Файл: 1-337.pdf

 Содержание

Динамические потоковые вычислительные системы 622

Макропотоковые вычислительные системы 628
Гиперпотоковая обработка 629

Вычислительные системы с управлением вычислениями по запросу 632

Контрольные вопросы 635

Заключение 637

Список литературы 638

Алфавитный указатель ... 653

Введение

Мы живем в информационную эпоху: документы ЮНЕСКО свидетельствуют, что

сейчас в информационной сфере занято больше половины населения развитых
стран. Основу современных информационных технологий, их базис, составляют
аппаратные средства компьютерной техники.

Современные вычислительные машины (ВМ) и системы (ВС) являются од-

ним из самых значительных достижений научной и инженерной мысли, влияние
которого на прогресс во всех областях человеческой деятельности трудно пере-

оценить. Поэтому понятно то пристальное внимание, которое уделяется изучению

ВМ и ВС в направлении «Информатика  вычислительная техника» высшего про-

фессионального образования.

В государственном образовательном

 высшего профессионального

образования содержание дисциплины «Организация ЭВМ и систем» определено
следующим образом:
• основные характеристики, области применения ЭВМ различных классов;

• функциональная и структурная организация процессора;
• организация памяти ЭВМ;
• основные стадии выполнения команды;
• организация прерываний в ЭВМ;

• организация ввода-вывода;
• периферийные устройства;
• архитектурные особенности организации ЭВМ различных классов;
• параллельные системы;
• понятие о многомашинных и многопроцессорных вычислительных системах.

Все эти вопросы Освещены в учебнике, который вы держите в руках, уважае-

мый читатель. Иными словами, данный учебник отвечает всем требованиям обра-
зовательного стандарта.

Авторы стремились к достижению трех целей:

• изложить классические основы, демонстрирующие накопленный отечествен-

ный и мировой опыт вычислительных машин и систем;

• показать последние научные и практические достижения, характеризующие

динамику развития аппаратных средств компьютерной техники;

 Введение

• обобщить и отразить 25-летний университетский опыт

 авторами

учебника соответствующих дисциплин.
Первая глава учебника посвящена базовым положениям. Обсуждаются поня-

тия «организация» и «архитектура» вычислительных машин и систем, уровни
абстракции, на которых эти понятия могут быть раскрыты. Прослеживается эво-
люция ВМ и ВС как последовательности идей, предопределивших современное
состояние в области вычислительной техники. Анализируются тенденции даль-
нейшего развития архитектуры ВМ и ВС с учетом технологического прогресса
и последних достижений в проектировании вычислительных средств.

Во второй главе дается понятие архитектуры системы команд и обсуждаются

различные аспекты этой архитектуры. Рассматриваются основные виды инфор-
мации, являющейся объектом обработки и хранения в ВМ и ВС. Приводятся
основные способы представления такой информации: форматы, стандарты, разме-
щение в памяти, способы доступа к данным. Представлены классификация и ха-
рактеристика команд ВМ. Обсуждаются принципы выбора эффективной системы

операций и системы адресации.

 глава является основой для понимания принципов функционирования

вычислительных машин с классической фон-неймановской архитектурой. На при-
мере гипотетической

 прослеживается взаимодействие узлов вычислительной

машины в ходе выполнения типовых команд. Приводится описание языка микро-
программирования как средства формальной записи вычислительных процессов
на уровне архитектуры

Четвертая глава отведена принципам организации системы коммуникаций меж-

ду элементами структуры ВМ. Дается понятие системной шины. Рассматриваются

способы синхронизации и арбитража устройств, подключенных к шине.

В пятой главе определены принципы и средства, используемые при построе-

нии систем памяти ВМ. Поясняется концепция иерархического построения памя-

ти. В первой части главы обсуждаются вопросы организации внутренней памяти
с учетом ее реализации

 базе полупроводниковых запоминающих устройств (ЗУ):

структура памяти с произвольным доступом, матричная организация микросхем
ЗУ, основные типы оперативных и постоянных запоминающих устройств. Опи-
сываются архитектурные аспекты внутренней памяти ВМ — модульное построе-
ние, конвейеризация, расслоение, обнаружение и исправление ошибок. Значитель-
ное внимание уделено принципам организации и функционирования кэш-памяти.
Обсуждаются вопросы виртуализации памяти ВМ, методы и средства защиты па-

мяти от несанкционированного доступа. Вторая часть главы содержит краткую
характеристику различных типов внешних запоминающих устройств, включая
магнитные и оптические дисковые ЗУ, магнитоленточные запоминающие устрой-
ства. Приводится классификация и описание массивов магнитных дисков с избы-
точностью (RAID).

Содержание шестой главы — это описание принципов организации устройств

управления (УУ) ВМ. Обсуждаются вопросы построения, функционирования
и проектирования УУ с «жесткой» логикой и УУ с микропрограммной организа-
цией, а также способы ускорения их работы.

Введение

Предметом внимания седьмой главы являются операционные устройства ВМ.

Рассматриваются жесткие и магистральные структуры операционных устройств,

их организация и классификация, способы реализации в ВМ основных арифмети-
ческих и логических операций с учетом обработки данных в различных формах
представления и форматах. Наряду со «стандартными» способами реализации
арифметических операций обсуждаются и такие алгоритмы, использование кото-
рых ведет к существенному ускорению вычислений.

Восьмая глава учебника посвящена вопросам организации систем ввода/выво-

да (СВВ). Рассматриваются способы организации ввода/вывода (программно-уп-
равляемый ввод/вывод, ввод/вывод по прерываниям, прямой доступ к памяти)

и их влияние на эволюцию принципов построения СВВ. Описываются особенно-
сти систем ввода/вывода больших универсальных ВМ с их концепцией процессо-
ров (каналов) ввода/вывода.

В девятой главе излагаются вопросы, касающиеся архитектуры процессоров

вычислительных машин. Дается понятие конвейера команд, обсуждаются прин-
ципы организации такого конвейера и проблемы, возникающие при его реализа-
ции. Особое внимание уделяется конфликтам в конвейере команд и способам
борьбы с ними. Поясняется концепция суперконвейеризации. Рассматривается

проблема семантического разрыва и способы его преодоления в ВМ с архитекту-
рами CISC и

 Глава завершается изложением концепции

процессора.

Десятая глава предваряет вторую часть учебника, посвященную вопросам по-

строения вычислительных систем, реализующих концепцию распараллеливания
вычислений. Излагается теоретический базис таких вычислений. Приводится схема
классификации параллельных вычислительных систем.

В одиннадцатой главе рассматриваются два основных принципа организации

памяти ВС: общая (совместно используемая) память и распределенная память.

Рассказывается об особенностях различных моделей как той, так и другой памяти.
Значительное внимание в главе уделено вопросам когерентности кэш-памяти.

Двенадцатая глава содержит достаточно подробный обзор топологий сетей меж-

соединений, связывающих между собой компоненты вычислительных систем.

В тринадцатой главе сосредоточен материал по системам, которые согласно

классификации Флинна можно отнести к системам класса SIMD. Несмотря на

достаточную расплывчатость границ того или иного класса, допускаемую классифи-
кацией в схеме Флинна, в учебнике к

 отнесены: векторные и век-

торно-конвейерные ВС, матричные ВС, ассоциативные ВС, вычислительные системы
с систолической структурой и ВС с командным словом сверхбольшой длины.

В четырнадцатой главе рассматриваются системы класса MIMD. К таким

в учебнике отнесены симметричные мультипроцессорные системы (SMP), кластер-
ные ВС, системы с массовым параллелизмом (МРР), ВС на базе транспьютеров,
системы с неоднородным доступом к памяти, ВС с обработкой по принципу вол-
нового фронта.

В пятнадцатой главе описываются системы с нетрадиционным способом уп-

равления вычислительным процессом: потоковые и макропотоковые ВС, а также
вычислительные системы с управлением по запросу. Именно особенность управ-

 Введение

ления вычислениями предопределила выделение этих систем в отдельную группу,
хотя в принципе их можно трактовать как варианты систем класса MIMD. В главе
рассматривается также концепция гиперпотоковых вычислений; впрочем, изло-
жение данного вопроса было бы уместно и в девятой главе.

Учебник предназначен для студентов инженерного, бакалаврского и магистер-

ского уровней компьютерных специальностей, может быть полезен аспирантам,
преподавателям и разработчикам вычислительных машин и систем.

Вот, пожалуй, и все. Насколько удалась эта работа — судить

читатель.

Благодарности

Прежде всего, наши слова искренней любви родителям.

Самые теплые слова благодарности нашим семьям, родным, любимьм и близким

людям. Без их долготерпения, внимания, поддержки,
и сердечной заботы эта книга никогда бы не была написана.

Выход в свет данной работы был бы невозможен вне творческой атмосферы,

бесчисленных вопросов и положительной обратной связи, которую создавали наши
многочисленные студенты.

Хочется отметить особо значимую роль руководителя проекта Юрия Суркиса,

благодаря незаурядным профессиональным качествам

 и состоялось

данное издание. Авторы искренне признательны всем талантливым сотрудникам
издательства «Питер».

И, конечно, огромная признательность нашим коллегам, общение с которыми

 творчества, и нашим учителям,

 базис образования,

От

 предложения, вопросы отправляйте по адресу

 почты

comp@piter.com (издательство

 компьютерная

•

 рады узнать ваше мнение!

 веб-сайте издательства http://www.piter.com вы найдете подробную

информацию о наших книгах.