередовА.Д.,2005©ЧередовА.Д.,2011© Оформление. Издательство Томскогополитехническогоуниверситета,2016ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

  1. АРХИТЕКТУРЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ 7

    1. Архитектуры ЭВМ 7

      1. Конвейерная обработка команд 9

      2. Cуперскалярная обработка 11

      3. Архитектура SISD 11

      4. SIMD-архитектура 16

      5. Многоядерные структуры процессора и многопотоковая обработка команд 17

    2. Технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ 19

    3. Классификация ЭВМ 23

      1. Классификация ЭВМ по назначению 23

      2. Классификация ЭВМ по функциональным возможностям 24

  2. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ 58

    1. Обобщенная структура ЭВМ и пути её развития 59

    2. Типы данных 62

    3. Структура и форматы команд ЭВМ 70

    4. Способы адресации информации в ЭВМ 73

      1. Абсолютные способы формирования исполнительного адреса75

      2. Относительные способы формирования исполнительных адресов ячеек памяти 77

    5. Примеры форматов команд и способов адресации 82

      1. Форматы команд и способы адресации в интеловских процессорах 82

      2. Форматы команд и способы адресации в RISC-процессорах 94

      3. Особенности системы команд IA-64 94

    6. Принципы организации системы прерывания программ 96

  3. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

ЦЕНТРАЛЬНОГО ПРОЦЕССОРА ЭВМ 107

    1. Назначение и структура центрального процессора 107

    2. Назначение, классификация и организация ЦУУ 109

    3. Регистровые структуры центрального процессора 110

      1. Регистровые структуры процессоров IA-32 110

      2. Регистровые структуры процессоров AMD64 (Intel64) 115

      3. Регистровые структуры процессоров IA-64 116

    4. Структурная организация современных универсальных микропроцессоров 118

      1. Стратегия развития процессоров Intel 119

      2. Микроархитектура Intel Core 120

      3. Микроархитектура Intel Nehalem 124

      4. Семейство процессоров Intel Westmere 133

      5. Микроархитектура Sandy Bridge 135

      6. Микроархитектура Intel Haswell 138

      7. Микроархитектура Skylake 148

      8. Микропроцессоры семейства «Эльбрус» 156

      9. Микропроцессоры IBM POWER8 160

  1. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ПОДСИСТЕМЫ ПАМЯТИ ЭВМ И ВС 162

    1. Иерархическая структура памяти ЭВМ 162

    2. Организация стека регистров 165

    3. Способы организации кэш-памяти 167

      1. Типовая структура кэш-памяти 167

      2. Способы размещения данных в кэш-памяти 168

      3. Методы обновления строк основной памяти и кэша 175

      4. Методы замещения строк кэш-памяти 177

      5. Многоуровневая организация кэша 177

    4. Принципы организации оперативной памяти 179

      1. Общие положения 179

      2. Методы повышения пропускной способности ОП 182

      3. Методы управления памятью 192

      4. Организация виртуальной памяти 198

      5. Методы ускорения процессов обмена между ОП и ВЗУ 207

  2. ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМНОГО ИНТЕРФЕЙСА И

ВВОДА/ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ 209

    1. Общая характеристика и классификация интерфейсов 209

    2. Способы организации передачи данных 213

    3. Системная организация настольных компьютеров на базе

современных чипсетов компании Intel 215

      1. Системная организация компьютеров на базе чипсетов Intel 8-й и 9-й серий 216

      2. Системная организация компьютеров на базе чипсетов Intel 100-

й серии 220

  1. МНОГОПРОЦЕССОРНЫЕ И МНОГОМАШИННЫЕ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ 223

    1. Архитектуры вычислительных систем 223

    2. Сильносвязанные многопроцессорные системы 226

    3. Слабосвязанные многопроцессорные системы 229

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ .231 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 235

ВВЕДЕНИЕ

В последнее десятилетие в России бурно осуществляется информа-тизацияикомпьютеризациявсехсферчеловеческойдеятельности.Компьютеры или электронные вычислительные машины (ЭВМ), осна-щенные специальным программным обеспечением, являются техниче-скойбазойиинструментомдлявычислительных,информационныхиавтоматизированныхсистем.При изучении дисциплины «Организация ЭВМ» в процессе подго-товкибакалавровпонаправлению«Информатикаивычислительнаятехника» студенты используютзнания, умения и навыки, полученныепо дисциплинам «Информатика», «Дискретная математика», «Основытеории передачи информации», «Введение в информационные техноло-гии»,которыеявляютсяпререквизитамиданной дисциплины.Целью дисциплины «Организация ЭВМ» является освоение теоре-тическихосновфункциональнойиструктурнойорганизацииЭВМ,включающих архитектуры ЭВМ, технические характеристики, класси-фикации, особенности организации различных типов ЭВМ и ее состав-ных частей (процессора, памяти, ввода-вывода), а также современноесостояниеитенденцииразвитиясредстввычислительнойтехники.Врезультатеизученияэтойдисциплиныстудентдолженуметьприменять полученные знания для решения практических задач: прово-дить анализ всего многообразия типов ЭВМ, осуществлять анализ па-раметров основных технических средств ЭВМ, выбирать, комплексиро-вать и тестировать аппаратные средства вычислительных систем. Ондолжен владеть навыками конфигурирования компьютеров различногоназначения.Знания,уменияинавыки,полученныеприизучениидисциплины«ОрганизацияЭВМ»,необходимыдляосвоенияряда

других дисци- плин: «Операционные системы», «Периферийные устройства», «Сети и телекоммуникации» и др.

В процессе освоения дисциплины у студентов формируются ком- петенции, дающие им возможность разрабатывать технические задания на оснащение отделов, лабораторий, офисов компьютерным оборудова- нием, осуществлять наладку и обслуживание этого оборудования.

В предлагаемом вниманию читателя учебном пособии рассматри- ваются современные проблемы, связанные с функциональной и струк- турной организацией ЭВМ и её составных частей. Учебное пособие со- стоит из шести глав.

В первой главе даются основные понятия и определения, относя- щиеся к ЭВМ, подробно рассматриваются архитектуры компьютеров (SISD, SIMD, CISC, RISC, VLIW, EPIC, MISD, MIMD), приводятся тех-

нические и эксплуатационные характеристики, классификации ЭВМ с кратким описанием истории развития, современного состояния и функциональных особенностей различных типов компьютеров (мэйн- фреймов, суперЭВМ, рабочих станций, серверов, персональных компь- ютеров и т.д.).

Вторая глава посвящена изложению основ функциональной и структурной организации ЭВМ. В ней содержится описание типов данных, используемых в процессорах интеловской архитектуры (IA-32, IA-64), способов адресации данных, структур и форматов команд CISC- и RISC-процессоров, наборы расширения системы команд x86 (MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSE4 и др.), обобщенной структуры ЭВМ.

В третьей главе излагаются основы функциональной и структурной организации центрального процессора ЭВМ: определяется состав и назначение основных устройств процессора; описываются регистровые

Смотрите также файлы