01_Введение в архитектуру вычислительных систем (02.03.02 ФИИТ, презентация)

Содержание
Понятие архитектуры вычислительных систем
История развития вычислительной техники
Классификация компьютеров
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Понятие архитектуры вычислительных систем
Предмет дисциплины – цифровые вычислительные машины и системы (устройства, которые оперируют дискретными величинами)
Определения понятий «вычислительная машина» и «вычислительная система» сформулированы в стандартах ISO/IEC 2382/1-93 и ГОСТ 15971-90
Вычислительная машина – совокупность технических средств, которая предоставляет возможность выполнения обработки информации и получения результатов в необходимой форме

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Понятие архитектуры вычислительных систем (продолжение)
Электронная вычислительная машина (ЭВМ) или компьютер – вычислительная машина, у которой основные функциональные устройства выполнены на базе электронных компонентов
Вычислительная система – одна или несколько вычислительных машин, периферийное оборудование и программное обеспечение, с помощью которых выполняется обработка информации (ISO/IEC 2382/1-93)

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Понятие архитектуры вычислительных систем (продолжение)
Для вычислительной машины характерна определённая организация:
внутренняя упорядоченность, согласованность и взаимодействие частей целого
наличие совокупности процессов и действий, которые приводят к образованию и совершенствованию взаимосвязей между частями целого
В вычислительной технике существуют два вида организации вычислительных машин (систем), которые определяются двумя взглядами (пользователя и разработчика) на их построение и функционирование

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Понятие архитектуры вычислительных систем (продолжение)
Для пользователя важен набор функций вычислительной машины, которые обеспечивают эффективное решение его задач
Функциональная организация вычислительной машины – абстрактная модель совокупности её функциональных возможностей, направленных на удовлетворение потребностей пользователей
Разработчик должен выполнить техническую реализацию функций на основе реальных физических объектов
Структурная организация вычислительной машины – физическая модель, которая устанавливает состав, порядок и принципы взаимодействия основных функциональных частей машины

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Понятие архитектуры вычислительных систем (окончание)
Графическим отображением и функциональной, и структурной организации вычислительной машины является структурная схема
Функциональная организация вычислительной машины = Архитектура вычислительной машины
Архитектура вычислительной машины – её концептуальная структура, которая определяет выполнение обработки информации, а также содержит методы преобразования информации и принципы взаимодействия аппаратного и программного обеспечения (ГОСТ 15971-90)
Архитектура вычислительной машины – её логическая структура и функциональные характеристики, включая взаимосвязи между аппаратными и программными компонентами машины (ISO/IEC 2382/1-93)
Функциональная организация вычислительной машины (системы) = Архитектура компьютера (компьютерной системы)

Введение в архитектуру вычислительных систем /
История развития вычислительной техники
Попытки облегчить (в идеале – автоматизировать) процесс вычислений насчитывают более 5000 лет
Современное состояние вычислительной техники – результат многолетней эволюции
Эволюция вычислительной техники – последовательная смена поколений вычислительных устройств
Поколение вычислительных машин – классификационная группа вычислительных машин, объединяющая машины по используемой технологии реализации их устройств, а также по уровню развития функциональных свойств и программного обеспечения и характеризующая определённый период в развитии промышленного производства средств вычислительной техники (ГОСТ 15971-90)

Введение в архитектуру вычислительных систем /
История развития вычислительной техники (продолжение)
Классификация средств вычислительной техники по отношению к концепции компьютера с хранимой в памяти программой:
средства вычислительной техники «донеймановского» периода
компьютеры и компьютерные системы с архитектурой фон Неймана
компьютеры и компьютерные системы, реализующие параллельные и распределённые вычисления
Традиционная классификация компьютеров:
компьютеры, построенные на основе электронных ламп
компьютеры, построенные на основе полупроводниковых приборов (транзисторов)
компьютеры, построенные на основе интегральных схем малой (МИС) и средней (СИС) степени интеграции
компьютеры, построенные на основе больших (БИС), сверхбольших (СБИС) и ультрабольших (УБИС) интегральных схем
компьютеры, обладающие интеллектуальными возможностями

Введение в архитектуру вычислительных систем /
История развития вычислительной техники (окончание)
Современная классификация компьютеров:
первое поколение (1937 – 1953 гг.)
второе поколение (1954 – 1962 гг.)
третье поколение (1963 – 1972 гг.)
четвёртое поколение (1972 – 1984 гг.)
пятое поколение (1984 – 1990 гг.)
шестое поколение (с 1990 г. по настоящее время)

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Классификация компьютеров
Классификация – система распределения объектов, предметов, явлений, процессов или понятий по классам в соответствии с определённым признаком
Нередко основным классификационным признаком при классификации компьютеров выступает область их применения

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Классификация компьютеров (продолжение)

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Классификация компьютеров (продолжение)
Компьютеры
Общего назначения
Проблемно-ориентированные
Специализированные
Малые
Средние
Большие
Миникомпьютеры
Микрокомпьютеры
Суперкомпьютеры
Специальные

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Классификация компьютеров (продолжение)
Семейство компьютеров – совокупность компьютеров, объединённых общими архитектурными, структурными и конструктивными решениями
Общие элементы архитектуры, характеризующие всех представителей семейства компьютеров:
внутренний язык или система команд
форматы данных
форматы записи на внешний носитель
интерфейс
преемственность программного обеспечения

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Классификация компьютеров (окончание)
Примеры семейств компьютеров:
семейство универсальных компьютеров третьего поколения IBM S/360 (отечественный аналог – ЕС ЭВМ)
семейство миникомпьютеров PDP-11 (отечественный аналог – СМ ЭВМ)
семейство микрокомпьютеров LSI-11 (отечественный аналог – Электроника-60)
семейство микропроцессоров Intel x86
семейство многоядерных микропроцессоров Intel Core
Классификация компьютеров по способу представления информации:
аналоговые компьютеры
цифровые компьютеры
гибридные компьютеры

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой
Вычислительная машина – совокупность технических средств, используемых для автоматизированной обработки дискретной информации по заданному алгоритму
Алгоритм:
конечный упорядоченный набор чётко определённых правил для решения проблемы (ISO/IEC 2382/1-93)
способ преобразования информации, задаваемый с помощью конечной системы правил
совокупность правил, определяющих эффективную процедуру решения любой задачи из некоторого заданного класса задач
точно определённое правило действий, для которого дано указание, как и в какой последовательности это правило необходимо применять к исходным данным задачи для получения её решения
точное предписание, определяющее содержание и порядок действий, которые необходимо выполнить над исходными и промежуточными данными для получения конечного результата при решении всех задач определённого типа

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой (продолжение)
Свойства алгоритма:
дискретность – алгоритм описывает действия над дискретной информацией и при этом сами действия также дискретны (представляют собой последовательность простых шагов)
определённость – в алгоритме должно быть указано всё, что следует выполнить, причём ни одно из действий не должно трактоваться двусмысленно
массовость – применимость алгоритма к множеству значений исходных данных
результативность – возможность получения результата за конечное число шагов
Вычислительный процесс – процесс, порождаемый алгоритмом

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Принципы фон Неймана
В основе архитектуры современных компьютеров лежит представление алгоритма решения задачи в виде программы
Программа состоит из машинных команд, необходимых для решения задач (ISO/IEC 2382/1-93)
Компьютер с хранимой в памяти программой – компьютер, в котором закодированные определённым образом команды программы хранятся в памяти (май 1945 г., авторы концепции – Дж. Моучли, П. Эккерт, Дж. фон Нейман)

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Принципы фон Неймана (продолжение)
Принципы фон Неймана:
принцип двоичного кодирования – вся информация (данные и команды) кодируется двоичными цифрами 0 и 1
Каждый вид информации представляется в двоичном коде и имеет свой формат:
формат числа содержит поле знака и поле значащих (цифровых) разрядов
формат команды содержит поле кода операции и адресную часть
Поле – последовательность битов в формате, имеющая определённый смысл

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Принципы фон Неймана (продолжение)
Код операции – указание, какая именно операция должна быть выполнена
Содержимое адресной части:
в командах преобразования данных – адреса операндов и, возможно, результата
в командах изменения порядка вычислений – адрес следующей команды программы
в командах ввода-вывода – номер устройства ввода-вывода

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Принципы фон Неймана (продолжение)
Принципы фон Неймана (продолжение):
принцип программного управления – все вычисления должны быть представлены в виде программы, которая состоит из машинных команд
Команды программы хранятся в смежных ячейках памяти компьютера и выполняются в естественном порядке (в порядке их следования в программе)
При необходимости естественный порядок выполнения программы может быть изменён с помощью специальных команд

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Принципы фон Неймана (продолжение)
Принципы фон Неймана (продолжение):
принцип однородности памяти – команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне неразличимы.
Практическое применение принципа однородности памяти:
модификация команд – обращение к последовательным элементам массива данных путём циклического изменения адресной части команды
трансляция программы – перевод текста программы с языка высокого уровня на машинный язык, при котором команды одной программы получаются в результате выполнения другой программы
Принстонская архитектура – архитектура компьютеров, в которых используется принцип однородности памяти
Гарвардская архитектура – архитектура компьютеров, в которых существует отдельная память для команд и отдельная – для данных

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Принципы фон Неймана (окончание)
Принципы фон Неймана (окончание):
принцип адресуемости памяти – основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек, причём процессор в любой момент времени может обратиться к любой ячейке
Машинное слово – единица информации, которая является составной частью двоичных кодов команд и данных
Адрес – номер ячейки памяти, который используется при обращении к ней

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Архитектура фон Неймана
Компоненты типичного компьютера с архитектурой фон Неймана:
устройство управления
арифметико-логическое устройство
память
устройства ввода-вывода

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Архитектура фон Неймана (продолжение)
Периферийные устройства ввода
Периферийные устройства вывода
Арифметико-логическое устройство
Регистры
Внешняя память
Кэш-память
Основная память
Устройство управления

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Архитектура фон Неймана (продолжение)
Информация поступает из подключённых к компьютеру периферийных устройств ввода
Результаты вычислений передаются на периферийные устройства вывода
Связь и взаимодействие компьютера и периферийных (внешних) устройств обеспечивают порты ввода и порты вывода
Порт – аппаратура сопряжения периферийного устройства с компьютером и управления этим устройством
Устройство (модуль) ввода-вывода – совокупность портов ввода и портов вывода

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Архитектура фон Неймана (продолжение)
Порты вывода
Периферийные устройства ввода
Периферийные устройства вывода
Порты ввода

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Архитектура фон Неймана (продолжение)
Память компьютера имеет многоуровневую структуру, реализованную в виде взаимодействующих запоминающих устройств, в которых могут использоваться различные физические принципы хранения данных
Для выполнения программы необходимо, чтобы команды и данные находились в основной памяти
Основная память – память с произвольным доступом, т. е. доступ к любым ячейкам может выполняться в произвольном порядке
Базовые элементы основной памяти современных компьютеров – полупроводниковые оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), которые обеспечивают как считывание, так и запись информации

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Архитектура фон Неймана (продолжение)
ОЗУ – энергозависимые запоминающие устройства, т. е. хранимая в них информация утрачивается после отключения электропитания
Для обеспечения энергонезависимости основной памяти в её состав включают постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), предназначенные только для считывания информации
Разрядность ячейки основной памяти принимается равной одному байту

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Архитектура фон Неймана (продолжение)
Основная память

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Архитектура фон Неймана (продолжение)
Для долговременного хранения программ и данных используется внешняя память
Внешняя память является энергонезависимой и в настоящее время в основном реализуется на базе магнитных дисков
Информация во внешней памяти хранится в виде файлов

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Архитектура фон Неймана (продолжение)
Внешняя память

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Архитектура фон Неймана (продолжение)
Неотъемлемая часть современных компьютеров – кэш-память, которая имеет небольшую ёмкость, но высокое быстродействие
В кэш-память из основной памяти копируются наиболее часто используемые команды и данные
При обращении со стороны процессора информация сначала отыскивается в кэш-памяти и только затем в случае неудачи – в основной памяти

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Архитектура фон Неймана (продолжение)
Кэш-память

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Архитектура фон Неймана (продолжение)
Четвёртым видом памяти являются регистры центрального процессора
Регистр – отдельная ячейка памяти, обращение к которой занимает значительно меньше времени по сравнению с памятью любого другого вида
Процессор содержит небольшое число регистров, которые образуют сверхоперативную память
В регистры помещают часто используемые константы или промежуточные результаты вычислений, что позволяет сократить число обращений к более медленным видам памяти

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Архитектура фон Неймана (продолжение)
Регистры

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Архитектура фон Неймана (продолжение)
Обязательным элементом архитектуры фон Неймана является лишь основная память
Включение в состав компьютера запоминающих устройств остальных видов обусловлено технологическими проблемами, препятствующими созданию быстродействующих, дешёвых и энергонезависимых запоминающих устройств большой ёмкости

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Архитектура фон Неймана (продолжение)
Устройство управления – важнейший компонент компьютера, организующий автоматическое выполнение программ путём реализации функций управления и обеспечивающий функционирование компьютера как единой системы
Обмен информацией между любыми элементами компьютера инициируется соответствующим управляющим сигналом, т. е. управление вычислительным процессом сводится к формированию нужного набора управляющих сигналов в нужной временной последовательности

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Архитектура фон Неймана (продолжение)
Основная функция устройства управления – формирование управляющих сигналов:
для инициирования процесса извлечения команд из памяти в порядке, определяемом программой, и последующее выполнение этих команд
для синхронизации работы внутренних и внешних устройств компьютера

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Архитектура фон Неймана (продолжение)

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Архитектура фон Неймана (продолжение)
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – неотъемлемая часть компьютера, обеспечивающая выполнение арифметических и логических операций над одним или двумя операндами и формирование результатов этих операций
АЛУ также формирует флаги – признаки, которые характеризуют результат и события, произошедшие в процессе его получения (равенство нулю, знак, чётность, перенос, переполнение и т. д.)

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Архитектура фон Неймана (продолжение)

Введение в архитектуру вычислительных систем /
Концепция компьютера с хранимой в памяти программой / Архитектура фон Неймана (продолжение)
Центральный процессор – главный компонент компьютера, включающий в себя:
устройство управления
арифметико-логическое устройство
регистры общего назначения