Развитие архитектуры вычислительных систем

1.

?

2.

Понятие архитектуры включает
взаимную связь функциональных
возможностей, технических
и эстетических решений, можно
сказать, что архитектура
представляет собой синтез искусств.

3.

Свойства архитектуры
Представление общей картины объекта.
Возможность разделения объекта на отдельные
составные компоненты (блоки, модули).
Наличие взаимосвязи между компонентами, которая
является выдающейся особенностью объекта.
Наличие закономерности сооружения.
Экономичность объекта.

4.

Когда появляются требования,
связанные с современной
технологией, обеспечением
реализации различных
возможностей при эксплуатации,
надёжности и прочее, становится
ясно, что речь идёт о инженерной
профессии. Отсюда получается,
что архитектура является одной
из форм инженерии.

5.

Уровни архитектуры
Первый уровень архитектуры системы
выявляет её функции при обработке
информации, а также функции
пользователей. Этот уровень
показывает, что вычислительная
система взаимодействует с внешним
миром посредством интерфейсов:
– языковые средства;
– системные программы.

6.

Уровни архитектуры
Вторым уровнем является архитектура
программного обеспечения. Интерфейс
этого уровня может включать языковые
процессоры, управления ресурсами на
логическом и физическом уровнях.
Языковые процессоры включают языки
программирования и трансляторы.
К управлению логическими ресурсами
можно отнести функции управления базой
данных, файлами, виртуальной памятью.

7.

Уровни архитектуры
Вторым уровнем является архитектура
программного обеспечения. Интерфейс
этого уровня может включать языковые
процессоры, управления ресурсами на
логическом и физическом уровнях.
Языковые процессоры включают языки
программирования и трансляторы.
К управлению логическими ресурсами
можно отнести функции управления базой
данных, файлами, виртуальной памятью.

8.

Уровни архитектуры
Управление логическими
ресурсами
Управление физическими
ресурсами
Функции управления базой
данных
Функции управления
оперативной памятью
Функции управления
файлами
Функции управления внешними
запоминающими устройствами
Функции управления
виртуальной памятью
Функции управления
внутренними процессорами

9.

Уровни архитектуры
Третий уровень абстрактно отражает
размежность функций между
операционной системой и
аппаратными средствами.

10.

Уровни архитектуры
К последнему уровню (четвёртому)
относятся аппаратные средства.
Микропрограммное управление
относят к аппаратным средствам,
потому что микропрограмма —
это программа, которая находится
в постоянной памяти и которая
фактически руководит процессом
передачи кодов символов
с помощью шин, регистров.

11.

Структура — составная часть архитектуры.
В процессе развития технических и
программных средств находят широкое
применение виртуальная память,
различные устройства ввода-вывода (ВВ),
расширенная номенклатура
функциональных устройств в ЭВМ.

12.

Архитектура включает абстрактное
представление структурной
организации компьютера в виде
совокупности функциональных
модулей (как аппаратных, так и
программных) и определённых
связей между ними.

13.

Архитектура ЭВМ общего назначения.
Архитектура фон Неймана
Архитектура современных ЭВМ
по сути не отличается от архитектуры
модели ЭВМ, предложенной Джоном
фон Нейманом в 40-х годах 20 века.
Джон фон Нейман
1903–1957 гг.

14.

Машина фон Неймана
1. Машина имеет единую,
последовательно ориентированную
память. Программная, данные и
адреса размещаются в одной общей
памяти, адреса областей которой
составляют последовательность
чисел натурального ряда: 0, 1, 2.

15.

Машина фон Неймана
2. Память линейная и одномерная.
Она имеет вид вектора.
0010 0110
0010 0110
0010 0110

16.

Машина фон Неймана
3. Отсутствует ощутимая разница между
командами и данными.
Они идентифицируются неявным
способом при выполнении операций.

17.

Машина фон Неймана
4. Назначение данных не является их
составной частью. Логика программы
определяет назначение данных. Если
добыть из памяти команду сложения
чисел с плавающей запятой, то
считается, что извлеченные операнды —
числа с плавающей запятой. Подобные
операции можно выполнять над
операндами, которые представляют
собой ряд символов, или над адресами.

18.

Если на первом этапе подготовки программ
на машинном языке архитектура машин фон
Неймана удовлетворяла требованиям
при их реализации, то с появлением языков
высокого уровня эта архитектура перестала
удовлетворять требованиям, которые ставит
задача соответствующим программам.

19.

Наиболее существенные признаки
вычислительных систем — это способы
построения аппаратной части. Структурная
организация ЭВМ влияет на её качественные
характеристики. Способ организации
управлением наиболее существенно влияет
на технологию обработки информации,
на быстродействие машины.

20.

В самой первой ЭВМ ввод
информации для обработки и вывод
результатов осуществляется через
арифметико-логическое устройство.
Дальнейшее совершенствование
позволило осуществить
непосредственный ввод информации
в память и вывод из неё.

21.

Этапы эволюционного
развития ЭВМ:
Одномашинные системы
Многомашинные системы
Мультипроцессорные системы
Сети ЭВМ

22.

Свойства архитектуры ЭВМ
Эффективность
Живучесть
Универсальность
Надёжность
Совместимость

23.

Свойства архитектуры ЭВМ
Под универсальностью понимают
возможность решения задач разных
классов с одинаковой эффективностью.
Универсальность обеспечивается за счёт
расширения универсальности системы
команд, команд для научных
и экономических расчётов.

24.

Стандартный набор команд:
Команды арифметики
с фиксированной запятой
Команды логических
операций
Команды управления
Команды защиты памяти
Команды обмена
Команды ввода-вывода

25.

Свойство совместимости
Архитектура ЭВМ должна обеспечивать
программную совместимость между
различными моделями машин снизу-вверх и
сверху-вниз, а это означает, что более ранний
программный продукт должен использоваться
на новых машинах. Это свойство
обеспечивает удобство обслуживания,
использование единых операционных систем
и предварительно разработанных программ.

26.

Свойство совместимости
Примером являются машины IBM 360, ЕС
ЭВМ, персональные компьютеры IBM PC.
Так микропроцессоры і80286, і80386 имеют
защищённый режим, который предоставляет
много новых возможностей программисту
и изменяет среду, в которой выполняются
простейшие операции.

27.

Свойства архитектуры ЭВМ
Надёжность обеспечивается как
технологией изготовления, так и
применением специальных аппаратнопрограммных средств. При этом
вводятся системы обработки машинных
ошибок, аппаратно корректируются
ошибки оперативной памяти, вводятся
механизмы повторения команд
в процессорах и каналах.

28.

Живучесть — свойство хранения
функциональных возможностей за счёт
ухудшения некоторых характеристик, которая
достигается путём перераспределения
выполняемых функций соответствующими
блоками машины.

29.

Особенности персональных ЭВМ
1. Стоимость — минимальная, посильная
индивидуальному пользователю.

30.

Особенности персональных ЭВМ
Системный блок
Винчестер
Гибкий магнитный
диск
Принтер
2. Аппаратное обеспечение — в состав
ПЭВМ входит системный блок (процессор,
оперативная память, клавиатура,
монитор), внешняя память на жёстком
диске (винчестер), накопитель
информации на гибких магнитных дисках,
печатный механизм (принтер).

31.

Особенности персональных ЭВМ
3. Ёмкость оперативной памяти —
не менее 640 Кбайт, что достигается
за счёт применения современной
технологии БИС и СБИС.
Оперативная память

32.

Особенности персональных ЭВМ
4. Наличие интерактивного
(диалогового) режима за счёт
применения современных
операционных систем.

33.

Особенности персональных ЭВМ
5. Наличие доброжелательных
программных оболочек, которые
помогают пользователю.

34.

Особенности персональных ЭВМ
6. Язык программирования —
высокого уровня (Бейсик, Паскаль, С,
Borland C++ и другие).

35.

Особенности персональных ЭВМ
Модуль 1
Модуль 2
Модуль 1
7. Модульность — модули должны иметь
стандартные средства соединения.

36.

Особенности персональных ЭВМ
8. Совместимость — ПЭВМ должны иметь
программную совместимость.

37.

Особенности персональных ЭВМ
9. Магистральная структура связи —
позволяет реализацию модульного
построения ЭВМ.

38.

Особенности персональных ЭВМ
10. Увеличение вычислительных
мощностей за счёт наращивания
количества и качества устройств
(периферийного оборудования).

39.

За многофункциональную реализацию
плата получила название материнской
или системной. Системная плата
содержит только основные схемы
поддержки. Системной плате недостаёт
видеоадаптера, некоторых видов памяти
и средств связи с дополнительными
устройствами.

40.

Среди производителей персональных
компьютеров одной из известных фирм
является IBM. Когда эта фирма начала
производить ПЭВМ, то использовала и
усовершенствовала опыт своей фирмы,
который она получила при разработке
универсальных ЭВМ типа IBM 360, IBM 370,
а также опыт других фирм, которые стали
производить персональные компьютеры.

41.

Особенностью ПЭВМ фирмы IBM является
оригинальный способ организации
большого набора известных электронных
компонентов в единую функциональную
систему. Задача разработчиков была в том,
чтобы объединить множество стандартных
компонентов необходимым образом.

42.

Обращение к памяти
Когда процессору нужно выбрать из
памяти байт, он сначала вычисляет адрес
этого байта. Потом он выдаёт адрес
на шину адресов. В МП 80386 является
по 32 независимых шины адресов и
данных, которые подключаются
соответственно к своим контактам.
Центральный процессор

43.

Обращение к памяти
Динамические микросхемы теряют
информацию после её выдачи на шину
данных, поэтому для её сохранения
осуществляется регенерация DRAM.
Статические RAM быстрее, чем DRAM,
они не выполняют регенерации, но они
дороже и имеют небольшую ёмкость.
Микросхема ОЗУ

44.

Кэширование — это применение небольшого
объёма быстрой памяти для хранения
информации, которая часто используется
процессором.

45.

Требования к надёжности и живучести,
предъявляемые к вычислительным
системам, привели к созданию систем
со структурой, способной перестроиться.

46.

Новым направлением создания ЭВМ
является использование RISC —
процессоров. Значительно отличаются
организацией, архитектурой и принципами
функционирования объективноориентированные ЭВМ.