Шпаргалки (двухсторонние) по курсу «Архитектура эвм»
Скачать 1.25 Mb.
|
7. Возможности параллельного выполнения программ Параллельное выполнение программ - это один из наиболее перспективных способов ускорения работы компьютеров, широко применяющийся в их современной архитектуре. Рассмотрим две его разновидности. Параллелизм на уровне команд В этом случае он осуществляется в пределах каждой команды. Как известно, главным препятствием высокой скорости выполнения команд является обращение к основной памяти для их выборки. Для частичного преодоления этой проблемы придумана технология предварительной выборки команд. Эти команды помещаются в специальный набор регистров - буфер упреждающей выборки. Таким образом, процесс выполнения команды разделился на 2 этапа, которые могут параллельно выполняться различными элементами процессора. альнейшим развитием явилась идея конвейера. Теперь команда подразделяется на большее количество этапов - стадий, параллельно по конвейерному принципу выполняемых различными частями аппаратуры. Далее придумали два конвейера в одном процессоре, каждый из которых содержит собственное АЛУ для параллельного выполнения операций. Такая организация называется суперскалярной архитектурой. Параллелизм на уровне процессоров Еще более повышает скорость выполнения программ наличие нескольких процессоров на одном компьютере. Существует несколько технологий, работающих в этом направлении. Одна из них - векторные компьютеры. Существуют две разновидности векторных компьютеров. Массивно-параллельный процессор (array processor) состоит из большого количества (сотни) сходных процессоров, контролируемых общим блоком управления и выполняющих одну и ту же последовательность команд применительно к разным данным. Вторая разновидность - векторный процессор (vector processor). В отличие от первого варианта, он содержит не много, а один блок выполнения команд с конвейерной структурой. Он оперирует векторными регистрами, состоящими из наборов стандартных регистров. Регистры такого набора последовательно загружаются из памяти при помощи одной операции, каждый - при помощи одной операции. Машинные команды (например, сложение) выполняются одновременно попарно над элементами векторных регистров. Еще одна технология использования нескольких процессоров - мультипроцессоры. При этой технологии имеются несколько независимых процессоров (включая и блоки управления), разделяющих общую память. В отдельных случаях, когда требуется большое количество независимых процессоров (более 64-х), для решения одной задачи могут применяться мультикомпьютеры (высокопроизводительные кластеры), состоящие из связанных между собой независимых компьютеров с собственной памятью. | 8. Основная память компьютера. Роль кэш-памяти Память - это составная часть аппаратуры компьютера, предназначенная для хранения программ и данных. Для памяти еще используется термин “запоминающее устройство”. Основная память - это самое быстрое запоминающее устройство, в котором программы и данные хранятся временно, в период выполнения программ. Минимальной единицей памяти является бит - двоичный разряд, способный содержать одну двоичную цифру - 0 или 1. В компьютерах применяется двоичная арифметика. Некоторые компьютеры наряду с двоичной арифметикой используют также и десятичную (например, большие IBM). Для этого применяется так называемый двоично-десятичный код. В этом случае для хранения одного десятичного разряда используются 4 бита. Смежные двоичные разряды памяти группируются в ячейки. Ячейки последовательно нумеруются с нуля и номер ячейки называется ее адресом. В последние годы подавляющее число производителей выпускает компьютеры с ячейками по 8 разрядов - байтами. Подряд расположенные байты объединяются в слова (обычно - по 2, 4 или 8 байтов). Адресом слова считается адрес его начального байта, который обычно должен быть кратен размеру слова. Порядок байтов в слове может быть прямым (соответствует общему порядку байтов, например, SPARC или большие IBM) или обратным (PDP 11, Intel). Физически современная основная память компьютера обычно имеет модульную структуру. Группа микросхем (8, 16, …штук) монтируется на одну печатную плату. Ранее такой блок изготавливался в виде SIMM (Single Inline Memory Module - модуль памяти с односторонним расположением выводов - контактов). Он содержал обычно 8 микросхем по 4 Мб каждая. На один компьютер устанавливалось до 4-х модулей. Затем появились DIMM (Dual Inline Memory Module - модуль памяти с двусторонним расположением выводом). Объем одного DIMM - 64 Mb и выше. В мобильных устройствах используется модуль DIMM меньшего размера, который называется SO-DIMM (Small OutLine DIMM). Еще один способ повысить быстродействие компьютера - использование кэш-памяти. Это небольшого объема быстрая память на микросхеме процессора. Основная идея ее применения состоит в том, что в ней хранятся наиболее часто используемые процессором слова информации. Было замечено, что во время выполнения программ периодически в течение некоторого промежутка времени используется лишь небольшой участок памяти, т.е. имеет место принцип локальности. Поэтому, когда определенное слово считывается для процессора из основной памяти, вместе с этим словом переносятся в кэш и соседние слова, которые могут использоваться при последующих запросах. Для обеспечения такого обмена кэш-память с учетом принципа локальности делится на блоки фиксированного размера, которые называются строками кэш-памяти. Если обращение процессора к кэш-памяти оказывается безрезультатным, из основной памяти в кэш загружается целая строка с необходимым словом. (на обороте…) | 9. Внешняя память компьютера: магнитные диски Внешняя память (или вспомогательная память) предназначена для постоянного хранения информации, которая может быть использована процессором лишь после загрузки в основную память. Она относительно недорога, имеет большие объемы, работает медленнее основной памяти. Магнитный диск состоит из одного или нескольких алюминиевых или стеклянных дисков с магнитным слоем. Головка диска, содержащая индукционную катушку, двигается над его поверхностью на воздушной подушке. Диск вращается под головкой с высокой скоростью. Когда же головка проходит над намагниченной областью, в головке возникает положительный или отрицательный ток, что позволяет считывать записанные ранее биты. Дорожкой диска называется круговая последовательность битов, записанных на диск за полный оборот. Каждая дорожка делится на секторы фиксированной длины (обычно 512 байтов). Между соседними секторами находится межсекторный интервал. Чтобы сохранить высокое качество поверхности и чистоту окружающей среды, диски герметично запечатываются. Такие диски называются винчестерами. Большинство магнитных дисков состоит из нескольких расположенных друг под другом пластин, каждая из которых снабжена своей головкой. Совокупность дорожек одного радиуса называется цилиндром. С диском в компьютере связан контроллер - микросхема, которая им управляет. Упрощенной разновидностью магнитного диска является дискета - одинарный гибкий диск. У дискет головка чтения-записи непосредственно касается поверхности. До настоящего времени было разработано несколько видов магнитных дисков, аппаратные интерфейсы которых относятся к различным технологиям. IDE (Integrated Drive Electronics) - устройство со встроенным контроллером. Его контроллер встроен в материнскую плату компьютера и способен обслуживать 2 диска. Способ адресации такого диска с использованием BIOS не позволяли программам обращаться к более чем 528 Мб дисковой памяти. На смену этим дискам пришли EIDE (Extended IDE) - диски с поддержкой дополнительной схемы адресации - LBA (Logical Block Addressing). Контроллер EIDE может обслуживать 4 диска, имеет более высокую скорость передачи данных и может управлять приводом CD-ROM. Следующим шагом явились диски с интерфейсом SCSI (Small Computer System Interface) - интерфейс малых вычислительных систем. Они не отличаются геометрией, но имеют более высокую скорость передачи данных. Существуют и другие технологии, направленные на увеличение скорости обмена данными с магнитными дисками. К ним относится RAID (Redundunt Array of Independent Disks) - избыточный массив независимых дисков. Основной идеей здесь является наличие возле компьютера нескольких (до 7) внешних SCSI-дисков, которые благодаря подключенному RAID-контроллеру рассматриваются программным обеспечением как один большой диск с несколькими головками. | |
| | 5 – уровень языков высокого уровня. Программы, написанные на этих языках, обычно транслируются на уровень 3, 3.5 или 4. Трансляторы, которые обрабатывают эти программы, называются компиляторами. К данному уровню часто относят также такие специализированные системы как интерпретаторы символьной математики. На следующих уровнях можно было бы расположить разнообразные системы автоматизированного проектирования программ, системы искусственного интеллекта и т. д., выходом которых могут являться программы 5-го и более низких уровней. | | |
| Эта последовательность шагов (выборка-декодирование-выполнение) является основой работы всех цифровых компьютеров. Она может быть также смоделирована программно, т.е. команды, предназначенные для аппаратуры, могут выполняться не только самим процессором, но и интерпретатором, основанным на более простой системе команд (например, микрокомандах). В начале 80-х возникла идея - упрощение команд и сокращение их количества до необходимого минимума. В результате удается вообще отказаться от интерпретации, скорость выполнения команд резко возрастает, а более сложные вычисления производятся с помощью обычных программ. Последняя технология получила название RISC (Reduced Instruction Set Computer - компьютер с сокращенным набором команд; обычно их около 50). Эта технология воплощена, например, в UltraSPARC II. Поскольку эта технология относительна новая, то к ее недостаткам можно отнести несовместимость со старым ПО. В противоположность RISC, новая технология была названа CISC (Complex Instruction Set Computer - компьютер с полным набором команд; их количество может составлять от 200 до 300). Типичными ее представителями являются DEC VAX, большие IBM, процессоры Intel. Приведем основные принципы RISC-технологии как более строгой и современной.
| | | |
| | Проще всего разработать смежную кэш-память, в которой наряду с командами хранятся и данные. Однако в настоящее время имеется тенденция к использованию разделенной кэш-памяти. В этом случае команды и данные хранятся в отдельной кэш-памяти. Разделенная память позволяет осуществлять параллельный доступ к командам и данным, что широко используется конвейерами. Разделенная память учитывает также тот факт, что команды программы обычно не меняются, и соответственно содержимое командной кэш-памяти не записывается обратно в основную память. Действует еще одна тенденция конструирования кэш-памяти - разделение ее на уровни. Кэш-память первого уровня располагается на микросхеме процессора, второго - вне микросхемы, но внутри его корпуса, третьего - еще дальше и т. д. | | |
| 10. Внешняя память компьютера: компакт-диски Внешняя память (или вспомогательная память) предназначена для постоянного хранения информации, которая может быть использована процессором лишь после загрузки в основную память. Она относительно недорога, имеет большие объемы, работает медленнее основной памяти. Компакт-диски - диски с оптическим способом чтения и записи. Поначалу они применялись лишь для реализации цифровых музыкальных записей (начало 80-х годов). Далее (с 1984 г.) началось использование CD для хранения произвольной компьютерной информации. Поверхность компакт-диска состоит из расположенных по окружностям впадин и площадок (или их оптических имитаций), что и обеспечивает хранение нулей и единиц. Каждый байт кодируется 16 битами. Дополнительные 8 битов используются для контроля ошибок. Несколько последовательных байтов образуют фрейм. У компьютерных компакт-дисков каждые 98 фреймов объединяются в сектор. Во время чтения диск вращается. При этом лазерный диод небольшой мощности светит инфракрасным цветом на сменяющиеся впадины и площадки. Переход впадина/площадка и обратный интерпретируются как 1, отсутствие перехода - как 0. Устройства чтения CD по быстродействию существенно отстают от винчестеров. Однако, в связи с большой вместимостью (600-700 Мб) и низкой ценой компакт-дисков, на них в настоящее время выпускается большая часть коммерческого программного обеспечения. Различают несколько видов компьютерных компакт-дисков и соответствующих им устройств чтения/записи. CD-ROM (Compact Disc - Read Only) - запись на нем создается один раз на отдельном оборудовании в виде физических углублений и в дальнейшем может использоваться на компьютере лишь для чтения. CD-R (CD-Recordable) - углубления на таком диске моделируются заранее нанесенным специальным красителем, который нагревается лазером и меняет отражательные свойства поверхности. Такой диск легко может быть записан на обычном компьютере, но лишь один раз. CD-RW (CD-Rewritable) - перезаписываемый компакт-диск. Вместо красителя при производстве таких дисков используется специальный сплав, который может иметь два состояния - кристаллическое и аморфное. Эти состояния обладают разной отражательной способностью. Устройство для записи CD имеет лазер с тремя степенями мощности. При самой высокой мощности лазер расплавляет покрытие, переводя его из кристаллического состояния с высокой отражательной способностью в аморфное состояние с низкой отражательной способностью - получается впадина. При средней мощности покрытие расплавляется и возвращается в естественное кристаллическое состояние, при этом впадина превращается в площадку. При низкой мощности лазер лишь определяет состояние материала - происходит считывание информации. (на обороте…) | 11. Процесс ввода/вывода Большинство персональных компьютеров и рабочих станций представляют собой металлический корпус с большой интегральной схемой на дне, которая называется материнской платой. Материнская плата содержит микросхему процессора, несколько разъемов для модулей DIMM и различные микросхемы поддержки. Она также содержит протянутую вдоль нее шину и несколько разъемов для подсоединения плат устройств ввода-вывода. Каждое устройство ввода-вывода состоит из двух частей: одна содержит большую часть электроники и называется контроллером, а другая представляет собой само устройство ввода-вывода. Контроллер связывается с самим устройством кабелем, который подсоединяется к разъему на задней стороне корпуса. Контроллер управляет своим устройством ввода-вывода и регулирует его доступ к шине. Если контроллер считывает данные из памяти или записывает их в память без участия центрального процессора, то говорят, что осуществляется прямой доступ к памяти (Direct Memory Access, сокращенно DMA). Когда передача данных заканчивается, контроллер вызывает прерывание, вынуждая центральный процессор приостановить работу текущей программы и начать выполнение особой процедуры. Эта процедура называется программой обработки прерывания и нужна, чтобы проверить ошибки, произвести необходимые действия в случае их обнаружения и сообщить операционной системе, что процесс ввода-вывода завершен. Шина используется не только контроллерами ввода-вывода, но и процессором для передачи команд и данных. Если процессор и контроллер ввода-вывода хотят получить доступ к шине одновременно, то срабатывает особая микросхема, которая называется арбитром шины. Она и решает, кому отдать приоритет. Обычно предпочтение отдается устройствам ввода-вывода. За время существования компьютеров разработано несколько стандартов шин. Одна из старых шин PC называется шиной ISA (Industry Standard Architecture - стандартная промышленная архитектура). Когда скорость ее работы перестала устраивать разработчиков внешних устройств, появилась EISA (Extended ISA), совместимая со старыми версиями. В настоящее время самым популярным стандартом шин является PCI (Peripheral Component Interconnect — взаимодействие периферийных компонентов). Он был разработан компанией Intel, которая предоставила все патенты на него другим производителям. Как говорилось выше, существуют также шины SCSI, обслуживающие еще более быстрые устройства. | ||
Похожие:
 | Учебной дисциплины «Архитектура ЭВМ и вычислительных систем» предназначена... Учебная дисциплина «Архитектура ЭВМ и вычислительных систем» является общепрофессиональной дисциплиной, формирующей базовый уровень... |  | Перечень тем для реферата Архитектура ЭВМ. Принцип Неймана. Основные устройства эвм, их назначение и характеристики |
| «архитектура ЭВМ и систем» Новосибирск сгга содержание Эвм различных классов; параллельные системы понятие о многомашинных и многопроцессорных вычислительных системах; матричные и ассоциативные... | | Учебно-методический комплекс дисциплины архитектура компьютера (Архитектура... Рындина Татьяна Николаевна, ст преподаватель кафедры Физики, информатики и информационных технологий |
| Темы рефератов по дисциплине: “Архитектура эвм” | | Реферат по курсу: Архитектура вс на тему: Архитектура квантовых компьютеров Квантовые компьютеры на основе молекул органических жидкостей с косвенным скалярным взаимодействием между ними и методов ядерного... |
| Реферат по курсу: Архитектура вс на тему: Архитектура квантовых компьютеров Квантовые компьютеры на основе молекул органических жидкостей с косвенным скалярным взаимодействием между ними и методов ядерного... | | Архитектура эвм, ос, вирусы В программа, выполняющая тестирование компьютерной системы после включения компьютера |
| Конспект лекций по курсу "Микропроцессоры и микро-эвм в Персональной... Целью настоящего курса является дать понятие о микропроцессорах и однокристальных микро-эвм, области их применения, дать основы функционирования... | | «Архитектура эвм» Цель дисциплины: формирование систематизированных знаний в области архитектуры компьютера, организации компьютерных систем, программирования... |
| Техническое обеспечение кит реферат Сша и предназначалась для баллистических расчётов при стрельбе. Первая отечественная цифровая ЭВМ «мэсм» создана в 1950 г. Ход развития... | | Архитектура ЭВМ и систем конспект лекций Обучающие: Учить детей понимать эмоциональное состояние героев постановки, придавать физическим действиям куклы максимум выразительности... |
| Реферата. Список элементов библиографической записи Максимов, Н. В. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем [Текст]: учеб для вузов / Н. В. Максимов, Т. Л. Партыка, И. И. Попов. — М.:... | | Рабочая программа дисциплины «архитектура ЭВМ и вычислительных систем» (наименование дисциплины) Составлена в соответствии с государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников по специальности... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... При этом на первый план выдвинулась концепция их взаимодействия. Так возникло принципиально новое понятие архитектура ЭВМ | | “Внешние устройства персонального компьютера.” Пу обеспечить поступление в ЭВМ из окружающей среды программ и данных для обработки, а также выдачу результатов работы ЭВМ в виде,... |
