ЭВМ. Основные понятия и определения. Лекция 1

1.

Лекция 1. Основные понятия и определения.
Вычислительная машина (ВМ) – это комплекс
технических и программных средств, предназначенный
для обработки данных, в том числе арифметических и
логических
операций,
получения
результатов
в
необходимой форме, выполняемых под управлением
системы команд.
Микропроцессор – микроэлектронное программноуправляемое
устройство, осуществляющее процесс
обработки информации и управляющее этим процессом.
Вычислительный комплекс (ВК) – несколько ЭВМ,
имеющих общие функциональные блоки, например,
общую память.
4

2.

Основные понятия и определения.
Вычислительная система (ВС) – аппаратнопрограммная система из нескольких ЭВМ и
периферийного оборудования, взаимосвязанных и
взаимодействующих
аппаратно
и
логически,
локализованных в пространстве.
Вычислительная сеть (ВСТ) – система из
нескольких ЭВМ, функционирующих автономно, но
связанных между собой каналами передачи данных,
которые могут использоваться для обмена данными,
для синхронизации работы ЭВМ и для организации
совместного решения единой задачи.
5

3.

Основные понятия и определения.
Архитектура ЭВМ – описание способа обработки
данных, логическое построение ВМ (например,
потоковая или циклическая обработка). Исходя из
этого способа выбирают ту или иную организацию
ЭВМ.
Организация ЭВМ – физическое построение ВМ,
описание устройства ЭВМ в виде совокупности
аппаратных блоков, или в виде совокупности функций
и подсистем обработки данных.
6

4.

Широкий и узкий взгляды на архитектуру и
организацию ЭВМ.
Узкий взгляд архитектура и организация
определяют и описывают внутреннее устройство ЭВМ
и ее свойства.
Широкий взгляд – архитектура и организация
определяют не только устройство и свойства ЭВМ, но
и процесс проектирования ЭВМ; указывают те
обязательные аспекты, этапы и задачи, которые
должны быть выполнены и решены при создании ЭВМ
или ВС.
7

5.

Архитектура ЭВМ.
Широкий взгляд:
1. Концептуальная
структура
ВМ,
определяющая
проведение обработки информации, включая принципы
взаимодействия технических средств и программного
обеспечения.
2. Совокупность согласованных проектных решений на
уровнях системы команд, организации, программноаппаратной реализации.
Узкий взгляд:
Определяет представление и описание возможностей
ЭВМ видимых и доступных пользователю ЭВМ, например,
программисту.
Пример: архитектура системы команд (ISA), которая
описывает систему команд, форматы данных, регистры
и области памяти для хранения данных, т.е. то, что
нужно знать программисту.
8

6.

Организация ЭВМ.
Широкий взгляд:
1. Организация
ЭВМ
определяет
устройство
и
проектирование
ЭВМ
на
уровне
крупных
функциональных блоков и подсистем ЭВМ (процессора,
блоков памяти, периферийных устройств, шин и т.п.).
2. Кроме
аппаратных
блоков
рассматривают
и
программные
функциональные
блоки
ЭВМ:
супервизоры, операционные системы, драйверы.
3. Не рассматривают электрические схемы и программный
код.
Узкий взгляд:
Организация ЭВМ определяет все аспекты внутреннего
устройства ЭВМ (аппаратуры и программных компонент),
которые «не видимы» для пользователя ЭВМ, то есть не
относятся к описанию архитектуры ЭВМ.
Пример: структурно-функциональная схема ЭВМ.
9

7.

Виды организации ЭВМ.
• Структурная организация – модель ЭВМ в виде
совокупности функциональных блоков и связей между
ними. В качестве функциональных блоков рассматривают
как аппаратные блоки (процессор, память, шины), так и
программные компоненты (переключатель задач, драйвер
внешнего ЗУ, сетевой порт).
• Функциональная организация ЭВМ – абстрактная
модель совокупности функциональных возможностей ЭВМ
(кодирование исходных данных, программирование, ввод
и хранение программ и данных, управление ходом
обработки данных, контроль за состоянием ЭВМ и
другие).
10

8.

Виды архитектурных описаний.
1. Программная архитектура – совокупность аспектов
устройства ЭВМ значимых для программного
обеспечения (система команд, форматы данных, API
операционной системы и т.д.).
2. Аппаратная
архитектура
–принципы
функционирования аппаратных блоков и подсистем
ЭВМ и интерфейсов между ними.
Виды программной архитектуры.
1. Прикладная программная архитектура – аспекты
связанные с организацией программной обработки
данных (система команд, форматы данных, модель
памяти, организация операционной системы).
2. Системная программная архитектура – аспекты
связанные с программным управлением блоками и
подсистемами ЭВМ (управление контроллерами
ввода вывода, использование системы прерываний ). 11

9.

Организация
и
архитектура
–
дополняющие и пересекающиеся друг с
другом
представления
рассматривают
единый
ЭВМ.
набор
Они
аспектов
устройства ЭВМ, но с разных точек зрения.
12

10.

Элементы прикладной программной
архитектуры.
1. Типы, форматы и способы представления данных,
аппаратно поддерживаемые в ЭВМ.
2. Регистровая структура процессора.
3. Адресная структура основной памяти и принципы
размещения информации в ней, принципы
формирования физического адреса.
4. Режимы адресации.
5. Структуры и форматы машинных команд.
6. Система команд.
7. Другие
13

11.

Элементы системной программной
архитектуры.
1. Организация прерываний.
2. Организация ввода/вывода.
3. Организация виртуальной памяти (сегментная и
страничная).
4. Принципы преобразования логического (виртуального)
адреса в физический.
5. Организация защиты памяти.
6. Организация многозадачного (многопрограммного)
режима работы ЭВМ, организация переключения
задач (программ).
7. Поддержка механизмов отладки программ на
аппаратном уровне.
8. Поддержка механизмов проверки (тестирования)
отдельных блоков процессора на аппаратном уровне.
14

12.

Элементы аппаратной архитектуры.
1. Структурная организация ЭВМ, включающая в себя
номенклатуру устройств, входящих в состав ЭВМ, и
организацию связей между устройствами на уровне
аппаратных интерфейсов.
2. Структурная организация процессора, включающая в
себя реализацию конвейера команд и арифметикологического устройства и принципы построения блока
микропрограммного управления.
3. Организация кэш−памяти.
4. Организация основной памяти на физическом уровне
и, в частности, принципы построения многомодульной
памяти с расслоением обращений (чередованием
адресов).
5. Представление аппаратного интерфейса на
физическом уровне.
15

13.

Эволюция вычислительных машин.
Первые четыре поколения традиционно связывают с
элементной базой вычислительных систем: электронные
лампы, полупроводниковые приборы, интегральные схемы
малой степени интеграции (ИМС), большие (БИС),
сверхбольшие
(СБИС)
и
ультрабольшие
(УБИС)
интегральные микросхемы.
Пятое поколение ассоциируют не столько с новой
элементной базой, сколько с интеллектуальными
возможностями ВС (векторные суперЭВМ).
Шестое поколение (от 1990-):
- параллельные вычисления;
- резко возросший уровень рабочих станций. В
процессорах
новых
рабочих
станций
успешно
совмещаются
RISC-архитектура,
конвейеризация
и
параллельная обработка;
- рост глобальных сетей.
17