НОЦ “БАЗОВОЕ ОБРАЗОВАНИЕ"

НОЦ “БАЗОВОЕ ОБРАЗОВАНИЕ"
ИНФОРМАТИКА
Модуль 02.
Основы архитектуры вычислительных систем
Екатеринбург 2007
Лекция 2
АРХИТЕКТУРА
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Кафедра Интеллектуальных информационных технологий
к.т.н., доцент Бельков С.А.
зав. каф., к.т.н., доцент Обабков И.Н.
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
3
Цель лекции
знакомство с типами компьютеров и их
назначением
знание принципов, заложенных
в архитектурные решения компьютеров
изучение архитектуры «мозга» компьютера –
центрального процессора
знакомство с архитектурами многопроцессорных
вычислительных систем
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
4
АРХИТЕКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Типы и назначение компьютеров.
Архитектуры компьютеров разных
типов.
Архитектура центрального процессора.
Архитектуры многопроцессорных
вычислительных систем
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
5
Разновидности компьютеров
суперкомпьютеры;
большие ЭВМ;
мини-ЭВМ;
микроЭВМ.
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
6
Типы и назначение компьютеров
ЭВМ
Супер-ЭВМ
Большие ЭВМ
Мини-ЭВМ
Микро-ЭВМ
Многопользовательские
Встроенные
Рабочие станции
Персональные
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
7
Архитектура ЭВМ
Машина фон Неймана
Компьютер закрытого типа.
Компьютер открытого типа с общей шиной.
Компьютер открытого типа с общей и
локальной шинами.
Персональный компьютер.
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
8
Машина фон Неймана
Архитектурные принципы
Джона фон Неймана
Основные составные части компьютера:
арифметическо-логическое устройство, выполняющее
арифметические и логические операции;
устройство управления, которое организует процесс
выполнения программ;
запоминающее устройство (или память) для хранения
программ и данных, которое состоит из
пронумерованных ячеек, доступных для других
устройств компьютера;
внешнее устройство для ввода-вывода информации.
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
10
Принципы Джона фон Неймана
Принцип двоичного кодирования
Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в
ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.
Принцип программного управления
Из него следует, что программа состоит из набора команд,
которые выполняются процессором автоматически друг за
другом в определенной последовательности.
Принцип однородности памяти (хранимой программы)
Программы и данные хранятся в одной и той же памяти.
Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке
памяти - число, текст или команда. Над командами можно
выполнять такие же действия, как и над данными.
Принцип адресации памяти
Основная память состоит из пронумерованных ячеек;
процессору в произвольный момент времени доступна любая
ячейка.
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
11
Архитектура компьютера закрытого типа
Канал
ввода/вывода
Устройства
ввода и
вывода
Устройство
управления
АЛУ и регистры
ввода/вывода
Буферные
регистры
Оперативная
память
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
12
Архитектура компьютера открытого типа
Центральный
процессор
Запоминающее
устройство
Устройство
отображения
Контроллер
Контроллер
Контроллер
Клавиатура
Другие
устройства
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
Общая шина
13
Архитектура компьютера открытого типа
с общей и локальной шинами
Центральный
процессор
Запоминающее
устройство
Контроллер
шины
Устройство
отображения
Контроллер
Контроллер
Контроллер
Клавиатура
Другие
устройства
Устройство
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
Общая шина
Локальная шина
Контроллер
14
Функциональная организация
персонального компьютера
Персональный компьютер (ПК) включает
в себя следующие основные блоки:
центральный процессор;
оперативное запоминающее устройство;
внутренние шины передачи информации.
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
15
Структура персонального компьютера
Видеоконтроллер
Центральный
процессор
Запоминающее
устройство
Центральный
контроллер
Локальная
шина
Контроллер
Другие
устройства
Локальная
шина
Общая
шина
Функциональный
контроллер
...
Выходы контроллеров для подключения
стандартных внешних устройств
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
16
Архитектура центрального
процессора
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
17
Структура центрального процессора
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
18
Процессор
Процессором называется устройство, непосредственно
осуществляющее:
– процесс обработки данных
– программное управление этим процессом.
Процессор:
– дешифрует и выполняет команды программы
– организует обращения к оперативной памяти,
– в нужных случаях инициирует работу периферийных
устройств,
– воспринимает и обрабатывает запросы, поступающие из
устройств машины и из внешней среды
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
19
Процессор
Выполнение команды (машинной операции) разделено на более
мелкие этапы — микрооперации (микрокоманды), во время
которых выполняются определенные элементарные действия.
Конкретный состав микроопераций определяется системой команд
и логической структурой данной ЭЗМ. Последовательность
микроопераций (микрокоманд), реализующих данную операцию
(команду), образует микропрограмму операции.
Для определений временных соотношений между различными
этапами операции используется понятие машинного такта.
Машинный такт определяет интервал времени, в течение которого
выполняется одна или одновременно несколько микроопераций.
Границы тактов задаются синхросигналами, вырабатываемыми
специальной схемой — генератором синхросигналов.
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
20
Структура процессора
В процессор входят:
арифметическо - логическое устройство АЛУ,
управляющее устройство (управляющий автомат) УУ,
блок управляющих регистров БУР,
блок регистровой памяти (местная память)
блок связи с ОП и некоторым другим, в том числе
внешним по отношению к ЭВМ, оборудованием.
В состав процессора могут также входить и некоторые другие блоки,
участвующие в организации вычислительного процесса (блок прерывания,
блок защиты памяти, блок контроля правильности работы и диагностики
процессора и др.).
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
21
Блок-схема процессора Intel 80286
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
22
Структура 32-разрядного процессора
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
23
АЛУ
Арифметическо-логическое устройство процессора выполняет
логические и арифметические операции над данными. В общем
случае в АЛУ выполняются логические преобразования над
логическими кодами фиксированной и переменной длины,
арифметические операции над числами с фиксированной и
плавающей точками, над десятичными числами, обработка
алфавитно-цифровых слов переменной длины и др.
В процессоре может быть одно универсальное АЛУ для
выполнения всех основных арифметических и логических
преобразований или несколько специализированных для
отдельных видов операций. В последнем случае увеличивается
количество оборудования процессора, но повышается его
быстродействие за счет специализации и упрощения схем
выполнения отдельных операций.
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
24
Управляющее устройство (УУ)
Управляющее устройство (управляющий автомат)
вырабатывает последовательность управляющих сигналов,
инициирующих выполнение соответствующей
последовательности микроопераций, обеспечивающей
реализацию текущей команды.
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
25
Архитектуры многопроцессорных
вычислительных систем
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
26
Архитектуры многопроцессорных
вычислительных систем
Примеры архитектур многопроцессорных
вычислительных систем (МПС) :
Многопроцессорная вычислительная система
с общей шиной.
Магистральный суперкомпьютер.
Матричная вычислительная система
с общим управлением.
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
27
Многопроцессорная вычислительная система
с общей шиной
Локальное
запоминающее
устройство
Локальное
запоминающее
устройство
Процессор
Процессор
Общее
запоминающее
устройство
Общая
шина
Периферийный
процессор
Контроллер
Контроллер
Внешние
устройства
Внешние
устройства
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
28
Магистральный суперкомпьютер
Сложение
Вычитание
Умножение
Деление
Логика
Индекс
Сдвиг
Регистры
для хранения
обрабатываемых
данных
Периферийный
процессор
Устройство
планирования
последовательности
выполнения
команд
Контроллер
Контроллер
Внешние
устройства
Внешние
устройства
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
29
Матричная вычислительная система
с общим управлением.
Матрица процессорных элементов
ПЭ
ПЭ
ПЭ
ПЭ
ПЭ
ПЭ
ПЭ
ПЭ
ПЭ
Устройство
обработки
команд
Периферийный
процессор
Контроллер
Контроллер
Внешние
устройства
Внешние
устройства
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
30
Заключение
Основными элементами вычислительных
устройств являются процессор (процессоры),
оперативная память и внутренние шины
передачи информации.
Современные вычислительные системы
подразделяются на однопроцессорные
и многопроцессорные.
Сложные вычислительные системы включают
несколько процессоров.
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
31
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Симонович С. В. Общая информатика. Новое издание. –
/C. В. Симонович. СПб.: Питер, 2007. – 428 с.
2. Информатика. Базовый курс. 2-е изд.
/Под ред. С.В. Симоновича. – СПб: Питер, 2007. – 640 с.
3. Информатика: учебное пособие / Сост. О. В. Попова. –
Красноярск: Красноярский институт экономики, 2007. – 186 с.
4. Каширская Е. Н. Конспект лекций по информатике
программированию
/ Е. Н. Каширская. – М.: МГАПИ, 2001. – 43 с.
Информатика. Модуль 2. Основы архитектуры вычислительных систем. Лекция 2.
32