- •394026 Воронеж, Московский проспект, 14 Оглавление
- •1. Принципы организации электронных вычислительных машин 23
- •2. Функциональная организация 37
- •3. Структурная организация электронных вычислительных машин 111
- •4. Организация процессоров 157
- •5. Организация операционных устройств 206
- •6. Организация памяти электронных вычислительных машин 264
- •Введение
- •1.Принципы организации электронных вычислительных машин
- •1.1Основные факторы, определяющие принципы организации электронных вычислительных машин
- •1.2Состав устройств, структура и порядок функционирования электронных вычислительных машин
- •1.3Основные технические характеристики вычислительного комплекса
- •2.2Режимы работы электронных вычислительных машин (организация вычислительных процессов)
- •2.3Средства мультипрограммирования
- •2.4Организация системы прерываний
- •2.5Многоуровневая организация памяти электронных вычислительных машин
- •2.6Средства защиты основной оперативной памяти
- •2.7Защита информации в персональных электронных вычислительных машинах ibm pc
- •2.8Машинные элементы информации
- •2.9Представление данных в электронных вычислительных машинах
- •2.9.1Представление чисел
- •2.9.2 Представление текстовой информации и логических значений
- •2.10 Форматы команд и машинные операции
- •2.11 Способы адресации информации в памяти электронных вычислительных машин
- •2.12 Организация адресного пространства внешней памяти. Виртуальная организация памяти
- •2.13 Особенности архитектуры персональных электронных вычислительных машин типа ibm pc
- •3.Структурная организация электронных вычислительных машин
- •3.1Понятие структурной организации электронных вычислительных машин
- •3.2Классы устройств электронных вычислительных машин
- •3.3Магистрально-модульный принцип построения электронных вычислительных машин. Понятие интерфейса
- •3.4Типовые конфигурации (структуры) однопроцессорных вычислительных комплексов
- •3.5Структуры мультипроцессорных и мультимашинных вычислительных комплексов
- •3.5.1Многомашинные вычислительные комплексы
- •3.5.2Мультипроцессорные вычислительные комплексы
- •3.5.3Мультипроцессорный вычислительный комплекс с раздельной памятью
- •3.6Нейрокомпьютеры
- •4.Организация процессоров
- •4.1Цикл выполнения команд
- •4.2Конвейерная организация процессоров
- •4.3Особенности организации современных процессоров
- •4.4 Эволюция способов организации процессоров
- •5.Организация операционных устройств
- •5.1Принцип микропрограммного управления (функциональная организация операционных устройств)
- •5.2Средства описания функций операционных устройств
- •5.3Структурная организация операционных устройств
- •5.4Функция и структура операционного автомата
- •5.5Организация работы операционных устройств во времени
- •5.6Структурный базис операционного автомата
- •5.7Организация операционного автомата
- •5.8Понятие микропроцессора
- •5.9Организация управляющего автомата
- •5.9.1Организация управляющего автомата с программируемой логикой управления
- •5.9.2Укрупненная структура управляющего автомата с программируемой логикой
- •5.9.3Управляющие автоматы с жесткой логикой управления
- •5.9.4С равнение характеристик управляющих автоматов с программируемой и жесткой логикой
- •6.Организация памяти электронных вычислительных машин
- •6.1Основные понятия
- •6.2Организация и основные характеристики запоминающих устройств
- •6.3Классификация запоминающих устройств
- •6.4Организация памяти первого уровня
- •6.5Организация адресных (сверхоперативных) запоминающих устройств
- •6.6Запоминающие устройства с ассоциативной организацией
- •6.7Организация кэш–памяти на основе ассоциативного запоминающего устройства (кэш с ассоциативной организацией)
- •6.8Организация стековых (магазинных) запоминающих устройств
- •6.9Организация памяти второго уровня (основной оперативной памяти)
- •6.10Организация памяти третьего уровня (внешней памяти)
- •6.10.1Классификация и основные характеристики внешних запоминающих устройств
- •6.10.2Организация накопителей на магнитных дисках
- •6.10.3 Организация накопителей на магнитной ленте
- •6.10.4 Организация оптических дисков
- •Библиографический список
1.3Основные технические характеристики вычислительного комплекса
К числу основных относятся: операционные ресурсы, емкость памяти, быстродействие устройств, надежность, стоимость.
Операционные ресурсы – это перечень действий (операций), которые может делать (выполнять) аппаратура ВК в плане обработки информации (исходных данных). В этот перечень прежде всего включается система машинных операций – список F={+,-,*,/,…}. Кроме того, это порождающая ее (систему операций) система машинных команд К={К1, …, КN}. В понятие операционные ресурсы включаются также способы представления информации в ЭВМ, способы представления чисел, текстов, логических значений. Чем шире перечень действий, чем шире многообразие способов представления данных – тем шире операционные ресурсы ЭВМ и, следовательно, возможности ВК в плане обработки информации.
Емкость памяти – очевидная техническая характеристика, которая характеризует вместимость хранилища программ и данных ВК. Единицы измерения – бит, байт В, килобайт КВ = 210В, мегабайт МВ = 220В, гигабайт ГВ = 230В, терабайт ТВ = 240В. Емкость памяти Е обычно кратна степени 2: Е = 2m, m – длина адреса.
Быстродействие – это характеристика, которая отвечает на вопрос, как быстро действует (работает) аппаратура ЭВМ. Эта характеристика определяет потенциальные возможности устройств, указывает на верхнюю границу. Относится к отдельным устройствам, а не ВК в целом. Так, быстродействие АЛУ характеризует скорость, с которой это устройство может выполнять операции: VАЛУ={V+, V-, V*, Vдел, …}. Быстродействие определяется количеством операций в единицу времени и зависит от времени выполнения операции: V=1/t – чем меньше время выполнения операции t, тем выше быстродействие. Быстродействие – это паспортная характеристика, указывается в документе на устройство либо в виде вектора скоростей V, либо в виде набора времен: t+, t-, t*, t/, … Быстродействие процессора определяется временем выполнения команд. Следует отметить, что время выполнения команды tк зависит от многих факторов – быстродействия памяти (т.к. выборка команды и данных осуществляется из памяти, результаты также засылаются в память), от быстродействия АЛУ, а также организации ВК. В простейшем случае
tк = tвк + tво + tалу + tзр,
где первое слагаемое определяет время выборки команды из памяти, второе – время выборки операнда(ов), третье – время выполнения операции в АЛУ, четвертое – время засылки результата операции.
Быстродействие процессора принято измерять миллионами операций в секунду - MIPS или миллионами операций с плавающей запятой в секунду - MFLPS.
Память ЭВМ предназначена для хранения, записи и чтения информации. Быстродействие памяти принято характеризовать количеством операций чтения/записи в единицу времени. Память ЭВМ строится на базе ЗУ (БИС ОЗУ, ППЗУ). Быстродействие памяти зависит от быстродействия ЗУ и ее внутренней организации.
Т.о. быстродействие устройств ВК характеризует потенциальные возможности отдельных устройств ВК. Быстродействие ВК в целом зависит от многих факторов: от быстродействия устройств, внутренней организации самого комплекса, от операционной системы, под управлением которой работает аппаратура, т.е. от организации вычислительных процессов и др. факторов. Поэтому понятие быстродействие на ВК не распространяется. Вместо него используется понятие производительность ВК. Назначением ЭВМ является обработка информации, т.е. решение различных задач. Поэтому производительность ВК естественно оценивать количеством задач в единицу времени. Но решаемые задачи разные. Как оценить производительность ВК? Проблема. Простейшее ее решение – смеси операций (Гибсона, например). Для сравнения различных ВК по производительности в ВТ обычно используют один и тот же набор программ, который прогоняют на ВК различных типов. Например, т.н. Бенч-Марковские программы и др.
Надежность ВК – это свойство ВК выполнять возложенные на него функции в течение заданного отрезка времени. Надежность ВК отлична от 100% (т. е. от абсолютной). Почему? Дело в том, что элементы, из которых строится ЭВМ, рано или поздно перестают (отказываются) нормально работать. В результате отказа элемента работоспособность ВК нарушается. Отказы аппаратуры – случайные события, частоту которых принято характеризовать интенсивностью отказов , т.е. количеством отказов в единицу времени. Другая характеристика надежности – т. н. наработка на отказ: T=1/ - это промежуток времени между двумя соседними (по времени) отказами.
Как увеличить надежность ВК? Общий подход – резервирование аппаратуры, например, дублирование – двукратное резервирование. Если недостаточно, то трехкратное и т. д.
Стоимость ВК – интегральная характеристика, определяется всеми перечисленными характеристиками. Чем лучше характеристика, тем выше стоимость.
2.Функциональная организация
(архитектура) электронных
вычислительных машин
2.1Понятие функциональной организации (архитектуры) электронных вычислительных машин
Архитектура ЭВМ – это совокупность свойств и характеристик ЭВМ, рассматриваемых с точки зрения человека. Например, с точки зрения пользователя: его в первую очередь интересуют языки программирования, возможности ОС, организация работы с файлами, базами данных, приложениями и т.п. возможности ЭВМ, т.е. пользователя технические возможности ВК почти не интересуют.
Другой, более глубокий взгляд на ЭВМ у системных программистов (и тех, кто пишет на ассемблере). Их интересуют возможности машинного языка – т.н. ассемблера, организация ввода/вывода информации, система прерываний, способы представления данных, способы адресации информации в памяти ЭВМ и т.п.
Еще более глубокий интерес к архитектуре ВК у разработчиков ЭВМ. Пример: машинный язык – одна из архитектурных особенностей ЭВМ. На него системные программисты (и пользователи) смотрят с позиций его применения при программировании своих задач. У разработчиков аппаратуры взгляд с другой стороны – они должны для каждой машинной команды придумать (выбрать) алгоритм их выполнения и спроектировать аппаратуру, которая будет их выполнять.
В этой главе мы будем рассматривать архитектуру ЭВМ в основном с точки зрения разработчиков ЭВМ (т.к. курс посвящен организации ВК, а не применению при программировании). Прежде чем перейти к архитектурным понятиям, сначала несколько понятий из теории сложных систем.
Функциональная организация – это принципы построения абстрактных систем, т.е. систем, заданных только их функциями.
Исходя из этого определения архитектуру ЭВМ (ВК) можно определить как перечень тех функций, которые должна выполнять аппаратура ЭВМ, и способы их реализации. В этот перечень обычно включают: способы представления данных; список машинных операций – т.н. систему машинных операций; форматы машинных команд; способы адресации информации; режимы работы; организацию системы прерываний и др.
Рассмотрев эти вопросы, мы тем самым определим (зададим) те функции, которые должна выполнять аппаратура ЭВМ. Затем перейдем от функции ЭВМ F к ее структуре S.