Архитектура

Сентябрь 2, 2022

Главная
Алгебра
Архитектура

Содержание

2. Уровень внешний, концептуальный и внутренний
3. Архитектура ЭВМ
4. Пользователи компьютеров: Конечные пользователи >90% Прикладные программисты Системные программисты
5. Способы описания архитектуры компьютеров Словесные описания, чертежи, блок-схемы и т.п. Язык машины , язык Ассемблера Формальные
6. Какие ЭВМ будем изучать? Абстрактная машина (машина Фон Неймана) Специальные учебные ЭВМ Архитектура первой (младшей) модели
7. Вопросы и упражнения 1. Для чего необходимо выделять различные уровни видения архитектуры компьютера? 2. Сформулируйте различия
8. Машина Фон Неймана В 1946 работающий в то время в Англии венгерский математик Джон фон Нейман
9. Схема машины фон Неймана - Потоки команд и данных - передача между отдельными устройствами компьютера управляющих
10. Принципы Фон Неймана Принцип линейности и однородности памяти Память машины Фон Неймана – это линейная (упорядоченная)
11. память с произвольным доступом (Random Access Memory – RAM). Некоторые области памяти поддерживают только чтение информации
12. Ячейки памяти в машине Фон Неймана нумеруются от нуля до некоторого положительного числа N (N часто
13. Содержимое ячейки называется машинным словом. С точки зрения архитектуры, машинное слово – это минимальный объём данных,
14. Динамическая память(через каждые несколько миллисекунд) приходится восстанавливать содержимое этой памяти. Статическая память( по сравнению с динамической,
15. Типичные характеристики памяти современных ЭВМ 1. Объём памяти – от сотен миллионов до нескольких миллиардов ячеек
16. Принципы Фон Неймана Принцип неразличимости команд и данных.
17. Принципы Фон Неймана Принцип хранимой программы Одна программа может в качестве результата своей работы поместить в
18. Устройство Управления Принцип автоматической работы Принцип последовательного выполнения команд
19. Арифметико-Логическое Устройство Считать содержимое некоторой ячейки памяти (машинное слово), т.е. поместить копию этого машинного слова в
20. Взаимодействие УУ и АЛУ Революционность идей Джона Фон Неймана заключалась в строгой специализации Устройство управления тоже
21. R1 := ПАМ[x]; R2 := ПАМ[y]; S: = R1+R2; ПАМ[z] := S; или R1: = ;
22. Современные ЭВМ Современные ЭВМ в той или иной степени нарушают практически все принципы Фон Неймана. Исключение,
23. Первая ЭВМ, построенная на основе принципов Фон Неймана, называлась EDVAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator –
24. И чуть уровня инженера-конструктора Аппаратура современных ЭВМ конструируется из некоторых относительно простых элементов, называемых вентилями (по-английски
25. Основные вентили 1. Отрицание, этот вентиль имеет один вход и один выход,( not (НЕ) языка Паскаль).
26. Каждый вентиль срабатывает (т.е. преобразует входные сигналы в выходные) не непрерывно, а только тогда, когда на
27. Из вентилей строятся так называемые интегральные схемы (по-английски chips) – это набор вентилей, соединённых проводами и
28. компьютеры называются многоядерными, если на пластинке есть несколько почти независимых центральных процессоров
29. Пример простой интегральной схемы, которая реализует функцию сложение двух одноразрядных двоичных целых чисел
30. Скорость работы интегральной схемы напрямую зависит от частоты прихода тактовых импульсов, называемой тактовой частотой схемы. У
32. Скачать презентацию

Слайд 2

Уровень внешний, концептуальный и внутренний

Слайд 3

Архитектура ЭВМ

Слайд 4

Пользователи компьютеров:
Конечные пользователи >90%
Прикладные программисты <10%
Системные программисты <1%

Слайд 5

Способы описания архитектуры компьютеров
Словесные описания, чертежи, блок-схемы и т.п.
Язык машины ,

язык Ассемблера
Формальные языки для описания учебной ЭВМ

Слайд 6

Какие ЭВМ будем изучать?
Абстрактная машина (машина Фон Неймана)
Специальные учебные ЭВМ
Архитектура первой

(младшей) модели конкретного компьютера фирмы Intel
Отличительные особенности архитектуры современных компьютеров

Слайд 7

Вопросы и упражнения
1. Для чего необходимо выделять различные уровни видения архитектуры

компьютера?
2. Сформулируйте различия в уровнях видения архитектуры компьютера для конечного пользователя и прикладного программиста.

Слайд 8

Машина Фон Неймана
В 1946 работающий в то время в Англии венгерский

математик Джон
фон Нейман (с соавторами) описал в техническом докладе архитектуру некоторого абстрактного вычислителя, который сейчас принято называть маши-
ной Фон Неймана. Эта машина является абстрактной моделью ЭВМ

Машина Фон Неймана не поддаётся реализации по тому, что
многие детали в архитектуре этого исполнителя алгоритма
не конкретизированы

На каком уровне видения архитектуры рассмотрена ЭВМ?

Слайд 9

Схема машины фон Неймана
- Потоки команд и данных
- передача между отдельными

устройствами компьютера
управляющих и информационных сигналов

Слайд 10

Принципы Фон Неймана
Принцип линейности и однородности памяти
Память машины Фон Неймана –

это линейная (упорядоченная) и однородная последовательность некоторых элементов, называемых ячейками

Слайд 11

память с произвольным доступом (Random Access Memory – RAM). Некоторые области

памяти поддерживают только чтение информации (по-английски эта память называется Read Only Memory, ROM), данные в такую память записываются один раз при изготовлении этой памяти. Другие области памяти могут допускать запись, но за значительно большее время, чем в обычную память (это так называемая полупостоянная память, такой памятью комплектуется популярные в настоящее время карты флэш-памяти)

Слайд 12

Ячейки памяти в машине Фон Неймана нумеруются от нуля до некоторого

положительного числа N (N часто является степенью двойки, минус единица). Адресом ячейки называется её номер. Каждая ячейка состоит из более мелких частей, именуемых разрядами и нумеруемых также от нуля и до определённого числа.
Количество разрядов в ячейке обозначает разрядность памяти. Каждый разряд может хранить одну цифру в некоторой системе счисления. В большинстве ЭВМ используется двоичная система счисления, т.к. это более выгодно с точки зрения аппаратной реализации.
В этом случае каждый разряд хранит одну двоичную цифру или один бит информации. Восемь бит составляют один байт. Сам Фон Нейман тоже был сторонником использования двоичной системы счисления, что позволяло хорошо описывать архитектуру узлов ЭВМ с помощью логических (булевских) выражений.

Слайд 13

Содержимое ячейки называется машинным словом. С точки зрения архитектуры, машинное слово

– это минимальный объём данных, которым могут обмениваться между собой различные узлы машины по толстым стрелкам на схеме (не надо, однако, забывать о передаче управляющих сигналов по тонким стрелкам). Из каждой ячейки памяти можно считать копию машинного слова и передать её в другое устройство компьютера, при этом оригинал не меняется. При записи в память старое содержимое ячейки пропадает и заменяется новым машинным словом.

Слайд 14

Динамическая память(через каждые несколько миллисекунд) приходится восстанавливать содержимое этой памяти.
Статическая память(

по сравнению с динамической, работает быстрее, однако она дороже и требует при реализации больше электронных схем)

Слайд 15

Типичные характеристики памяти современных ЭВМ
1. Объём памяти – от сотен миллионов

до нескольких миллиардов ячеек (обычно восьмиразрядных).
2. Скорость работы памяти: это время доступа (access time – минимальная задержка на чтение слова из памяти на некоторый регистр) и время цикла (cycle time – минимальная задержка на повторное чтение из памяти) – порядка единиц наносекунд (1 секунда = 109 наносекунд).
Заметим, что для упомянутой выше динамической памяти время цикла больше, чем время доступа, так как надо ещё восстановить разрушенное при чтении содержимое ячейки.
3. Стоимость. Для основной памяти ЭВМ пока достаточно знать, что чем быстрее такая память, тем она, естественно, дороже.

Слайд 16

Принципы Фон Неймана
Принцип неразличимости команд и данных.

Слайд 17

Принципы Фон Неймана
Принцип хранимой программы
Одна программа может в качестве результата своей

работы поместить в память компьютера другую программу. Именно так и работают компиляторы, переводящие программы с одного языка на другой.
Следствием принципа хранимой программы является то, что программа, может изменяться во время счёта самой этой программы. Говорят также, что программа может самомодифицироваться

Слайд 18

Устройство Управления
Принцип автоматической работы
Принцип последовательного выполнения команд

Слайд 19

Арифметико-Логическое Устройство
Считать содержимое некоторой ячейки памяти (машинное слово), т.е. поместить копию

этого машинного слова в некоторую другую ячейку, расположенную в самом АЛУ. Если ячейки памяти расположены не в основной памяти, а в других устройствах ЭВМ, то они называются регистровой памятью или просто регистрами. Таким образом, АЛУ может читать машинное слово из памяти на один из своих регистров.
Записать машинное слово в некоторую ячейку памяти – поместить копию содержимого одного из своих регистров в эту ячейку памяти. Когда не имеет значения, какая операция (чтение или запись) производится, говорят, что происходит обмен машинным словом между регистром и основной памятью ЭВМ. Таким образом, машинное слово – это минимальная порция данных для обмена с основной памятью.
АЛУ может также выполнять различные операции над данными в своих регистрах, например, сложить содержимое двух регистров, обычно называемых регистрами первого R1 и второго R2 операндов, и поместить результат этой операции на третий регистр (называемый сумматором S)

Слайд 20

Взаимодействие УУ и АЛУ
Революционность идей Джона Фон Неймана заключалась в строгой

специализации
Устройство управления тоже имеет свои регистры, оно может считывать команды из памяти на специальный регистр команд RK (IR – instruction register), на котором всегда хранится текущая выполняемая команда. Регистр УУ с именем RA называется счётчиком адреса или регистром адреса (в англоязычной литературе его часто обозначают IP – instruction pointer), при выполнении текущей команды в него по определённым правилам записывается адрес следующей выполняемой команды

Слайд 21

R1 := ПАМ[x]; R2 := ПАМ[y]; S: = R1+R2; ПАМ[z] :=

S;
или
R1: = ; R2: = ; S: = R1+R2; := S;
Опишем теперь более формально шаги выполнения одной команды в машине Фон Неймана:
1. RK := ; считать из ячейки памяти с адресом RA команду на регистр команд RK;
2. RA := RA+1; увеличить счётчик адреса на единицу;
3. Выполнить очередную команду, хранящуюся в регистре RK.
Затем по такой же схеме из трёх шагов выполняется следующая команда и т.д.

Слайд 22

Современные ЭВМ
Современные ЭВМ в той или иной степени нарушают практически все

принципы Фон Неймана. Исключение, пожалуй, составляют только принцип автоматической работы, он лежит в самой основе определения ЭВМ как устройства для автоматической обработки данных, и принцип хранимой программы.
Например, существуют компьютеры, которые различают команды и данные. В них каждая ячейка основной памяти кроме собственно машинного слова хранит ещё специальный признак, называемый тэгом
1 В схеме от АЛУ к УУ тоже ведёт тонкая стрелка, однако она определяет не управляющий сигнал (так как АЛУ не может "командовать" УУ), а информационный, с помощью таких сигналов АЛУ "рапортует" УУ, что заданное действие выполнено, или при его выполнении возникла ошибка.
(tag), который и определяет, чем является это машинное слово.

Слайд 23

Первая ЭВМ, построенная на основе принципов Фон Неймана, называлась EDVAC (Electronic

Delay Storage Automatic Calculator – автоматический вычислитель с электронной памятью на линиях задержки4).
Компьютер EDVAC был построен в 1949 году в Англии М.Уилксом. EDVAC была одноадресной ЭВМ,которая работала в двоичной системе счисления со скоростью примерно 100 операций в секунду. Заметим, что именно от этой машины принято отсчитывать первое поколение ЭВМ (все предшествующие "не совсем настоящие" компьютеры можно условно отнести к нулевому поколению).

Слайд 24

И чуть уровня инженера-конструктора
Аппаратура современных ЭВМ конструируется из некоторых относительно простых

элементов, называемых вентилями (по-английски – circuits). Каждый вентиль является достаточно простой (электронной) схемой и реализует одну из логических операций, у него есть один или два входа (аргументы операции) и один выход (результат). На входах и выходе могут быть электрические сигналы двух видов: низкое напряжение (трактуется как ноль или логическое значение false) и высокое (ему соответствует единица или логическое значение true)

Слайд 25

Основные вентили
1. Отрицание, этот вентиль имеет один вход и один выход,(

not (НЕ) языка Паскаль).
2. Дизъюнкция или логическое сложение, or (ИЛИ)
3. И, наконец, вентиль, реализующий конъюнкцию или логическое умножение, and (И)

Слайд 26

Каждый вентиль срабатывает (т.е. преобразует входные сигналы в выходные) не непрерывно,

а только тогда, когда на этот вентиль по специальному управляющему проводу приходит так называемый тактовый импульс. Заметим, что по этому принципу работают ЭВМ, которые называются дискретными, в отличие от аналоговых компьютеров, схемы в которых работают непрерывно (всё время). Подавляющее число современных ЭВМ являются дискретными,

Слайд 27

Из вентилей строятся так называемые интегральные схемы (по-английски chips) – это

набор вентилей, соединённых проводами и такими радиотехническими элементами, как сопротивления, конденсаторы и индуктивности, знакомые Вам из курса физики. Каждая интегральная схема тоже имеет свои входы и выходы (их называют внешними контактами схемы) и реализует какую-нибудь функцию узла компьютера. Интегральные схемы, которые содержат порядка 1000 вентилей, называются малыми интегральными схемами (МИС), порядка 10000 вентилей–средними (СИС), порядка 100000 – большими (БИС), а число вентилей в сверхбольших интегральных схемах (СБИС) исчисляется уже миллионами

Слайд 28

компьютеры называются многоядерными, если на пластинке есть несколько почти независимых центральных

процессоров

Слайд 29

Пример простой интегральной схемы, которая реализует функцию сложение двух одноразрядных двоичных целых

чисел

Слайд 30

Скорость работы интегральной схемы напрямую зависит от частоты прихода тактовых импульсов, называемой

тактовой частотой схемы. У современных ЭВМ не очень высокой производительности тактовые импульсы приходят на схемы основной памяти с частотой несколько сотен миллионов раз в секунду, а на схемы центрального процессора – ещё примерно в 10 раз чаще.

Архитектура

Содержание

Уровень внешний, концептуальный и внутренний

Архитектура ЭВМ

Пользователи компьютеров:Конечные пользователи >90%Прикладные программисты <10%Системные программисты <1%

Способы описания архитектуры компьютеровСловесные описания, чертежи, блок-схемы и т.п.Язык машины ,

Какие ЭВМ будем изучать?Абстрактная машина (машина Фон Неймана)Специальные учебные ЭВМАрхитектура первой

Вопросы и упражнения1. Для чего необходимо выделять различные уровни видения архитектуры

Машина Фон НейманаВ 1946 работающий в то время в Англии венгерский

Схема машины фон Неймана- Потоки команд и данных- передача между отдельными

Принципы Фон НейманаПринцип линейности и однородности памятиПамять машины Фон Неймана –