Каталог :: Программирование и комп-ры

Лекция: Архитектура ЭВМ

                       Основные характеристики ЭВМ.                       
        Классификация средств электронной вычислительной техники.        
     1.История появления первых ЭВМ.
2.Понятие ЭВМ.
3.Понятие структура.
4.Понятие архитектуры ЭВМ.
5.Основные характеристики средств ЭВМ.
Комплекс технических и программных средств, предназначенные  для
автоматизации подготовки и решения задач пользователей. Пользователем
понимают человека, в интересах которого проводится обработка данных на ЭВМ. В
качестве пользователя могут выступать, программисты работ, программисты,
операторы. Структура – совокупность элементов и их связей. Различают
структуры технических, программных и аппаратурно-программных средств. Выбирая
ЭВМ для решения своих задач пользователь интересуется функциональными
возможностями технических и программных модулей  при этом пользователь
интересуется не конкретной технической реализацией отдельных модулей, а более
общими вопросами возможности организации вычисления.
Архитектура ЭВМ – это многоуровневая иерархия аппаратно- программных средств
из которых состоит ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное
построение и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности
структурного  построения ЭВМ. Детализацией архитектурного и структурного
построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной
техники. Инженеры схемотехники проектируют отдельные технические устройства и
разрабатывают методы их сопряжения друг с другом. Системные программисты
создают программы управления технического средства информационного
взаимодействия между уровнями или программой вычислительного процесса.
Программисты прикладники разрабатывают пакеты программ более высокого уровня,
которые обеспечивают взаимодействия пользователей с ЭВМ и необходимый сервис
при решении ими своих задач. Характеристики ЭВМ определяющих её структуру.
     
  1. Технические и эксплутационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, указатель надёжности достоверности точность, ёмкость оперативной памяти, габаритные размеры, стойкость технических и программных средств, особенности эксплуатации).
  2. Характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; возможность расширения состава технических и программных средств возможность изменения структуры.
  3. Состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (оперативная система или среда, пакеты прикладных программ и средства автоматизации программирования).
(2) Одно из важнейших характеристик ЭВМ является её быстродействие, в которой характеризуется числом команд, выполняемых ЭВМ за 1 сек. Реальное или эффективное быстродействие, обеспечиваемое ЭВМ значительно ниже оно может сильно отличаться в зависимости от класса решаемых задач. К сравнению по быстродействию достоверных оценок, поэтому вместо характеристики быстродействия часто используют связанную с ней характеристику производительности – объём работ осуществляемых ЭВМ в единицу времени. Ёмкость заполняющих устройств: ёмкость в памяти измеряется количеством структурных единиц информации, которая может одновременно размещаться в памяти. Структурной наименьшей единицей информации является бит – одна двоичная цифра. Обычно ёмкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения – байт. Надёжность – это способность ЭВМ при определённых условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени. Высокая надёжность закладывается в процессе её производства переход на новую элементную базу сверх большие интегральные схемы (СБИС – сверх большие интегральные схемы резко сокращает число используемых интегральных схем, а значит использует число их соединений друг с другом). Точность – это возможность различать почти равные значения, точность получение результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, а так же используемыми структурными единицами. Представление информации (байтом, словом, двойным словом). Достоверность – свойство информации быть правильно воспитанной. Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов. Заданный уровень достоверности обеспечивается аппаратурно-программными средствами контроля самой ЭВМ. 3. Классификация средств ЭВТ. 1.Традиционную ЭВТ разделяют на аналоговую и цифровую. В ЭВМ обрабатываемая информация представляет соответствующими знаниями аналоговых величин: тока, напряжения, угла поворота какого-то механизма и т.п. Обеспечивает приемлемое быстродействие за не очень высокую точность вычисления (0,001-0,01). Используются в основном в проектных и научно-исследовательских учреждениях в составе различных стендов для обработки сложных образцов техники. По своему назначению их можно рассматривать, как специализированные вычислительные машины. Цифровые вычислительные машины – в них информация кодируется двоичными кодами цифр, они являются самой массовой вычислительной техники. 2.В настоящее время выпускается в основном 4 класса ПК. 1. Большие ЭВМ (main frain) они представляют собой многопользовательские машины с центральной обработкой, с большими возможностями для работы с базами данных и с различными формами удалённого доступа. 2. Машины RS6000 – очень мощные по производительности, предназначенные для построения рабочих станций для работы с графикой, Unix с сервером кластерных комплексов. 3. Средние ЭВМ – предназначенные в первую очередь работать в финансовых структурах (ЭВМ типа AS\400-бизнес ПК 64-разрядный). Они используются в качестве серверов локальных сетей и сетей корпорации, успешно конструируют с многопроцессорными серверами других фирм. 4. Компьютеры на платформе микросхем фирмы Intel. 1. СуперЭВМ. 2.Большие ЭВМ. 3. средние ЭВМ. 4. Персональные и профессиональные ЭВМ. 5. Встраиваемые микросхемы. 4. 12. 21.34. Общие принципы построения современных ЭВМ. 1. Основной принцип построения современных ЭВМ. 2. Понятие алгоритма. 3. Понятие программы для ЭВМ. 4. Принцип программного управления. 1.Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. В основе его лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычисления. 2.Алгоритм – конечный набор предписаний, определяющий решение задачи по средством конечного количества операций. 3.”Программа (для ЭВМ) – упорядоченная последовательность команд подлежащей обработки” стандарт ISO 2381/-84. Следует заметить, что строгого однозначного определения алгоритма равно, как однозначных методов преобразования алгоритмов в программу вычислений не существует. 4.Принцип программного управления может быть осуществлён различными способами: стандартом для построения практически всех ЭВМ стал способом, описанный Фон-Нейманом в 1945г. построений ещё первых образцов ЭВМ. Суть его заключается в следующем: все вычисления предписанные алгоритмом решения задач должны бать представлены в виде программы, состоящие из последовательности управляющих слов команд. Каждая команда содержит указание на конкретную выполняемую операцию места нахождения (адреса) операндов и ряд служебных признаков. Операнды – это переменные значения, которых участвуют в операциях преобразования данных, списков (массив) всех переменных (входных данных промежуточных значений и результатов вычислений) является ещё одним неотъемлемым вычислением другой программы. Для доступа к программам, командам и операциям используют их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ предназначенных для хранения объектов. Информация (командная и данные: числовые, текстовая, графическая и т.п.) копируется двоичными цифрами 0 и 1, поэтому различные типы информации, размещенные в памяти ЭВМ практически не различимы, идентификация их возможна только при выполнении программ согласно её логике по контексту. Последовательность битов в формате имеющая определённый смысл называется – полем. Например: каждой команде программы различают поле кода, операция поля адресов, операндов приблизительно к числовой информации выделяют знаковые разряды поля значащих разрядов чисел старшие и младшие разряды. Последовательность, состоящая из определённого принятого для данной ЭВМ числа байтов называется словом.

Арифметическо-

логические устройства

Устройство управления

Внешние устройства
Оперативная память.
Алгоритм – конечный набор предписаний определённых решений задачи посредством конечного количества операций. Программа для ЭВМ – упорядоченная последовательность команд подлежащая обработке . Операнды – это переменные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных. Поле – последовательность битов в формате, имеющие определённый смысл. Внутренняя структура вычислительной машины. 1.История развития вычислительной системы. 2.Основные устройства ЭВМ. 2.1.Процессор или микропроцессор. 2.2.Память ЭВМ. 2.3.Оперативная память. 2.4.Постоянная память 2.5.Устройство ввода/вывода. 2.6.Системные интерфейсы. 2.7.Внешняя память. 2.8.Пульт управления. 2.Любое ЭВМ неимоновской архитектуры содержит следующие основные устройства: 1.Арифметическо-логическое устройство (АЛХ) 2.Устройство управления (УУ). 3.Заполняющее устройство (ЗУ). 4.Устройство ввода/вывода (УВВ). 5.Пульт управления (ПУ). В современных ЭВМ АЛУ и УУ объединены в общее устройство и называются центральным процессором. 2.1.Процессор или микропроцессор является основным устройством ЭВМ он предназначен для выполнения вычислений по хранящейся в Запоминающем устройстве программы и обеспечения общего управления ЭВМ. Быстродействие ЭВМ в значительной мере определяется скорость работы процессора. Для её увеличения процессор использует собственную память небольшого объёма именуемую местной или сверхоперативной, что в некоторых случаях исключает необходимость обращения к запоминающему устройству ЭВМ. Вычислительный процесс должен быть предварительно представлен для ЭВМ в виде программы, последовательности инструкций (команд) записанных в порядке выполнения. ЭВМ выбирает определённую команду расшифровывает её, определяет какие действия и над какими операциями следует выполнить. Эту функцию осуществляет устройство управления, оно же помещает выбранные из ЗУ операнды в АЛУ, где они обрабатываются. Само АЛУ работает под управлением УУ. 2.2.Обрабатываемае данные и выполняемые программы должны находиться в ЗУ – памяти ЭВМ, куда вводятся ч/3 устройство ввода. Ёмкость памяти измеряется в величинах кратких байту. Память представляет собой сложную структуру, построенную по иерархическому принципу и включает в себя ЗУ различных типов, функционально она делится на 2 части: внутреннюю и внешнюю. Внутренняя или основная память – это ЗУ напрямую связанная с процессором и предназначенная для хранения выполняемых программ и данных непосредственно участвующих вычислению. Обращение к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием, но она имеет ограниченный объём определяемой системы адресации машин. В свою очередь делится на оперативную ОЗУ и постоянную ПЗУ память. Оперативная память по объёму составляющая большую часть внутренней памяти и служит для приёма хранения и выдачи информации. При включении питания ЭВМ содержимое оперативной памяти в большинстве случаев теряется. Постоянная память обеспечивает хранение и выдачу информации в отличии от содержимого оперативной памяти содержимое постоянной памяти заполняется при изготовлении ЭВМ и не может быть изменено в обычных условиях эксплуатации. В постоянной памяти хранятся часто используемые (универсальные) программы. Пример: некоторые программы операционной системы, программы тестирования оборудования ЭВМ и другие, при выключении ПК содержимое постоянной памяти сохраняется. Внешняя память предназначена для размещения больших объёмов информации (диски и ленты), которые к тому же являются переносимыми. Ёмкость этой памяти практически не имеет ограничений, а для обращения к ней требуется больше времени, чем ко внутренней. В ЗУ конструктивно отделены от центральных устройств ЭВМ процессора и внутренней памяти имеют собственное управление и выполняет запросы процессора без его непосредственного вмешательства. В качестве ВЗУ используют накопители на магнитных и оптических дисках, а так же накопители на магнитных лентах. ВЗУ по принципам функционирования разделяются на устройство прямого доступа ( накопители на оптических и магнитных дисках) и устройство последовательно доступа (накопители на магнитных лентах). Устройство прямого доступа обладает большим быстродействием поэтому они являются основными внешними запоминающими устройствами постоянно используемыми в процессе функционирования ЭВМ. Устройство последовательного действия используется для резервирования информации. 4.Устройство ввода/вывода (УВВ) служит для ввода информации ЭВМ и вывода из неё, а так же для обеспечения общения пользователя с машиной. Процессор ввода/вывода протекает с использованием внутренней памяти ЭВМ иногда устройство ввода/вывода называют периферийными к ним в частности относят дисплеи (мониторы), клавиатура, манипуляторы типа мышь, алфавитно цифровые печатающие устройство (принтер), графонакопители, сканеры и т.д. Для управления внешними устройствами в том числе и ВЗУ и согласование с их системным интерфейсом служат групповые устройства управления внешними устройствами, адаптеры или контролёры. Системный интерфейс – это конструктивная часть ЭВМ предназначенная для взаимодействия её устройств и обмена информации между ними. В больших средних и супер ЭВМ в качестве системного интерфейса используются сложные устройства имеющие встроенные процессоры ввода/вывода именуемые началами такие устройства обеспечивают высокую скорость обмена данными между компонентами ЭВМ является использованием в качестве системного интерфейса системных шин. Различают ЭВМ с многошинной структурой и с общей шиной I-Во-первых для обмена информации между устройствами используются отдельные группы шин. II-Во-втором случае все устройства ЭВМ объединяются с помощью одной группы шин в которую входят подмножества шин для передачи данных, адреса и управляющих сигналов, при такой организации системы шин обмен информации между процессором памятью и периферийными устройствами выполняется с по единому правилу, что упрощает взаимодействие устройств машин. Пульт управления служит для управления оператором ЭВМ или системным программистом системных операций в ходе управления вычислительного процесса, кроме того при техническом обслуживании ЭВМ за пультом управления работает инженерно технический персонал. Пульт управления конструктивно часто выполняется вместе с центральным процессором. 5. Первое поколение ЭВМ (1948 — 1958 гг.) Элементной базой машин этого поколения были электронные лампы – диоды и триоды. Машины предназначались для решения сравнительно несложных научно- технических задач. К этому поколению ЭВМ можно отнести: МЭСМ, БЭСМ-1, М-1, М- 2, М-З, “Стрела”, “Минск-1”, “Урал-1”, “Урал-2”, “Урал-3”, M-20, "Сетунь", БЭСМ-2, "Раздан". Они были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы и слабое программное обеспечение. Быстродействие их не превышало 2—3 тысяч операций в секунду, емкость оперативной памяти—2К или 2048 машинных слов (1K=1024) длиной 48 двоичных знаков. В 1958 г. появилась машина M-20 с памятью 4К и быстродействием около 20 тысяч операций в секунду. В машинах первого поколения были реализованы основные логические принципы построения электронно-вычислительных машин и концепции Джона фон Неймана, касающиеся работы ЭВМ по вводимой в память программе и исходным данным (числам). Этот период явился началом коммерческого применения электронных вычислительных машин для обработки данных. В вычислительных машинах этого времени использовались электровакуумные лампы и внешняя память на магнитном барабане. Они были опутаны проводами и имели время доступа 1х10-3 с. Производственные системы и компиляторы пока не появились. В конце этого периода стали выпускаться устройства памяти на магнитных сердечниках. Надежность ЭВМ этого поколения была крайне низкой. Второе поколение ЭВМ (1959 — 1967 гг.) Элементной базой машин этого поколения были полупроводниковые приборы. Машины предназначались для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве. Появление полупроводниковых элементов в электронных схемах существенно увеличело емкость оперативной памяти, надежность и быстродействие ЭВМ. Уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность. С появлением машин второго поколения значительно расширилась сфера использования электронной вычислительной техники, главным образом за счет развития программного обеспечения. Появились также специализированные машины, например ЭВМ для решения экономических задач, для управления производственными процессами, системами передачи информации и т.д. К ЭВМ второго поколения относятся: Данный период характеризуется широким применением транзисторов и усовершенствованных схем памяти на сердечниках. Большое внимание начали уделять созданию системного программного обеспечения, компиляторов и средств ввода-вывода. В конце указанного периода появились универсальные и достаточно эффективные компиляторы для Кобола, Фортрана и других языков. Была достигнута уже величина времени доступа 1х10-6 с, хотя большая часть элементов вычислительной машины еще была связана проводами. Вычислительные машины этого периода успешно применялись в областях, связанных с обработкой множеств данных и решением задач, обычно требующих выполнения рутинных операций на заводах, в учреждениях и банках. Эти вычислительные машины работали по принципу пакетной обработки данных. По существу, при этом копировались ручные методы обработки данных. Новые возможности, предоставляемые вычислительными машинами, практически не использовались. Именно в этот период возникла профессия специалиста по информатике, и многие университеты стали предоставлять возможность получения образования в этой области. Элементную базу ЭВМ второго поколения составляли транзисторы, изготовлявшиеся в виде отдельных деталей (каждый в своём корпусе). Они занимали меньше места, чем радиолампы, потребляли меньше энергии и были более надёжнее. Это позволило сделать ЭВМ более компактными, дешёвыми и экономичными. Ко второму поколению ЭВМ относится одна из наиболее известных советских ЭВМ БЭСМ-6, которая используется до сих пор, но не выпускается. Пятое поколение ЭВМ обязано своим возникновением революционной идее изготовить фрагмент электронной схемы, содержащий много транзисторов, регисторов, конденсаторов и т.д., в виде участников различных веществ на поверхности одной полупроводниковой пластины размером с клеточку школьной тетради. Такие электронные устройства получили название интегральных схем или микросхем. Одним из первых ЭВМ третьего поколения были машины американской фирмы IBM. Аналогичные им советские серии ЕС выпускается до сих пор. Появление в 1971г. таких процессоров, названных микропроцессорами, и ознаменовало переход к четвёртому поколению ЭВМ. В результате ЭВМ стали ещё дешевле и надёжнее. ЭВМ включают кроме аппаратной части и программного обеспечения (ПО)большое количество функциональных средств. К ним относятся коды с помощью которых обрабатываемая информация представляется в цифровом виде. Арифметические коды для преобразования числовой информации. Помехозащищённые коды для зашиты информации от искажения, коды формы определяющие, как должна выглядеть обрабатываемая в ЭВМ информация при отображении и цифровые коды аналоговых величин (звука, живого видео). 1.Кроме кодов на функционирование ЭВМ влияют алгоритмы функционирования, и обработки, и формирование. 2.Технология выполнения различных процедур (например: начальной загрузки ОС принятой в системе технологии обработке заданий пользователей и др.) 3.Способы использования различных систем и организаций их работы (организации системы прерывания или организации прямого доступа к памяти. 4.Устранение негативных явлений, фрагментация памяти. 6. Третье поколение ЭВМ (1968 — 1973 гг.) Элементная база ЭВМ - малые интегральные схемы (МИС). Машины предназначались для широкого использования в различных областях науки и техники (проведение расчетов, управление производством, подвижными объектами и др.). Благодаря интегральным схемам удалось существенно улучшить технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ. Например, машины третьего поколения по сравнению с машинами второго поколения имеют больший объем оперативной памяти, увеличилось быстродействие, повысилась надежность, а потребляемая мощность, занимаемая площадь и масса уменьшились. В СССР в 70-е годы получают дальнейшее развитие АСУ. Закладываются основы государственной и межгосударственной, охватывающей страны - члены СЭВ (Совет Экономической Взаимопомощи) системы обработки данных. Разрабатываются универсальные ЭВМ третьего поколения ЕС, совместимые как между собой (машины средней и высокой производительности ЕС ЭВМ), так и с зарубежными ЭВМ третьего поколения (IBM-360 и др. - США). В разработке машин ЕС ЭВМ принимают участие специалисты СССР, Народной Республики Болгария (НРБ), Венгерской Народной Республики (ВНР), Польской Народной Республики (ПНР), Чехословацкой Советской Социалистической Республики (ЧССР) и Германской Демократической Республики (ГДР). В то же время в СССР создаются многопроцессорные и квазианалоговые ЭВМ, выпускаются мини-ЭВМ "Мир-31", "Мир-32", "Наири-34". Для управления технологическими процессами создаются ЭВМ сериии АСВТ М-6000 и М- 7000 (разработчики В.П.Рязанов и др.). Разрабатываются и выпускаются настольные мини-ЭВМ на интегральных микросхемах М-180, "Электроника -79, - 100, -125, -200", "Электроника ДЗ-28", "Электроника НЦ-60" и др. К машинам третьего поколения относились "Днепр-2", ЭВМ Единой Системы (ЕС- 1010, ЕС-1020, ЕС-1030, ЕС-1040, ЕС-1050, ЕС-1060 и несколько их промежуточных модификаций - ЕС-1021 и др.), МИР-2, "Наири-2" и ряд других. Характерной чертой данного периода явилось резкое снижение цен на аппаратное обеспечение. Этого удалось добиться главным образом за счет использования интегральных схем. Обычные электрические соединения с помощью проводов при этом встраивались в микросхему. Это позволило получить значение времени доступа до 2х10 -9 с. В этот период на рынке появились удобные для пользователя рабочие станции, которые за счет объединения в сеть значительно упростили возможность получения малого времени доступа, обычно присущего большим машинам. Дальнейший прогресс в развитии вычислительной техники был связан с разработкой полупроводниковой памяти, жидкокристаллических экранов и электронной памяти. В конце этого периода произошел коммерческий прорыв в области микроэлектронной технологии. Возросшая производительность вычислительных машин и только появившиеся многомашинные системы дали принципиальную возможность реализации таких новых задач, которые были достаточно сложны и часто приводили к неразрешимым проблемам при их программной реализации. Начали говорить о "кризисе программного обеспечения". Тогда появились эффективные методы разработки программного обеспечения. Создание новых программных продуктов теперь все чаще основывалось на методах планирования и специальных методах программирования. Этот период связан с бурным развитием вычислительных машин реального времени. Появилась тенденция, в соответствии с которой в задачах управления наряду с большими вычислительными машинами находится место и для использования малых машин. Так, оказалось, что миниЭВМ исключительно хорошо справляется с функциями управления сложными промышленными установками, где большая вычислительная машина часто отказывает. Сложные системы управления разбиваются при этом на подсистемы, в каждой из которых используется своя миниЭВМ. На большую вычислительную машину реального времени возлагаются задачи планирования (наблюдения) в иерархической системе с целью координации управления подсистемами и обработки центральных данных об объекте. Программное обеспечение для малых вычислительных машин вначале было совсем элементарным, однако уже к 1968 г. появились первые коммерческие операционные системы реального времени, специально разработанные для них языки программирования высокого уровня и кросс-системы. Все это обеспечило доступность малых машин для широкого круга приложений. Сегодня едва ли можно найти такую отрасль промышленности, в которой бы эти машины в той или иной форме успешно не применялись. Их функции на производстве очень многообразны; так, можно указать простые системы сбора данных, автоматизированные испытательные стенды, системы управления процессами. Следует подчеркнуть, что управляющая вычислительная машина теперь все чаще вторгается в область коммерческой обработки данных, где применяется для решения коммерческих задач. МиниЭВМ начали применяться и для решения инженерных задач, связанных с проектированием. Проведены первые эксперименты, показавшие эффективность использования вычислительных машин в качестве средств проектирования. Применение распределенных вычислительных систем явилось базой для децентрализации решения задач, связанных с обработкой данных на заводах, в банках и других учреждениях. Вместе с тем для данного периода характерным является хронический дефицит кадров, подготовленных в области электронных вычислительных машин. Это особенно касается задач, связанных с проектированием распределенных вычислительных систем и систем реального времени. 8. Общие принципы построения функциональной и структурной организации ЭВМ. Функциональную организацию ЭВМ образуют коды, система команд, алгоритмы выполнения машинных операций технология выполнения различных процедур и взаимодействия аппаратного и программного обеспечения, способы использования устройств при организации их совместной работы. Функционирование ЭВМ может быть реализовано по-разному: аппаратно-программно, аппаратными или или программными средствами. 1.При аппаратно-программном и программными реализациями могут применены: регистры, дешифраторы, сумматоры, блоки жёсткого и аппаратурного управления или блоки микропрограммного с управлением программами(комплексами микроопераций). Устройства или комплексы устройств, реализованными в виде автоположных систем (программируемых или с жёстким управлением). Регистр – это устройство в составе ЭВМ для приёма и запоминания одного числа, так же для выполнения определённых операций над ними. Регистр, представляет собой совокупность взаимосвязанных триггеров общей системой управления входными и выходными сигналами. Разрядность регистра определяется числом используемых в нём триггеров. По виду выполняемых операций над числами различают регистры для приёма, передачи и сдвига. 2.При программной реализации могут быть применены различные виды программ: обработчики прерывания, резидентные или загрузочные драйвера. -com, -exe, – программы -tsr, и подфайлы -bat. Будем считать, что способы реализации функций ЭВМ составляет структурную организацию ЭВМ. Тогда элементная база, функциональные узлы и устройство ЭВМ программные модули различных видов (обработчики прерываний, драйверы, com, exe, tsr, bat, программы и подфайлы и другие, являются структурными компонентами ЭВМ). При серьёзных конструктивных различиях, ЭВМ могут быть совместными, т.е. приспособленными к работе с одними и теми же программами (программная совместимость) и получению одних и тех же результатов при одной и той же однотипно представленной информации (информационная совместимость). Если аппаратурная часть электронных вычислительных машин ЭВМ допускает их электрическое соединение для совместной работы и предусматривает обмен одинаковыми последовательности сигналов, то имеет место и техническая совместимость ЭВМ. Совместимые ЭВМ должны иметь одинаковую функциональную организацию: информационные элементы (символы)должны одинаково представляться при вводе и выводе из ЭВМ, системе команд должна обеспечивать в этих ЭВМ получение одинаковых результатов при одинаковых преобразованиях информации. Работой таких машин должны управлять функционально-совместимые операционные системы (а для этого должны быть совместимы методы и алгоритмы планирования и управления работой аппаратурно-программного вычислительного комплекса). Аппаратурные средства должны иметь согласование питающие напряжения, частотные параметры сигналов, а главное состав, структуру, и последовательность выработки управляющих сигналов. При неполной совместимости ЭВМ (при наличии различий в их функциональной реализации) применяют эмулятор т.е. программные преобразователи функциональных элементов. 9. 24 Организация функционирования ЭВМ с магистральной архитектурой. 1.ЭВМ как совокупность устройств. 2.Разделение устройств ЭВМ. 3.Системная магистраль. 4.Однопрограммный режим работы. 5.Многопрограммный режим работы. 1.ЭВМ представляет собой совокупность устройств выполненных на больших интегральных схемах каждая из которых имеет своё функциональное назначение. Комплект интегральных схем из которых состоит ЭВМ называется микропроцессорном комплектом. В состав микропроцессорных компонентов входят: системный таймер, микропроцессор, сопроцессоры, контролёр прерываний, контролёр прямого доступа к памяти. Контролёры устройств ввода/вывода. 2.В центральных устройствах основным узлом связывающий микропроцессорный комплект в единое целое является системная магистраль. Она состоит из 3 узлов: шина данных, шина управления, шина адреса. В состав системной магистрали входят регистры защёлки, в которых запоминается передаваемая информация, шинные формирователи, шинные арбитры определяющие поочерёдность системной магистрали. Логика работы системной магистрали – количество разрядов в шинах данных адреса и управления порядок разрешения конфликтных систуаций возникающих при одновременном обращении различных устройств ЭВМ системной магистрали образуют интерфейс системной шины. Состав центральных устройств ЭВМ входят: центральный процессор, основная память и ряд дополнительных устройств (узлов), выполняющих служебные функции: контролёр прерываний, таймер, и контролёр прямого доступа к памяти. Периферийные устройства делятся на два вида: внешние запоминающие устройства (магнитные диски, носители на магнитных дисках), устройство ввода/вывода (клавиатура, адаптор каналов связи, принтер и др.). Взаимодействие микропроцессора с внешними устройствами предусматривает выполнение логической последовательности действий, связанных с поисками устройств, определения его технического состояния обмена командами и информацией. Это логическая последовательность действий вместе с устройствами реализующими её называется интерфейсом ввода/вывода. 10. Организация работы ЭВМ при выполнении задания пользователя. Организация процессов ввода, преобразования и вывода (отображения) результатов относится к сфере системного программного обеспечения. Написанное задание (программы представляет собой исходный модуль сопровождаемый управляющими предложениями, указывающие ОС ЭВМ на каком языке написана программа, и что с неё надо делать. Если программа написана на алгоритмическом языке, то управляющие предложения на языке управления ОС. Исходный модуль пред исполнением должен быть переведён на внутренний язык машины. Эта операция выполняется специальной программой транслятором. Трансляторы выполняются в виде 2 различных программ – интерпретаторы и компиляторы. Интерпретатор после перевода на язык машины каждого оператора алгоритмического языка немедленно исполняет поученную машинную программу представленную ему в виде исходного модуля (ИМ) на язык машины. Получаемая при этом машинная программа представляет собой объективный модуль (ОМ) результат работы компилятора может быть записан в библиотеку объёктных модулей (БОМ) или передан другим программам для дальнейшей обработке т.к. полученная машинная программа не готова к исполнению по двум причинам: I Она содержит не разрешённые внешние ссылки т.е. (обращение к программам, которые не содержатся в исходном модуле, но необходимы для работы основной программы) Например к стандартным программам алгоритмического языка таким как, вычисление корня квадратичного, вычисление тригонометрических функций и др. II Объектный модуль представляет собой машинную программу в условных адресах. Каждый объектный модуль начинается с адреса (0h), тогда, как для исполнения программа должна быть привязана к конкретным физическим адресам основной памяти. Недостающие программы должны быть взяты из библиотек компилятора, которые могут быть написаны в виде исходных, либо в виде объектных модулей и добавлены к основной программе. Эту операцию выполняют редактор связей в результате работы редактора связей образуется загрузочный модуль (ЗМ), который помещает в соответствующую библиотеку ЗМ. В ЗМ все ссылки разрешены т.е. он содержит все необходимые стандартные программы, но привязки к памяти у ЗМ нет. Привязка к памяти загрузочного модуля производится программой выборки, которая переносит ЗМ из БЗМ (обычно хранящейся на магнитном носителе) в основную память во время этого переноса корректирует адреса учитывая с какого адрес основной памяти размещается загрузочный модуль. После перемещения ЗМ в основную память программе выборки инициирует её выполнение. Представление машинной программы в виде исходных, объектных и загрузочных модулей позволяет реализовать наиболее эффективные программные комплексы. 13. Виртуальная память Имея иерархическую структуру запоминающих устройств на реальном объёме памяти значительно меньше максимального. Можно имитировать работу с максимальной памятью. В этом случае программист работает так, как будто ему предоставляется реальная память максимального объёма для данной ЭВМ, хотя имеющаяся реальная память значительно меньше по объёму. Такой режим работы называется режимом виртуальной памяти. Теоретически доступная пользователь оперативная память, объём которой определяется только разрядностью адресной части команды и которая не существует в действительности – называется виртуальной памятью. Виртуальная память имеет сегментно-стороничную организацию и реализована в иерархической системе памяти ЭВМ. Часть её размещается в страничных блоках основной памяти, а часть в ячейках внешней страничной памяти. Внешняя страничная память является частью внешней памяти. Ячейка (слод) – это записываемая область во внешней страничной памяти. Например на жёстком магнитном диске. Она того же размера, что и страница. Вычислительная система с 24-х разрядным адресом может иметь адресеное пространство 16777216 байт. С 23-х разрядным адресом – 4 Гб. Все программные страницы физически располагаются в ячейках внешней страничной памяти. Виртуальная память существует только, как продукт деятельности ОС функционирующей на основе совместного использования внешней и страничной памяти. Загрузить программу в виртуальную память, значит переписать несколько программных страниц из внешней страничной памяти в основную память. Если в процессе выполнения программы система обнаружит, что требуемой странице нет в реальной памяти она должна переслать копию этой страницы из внешней страничной памяти в реальную память – этот метод называется принудительным страничным обменом. 14. Система прерываний ЭВМ. 1.Работа центрального процессора в системе прерываний. 2.”Поле зрения” ЦП. 3.Виды систем прерывания. 4.Принцип действия системы прерывания. 5Группы прерываний. 17. 2.Современная ЭВМ представляет собой комплекс автономных устройств, каждая из которых выполняет свой функции под управлением местного устройства управления независимо от других устройств, машины включают устройства в работу ЦП и передаёт устройству команду и все необходимое для её выполнения параметры. После начала работы устройства центральный процессор отключается от него и переходит к обслуживанию других устройств или к выполнению других функций. Для того, чтобы ЦП выполняя свою работу имел возможность реагировать на события происходящие вне его зоны, внимание, наступление, которых он не ожидает существует система прерываний ЭВМ. При отсутствии системы прерываний все заслуживающие внимания события должны находиться в поле зрения процессора. Что сильно усложняет программы и требует большой их избыточности. Кроме того поскольку момент наступления события заранее неизвестен, процессор в ожидании какого-либо события может находиться длительное время и чтобы не пропустить его появления ЦП не может откликаться на выполнение какой-либо другой работы. Такой режим работы (режим сканирования ожидаемого события)связан с большими потерями времени ЦП на ожидание. Таким образом система прерываний позволяет микропроцессору выполнять основную работу, не откликаясь на состояния сложных систем при отсутствии такой необходимости или прервать выполняемую работу и переключиться на анализ возникшей ситуации сразу после её выполнения. Работа системной памяти проходит под управлением ЦП. Основы центрального процессора персональной ЭВМ (ПЭВМ) составляет микропроцессор, обрабатывающие устройства служащие для арифметических и логических преобразований данных. Для организации обращения к ОП и внешним устройствам и для управления ходом вычислительного процессора. В настоящее время существует большое кол-во разновидностей микропроцессоров различающихся назначением функциональными возможностями структурой и исполнением. Чаще всего наиболее существенным классификационным различием между ними является кол-во разрядов в обрабатываемой информационной единице – 8-битовые, 16-битовые, 32-битовые и др. 16. Арифметика логического устройства. АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат в состав которого входят: сумматоры, счётчики, регистры, логические преобразователи и др. АЛУ каждый раз перенастраивается с выполнением очередной операции. 14. 3.В зависимости от места нахождения источника прерываний, они могут быть разделены на внутренние (программные и аппаратурные) и внешние прерывания ((поступающие в ЭВМ от внешних источников) от принтера или модема). 15. 4.При возникновении события требующей немедленной реакции со стороны машины ЦП прекращает обработку текущей программы и переходит к выполнению отложенной программы. Такой режим работы называется прерыванием. Каждое событие требующее прерывание сопровождается специальными сигналами, которые называются запросом прерывания, программы затребованная запросом прерывания называется обработчиком прерывания. Запросы не прерывания могут возникать из- за сбоев в аппаратуре (зафиксированных схемами контроля переполнения разрядной сетки, деления на ноль, выхода за установленные для данной программы области памяти затребованные периферийными устройствами, операции ввода/вывода, завершение этой операции ввода/вывода, или возникновение при этой операции особых условий и т.д. 5.Персональные ЭВМ IBM PC может выполнять 256 различных прерываний, каждая которых имеет свой номер – двухразрядное шестнадцатеричное число. Все прерывания делятся на 2 группы. Прерывания с номера 00h по номер 1Fh называются прерываниями базовой системы ввода/вывода. Прерывания с номера 20h по номер FFh называется прерыванием DOS. Прерывания DOS имеет более высокий уровень организации, чем прерывания BIOS они строятся на использовании модулей BIOS в качестве элементов. 18. Система команд микропроцессора 1. Команды пересылки данных (4 группы) 1.1 Команды пересылки данных внутри МП (MOV, PUSH, POP, XCHNG) 1.2 Команды ввода/вывода in/out. 1.3 Операции с флагами. 1.4 Операции с адресами. 2 . Арифметические команды. 2.1 Основные (+,-,*,/) 2.2 Дополнительные. 3. Логические команды. 3.1 Сдвиг, Дизъюнкция, конъюнкция, отрицание равнозначности и др. 4. Команды обработки строковых данных (пересылке, сравнение, сканирование, слияние/разделение и др.) 5. Команды передачи управления (безусловный переход, условный переход, прерывания, переход с возвратом). 5. Команды управления (“нет операций”, “внутренняя синхронизация”). 22. 19. 20. Классификация вычислительных систем 1.Закономерность в процессе развития ЭВМ. 2.Термин вычислительная система. 3.Основные принципы построения закладываемые при создании вычислительной системы. 4.Структура вычислительной системы. 5.Классификация вычислительных систем. 1.Развитие средств электронной вычислительной техники строго придерживалось к классической структуре ЭВМ (структуры фон Неймана), основной на методах последовательных вычислений. Рост производительности и быстродействия. Комплексное совершенствование ЭВМ (электронно-конструкторная база, структурно аппаратурные решения, системно программный и пользовательский алгоритмический уровень, ощутимость пределов возможностей микроэлектроники. 2.Термин вычислительной системы появился в начале по середину 60-х годов при появлении ЭВМ III-го поколения. В это время знаменовалось переходом на новую элементную базу интегральные схемы. Следователем этого явилось появление новых технических решений: разделение процессоров обработки информации и её ввода/вывода. Множественный доступ и коллективное использование вычислительных ресурсов в пространстве и во времени. Появились сложные работы ЭВМ многопользовательской и многопрограммной обработки. Под вычислительной системой (ВС) будем понимать совокупность взаимодействующих и взаимосвязывающих процессов или ЭВМ периферийного оборудования и программного обеспечения предназначенного для подготовки и решения задач пользователей. Отличительная особенность вычислительной системы по отношению к ЭВМ является наличие нескольких вычислителей реализующих параллельную обработку. Создание вычислительной системы преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счёт ускорения процессов обработки данных, повышения достоверности и надёжность вычислений, предоставленные пользователю дополнительных серверных услуг. Параллелизм в вычислениях значительной степени усложняет управление вычислительным процессом. Использование технических и программных ресурсов. Эти функции выполняет ОС вычислительной системы. 3. 1.Возможность работы в разных работах. 2.Модульность структуры технических и программных средств, что позволяет совершенствовать и модернизировать вычислительность системы без коренных их переделок. 3.Унификация и стандартизация технических и программных решений. 4.Иерархия в организации управления процессами. 5.Способ систем к адаптации, к самонастройки и к самоорганизации. 6.Обеспечение необходимым сервисам при выполнении вычислений. 23.35. Многопроцессорная вычислительной системы Типичным представителем многопроцессорной системы с массовым параллелизмом (MPP) является суперкомпьютер nCUBE2, состоящий из мультипроцессора nCUBE2 и хост-компьютера, управляющего его работой. Мультипроцессор состоит из набора процессорных модулей (узлов), объединенных в гиперкубовую структуру. В такой структуре процессоры размещаются в вершинах N- мерного куба (гиперкуба), а коммуникационные каналы, соединяющие процессоры, расположены вдоль ребер гиперкуба. Общее число процессоров в гиперкубе размерности N равно 2N . На Рис. 3 приведены гиперкубовые структуры для различного числа процессоров. Гиперкубовая архитектура является одной из наиболее эффективных топологий соединения вычислительных узлов. Основным показателем эффективности топологии многопроцессорной системы является количество шагов, требуемое для пересылки данных между двумя наиболее удаленными друг от друга процессорами. В гиперкубовой архитектуре максимальное расстояние (число шагов) между узлами равно размерности гиперкуба. Например, в системе с 64 процессорами сообщение всегда достигнет адресата не более, чем за 6 шагов. Для сравнения заметим, что в системе с топологией двумерной сетки для передачи данных между наиболее удаленными процессорами требуется 14 шагов. Кроме того, при увеличении количества процессоров в два раза, максимальное расстояние между процессорами увеличивается всего на 1. Совершенно очевидно, что для образования такой архитектуры на вычислительных узлах необходимо иметь достаточное количество коммуникационных каналов. В процессорных модулях nCUBE2 имеется 13 таких каналов, что позволяет собирать системы, состоящие из 8192 процессоров. Физическая нумерация процессоров построена таким образом, что номера соседних узлов в двоичной записи отличаются только одним битом. Номер этого бита однозначно определяет номер коммуникационного канала, соединяющего эти процессоры. Это позволяет эффективно реализовать аппаратные коммутации между любой парой процессоров. Подкубом в гиперкубовой архитектуре называют подмножество узлов, которые, в свою очередь, образуют гиперкуб меньшей размерности. Каждый узел в массиве процессоров nCUBE2 состоит из 64-битного центрального процессора, коммуникационного процессора и оперативной памяти. Коммуникационный процессор отвечает за пересылку данных между узлами, освобождая центральный процессор от выполнения рутинных операций по приему, отправке и маршрутизации потока данных. Ниже приведены технические характеристики вычислительного комплекса nCUBE2, установленного в РГУ:
число процессоров

64

оперативная память на один процессор (Мб)

32

число процессоров ввода/вывода

8

число каналов ввода/вывода

6

объем дисковых накопителей (Гб)

20

суммарная пиковая производительность (Mflops)

192

Доступ к вычислительным ресурсам nCUBE2 получают пользователи, зарегистрированные на хост-компьютере, роль которого выполняет рабочая станция SGI 4D/35 (Silicon Graphics), работающая под управлением операционной системы IRIX 4.0.5. С помощью хост-компьютера выполняется начальная инициализация системы, ее тестирование и подготовка программ для их выполнения на nCUBE2. В программное обеспечение хост-компьютера входит серверная программа, позволяющая организовать прямой доступ к вычислительным ресурсам nCUBE2 с хост-компьютеров второго уровня, в качестве которых могут выступать рабочие станции SUN. Для этого на них должно быть установлено программное обеспечение хост-компьютера. На хост-компьютерах устанавливается среда параллельного программирования (Parallel Software Environment - PSE). PSE поставляется в трех вариантах: для операционных систем IRIX 4.0.5, SunOS и Solaris. 25. Архитектура вычислительных систем. 1.Архитектура вычислительных систем. 2.История появления классификации ВС. 3.Четыре основные архитектуры ВС: 3.1.Архитектура ОКОД. 3.2.Архитектура ОКМД. 3.3.Архитектура МКОД. 3.4.Архитектура МКМД. 26 1.Совокупность характеристик и параметров определяющих функционально- логических и структурную организацию систем. Понятие архитектуры охватывает общие принципы построения и функционирования наиболее существенные для пользователя, в которой дольше интересует возможности систем, а не деталей их технического исполнения. Классификация ВС: 1.По назначению ВС делятся на универсальные и специализированные. Универсальные ВС предназначаются для решения самых различных задач. Специализированные ВС ориентированы на решение узкого класса задач. 2.По типу ВС различаются на многомашинные и многопроцессорные ВС. Многомашинные ВС (ММС) появились исторически первыми. При использовании ЭВМ первых поколений возникали задачи повышения производительности, надёжности и достоверности вычислений. 3.По типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения ВС, различают однородные и неоднородные системы. В однородных системах значительно упрощаются разработка и обслуживание технических и программных средств. В неоднородных ВС комплексуемые элементы очень сильно отличаются по своим техническим и функциональным характеристикам. Обычно это связано с необходимостью параллельного выполнения многофункциональной обработки. 4.По степени территориальной разобщённости вычислительных модулей ВС делят на системы совмещённого (состредоточенного) и распределённого (разобщённого) типов. Многопроцессорные системы относятся к системам совмещённого типа. Совмещённые и распределённые МВС сильно различаются оперативностью взаимодействия в зависимости от удалённости ЭВМ. 5.По методам управления элементами ВС различают централизированные и со смешанным управлением. Помимо параллельных вычислений, производимых элементами системы, необходимо ресурсы на обеспечение управления этими вычислениями. В централизированных ВС за это отвечает главная, или диспечерская, ЭВМ (процессор). В децентрализированных системах функции управления распределены между её элементами. В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизированного и децентрализированного управления. 6.По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ различают системы с жёстким и плавающим закреплением функций. 7.По режиму работы ВС различают системы, работающие в оперативном и неоперативном временных режимах. 27 ОКОД – включает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, т.е. С одним вычислением. Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путём совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работой устройств ввода-вывода информации и процессора. 28 ОКМД – предполагает создание структур векторной или матричной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные, т.е. процессорные элементы входящие в систему идентичны, и все они управляются одной и той же последовательностью команд. Однако, каждый процессор обрабатывает свой поток данных. Под эту схему хорошо подходят задачи обработки матриц или векторов (массивов, задачи решения систем линейных и нелинейных управлений алгебраического и дифференциальных уравнений, задачи теории поля и др.) В супер ЭВМ – ОКМД. В структурах данной архитектуры желательно обеспечивать соединение между процессорами соответствующие реализуемым математическим событиям. Структуры ВС этого типа по существу являются структурами специализированных super – ЭВМ. 29 МКОД – предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. Прототипом таких вычислений может служить схема любого производственного конвейера, в современных ЭВМ по этому принципу реализована схема совмещения операций, в которой параллельно работают различные функциональные блоки и каждый из них делает свою часть в общем цикле обработки команды. 30 МКМД – все процессоры системы работают со своими программами с собственным потоком команд. В простейшем случае они могут быть автономны и независимы. 31. Комплексирование ВС. 1.Понятие совместимости. 2.Пути передачи данных. 3.Уровень прямого управления. 4.Уровень общей оперативной памяти. 5.Уровень комплексируемых каналов ввода/вывода. 6.Уровень устройств управления внешними устройствами. 7.Уровень общих внешних устройств. 1.Для построения вычислительных систем необходимо, чтобы элементы или модули комплексируемые в систему были совместимы. Понятие совместимости имеет 3 аспекта: аппаратурный (технический), программный или информационный. Техническая совместимость предполагает, что ещё в процессе разработки аппаратуры обеспечиваются следующие условия: 1)подключаемая друг к другу аппаратура должна иметь единые стандартные унифицированные средства соединения: кабели, число проводов в них, единое назначение проводов, разъёмы, заглушки, адаптеры, платы и т.д. 2)параметры электрических сигналов, которыми обмениваются технические устройства, тоже должны соответствовать друг к другу: амплитуды импульсов, полярность, длительность и т.д. 3)алгоритмы взаимодействия (последовательность сигналов по отдельным проводам не должны вступать в противоречие друг с другом. 2.В создаваемых вычислительных системах стараются обеспечить несколько путей передачи данных, что позволяет достичь необходимой надёжности функционирования, гибкости и адаптируемости конкретным условием работы. Эффективность обмена информации определяет сложностью передачи и возможными объёмами данных, передаваемых по каналу взаимодействия. 33. Машинные коды Прямой код дворичного числа образуется из абсолютного значения этого числа и кода знака (0 - + или 1 - -) перед его старшим числовым разрядом. A10=10 A2=1010 [A2]n=0:1010-прямой машинный код числа 10. Обратный код дворичного числа образуется по следующему правилу. Обратный код положительных чисел совпадает с их прямым кодом. Обратный код отрицательного числа содержит единицу в знаковом разряде числа, а знающие разряды числа заменяются на инверсные, т.е. 0-заменяется 1, а 1-0. А10=5 А2=101 [А2]4-[A2]=0:101 [A2]4=1:101 Своё название обратный код чисел получил потому, что коды цифр отрицательного числа заменены на инверсные. Наиболее важные свойства обратного кода чисел сложения положительного числа с его отрицательным значением в обратном ходе даёт машинную единицу МЕ ОN. Дополнительный код положительных чисел совпадает с его прямым кодом. Дополнительный код отрицательного числа представляет собой результат суммирования обратного кода числа с единицей младшего разряда ((2 – 1) для целых чисел) ((2 ) для дробных чисел). А10-19А2=(10011) [А2]n=0:10011 [A2]n=[A2]oк=[A2]ДК=0:10011 А10=-13 А2=-1101 [A2]ок=1:0010 [A2]n[A2]ок=[A2]ДК=1:1101 Основные свойства дополнительного кода. Сложение дополнительных кодов положительного числа с его отрицательным значением даёт машинную единицу дополнительного кода. Дополнительный код получил название потому, что представление отрицательных чисел является дополнением прямого кода чисел до машинной единицы дополнительного кода. Модифицированные коды и обратные дворичных чисел отличаются соответственно от обратных и дополнительных кодов удвоенным значением знаковых разрядов знак + в этих кодах кодируется двумя нулевыми знаковыми разрядами, а – двумя единичными разрядами. А10=9 [A2]n=0:1001 [A2]n=1:1001 [A2]ок=0:1001 [A2]ок=1:0110 [A2]дк=0:1001 [A2]дк=1:0111 [A2]Мок=00:1001 [A2]Мок=11:0110 [A2]Мдк=00:1001 [A2]Мдк=11:0111 Программная совместимость (Soft Ware) требует чтобы программы, передаваемые из одного технического средства в другое, были правильно поняты и выполнены другим устройством. Информационная совместимость комплексируемых средств предполагает, что передаваемые информационные массивы будут одинаково интерпретироваться стыкуемыми модулями ВС. Должны быть стандартизированы алфавиты, разрядность, форматы структура и разметка файлов, томов. В создаваемых ВС стараются обеспечить несколько путей передачи данных, что позволяет достичь необходимой надёжности функционирования, гибкости и адаптируемости к конкретным условиям работы. Эффективность обмена информацией определяется скоростью передачи и возможными объёмами данных, передаваемыми по каналу взаимодействия. Эти характеристики зависят от средств, обеспечивающих взаимодействие модулей и уровня управления процессами, на котором это это взаимодействие осуществляется сочетание различных уровней и методов обмена данными между модулями ВС наиболее плотно представлено в универсальных супер ЭВМ и больших ЭВМ, с которых сбалансировано использовались все методы достижения высокой производительности. В этих машинах предусматривались следующие уровни комплексирования: 1) прямого управления (процессор-процессор); 2) общей оперативной памяти; 3) комплексируемых каналов ввода\вывода; 4) устройств управления внешними устройствами (УВУ); 5) общих внешних устройств. На каждом из этих уровней используются специальные технические и программные средства, обеспечивающие обмен информацией. 3.Уровень прямого управления служит для передачи коротких однобайтовых приказов сообщений. Последовательность взаимодействия процессоров сводится к следующему. Процессор инициатор обмена по интерфейсу прямого управления байт – сообщения и подаёт команду прямое чтение и записывает передаваемый байт в свою память, затем принятая информация расшифровывается и по ней принимается решение. После завершения передачи прерывания скрываются и оба процессора продолжают вычисления по собственным программам следовательно уровень прямого управления не может использоваться для передачи больших массивов данных, однако оперативные взаимодействия отдельными сигналами широко используется в управлении вычислениями. 4.Является более предпочтительной для оперативного взаимодействия процессора. В этом случае ООП эффективно работает при небольшом числе обслуживаемых абонентов. 5.Уровень общей оперативной памяти предназначается для передачи больших объёмов информации между блоками оперативной памяти сопрягаемых в вычислительной системе. Обмен данными между ЭВМ осуществляется с помощью адаптера канал-канал (АКК) и команд чтения и записи. Адаптер – это устройство согласующее скорости работы сопрягаемых сигналов. Обычно сопрягаются селекторные программы (СК) каналы машин, как наиболее быстродействующие. Скорость обмена данными определяется скоростью самого медленного канала. Скорость передачи данных по этому уровню составляет несколько Мб/1сек. В ПЭВМ данному уровню взаимодействия соответствует подключение современной аппаратуры через контролёры адаптеры. 6.Предполагает использование встроенного в УВУ двухканального переключателя и команд зарезервировать и освободить. Двухканальный переключатель позволяет УВУ одной машины и селекторными каналами различных ЭВМ. По команде зарезервировать канал инициатор обмена имеет доступ через УВУ к любым накопителям на жёстких дисках и на магнитных лентах. УВУ магнитных дисках и лент совершенно различные устройства обмен канала с накопителями продолжает до полного завершения работ и получения команды освободить. Только после УВУ может подключиться к конкурирующему каналу, только такая дисциплина обслуживания требований позволяет избежать конфликтных ситуаций на 4 уровне с помощью аппаратуры передачи данных (АПД) (мультиплексоры, адаптеры, сетевые модемы) имеется возможность сопряжения с каналами связи – эта аппаратура позволяет создавать сети ЭВМ. 7.Предполагает использование общих внешних устройств. Для подключения отдельных устройств используются автономный двухканальный переключатель. Таблица: 36. Типовые структуры вычислительных систем. 1.Структура ВС. 2.Классификация уровней программного параллелизма. 3.Улучшение классической структуры ЭВМ. 4.Многофункциональная обработка. 5.RISC CISC компьютеры. 6.VLIW компьютеры. 7.Средства реализации программного параллелизма. 1.Каждая структура вычислительной системы эффективно обрабатывает лишь задачи определённого класса, при этом необходимо, чтобы структура вычислительной системы максимально соответствовало структуре решаемых задач, только в этом случае система обеспечивает максимальную производительность универсальную структуру вычислительной системы одинаково хорошо обрабатывающей задачи любого типа не существует. 2.Классификация уровней программного параллелизма. 1.Включает в себя 7 позиций. 2.Независимые задания. 3.Отдельные части задания. 4.Программы и подпрограммы. 5.Циклы и итерации. 6.Операторы и команды. 7.Фазы отдельных команд. Для каждого из них имеются специфические свойства параллельной обработки апробированные в различных структурах вычислительных систем. Для каждого вида параллельных работ имеются структура вычислительных средств используемых в различных системах. Верхние три уровня включающие независимые задания или части заданий и отдельные программы имеют единое средство параллельной обработки. Мультипроцессирование т.е. многопроцессорные вычислительные системы относящиеся программные циклы и итерации требуют использования векторной обработки (ОКМД). Операторы и команды выполняемые ЭВМ ориентированы на многофункциональную обработку. Параллельная обработка фаз последовательно выполняемых команд приводит к организации конвейера команд. Рассмотрим возможные структуры ВС, которые обеспечивают перечисленные виды программного параллелизма. 3.ОКОД структуры. Данный тип архитектуры объединяет любые системы в однопроцессорном (одновременном) варианте. За 50л. развития ЭВТ классическая структура ЭВМ претерпела значительное совершенствование, однако основной принцип программного управления не был нарушен. Данная структура оказалась сосредоточенной вокруг ОП, т.к. именно цепь “процессор ОП” во многом определяет эффективную работу ПК. При выполнении каждой команды необходимо неоднократное обращение к ОП: Выбор команды, операндов, отсылка результатов и т.д. Перечислим несколько улучшений классической структуры ЭВМ ставших в настоящее время определёнными стандартами при построении новых ЭВМ: Иерархическое построение памяти ЭВМ, появлении сверхоперативной памяти и КЭШ памяти разделения процессов ввода/вывода и обработки задач появления систем прерывания и приоритетов и т.д. В этом ряду следует рассматривать организацию конвейера последовательно выполняемых команд: Формирование адреса команды, выбор команды, формирование адресов и выбор операндов. Выполнение команды, запись результата, однако примитивная организация памяти (память одномерна и линейна) не позволяет организовать длинный и эффективный конвейер. Линейные участки современных команд, редко превышают десяток полтора последовательно выполняемых команд, поэтому конвейер часто перезапускается, что снимает производительность ЭВМ в целом. 4.Технология сверхбыстрых интегральных схем. Многофункциональная обработка обеспечивается следующими специализированными средствами обработки умножителями, делителями, сопроцессорами или блоками десятичной арифметики. Сопроцессорами обработки графической информации и др. 5.RISC и CISC – компьютеры. В последние годы широко используются ещё несколько модификаций классической структуры. В связи с достижением в микроэлектронике появилась возможность построения RISC компьютера. Reduced Instruction SET Computing. ЭВМ с сокращённом набором команд. ЭВМ предыдущих поколений не имели большой сверхоперативной памяти, поэтому имели достаточно сложную систему команд. CISC – в этих машинах большую долю команд составляли команды типа “память- память”, в которых операнды и результаты операций находились в оперативной памяти. Время обращения к памяти и время вычислений относились 5 к 1. В RISC машинах с большой сверхоперативной памятью, большой удалённый вес составляет операции регистр-регистр и отношение времени обращения к памяти по времени вычислений составляет 2 к 1, поэтому в RISC машинах основу системы команд составляет наиболее употребительные «короткие операции» типа алгебрического сложения. Сложные операции выполняются, как подпрограммы состоящие из простых операций – это позволяет значительно упростить внутреннюю структуру процессора, уменьшить фазы дробления конвейерной обработки и увеличить частоту работу конвейера. Недостатки такой системы усложнения процедур обмена данными между регистрами и сверхоперативной памяти и КЭШ памяти с оперативной памятью. Very Large Instruction Words. Ещё одной классической модификацией структуры ЭВМ является VLIW. ЭВМ с очень длинным командным словом. ЭВМ этого типа выбирает из памяти супер команду включающую в себя несколько команд. VLIW компьютеры могут выполнять супер скалярную обработку т.е., одновременно выполнять 2 или более команд. В целом ряде структур супер ЭВМ использовалась эта идея. 37.41. ОС микропроцессорных систем и локально-вычислительных систем. Центральное место в структуре ПО занимает ОС. ОС – система программ предназначенная для обеспечения определённого уровня эффективности цифровой вычислительной системы за счёт автоматизированного управления её работой и предоставляемого пользователем набора услуг (ГОСТ – 15971-84). Программные компоненты ОС обеспечивают управление вычислениями и реализует такие функции, как планирование ресурсов управлением ввода-вывода информации управлением данными. Объём ОС и число составляющих её программ в значительной степени определяются типом используемых ЭВМ. Сложностью режимов работы ЭВМ и вычислительных систем составом технических средств и т.д. Применение ОС имеет следующие цели: увеличение пропускной способности ЭВМ – увеличение общего объёма работы выполняемого ЭВМ в единицу времени; 2)уменьшение времени реакции системы, т.е. сокращение интервала времени между моментами поступления заданий в ЭВМ и моментами получения результатов. 3)контроль работоспособности технических и программных средств. 4)помощь абонента и оператора при использовании ими технических и программных средств, облегчение их работы. 5)управление программами и данными в ходе вычисления. 6)обеспечение адаптации ЭВМ, её структурноё гибкости заключающейся способности изменятся, наполнятся новыми техническими и программными средствами. Любая ОС имеет приспособление классам решаемых пользователями задач и конфигурации средств включаемых в систему. План: 1.Определение ОС. 2.ОС – как расширенная машина. 3.ОС – как система управления ресурсами. 4.Сетевые операционные системы. 1)ОС в наибольшей степени определяет облик всей ВС в целом, несмотря на это пользователи активно использующие вычислительную технику часто затрудняются дать определение ОС, т.к. ОС выполняет по существу 2 малосвязанные друг с другом функции: 1)обеспечение пользователю-программисту удобств по средствам предоставления для него расширенной машины, 2)повышение эффективности использования ПК путём рационального управления его ресурсов. 2)Программа, которая скрывает от программиста все реалии аппаратуры и предоставляет возможность простого удобного просмотра указанных файлов чтения или записи называется ОС. Точно также, как ОС ограждает программиста от аппаратуры дискового накопителя и предоставляет ему простой файловый интерфейса. ОС берёт на себя все малоприятные дела связанные с обработкой прерывания управлением таймерами и ОП, а так же др. низкоуровневые проблемы. С этой точки зрения функцией ОС является предоставление пользователю некоторой расширенной или виртуальной машины, которую легче программировать и с которой легче работать, чем непосредственно с аппаратурой составляющей реальную машину. 3)Идея о том, что ОС прежде всего система обеспечивающая удобный интерфейс пользователю соответствует рассмотрению сверху вниз. Другой взгляд снизу вверх об ОС, как о некотором механизме управляющим всеми частями сложной системы. Современные вычислительные системы состоят из процессоров, таймеров дисков накопителей сетевой коммуникационной аппаратура принтеров и др. устройств в соответствии со вторым подходом функцией ОС является распределение ресурсов между процессорами, памятью, устройствами и данными между процессорами конкурирующими за эти ресурсы. ОС должна управлять всеми ресурсами вычислительной машины таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность её функционирования. Критериями эффективности может быть пропускная способность или реактивность системы. Управление ресурсами включает решение 2 общих независящих от типа ресурсов задач: 1)планирование ресурсов – т.е. определение кому, когда, а для делимых ресурсов и в каком количестве необходимо выделить данные ресурсы; 2)отслеживание состояния ресурса, т.е. содерживание оперативной информации занят или не занят ресурс, а для делимых ресурсов – какое количество ресурсов уже распределено, а какое свободно. Для решения этих общих задач управления ресурсами разные ОС используют различные алгоритмы, что в конечном счёте и определяет их облик в целом, включая характеристики производительности, область применения и пользовательский интерфейс. Так, например, алгоритм управления ресурсами в значительной степени определяет – является ли ОС системой разделения времени, системой пакетной обработки или системой реального времени. 38. Классификация сетей. Телекоммуникационные сети. Телекоммуникационная вычислительная сеть (ТВС) - это сеть обмена и распределённой обработки информации, образуемая множеством взаимосвязанные абонентские систем и средствами связи. Средство передачи и обработки информации ориентированы в ней на коллективное использование общесетевых ресурсов, аппаратных, информационных, программных. Абонентская система – это совокупность ЭВМ программного обеспечения периферийного оборудования, средств связи с коммуникационной подсетью вычислительной сети выполняющих прикладные процессы. Коммуникационная подсеть или телекоммуникационная система – представляет собой совокупность физической среды передачи информации аппаратурных и программных средств обеспечивающие взаимодействие абонентской системы. Прикладной процесс – это различные процедуры ввода хранения, обработки и выдачи информации выполняемые в интересах пользователей и описываемые прикладными программами. Умножаемые двоичных чисел наиболее просто реализуют в прямом коде. Произведение получатся путём сложения частных произведений представляющих собой разряды множимого сдвинуться влево в соответствии с позициями разрядов множителя. Частные произведения формируются путём сложения знаковых разрядов сомножителей. Возможные переносы из знакового разряда игнорируются. Операции деления, как и в десятичной арифметике являются обратной операцией умножения. Классификация ТВС также наиболее характерны функциональные информационные структурные признаки. 1.По степени территориальной рассредоточенности элементов в сети (абонентских систем, узлов связи) различают глобальные (государственные), региональные и локальные вычислительные сети (ГВС, РВС, ЛВС). 2.По характеру реализуемых функций делятся на вычислительные (обработка информации), информационные (для получения справочных данных по вопросам пользователей), информационно-вычислительные (смешанные), в которых в определённом непостоянном соотношении выполняются вычислительные и информационные функции. 3.По способу управления ТВС делятся на сети с централизованным (в сети имеется один или несколько управляющих органов) децентрализованным (каждая автономная абонентская система имеет средство для управления в сети) и смешенным управлением в которых в определённом сочетании реализованные принципы централизованного и децентрализованного управления. 39. Арифметические операции над числами с фиксированной точкой. 1.Сложение и вычисление. Операция вычитания приводится к операции сложения путём преобразования чисел в обратный или дополнительный код. Пусть числа а и b>=0, тогда операции алгебрического сложения выполняется в соответствии с таблицей преобразования кодов при алгебрическом сложении. При выполнении сложения цифр необходимо соблюдать следующие правила: 1.Слагаемые должны иметь одинаковое число разрядов, для выравнивания разрядной сетки слагаемых можно дописывать незначащие нули слева к целой части числа и незначащие нули справа в дробной части числа. 2.Знаковые разряды чисел участвуют в сложении также, как и значащие. 3.Необходимые преобразования кодов производятся с изменением знаков чисел приписанные незначащие нули изменяют своё значение при преобразованиях по общему правилу. 4.При образовании единицы переноса из старшего переноса разряда в случае использования обратного кода эта единица складывается с младшим числовым разрядом. При использовании дополнительного кода единицы переноса теряется, в знак результата формируется автоматически. Результата представляется в том ходе, в котором представлены исходные слагаемые. При сложении чисел в обратном и дополнительном коде были получены переносы в знаковый разряд и из знакового разряда. В случае обратного кода перенос из знакового разряда требует дополнительного прибавления единицы младшего разряда, в случае дополнительного кода этот перенос игнорируется. 40. 4)Сетевые ОС. Сетевая ОС составляет основу любой вычислительной сети. Под сетевой ОС понимается совокупность ОС отдельных ПК взаимодействующих с целью обмена сообщениями и разделение ресурсов по единым правилам – протоколы. Вузком смысле сетевая ОС это ОС отдельного ПК обеспечивающая ему возможность работать в сети.

Средства управления

Локальными ресурсами

ЛОКАЛЬНАЯ ОС

Серверная Клиентская

часть часть

Средства запроса к доступу и

удалённым

ресурсам и

услугам.

Средства предоста-

вления собственных ресурсов

Коммуникационные

средства

ОБОЛОЧКА

В сетевой ОС, отдельной клиентской машины, можно выделить несколько частей: 1.средства управления локальными ресурсами ПК: функции распределения ОП между процессами, деспетиризация процессов, функции управления переферийными устройствами и др. функции управления ресурсами локальной ОС. 2.средство предоставления собственных ресурсов и услуг в общее пользование. Эти средства обеспечивают например блокировку файлов и папок и записей, что необходимо для совместного использования, ведения справочников имён сетевых ресурсов, обработка запросов удалённого доступа собственной файловой системе и базе данных и управление очередями запросов удалённых пользователей своим периферийным устройством. 3.средство запроса доступа к удалённым ресурсам и использование – клиентская часть ОС. Эта часть выполняет распознавание и перенаправление в сеть запросов удалённым ресурсам от приложений и пользователей, при этом запрос поступает от приложения в локальной форме. 42. Системная память 1. Иерархический принцип построения и управления структуры ЭВМ. 2. Пирамидальный принцип построения памяти современных ЭВМ. 3. Память первого уровня. 4. КЭШ память и память блокнотного типа. 5. ПЗУ. 6. Управление памятью программы ОС. 1. Иерархический принцип построения и управления характерен не только для структуры ЭВМ в целом, но и для отдельных её подсистем например: по этому же принципу строится система памяти ЭВМ. 2. С точки зрения пользователя желательно иметь в ЭВМ оперативную память большой информационной ёмкости и высокого быстродействия однако одноуровневые построения памяти не позволяет одновременно удовлетворять этим двум противоположным требованиям. Память современных ЭВМ строится по многоуровневому пирамидальному принципу. 3. В состав процессоров может входить сверх оперативное запоминающее устройство небольшой ёмкости образования несколькими десятками регистров с быстрым временем доступа (единицы - нана секунды). Здесь обычно хранятся данные непосредственно используемые в обработке. 4. Следующий уровень образует КЭШ память или память блокнотного типа. Она представляет собой буферное запоминающее устройство предназначенное для хранения активных страниц объёмом десятки и сотни килобайт. Время обращения к данным составляет 10-20 Нс при этом может использоваться ассоциативная выборка данных. КЭШ память, как долее быстродействующее запоминающее устройство предназначается для ускорения выборки команд программ и обрабатываемых данных. Сами же программы пользователей и данные к ним размещаются в оперативном запоминающем устройстве (ёмкость – миллионы машинных слов, время выборки до 100 Нс). 5. Часть машинных программ обеспечивающих автоматическое управление вычислениями и используемых наиболее часто может размещаться в постоянном з/у (ПЗУ). На более низких уровнях иерархии находятся внешние запоминающиеся устройства магнитных носителях: на жёстких и гибких магнитных дисках, магнитных лентах, магнитно-оптических дисках и др. Их отличает наиболее низкое быстродействие и очень большая ёмкость. 6. Организация заблаговременного обмена информационными потоками между ЗУ различных уровней при децентрализованном управлении или позволяет рассматривать иерархию памяти, как единицу абстрактную кажущуюся (виртуальную) память, согласованная с работой всех уровней обеспечивается под управлением программ ОС. Пользователь имеет возможность работать с памятью на много превышающей ёмкость ОЗУ. Децентрализация управления и структуры ЭВМ позволило перейти к более сложным многопрограммным (мультипрограммным) режимам. При этом в ЭВМ одновременно обрабатывается несколько программ пользователей. 43. Технология сверхбыстрых интегральных схем. При рассмотрении структуры любой ЭВМ обычно проводят её детализацию, как правило в структуре ЭВМ выделяют следующие структурные элементы: узлы, блоки и элементы. Такая детализация соответствует вполне определённым операциям преобразования информации заложенных в программе пользователя. Нижний уровень обработки реализует элементы, каждый элемент предназначается для обработки единичных электрических сигналов соответствующих битам информации. Узлы обеспечивают одновременную обработку группы сигналов информационных слов. Блоки реализуют некоторую последовательность в обработке информационных слов. Функционально обособленную часть Машиных операций (блоки выборки команд, блоки записи чтения и т.д.) Устройство предназначается для выполнения отдельных машинных операций и их последовательность. В современных вычислительных машинах всё строится на комплексах (системах), интегральных схем (ИС). Электронная микросхема называется интегральной, если её компоненты и соединения между ними выполнено в едином технологическом цикле, на едином основании и имеют общую, единую герметизацию и защиту от внешних воздействий и повреждений. Каждая микросхема представляет собой миниатюрную электронную схему сформированную послойно в кристалле проводника. В состав микропроцессорных блоков наборов включаются различные типы микросхем, но все они должны иметь единый тип межмодульных связей, оснований не стандартизации параметров сигналов взаимодействии (амплитуда, полярность, длительность импульсов и т.п.) Основу набора обычно составляют большие интегральные схемы (БИС) и СБИС. На очереди следует ожидать появление ультро большие интегральные схемы (УБИС), кроме них обычно используются микросхемы с малой и средней степенью интеграции (СИС). Функционально микросхемы могут соответствовать устройству, узлу или блоку, но каждая из них состоит из комбинаций простейших логических элементов реализующих функции формирования, преобразования и запоминания сигналов. 44. Выполнение на ЭВМ вычислительных операций. Системы счисления называется способ изображения чисел с помощью ограниченного набора символов имеющих определённые количественные значения. Различают позиционные и непозиционные системы счисления. В позиционных каждая цифра числа имеет определённый вес, зависящий от позиции цифры в последовательности изображающей число. Позиция цифры называется разрядом; в позиционной системе счисления любое число можно представить в виде Аn=аm-1·am-2·.·a0·a-1·a-2·...·a-k=am-1·N Ai-ая – цифра числа. k – количество цифр в дробной части числа. m – количество цифр в части числа. N – основание системы счисления. Во всех современных ЭВМ для представления числовой информации используется двоичная система счисления. Это обусловлено: 1) более простой реализацией алгоритмов выполнения арифметических и логических операций. 2)более надёжной физической реализацией основных функций, т.к. они имеют всего два состояния 0 и 1. 3) экономичностью аппаратурной реализацией всех схем ЭВМ. Кроме двоичной системы счисления широкое распространение получили произведения системы. {0;1} {0;1;2;3;4;5;6;7;} Двоично-десятичные представления десятичных чисел {0;1;2;3;4;5;6;7;8;9;} Перевод дробных чисел. Целое число с основанием Ni переводится в систему с основанием N2 путём последовательного деления An1 на основание N2 – до получения остатка. Полученное частное следует делить на основание N2 и этот процесс надо повторять до тех пор, пока частное не станет меньше делителя. Полученные остатки от деления и последнее частое записывается в обратном порядке полученному при делении; сформированное число и будет являться числом с основанием N2. Дробное число с основанием N1 переводится в систему счисления путём последовательного умножения. An1 на основание N2. При каждом умножении целая часть произведения берётся в виде очередной цифры соответствующего ряда, а оставшаяся часть принимается за новое множимое. Число умножений определяет разрядность полученного результата, представляющего число An1 в системе счисления A10=0,625. 45. Процессор ввода/вывода 1.Определение операции ввода/вывода. 2.Проблемы появляющиеся при разработке систем ввода/вывода ЭВМ. 3.Стандартизация интерфейсов ввода/вывода. 4.Концепция виртуальных устройств. 5.Понятие интерфейса. 1. Вычислительные машины помимо процесса основной памяти образующих её ядро содержит многочисленные периферийные устройства (ПУ), внешние запоминающие устройства (ВЗУ) и УВВ. Передачи информации с периферийного устройства в ЭВМ называется операцией ввода, передачей из ЭВМ в ПУ – операцией вывода. 2. При разработке систем ввода/вывода ЭВМ особое внимание обращается для решения следующих проблем: должна быть обеспечена возможность реализации машин с переменным составом оборудования (машин с переменной конфигурацией), для объективного и высоко производного оборудования в ЭВМ должны реализовываться одновременная работ процессора над программами и выполнение периферийными устройствами процессов ввода/вывода, необходимо упростить для пользователя и стандартизировать программирование операции ввода/вывода, обеспечить независимость программирования ввода/вывода от особенности того или иного периферийного устройства. Необходимо обеспечить автоматизированное распознавание и реакцию ядра ЭВМ на многообразий ситуаций возникающих в периферийных устройствах (Готовность устройства, отсутствие носителя, различные нарушения нормальной работы и др.) 3. Стандартизация интерфейсов ввода/вывода привела и возможность гибко изменять конфигурацию вычислительных машин (количество и состав внешних устройств) расширять комплект ЭВМ за счёт подключения новых устройств. 4. Затем появилась концепция виртуальных устройств позволяющая размещать различные типы ЭВМ и операционные системы. Совместимость распространилась и на работу машин разной конфигурации (можно использовать соответствующее программное обеспечение и при физическом отсутствии необходимых устройств). Изменился принцип работы при отсутствии печатающих устройств файлы направлялись в виртуальное устройство, где и накапливались, а реально распечатывались на другой машине. В общем случае для организации проведения обмена данными между двумя устройствами требуются специальные устройства: 1.специальные управляющие сигналы и их последовательности, 2.устройство сопряжения, 3. линии связи, 4. программы реализующие обмен. Весь этот комплекс линий и шин сигналов электронных схем алгоритмов и программ, предназначенных для осуществления обмена информации, называется – интерфейсом.