Архитектура аппаратных средств

1. Архитектура аппаратных средств

2. Многоуровневая компьютерная организация

• Первые компьютерные программы писались на
машинных языках (нулевой уровень) , что было
чрезвычайно трудоёмко, требовало повышенного
внимания и аккуратности, знания архитектуры
конкретного процессора. Программы на языке нулевого
уровня непосредственно выполняются
электронными схемами.
• Для преодоления подобных трудностей используется
подход, называемый многоуровневой компьютерной
организацией.
• Строится ряд уровней абстракций, каждая из которых
надстраивается над абстракцией более низкого уровня,
подход позволяет решить сложности, возникающие при
общении с компьютером. Разработываются новые
наборы команд, которые более удобны для человека, чем
встроенные машинные команды.

3. Трёхуровневая архитектура ВМ

• Платформа (platform) – видимые программисту
средства поддержки программного продукта
каждым из этих уровней абстракции.
• Аппаратная платформа – тип аппаратной
архитектуры, на котором может быть установлен
программный продукт. Наиболее известны
аппаратные платформы на семействах процессоров
Intel, HP и Power.
• Операционная платформа – тип операционной
системы и системного интерфейса, с которым
может работать программный продукт. Наиболее
известные операционные платформы: DOS,
Windows и Unix. Частью операционной платформы
являются библиотеки, поставляемые с
операционной системой, для работы с которыми
используется интерфейс прикладного
программиста.
• Языковая платформа- язык программирования и
интерфейс прикладного программирования
(библиотеки), на котором может быть реализован
программный продукт.

4. Способы выполнения программы, написанной на языке первого уровня

• Первый способ (трансляция) – замена каждой команды
языка первого уровня на эквивалентный набор команд
языка нулевого уровня, при этом создаётся новая
программа, написанная на языке нулевого уровня,
вместо старой программы.
• Второй способ (интерпретация) – программа,
написанная на языке первого уровня, рассматривается в
качестве входных данных. Каждая команда
рассматривается по очереди и сразу выполняется
эквивалентный набор команд языка нулевого уровня,
новая программа не создаётся. Программа, которая
осуществляет интерпретацию, называется
интерпретатором.
• Язык первого уровня - наборы команд, которые более
удобны для человека, чем встроенные машинные команды.

5. Шестиуровневая вычислительная машина

• Уровень 0 – аппаратное
обеспечение машины. Его
электронные схемы выполняют
программы, написанные на
языке уровня 1. На этомуровне,
объекты называются вентилями.
Вентиль вычисляет простые
функции входных данных (И,
ИЛИ, НЕ). Каждый вентиль
формируется из нескольких
транзисторов.
• Уровень 1 –
микроархитектурный уровень. На
этом уровне совокупности 8 или
32 регистров формируют
локальную память и схему,
называемую АЛУ (арифметикологическое устройство). АЛУ
выполняет простые
арифметические операции.

6. Шестиуровневая вычислительная машина

Уровень 1 – микроархитектурный уровень
Регистры вместе с АЛУ формируют тракт данных, по которому
поступают данные.
Тракт данных контролируется либо аппаратными средствами,
либо особой программой, называемой микропрограммой. Эта
программа является интерпретатором для команд на уровне 2.
Уровень 2 – уровень архитектуры системы команд. Набор машинных
команд, которые выполняются микропрограммой - интерпретатором
или аппаратным обеспечением, типы обрабатываемых данных.
Уровни 0-2 предназначены для работы системных программистов,
специализирующихся на разработке и построении новых виртуальных
машин

7. Шестиуровневая вычислительная машина

• Уровень 3 – уровень операционной системы. Большинство
команд в его языке совпадают с командами уровня 2 (они
выполняются микропрограммой или аппаратным
обеспечением уровня 2), но появляются некоторые
дополнительные особенности, расширяющие возможности
программиста по управлению работой отдельными элементами
компьютера. Новые средства, появившиеся на уровне 3,
выполняются интерпретатором уровня 2.
• Операционная система - комплекс взаимосвязанных
системных программ, назначение которого – организация
взаимодействия пользователя с компьютером и выполнение
всех других программ.
• Уровни 2 и 3 обычно интерпретируются, их машинные языки
цифровые.

8. Шестиуровневая вычислительная машина

Уровень 4 – символическая форма одного из языков более
низкого уровня. На этом уровне можно писать программы в
приемлемой для человека форме. Программы этого уровня сначала
транслируются на язык уровня 1, 2 или 3, а затем интерпретируются
соответствующей виртуальной или фактически существующей
машиной. Программа, выполняющая трансляцию, называется
ассемблером.
Уровень 5 – языки высокого уровня. Данный уровень обычно
состоит из языков, разработанных для прикладных программистов.
Трансляторы, которые обрабатывают эти программы, называются
компиляторами. Для некоторых языков (например, язык Java)
используется метод интерпретации.

9. Принципы построения вычислительной машины

• Основные принципы построения
вычислительных машин были
сформулированы при создании ВМ первого
поколения (1937 –1953 годы) практически
одновременно несколькими учёными.
Принято считать автором американца
немецкого происхождения фон Неймана.
o двоичного кодирования;
o программного управления;
o однородности памяти;
o адресности.

10. Принцип двоичного кодирования

• Вся информация (данные и команды) кодируются
двоичными цифрами 0 и 1.
• Каждый тип информации представляется двоичной
последовательностью и имеет свой формат.
• Последовательность битов в формате, имеющая
определённый смысл, называется полем. Числовая
информация разделяется на знаковую (имеются два поля:
поле знака и поле значащих разрядов) и беззнаковую
(имеется только одно поле – значащих разрядов).
• В формате команды выделяются поле кода операции и
поле/поля адресов.
• Команда - это описание операции, которую должен
выполнить компьютер. Набор операций определяется при
конструировании вычислительной машины.

11. Принцип двоичного кодирования

• Команда обязательно имеет строго фиксированную длину, кратную
машинному слову, и стандартную структуру. Результат команды
вырабатывается по точно определённым для данной команды правилам,
заложенным в конструкцию компьютера. Вид адресной части, число её
адресов зависят от типа команды. В адресной части команды может быть
указан сам операнд, его адрес, адрес адреса (косвенная адресация), номер
устройства ввода/вывода, адрес следующей команды и т.д. В зависимости
от количества операндов различают одноадресные, двухадресные,
трёхадресные команды

12. Принцип программного управления

• Все действия, предусмотренные алгоритмом
решения задачи, представляются в виде
программы, состоящей из последовательности
простейших действий – команд.
• Команды программы хранятся в
последовательных ячейках памяти ВМ и
выполняются устройством управления ВМ
автоматически в порядке их положения в
программе.
• Последовательность выполнения команд в
программе может быть изменена с помощью
специальных команд либо на основании анализа
результата предшествующих вычислений, либо
безусловно.

13. Принцип однородности памяти

• Команды и данные хранятся в одной и той же
памяти и внешне в памяти неразличимы. Любая
информация, хранимая в памяти может быть
интерпретирована либо как команда, либо как
данное. Это позволяет:
• иметь единую память для хранения программ и
данных;
• производить над командами те же операции, что
и над числами;
• получить команды одной программы как
результат исполнения другой программы. Эта
возможность лежит в основе трансляции –
перевода программы с языка высокого уровня на
машинный язык конкретной ВМ.

14. Модели памяти

• Принстонская архитектура - единая
память для команд и данных. Преобладающая
архитектура, хотя она порождает проблемы
пропускной способности тракта «процессор память».
• Гарвардская архитектура - отдельная
память для команд и отдельная память для
данных. Стала чаще использовать в последнее
время в связи с широким применением кэш памяти.

15. Принцип адресности

• В произвольный момент времени процессору непосредственно
доступна любая ячейка основной памяти.
• Структурно основная память является линейным
пространством, состоящим из пронумерованных ячеек.
• Основной единицей памяти является двоичный разряд, который
называется битом.
• Исторически наименьшей адресуемой ячейкой памяти является
байт (8 бит). Номер байта является его адресом. Байты могут
объединяться в ячейки, называемые словами. Длина слова
компьютера зависит от его архитектуры.
• Разбиение памяти на слова для 4-х байтовых компьютеров

16. Структура фон-неймановской архитектуры вычислительной машины

• Типичная фон-неймановская ВМ содержит: память, устройство управления,
арифметико-логическое устройство и устройство ввода/вывода.
• Предложения фон Неймана:
программа и данные представлены в памяти компьютера в цифровой
форме;
замена десятичной арифметики бинарной;
определил основные устройства вычислительной машины и принципы
построения ВМ

17. Структура фон-неймановской архитектуры ВМ

• Информация поступает из подсоединённых к ВМ
периферийных устройств (ПУ) ввода,
запоминается в основной памяти, при
необходимости переносится во вторичную
память для длительного хранения.
• Центральный процессор по своим техническим
характеристикам может взаимодействовать
только с основной памятью.
• Доступ к любым ячейкам запоминающего
устройства основной памяти производится в
произвольной последовательности, т.е.
процессору в любой момент доступно
содержимое любой ячейки памяти. Такой вид
памяти называется памятью с произвольным
доступом.

18. Структура фон-неймановской архитектуры ВМ

• Результаты вычислений процесса выводятся на
периферийные устройства вывода. Связь и
взаимодействие ВМ и ПУ обеспечивают порты
ввода/вывода.
• Для долговременного хранения программ и
массивов данных используется дополнительная
вторичная память. Вторичная память реализована
в виде накопителя на различных носителях, чаще
всего на магнитных дисках. Эта память
энергонезависима, отличается большим объемом и
большим временем доступа. Информация в ней
хранится в виде файлов

19. Структура фон-неймановской архитектуры ВМ

• Устройство управления (УУ) организует
автоматическое выполнение программ путем
реализации функций управления,
обеспечивает функционирование ВМ как
единой системе. Пересылка информации
между любыми элементами, структурами
инициируется сигналами управления.
Сигнала управления используются для
синхронизации и координации работы узлов
и систем как самой ВМ, так и подключаемых
периферийных устройств.

20. Структура фон-неймановской архитектуры ВМ

• Арифметико-логическое устройство (АЛУ)
выполняет арифметическую и/или логическую
обработку входных переменных, в результате
которой формируется выходная переменная.
• АЛУ формирует ряд признаков результата
(флагов), характеризующих полученный
результат и события, произошедшие в ходе его
получения Флаги используются устройством
управления для анализа хода выполнения
программы и изменения, при необходимости,
естественной последовательности выполнения
команд.

21. Структура фон-неймановской архитектуры ВМ

• Устройство управления и АЛУ совместно образуют
структуру, называемую центральным
процессором (ЦП). В состав ЦП входит также
набор регистров общего назначения (РОН),
используемые для промежуточного хранения
информации в процессе её обработки.
• Основное достоинство структурыс
непосредственными связями - возможностью
устранения «узких мест» путём улучшения
структуры и характеристик только определённых
связей, не затрагивая систему в целом.

22. Структура ВМ на базе общей шины

• Все устройства ВМ подключены к магистральной шине, служащей
единственным трактом для потоков команд, данных и управления.
• Составляющие магистрали шины данных, шины адреса и шины
управления.
• Наличие общей шины существенно упрощает реализацию ВМ,
позволяет легко менять состав и конфигурацию машины. Шинная
архитектура получила широкое распространение в мини и микро ЭВМ
четвертого поколения.

23. Структура ВМ на базе общей шины

• Все передачи данных по шине осуществляются
процессором, управляемым сервисными
программами. Подключение внешних устройств
обеспечивается через соответствующие адаптеры
или контроллеры - специальные устройства для
согласования скоростей работы сопрягаемых
устройств и управления периферийной
аппаратурой..
• Синхронизация в архитектуре с общей шиной
обеспечивается аппаратом прерываний, временным
опросом контроллеров со стороны центрального
процессора. Обработка особых ситуаций
функционально возложена на операционную
систему.
• шины имеется ещё несколько дополнительных
(локальных) шин

24. Структура ВМ на базе общей шины

• основной недостаток - в каждый момент
времени передавать информацию по шине может
только одно устройство.
• Шинная архитектура недостаточно эффективна
при сохранении фон-неймановской концепции
последовательного выполнения команд
программы. Более распространена архитектура с
иерархией шин, где помимо магистральной шины
имеется ещё несколько дополнительных
(локальных) шин

25. Структуры вычислительных систем

• Под вычислительной системой (ВС)
понимается совокупность взаимосвязанных и
взаимодействующих процессоров или ЭВМ,
периферийного оборудования и
программного обеспечения,
предназначенная для сбора, хранения,
обработки и распределения информации
• Понятие «вычислительная система»
предполагает наличие множества
процессоров или законченных
вычислительных машин, при объединении
которых используется один из подходов.

26. Структуры вычислительных систем

27. Структуры вычислительных систем

• Отличительной особенностью ВС по
отношению к ЭВМ является наличие в них
нескольких вычислителей, реализующих
параллельную обработку.
• Создание ВС преследует следующие основные
цели:
повышение производительности системы за
счет ускорения процессов обработки данных,
повышение надежности и достоверности
вычислений,
предоставление пользователям
дополнительных сервисных услуг и т.д.

28. Основные принципы построения ВС

• возможность работы в разных режимах;
• модульность структуры технических и
программных средств, что позволяет
совершенствовать и модернизировать
вычислительные системы без коренных их
переделок;
• унификация и стандартизация технических и
программных решений;

29. Основные принципы построения ВС

• иерархия в организации управления
процессами;
• способность систем к адаптации,
самонастройке и самоорганизации;
• обеспечение необходимым сервисом
пользователей при выполнении вычислений.

30. По типу построения ВС могут строиться на базе нескольких компьютеров (многомашинная ВС) или на базе нескольких процессоров

(многопроцессорная ВС)
• Многомашинная ВС содержит некоторое
число компьютеров, информационно
взаимодействующих между собой. Машины
могут находиться рядом друг с другом, а
могут быть удалены друг от друга на
некоторое, иногда значительное расстояние
(вычислительные сети).

31. Многомашинная ВС

• В многомашинных ВС каждый компьютер
работает под управлением своей
операционной системы (ОС). Обмен
информацией между машинами
выполняется под управлением ОС,
взаимодействующих друг с другом,
динамические характеристики процедур
обмена несколько ухудшаются (требуется
время на согласование работы самих ОС).

32. Многопроцессорные ВС

• В многопроцессорной ВС (МПС) имеется несколько
информационно взаимодействующих между собой
процессоров.
• В качестве общего ресурса они имеют общую
оперативную память (ООП), обеспечивающую общий
доступ к внешней памяти и устройствам ввода-вывода.
• МПС работает под управлением единой ОС, общей для
всех процессоров, что существенно улучшает
динамические характеристики ВС, но предъявляет к
ОС высокие требования.

33. Многопроцессорные ВС

• Более быстрый обмен информацией между
процессорами и более быстрое реагирование
на ситуации, возникающие в системе,
большая степень резервирования устройств
системы (система сохраняет работоспособность,
пока работоспособны хотя бы по одному модулю
каждого типа устройств) приводят к
существенному повышению быстродействия
и надежности многопроцессорных ВС.

34. Многопроцессорные ВС

• Типичным примером массовых
многомашинных ВС могут служить
компьютерные сети, примером
многопроцессорных ВС —
суперкомпьютеры

35. Структура вычислительной системы с общей памятью

• В вычислительных системах с общей памятью имеется общая
основная память, совместно используемая всеми процессорами
системы. Связь процессоров с памятью обеспечивается с помощью
коммуникационной сети, чаще всего вырождающейся в общую
шину.
• Достоинством данной схемы является возможность обмена
информацией между процессорами без дополнительных операций,
что обеспечивается за счёт доступа к общим областям памяти.
Данная структура применяется в многопроцессорных системах и
не используется в многомашинных системах.

36. Системы с общей оперативной памятью

• Системы с общей (разделяемой)
оперативной памятью образуют
современный класс ВС — многопроцессорных
супер-ЭВМ. Одинаковый доступ всех процессоров
к программам и данным представляет широкие
возможности организации параллельного
вычислительного процесса (параллельных
вычислений). Отсутствуют потери реальной
производительности на межпроцессорный
(между задачами, процессами и т.д.) обмен
данными

37. Структура вычислительной системы с общей памятью

• Данный тип вычислительной системы относится к
сильносвязанным системам и подразделяется
на:
Симметричные (обеспечивают простоту
подключения однотипных процессоров);
Симметричные мультипроцессорные
системы с разделением памяти (память
разделяется между процессорами), SMPcистемы. (Simmetric Multiprocessor), На общей
шине оперативной памяти можно разместить 2 и
более процессоров.

38. Структура распределённой вычислительной системы- слабосвязанные системы строятся как многомашинные комплексы

• MPP (massive parallel processing) – массовопараллельная архитектура. Главная особенность такой
архитектуры состоит в том, что память физически
разделена

39. Структура распределённой вычислительной системы

Все процессоры в MPP-системах связаны единой
коммутационной средой.
Передача данных в MPP-системах осуществляется с
помощью подготовленных процессов (потоковых
процессов), что существенно повышает
производительность.
• Каждый процессор имеет доступ только к своей
локальной памяти, в связи с чем не возникает
необходимости в потактовой синхронизации
процессоров.
• Практически все рекорды по производительности
на сегодня устанавливаются на машинах именно такой
архитектуры.

40. Структура распределённой вычислительной системы

Подобная вычислительная система является
эффективной только при решении задач,
имеющих очень специальную структуру: она
должна разбиваться на столько слабо
связанных подзадач, сколько компьютеров
в системе.
Подобное построение ВС снимает
ограничения, свойственные общей шины, но
приводит к дополнительным издержкам на
пересылку сообщений между процессорами и
машинами.

41. Структура распределённой вычислительной системы

• Память является способом передачи сообщений между
процессорами, при этом все вычислительные
устройства при обращении к ней имеют равные права
и одну и ту же адресацию для всех ячеек памяти.
• Работой управляет единственная копия операционной
системы. Для ускорения обработки каждый процессор
может также иметь собственную кэш-память. Задания
между процессами распределяются непосредственно
при выполнении прикладного процесса. Нагрузка
между процессорами динамически выравнивается, а
обмен данными между ними происходит с большой
скоростью.

42. Структура распределённой вычислительной системы

• Достоинство этого подхода состоит в том, что
каждый процессор видит всю решаемую задачу в
целом. Но поскольку для взаимодействия
используется лишь одна шина, то возникают
повышенные требования к ее пропускной
способности. Соединение посредством шины
применяется при небольшом (4—8) числе
процессоров.

43. Архитектура с параллельными процессорами

• Несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это
означает, что множество данных может обрабатываться по
одной программе, то есть по одному потоку команд.
Высокое быстродействие такой архитектуры можно
получить только на задачах, в которых одинаковые
вычислительные операции выполняются одновременно на
различных однотипных наборах данных.