microbik.ru
1 2 ... 14 15




АРХИТЕКТУРА ЭВМ И СИСТЕМ

конспект лекций

Основные характеристики ЭВМ. Общие принципы построения современных ЭВМ. Общие сведения и классификация устройств памяти. Архитектурная организация процессора ЭВМ. Структура машинной команды. Способы адресации. Особенности архитектур микропроцессоров. Архитектура суперскалярных микропроцессоров. Принципы организации системы прерывания программ. Классификация вычислительных систем.

Источник http://www.twirpx.com/file/14319/

Лекция 1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И АРХИТЕКТУРА ЭВМ

1.1. Основные характеристики ЭВМ

Электронная вычислительная машина - комплекс технических и про­граммных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и реше­ния задач пользователей.

Структура - совокупность элементов и их связей. Различают структуры технических, программных и аппаратурно-программных средств.

Архитектура ЭВМ - это многоуровневая иерархия аппаратурно-про­граммных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уров­ней определяет особенности структурного построения ЭВМ.

Одной из важнейших характеристик ЭВМ является ее быстродействие, которое характеризуется числом команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду. Поскольку в состав команд ЭВМ включаются операции, различные по дли­тельности выполнения и по вероятности их использования, то имеет смысл характеризовать его или средним быстродействием ЭВМ, или предельным (для самых «коротких» операций типа «регистр-регистр»). Современные вычислительные машины имеют очень высокие характеристики по быстро­действию, измеряемые сотнями миллионов операций в секунду. Например, новейший микропроцессор Merced, со­вместного производства фирм Intel и Hewlett-Packard, обладает пиковой производительностью более миллиарда операций в секунду.

Другой важнейшей характеристикой ЭВМ является емкость запо­минающих устройств. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти. В настоящее время персональные ЭВМ теоретически могут иметь ем­кость оперативной памяти 768Мбайт (chipset BX). Этот пока­затель очень важен для определения, какие программные пакеты и их прило­жения могут одновременно обрабатываться в машине.

Надежность - это способность ЭВМ при определенных условиях выпол­нять требуемые функции в течение заданного периода времени. Например, у современных HDD среднее время наработки на отказ достигает 500 тыс.ч. (около 60 лет).

Точность - возможность различать почти равные значения. Точность получения результатов обработки в основном оп­ределяется разрядностью ЭВМ, а также используемыми структурными еди­ницами представления информации (байтом, словом, двойным словом). С помощью средств программирования языков высокого уровня этот диапазон может быть увеличен в несколько раз, что позволяет достигать очень высокой точности.

Достоверность - свойство информации быть правильно воспринятой. Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных ре­зультатов. Заданный уровень достоверности обеспечивается аппаратурно-программными средствами контроля самой ЭВМ. Возможны методы контроля достоверности путем решения эталонных задач и повторных расчетов. В особо ответственных случаях проводятся контрольные решения на других ЭВМ и сравнение результатов.

1.2.Классификация средств ЭВТ

Тради­ционно электронную вычислительную технику (ЭВТ) подразделяют на аналоговую и цифровую. Редкие образцы аналоговой ЭВТ используются в основном в проектных и научно-исследовательских учреждениях в составе различных стендов по отработке сложных образцов техники. По своему назначению их можно рассматривать как специализиро­ванные вычислительные машины.

То, что 10-15 лет назад считалось современной большой ЭВМ. в настоя­щее время является устаревшей техникой с очень скромными возможностя­ми. В этих условиях любая предложенная классификация ЭВМ очень быст­ро устаревает и нуждается в корректировке. Например, в классификациях десятилетней давности широко использовались названия мини-, миди- и микроЭВМ, которые почти исчезли из обихода.

Академик В.М. Глушков указывал, что существуют три глобальные сфе­ры деятельности человека, которые требуют использования качественно раз­личных типов ЭВМ.

Первое направление является традиционным - применение ЭВМ для ав­томатизации вычислений.. Отличительной осо­бенностью этого направления является наличие хорошей математической основы, заложенной развитием математических наук и их приложений. Пер­вые, а затем и последующие вычислительные машины классической струк­туры в первую очередь и создавались для автоматизации вычислений.

Вторая сфера применения ЭВМ связана с использованием их в системах управления. Она родилась в 60-е годы, когда ЭВМ стали внедряться в контуры управления автоматических и автоматизирован­ных систем. Математическая база этой сферы была создана в течение последующих 15-20 лет. Новое применение вычислительных машин потребовало видоизменения их структуры. ЭВМ, используемые в управлении, должны были не только обеспечивать вычисления, но и автоматизировать сбор данных и рас­пределение результатов обработки.

Третье направление связано с применением ЭВМ для решения задач ис­кусственного интеллекта. Напомним, что задачи искусственного интеллекта предполагают получение не точною результата, а чаще всего осредненного в статистическом, вероятностном смысле. Примеров подобных задач много: задачи робототехники, доказательства теорем, машинного перевода текстов с одного языка на другой, планирования с учетом неполной информации, со­ставления прогнозов, моделирования сложных процессов и явлений и т.д. Это направление все больше набирает силу. Во многих областях науки и тех­ники создаются и совершенствуются базы данных и базы знаний, экспертные системы. Доя технического обеспечения этого направления нужны качествен­но новые структуры ЭВМ с большим количеством вычислителей (ЭВМ или процессорных элементов), обеспечивающих параллелизм в вычислениях. По существу, ЭВМ уступают место сложнейшим вычислительным системам.

Еще один класс наиболее массовых средств ЭВТ - встраиваемые микропроцессоры. Успехи микроэлектроники позволяют создавать миниатюрные вычислительные устройства, вплоть до одно­кристальных ЭВМ. Эти устройства, универсальные по характеру применения, могут встраиваться в отдельные машины, объекты, системы. Они находят все большее применение в бытовой технике (телефонах, телевизорах, электрон­ных часах, микроволновых печах и т.д.), в городском хозяйстве (энерго-, теп­ло- , водоснабжении, регулировке движения транспорта и т.д.), па производ­стве (робототехнике, управлении технологическими процессами). Постепенно они входят в нашу жизнь, все больше изменяя среду обитания человека.

Таким образом, можно предложить следующую классификацию средств вычислительной техники, в основу которой положено их разделение по быс­тродействию,

• СуперЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач. для обслуживания крупнейших информационных банков данных.

• Большие ЭВМ для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров.

• Средние ЭВМ широкого назначения для управления сложными техно­логическими производственными процессами. ЭВМ этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой инфор­мации в качестве сетевых серверов.

• Персональные и профессиональные ЭВМ, позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня.

• Встраиваемые микропроцессоры, осуществляющие автоматизацию уп­равления отдельными устройствами и механизмами.

1.3. Общие принципы построения современных ЭВМ

Основным принципом построения всех современных ЭВМ является про­граммное управление. В основе его лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений. Стандартом для пост­роения практически всех ЭВМ стал способ, описанный Дж. фон Нейманом в 1945 г. при построении еще первых образцов ЭВМ. Суть его заключается в следующем.

Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управля­ющих слов-команд. Каждая команда содержит указания на конкретную вы­полняемую операцию, место нахождения операндов (адреса операндов) и ряд служеб­ных признаков. Операнды - переменные, значения которых участвуют в опе­рациях преобразования данных. Список (массив) всех переменных (входных данных, промежуточных значении и результатов вычислений) является еще одним неотъемлемым элементом любой программы.

Для доступа к программам, командам и операндам используются их ад­реса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ, предназна­ченных для хранения объектов. Различные типы объектов, размещенные в памяти ЭВМ, идентифицируются по контексту.

Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. Например, в каждой команде программы различают поле кода операций, поле адресов операндов. Применительно к числовой инфор­мации выделяют знаковые разряды, поле значащих разрядов чисел, старшие и младшие разряды.

Последовательность, состоящая из определенного принятого для дан­ной ЭВМ числа байтов, называется словом.



Рис. 1.1. Структурная схема ЭВМ первого и второго поколений

В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВв), с помо­щью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и дан­ные к ним. Введенная информация полностью или частично сначала запоми­нается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длитель­ного хранения информации, где преобразуется в файл. При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления (УУ).

Устройство управления предназначается для автоматического выполне­ния программ путем принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ. Цепи сигналов управления показаны на рис. 1.1 штриховыми линия­ми. Вызываемые из ОЗУ команды дешифрируются устройством управления: определяются код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

В зависимости от количества используемых в команде операндов разли­чаются одно-, двух-, трех-, четырех- адресные и безадресные команды. В одноадресных командах указывается, где находится один из двух обрабатываемых операн­дов. Второй операнд должен быть помещен заранее в арифметическое уст­ройство.

Двухадресные команды содержат указания о двух операндах, размещае­мых в памяти (или в регистрах и памяти). После выполнения команды в один из этих адресов засылается результат, а находившийся там операнд теряется.

В трехадресных командах обычно два адреса указывают, где находятся исходные операнды, а третий - куда необходимо поместить результат.

В безадресных командах обычно обрабатывается один операнд, который до и после операции находится на одном из регистров арифметико-логичес­кого устройства (АЛУ). Кроме того, безадресные команды используются для выполнения служебных операций (запрет прерывания, выход из подпрограммы и др.).

Все команды программы выполняются последовательно, команда за ко­мандой, в том порядке, как они записаны в памяти ЭВМ (естественный поря­док следования команд) или если команда четырех- адресная (характерно для первых ЭВМ) адрес следующей команды находится в поле четвертого операнда. Этот порядок характерен для линейных программ, т.е. программ, не содержащих разветвлений. Для организации ветвлений ис­пользуются команды, нарушающие естественный порядок следования команд. Отдельные признаки результатов r (r = 0, r < 0, r > 0 и др.) устройство управ­ления использует для изменения порядка выполнения команд программы.

АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др. Оно каждый раз перенастраивается на выполнение очередной операции. Резуль­таты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего ис­пользования на одном из регистров АЛУ или записываются в память. Ре­зультаты, полученные после выполнения всей программы вычислений, пере­даются на устройства вывода (УВыв) информации. В качестве УВыв могут использоваться экран дисплея, принтер, графопостроитель и др.

Современные ЭВМ имеют достаточно развитые системы машинных опе­раций. Например, ЭВМ типа IBM PC имеют около 200 различных операций (170 - 300 в зависимости от типа микропроцессора). Любая операция в ЭВМ выполняется по определенной микропрограмме, реализуемой в схемах АЛУ со­ответствующей последовательностью сигналов управления (микрокоманд). Каж­дая отдельная микрокоманда - это простейшее элементарное преобразование дан­ных типа алгебраического сложения, сдвига, перезаписи информации и т.п.

Уже в первых ЭВМ для увеличения их производительности широко при­менялось совмещение операций. При этом последовательные фазы выполне­ния отдельных команд программы (формирование адресов операндов, вы­борка операндов, выполнение операции, отсылка результата) выполнялись отдельными функциональными блоками. В своей работе они образовывали конвейер, а их параллельная работа позволяла обрабатывать различные фазы целого блока команд. Этот принцип получил дальнейшее развитие в ЭВМ следующих поколений. Но все же первые ЭВМ имели очень сильную централизацию управления, единые стандарты форматов команд и данных, «жесткое» построение циклов выполнения отдельных операций, что во многом объясняется ограниченными возможностями используемой в них элементной базы. Центральное УУ обслуживало не только вычислительные операции, но и операции ввода-вывода, пересылок данных между ЗУ и др. Все это позволяло в какой-то степени упростить аппаратуру ЭВМ, но сильно сдерживало рост их производительности.

В ЭВМ третьего поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и ее обработки (рис. 1.2).

Сильносвязанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор, г.е. устройство, предназначенное для обработки данных. В схеме ЭВМ по­явились также дополнительные устройства, которые имели названия: процессоры ввода-вывода, устройства управления обменом информацией, кана­лы ввода-вывода (КВВ). Последнее название получило наибольшее распрос­транение применительно к большим ЭВМ. Здесь наметилась тенденция к децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств. что позволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом.


Рис. 1.2. Структурная схема ЭВМ третьего поколения

Среди каналов ввода-вывода выделяли мультиплексные каналы, способ­ные обслуживать большое количество медленно работающих устройств вво­да-вывода (УВВ). и селекторные каналы, обслуживающие в многоканаль­ных режимах скоростные внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

В персональных ЭВМ, относящихся к ЭВМ четвертого поколения, про­изошло дальнейшее изменение структуры (рис. 1.3). Они унаследовали ее от мини-ЭВМ.



Рис. 1.3. Структурная схема ПЭВМ

Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помо­щью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее еще более децентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.

Ядро ПЭВМ образуют процессор и основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). ПЗУ предназначается для постоянного хранения программ первоначального тестирования ПЭВМ (POST) и загрузки ОС. Подключение всех внешних устройств (ВнУ), дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ и других обеспечивается через соответ­ствующие адаптеры - согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств или контроллеры - специальные устройства управления периферийной ап­паратурой. Контроллеры в ПЭВМ играют роль каналов ввода-вывода. В ка­честве особых устройств следует выделить таймер - устройство измерения времени и контроллер прямого доступа к памяти (КПД) - устройство, обес­печивающее доступ к ОП, минуя процессор.

Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие эле­менты, которые являются общим стандартом структур современных ЭВМ:

модульность построения, магистральность, иерархия управления.

Модульность построения предполагает выделение в структуре ЭВМ достаточно автономных, функционально и конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком Mai-нитном диске).

Модульная конструкция ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию. К ЭВМ можно подключать дополнитель­ные устройства, улучшая ее технические и экономические показатели. Появ­ляется возможность увеличения вычислительной мощности, улучшения струк­туры путем замены отдельных устройств на более совершенные, изменения и управления конфигурацией системы, приспособления ее к конкретным усло­виям применения в соответствии с требованиями пользователей.

В современных ЭВМ принцип децентрализации и параллельной работы распространен как на периферийные устройства, так и на сами ЭВМ (про­цессоры). Появились вычислительные системы, содержащие несколько вы­числителей (ЭВМ или процессоры), работающие согласованно и параллель­но. Внутри самой ЭВМ произошло еще более резкое разделение функций между средствами обработки. Появились отдельные специализированные процессоры, например сопроцессоры, выполняющие обработку чисел с пла­вающей точкой, матричные процессоры и др.

Все существующие типы ЭВМ выпускаются семействами, в которых различают старшие и младшие модели. Всегда имеется возможность замены более слабой модели на более мощную. Это обеспечивается информацион­ной, аппаратурной и программной совместимостью. Программная совмес­тимость в семействах устанавливается по принципу снизу-вверх, т.е. про­граммы, разработанные для ранних и младших моделей, могут обрабаты­ваться и на старших, но не обязательно наоборот.

Модульность структуры ЭВМ требует стандартизации и унификации оборудования, номенклатуры технических и программных средств, средств сопряжения - интерфейсов, конструктивных решений, унификации типовых элементов замены, элементной базы и нормативно-технической документа­ции. Все это способствует улучшению технических и эксплуатационных ха­рактеристик ЭВМ, росту технологичности их производства.

Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры ЭВМ. Централизованное управление осуществляет устройство управления главного, или центрального, процессора. Подключаемые к цент­ральному процессору модули (контроллеры и КВВ) могут, в свою очередь, использовать специальные шины или магистрали для обмена управляющи­ми сигналами, адресами и данными. Инициализация работы модулей обес­печивается по командам центральных устройств, после чего они продолжа­ют работу по собственным программам управления. Результаты выполнения требуемых операций представляются ими «вверх по иерархии» для правиль­ной координации всех работ.

По иерархическому принципу строится система памяти ЭВМ. Так, с точки зрения пользователя желательно иметь в ЭВМ оперативную память большой информационной емкости и высокого быстродействия. Од­нако одноуровневое построение памяти не позволяет одновременно удовлет­ворять этим двум противоречивым требованиям. Поэтому память современ­ных ЭВМ строится по многоуровневому, пирамидальному принципу.

В состав процессоров может входить сверхоперативное запоминающее устройство небольшой емкости, образованное несколькими десятками регис­тров с быстрым временем доступа (единицы нс). Здесь обычно хранятся дан­ные, непосредственно используемые в обработке.

Следующий уровень образует кэш-память. Она представляет собой буферное запоминающее устройство, предназначен­ное для хранения активных страниц объемом десятки и сотни Кбайтов. Вре­мя обращения к данным составляет 2-10 нс, при этом может использовать­ся ассоциативная выборка данных. Кэш-память, как более быстродействую­щая ЗУ, предназначается для ускорения выборки команд программы и обрабатываемых данных. Сами же программы пользователей и данные к ним размещаются в оперативном запоминающем устройстве (емкость - милли­оны машинных слов, время выборки 10-70 нс).

Часть машинных программ, обеспечивающих автоматическое управле­ние вычислениями и используемых наиболее часто, может размещаться в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). На более низких уровнях иерар­хии находятся внешние запоминающие устройства на магнитных носителях: на жестких и гибких магнитных дисках, магнитных лентах, магнитоопти­ческих дисках и др. Их отличает более низкое быстродействие и очень боль­шая емкость.

Организация заблаговременного обмена информационными потоками между ЗУ различных уровней при децентрализованном управлении ими по­зволяет рассматривать иерархию памяти как единую абстрактную виртуальную память. Согласованная работа всех уровней обеспечива­ется под управлением программ операционной системы. Пользователь имеет возможность работать с памятью, намного превышающей емкость ОЗУ.

Децентрализация управления и структуры ЭВМ позволила перейти к более сложным многопрограммным (мультипрограммным) режимам. При этом в ЭВМ одновременно может обрабатываться несколько программ пользова­телей.

В ЭВМ, имеющих один процессор, многопрограммная обработка явля­ется кажущейся. Она предполагает параллельную работу отдельных устройств, задействованных в вычислениях по различным задачам пользователей. Например, компьютер может производить распечатку каких-либо докумен­тов и принимать сообщения, поступающие по каналам связи. Процессор при этом может производить обработку данных по третьей программе, а пользователь - вводить данные или программу для новой задачи, слушать музыку и т.п.

В ЭВМ иди вычислительных системах, имеющих несколько процессо­ров обработки, многопрограммная работа может быть более глубокой. Авто­матическое управление вычислениями предполагает усложнение структуры за счет включения в ее состав систем и блоков, разделяющих различные вы­числительные процессы друг от друга, исключающие возможность возник­новения взаимных помех и ошибок (системы прерываний и приоритетов, защиты памяти). Самостоятельного значения в вычислениях они не имеют, но являются необходимым элементом структуры для обеспечения этих вы­числений.

Как видно, полувековая история развития ЭВТ дала не очень широкий спектр основных структур ЭВМ. Все приведенные структуры не выходят за пределы классической структуры фон Неймана. Их объединяют следующие традиционные признаки [53]:

• ядро ЭВМ образует процессор - единственный вычислитель в струк­туре, дополненный каналами обмена информацией и памятью-

• линейная организация ячеек всех видов памяти фиксированного раз­мера;

• одноуровневая адреса11ия ячеек памяти, стирающая различия между всеми типами информации:

• внутренний машинный язык низкого уровня, при котором команды со­держат элементарные операции преобразования простых операндов;

• последовательное централизованное управление вычислениями;

• достаточно примитивные возможности устройств ввода-вывода.

Несмотря на все достигнутые успехи, классическая структура ЭВМ не обеспечивает возможностей дальнейшего увеличения производительности. Наметился кризис, обусловленный рядом существенных недостатков:

• плохо развитые средства обработки нечисловых данных (структуры, символы, предложения, графические образы, звук, очень большие мас­сивы данных и др.);

• несоответствие машинных операций операторам языков высокого уровня;

• примитивная организация памяти ЭВМ;

• низкая эффективность ЭВМ при решении задач, допускающих парал­лельную обработку и т.п.

Все эти недостатки приводят к чрезмерному усложнению комплекса про­граммных средств, используемого для подготовки и решения задач пользова­телей.

В ЭВМ будущих поколений, с использованием в них «встроенного искус­ственного интеллекта», предполагается дальнейшее усложнение структуры. В первую очередь это касается совершенствования процессов общения пользова­телей с ЭВМ (использование аудио-, видеоинформации, систем мультимедиа и др.) , обеспечения доступа к базам данных и базам знаний, организации параллельных вычислений. Несомненно, что этому должны соответствовать новые параллельные структуры с новыми принципами их построения. В каче­стве примера укажем, что самая быстрая ЭВМ фирмы IBM в настоящее время обеспечивает быстродействие 600 MIPS ( миллионов команд в секунду), самая же большая гиперкубическая система nCube дает быстродействие 123.103 MIPS. Расчеты показывают, что стоимость одной машинной операции в гиперсистеме примерно в тысячу раз меньше. Вероятно, подобными системами будут об­служиваться большие информационные хранилища.

1.4 Понятие о состоянии процессора (программы). Вектор (слово) состояния

При выполнении процессором программы после каждого рабочего такта, а тем более в результате завершения выпол­нения очередной команды, изменяется содержимое регистров, счетчиков, состояния отдельных управляющих триггеров. Мож­но говорить, что изменяется состояние процессора, или, употреб­ляя другую терминологию, состояние программы

Понятие состояния процессора (состояния программы) за­нимает важное место в организации вычислительного процесса в ЭВМ.

Информация о состоянии процессора (программы) лежит в основе многих процедур управления вычислительным процессом, например при анализе ситуаций при отказах и сбоях, при возобновлении выполнения программы после перерывов, вызванных отказами, сбоями, прерываниями, для фиксации состояния процессора (программы) в момент перехода в мультипрограм­мном режиме от обработки данной программы к другой и т. п.

Состоянием процессора (программы) после данного такта или после выполнения данной команды, строго говоря, следует считать совокупность состояний в соответствующий момент вре­мени всех запоминающих элементов устройства — триггеров, регистров, ячеек памяти.

Однако не вся эта информация исчезает или искажается при переходе к очередной команде или другой программе. Поэтому из всего многообразия информации о состоянии процессора (программы) отбираются наиболее существенные ее элементы, как правило, подверженные изменениям при переходе к другой команде или программе.

Совокупность значений этих информационных элементов по­лучила название вектора состояния или слова состояния процессора (программы).

В


Рис. 1.4. Вектор состояния 8-разрядного микропроцессора К580 (четыре 8-разрядных слова)
ектор состояния
в каждый момент времени должен со­держать информацию, достаточную для продолжения выпол­нения программы или повторного пуска программы с точки, соответствующей моменту формирования данного вектора со­стояния. При этом предполагается, что остальная информация, характеризующая состояние процессора, например содержимое регистров, или сохраняется, или может быть восстановлена программным путем по копии, сохраненной в памяти.

Вектор состояния формируется в соответствующем регистре (регистрах) процессора, претерпевая изменения после выпол­нения каждой команды.

Наборы информационных элементов, образующих векторы состояния, отличаются у ЭВМ разных типов. Наиболее просто он выглядит у микропроцессоров. Например, вектор состояния микропроцессора К580, как это показано на рис. 9.22, включает в себя содержимое 16-разрядного счетчика команд (адрес оче­редной команды); содержимое 8-разрядного регистра признаков, называемое в документации на этот микропроцессор словом состояния процессора, и содержимое 8-разрядного аккумулято­ра АЛУ.

Современные ЭВМ имеют более слож­ные структуры вектора состояния, или, иначе говоря, слова состояния программы.

Использование слова (вектора) состояния — распростра­ненный прием построения управления устройствами вычисли­тельной техники. Во многих устройствах ЭВМ для организации их функционирования формируются свои, специфические слова состояния (или байты состояния), фиксирующие в виде некото­рого кода состояние устройства, например готовность его к вы­полнению задаваемой операции, успешное или неуспешное за­вершение операции и т. д.
Контрольные вопросы

1. Каково понятие архитектуры ЭВМ?

2. По каким техническим характеристикам осуществляются оценка и вы­бор ЭВМ?

3. Какова связь областей применения ЭВМ и их структур?

4. Каковы основные тенденции развития ЭВМ?

5. Охарактеризуйте понятие машинного парка.

6. Каковы основные принципы построения ЭВМ?

7. Поясните место и роль программного обеспечения ЭВМ.

8. Что представляет собой класс персональных ЭВМ?

9. Назначение и отличительные особенности построения сетевых ком­пьютеров.

2. Определение архитектуры ЭВМ
Архитектурой ЭВМ принято считать совокупность принципов системной,функциональной, логической и физической организации аппаратных и программных средств ЭВМ.

В этом, достаточно четком определении есть общеупотребительное слово "ЭВМ". Определяя ЭВМ как цифровую вычислительную машину дискретного действия (полное имя ее ЭЦВМ) следует помнить, что буква Э служила для исключения от рассмотрения класса ЦВМ, сконструированных на механических (машина Бэббиджа) и электромеханических (Марк-1) "элементах".Только совокупность электронных триггеров, выполненных на радиолампах и транзисторах, давала право на "Э".

Усложнение периферии ЭВМ и появление многопроцессорных систем породили осторожный термин "вычислительные системы", "платформы", "вычислительные среды" и т.д. Вероятно, в настоящее время, интуитивное понятие ЭВМ наиболее полное - это ЦВМ, выполненная как единый конструктив.

С другой стороны, в понятие ЭВМ можно включить и специализированный микропроцессор управления "рукой" робота, и персональный компьютер, и суперкомпьютер, который, как элемент сети может именоваться также майнфреймом. Общим при этом является функциональное назначение ЭВМ - обеспечение потребностей прикладной системной области. Рассматривается при этом использование ЭВМ, в основном, как универсальные вычислительные системы (платформы).
2.1. Классификация ЭВМ по областям применения

По идеологии открытых систем, все вычислительные платформы должны удовлетворять любые запросы пользователей. Но реализация общего ядра для всех приложений, как и всякая универсализация, ведет к большим накладным расходам. Пользователей интересует не только интерфейс с системой, но время ответа и стоимость услуги.

Вычислительные платформы, как комплекс программно-аппаратного оборудования, операционного и сетевого окружения можно классифицировать по спектру информационных услуг, предоставляемых пользователям.

Грубая классификация пользователей /Л.Н. Королев/ открытых систем и аппаратного оборудования такова:

  1. Самым массовым пользователем открытых систем можно считать владельцев ПК, используемых для бытовых нужд, число таких пользователей приближается к сотне миллионов. Современные платформы - ПК таких пользователей предоставляют им доступ к сетям по телефонным каналам. Оборудование - 90% платформы IBM PC (Intei x86) и программное обеспечение, созданное для этой архитектуры.

  2. Пользователи, работающие в сфере бизнеса: банковская сфера,маркетинг, складской учет и т.д. Им требуется доступ к более производительной вычислительной технике, к глобальным сетям, требуются услуги по созданию и изменению СУБД и другие средства для разработки своих приложений. Использует ПК, но переходит на рабочие станции, хост-машины, до многопроцессорных супер-ЭВМ.

  3. Пользователи этого инженерного класса занимаются разработкой приложений для промышленного производства. Для них характерен доступ к пакетам прикладных программ. Ориентируется на рабочие станции фирм DEC,HP и другие.

  4. Пользователи, проводящие научные расчеты. Для этого класса пользователей необходим доступ высокопроизводительным вычислителям. Мощные платформы: Amdal(IBM), Cray(CDC),SPP(HP).

  5. Пользователи - студенты, требующие услуги по освоению новых информационных технологий. Высшая школа и университетская наука, главным образом, ориентируется на рабочии станции SUN.




следующая страница >>