Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



С. Н. Андріанов 39. Архітектура сучасних обчислювальних машин

Скачати 230.28 Kb.

С. Н. Андріанов 39. Архітектура сучасних обчислювальних машин




Скачати 230.28 Kb.
Сторінка1/3
Дата конвертації22.03.2017
Розмір230.28 Kb.
  1   2   3

С.Н.Андріанов

39. Архітектура сучасних обчислювальних машин

1. Основні концепції архітектури «звичайних» обчислювальних машин

Будь ВМ повинна розглядатися як деякий програмно-апаратний комплекс, що забезпечує реалізацію деякого класу алгоритмів обробки інформації. У процесі роботи ВМ всі її компоненти взаємодіють один з одним деяким чином. При цьому способи взаємодії можуть бути розділені на наступні рівні:

1. Нижчий рівень: на рівні електричних сигналів.

Пра́ця - цілеспрямована діяльність людей зі створення матеріальних і духовних благ, необхідних для задоволення потреб кожного індивіда і суспільства в цілому.

Конце́пція (лат. conceptio - розуміння) - система поглядів, те або інше розуміння явищ і процесів; єдиний, визначальний задум.

Компонент (англ. component, нім. Komponente f) - різновид, складова частина чогось.

Алгори́тм (латинізов. Algorithmi за араб. ім'ям узб. математика аль-Хорезмі) - набір інструкцій, які описують порядок дій виконавця, щоб досягти результату розв'язання задачі за скінченну кількість дій; система правил виконання дискретного процесу, яка досягає поставленої мети за скінченний час.

Обробка інформації́ - вся сукупність операцій (збирання, введення, записування, перетворення, зчитування, зберігання, знищення, реєстрація), що здійснюються за допомогою технічних і програмних засобів, включаючи обмін по каналах передачі даних [6.

Комп'ютер (від англ. computer; лат. computator - обчислювач, лат. computatrum - рахувати, МФА: [kəmpjuː.Tə(ɹ)]) - програмно-керований пристрій для обробки інформації. Конструктивно це може бути механічний або немеханічний (електронний) пристрій, призначений для проведення обчислень, які можуть відбуватися дискретно або безперервно у часі.

Сигна́л - зміна фізичної величини (наприклад, температури, тиску повітря, світлового потоку, сили струму тощо), що використовується для пересилання даних. Саме завдяки цій зміні сигнал може нести в собі якусь інформацію.

2. Вищий рівень: на програмному рівні - взаємодія вузлів ВМ на рівні програмних модулів.

3. Функціональний рівень кожного окремого вузла: функція і її реалізація програмно-апаратними засобами (під цим поняттям і розуміється термін «Архітектура»).

Про п р е д е л е н н 1. Під архітектурою розуміється сукупність властивостей і характер обчислювальної машини (системи) - ВМ (ВС), розглянута з погляду користувача.

Про́даж - це оплатна передача майна однією особою у власність іншій особі.

Кори́стува́ч - той, хто користується чим-небудь - майном, землею, комп'ютером тощо.

Узагальнена структура ЕОМ

Принцип дії звичайної ЕОМ можна вважати копією звичайного процесу обчислень, виконуваного, наприклад, за допомогою калькулятора.

Етапи обчислень:

1. Визначення та завдання порядку обчислень.

2. завдання вихідних даних.

3. виконання обчислень (для отримання проміжних значень).

4. Отримання кінцевого результату.

Іншими словами будь-яка ВМ має 4 основних вузла:

В основі будь-ЕОМ лежать два фундаментальних поняття в обчислювальній техніці:

1.

Задача - проблемна ситуація з чітко визначеною метою, яку необхідно досягти; в більш вузькому сенсі задачею називають також цю саму мету, що дана в рамках проблемної ситуації, тобто те, що необхідно виконати.

Результат, пі́дсумок, (заст. ску́ток, вислід) - кінцевий наслідок послідовності дій. Можливі результати містять перевагу, незручність, вигоду, збитки, цінність і перемогу. Результат є етапом діяльності, коли визначено наявність переходу якості в кількість і кількості в якість.

Обчи́слення - є гілкою математики, зосередженою на функціях, похідних, інтегралах, і нескінченному ряду чисел. Цей предмет являє собою важливу частину сучасної математичної освіти. Воно складається з двох основних галузей - диференціального і інтегрального численнь, які пов'язують основні теореми обчислення.

Озна́чення, ви́значення чи дефіні́ція (від лат. definitio) - роз'яснення чи витлумачення значення (сенсу) терміну чи поняття. Слід зауважити, що означення завжди стосується символів, оскільки тільки символи мають сенс що його покликане роз'яснити означення.

Електро́нна обчи́слювальна маши́на (скорочено ЕОМ) - загальна назва для обчислювальних машин, що є електронними (починаючи з перших лампових машин, включаючи напівпровідникові тощо) на відміну від електромеханічних (на електричних реле тощо) та механічних обчислювальних машин.

Поняття алгоритму.

2. Принцип програмного керування.

Принцип (лат. principium - начало, основа) - це твердження, яке сприймається як головне, важливе, суттєве, неодмінне або, принаймні, бажане. У повсякденному житті принципами називають внутрішні переконання людини, ті практичні, моральні та теоретичні засади, якими вона керується в житті, в різних сферах діяльності.

Числове́ програ́мне керува́ння (ЧПК) (англ. Computer numerical control) - комп'ютеризована система керування, яка зчитує командні інструкції спеціалізованої мови програмування (наприклад, G-код) і керує приводами метало-, дерево- чи пластмасообробних верстатів та верстатним оснащенням.

Про п р е д е л е н н 2. Алгоритм - деяка однозначно певна послідовність дій, що складається з формально заданих операцій над вихідними даними і призводить до вирішення за кінцеве число кроків.

Властивості алгоритмів:

1. Дискретність алгоритму (дія виконується по кроках, а сама інформація дискретна).

2. Детермінованість (скільки б разів один і той же алгоритм перестав реалізовувався для одних і тих же даних на одній і тій же ВМ результат буде одним і тим же).

3. Масовість - алгоритм «вирішує завдання» для різних даних з допустимого безлічі і завжди дає правильний результат).

Про п р е д е л е н н 3. Програма - опис алгоритму на якомусь мові.

Принцип програмного управління був сформульований угорським математиком і фізиків Джоном фон Нейманом, за участю Гольцтайна і берци в 1946 році.

Застосунок, застосовна програма, прикладна програма (англ. application, application software; пол. aplikacja; рос. приложение, прикладная программа) - користувацька комп'ютерна програма, що дає змогу вирішувати конкретні прикладні задачі користувача.

Детермінованість (determanancy) - властивість алгоритму, яка передбачає, що в ньому усі вказівки повинні бути чіткими й однозначними: значення величин, які отримуються в конкретний момент часу, повинні визначатися значеннями величин, отриманими в попередні моменти часу.

Уго́рці, мадя́ри (від угор. magyarok - «модьорок») - народ з фіно-угорської групи, основне населення Угорщини (98 % з 10,6 млн у 1977 році, 97,3 % з 10,2 млн у 2001 році, та тільки 78,2 % з 9 937 628 осіб в - 2011 році).

ППУ включає в себе кілька архітектурно-функціональних принципів:

1) Будь алгоритм представляється у вигляді послідовності керуючих слів - команд. Кожна окрема команда визначає простий (одиничний) крок перетворення інформації.

2) Принцип умовного переходу. У процесі обчислень залежно від отриманих

проміжних даних можливий автоматичний перехід на ту чи іншу ділянку програми.

3) Принцип збереженої програми. Команди в ЕОМ представляються в такій же кодируемой формі, як і будь-які дані, і зберігаються в такому ж оперативної запам'ятовуючому пристрої (ОЗП).

Автома́тика (грец. αύτόματος - самодіючий) - галузь науки і техніки, яка розробляє технічні засоби і методи для здійснення технологічних процесів без безпосередньої участі людини.

При́стрій (англ. device, appliance, нім. Vorrichtung f, Einrichtung f) - обладнання, конструктивно завершена технічна система, що має певне функціональне призначення і за допомогою якої виконується яка-небудь робота або спрощується, полегшується певний процес.

Це означає, що якщо розглядати вміст пам'яті, то без будь-якої команди неможливо розрізнити команди і дані. Отже, будь-які команди можна принципово обробляти як дані (інформація в ЕОМ відрізняється не поданням, а способом її використання).

4) Принцип двійкового кодування.

5) Принцип ієрархічності запам'ятовуючих пристроїв (ЗУ).

Четверте покоління. У 70-ті роки стали з'являтися машини 4-го покоління, які можна охарактеризувати наступними властивостями:

1) мультипроцесорну.

2) Паралельно-векторна обробка

3) Мови високого рівня.

4) З'являються перші мережі ЕОМ.

Характеристики машин 4-го покоління можна описати таким чином:

- Середня затримка сигналу порядку 0.7 н. / Вентиль (вентиль - елементарний логічний елемент комп'ютера);

Код (франц. code, від лат. codex) (англ. code, нім. Schlüssel m, Kennzahl f, Kode m) - зведення законів, система умовних знаків (символів, позначень) для передачі, обробки та зберігання (запам'ятовування) різноманітної інформації.

Ієра́рхія (грец. ίεράρχίά, від ίερσς - священний, та άρχή - влада) - поділ на вищі й нижчі посади, чини; суворий порядок підлеглості нижчих щодо посади або чину осіб вищим. В ієрархії між її членами діють вертикальні зв'язки - відносини субординації.

Логічний елемент - пристрій, призначений для обробки інформації в цифровій формі (послідовності сигналів високого - «1» і низького - «0» рівнів у двійковій логіці, послідовність «0», «1» та «2» в трійковій логіці, послідовності «0», «1», «2», «3», «4», «5», «6», «7», «8» та «9» в десятковій логіці).

- Вперше основна пам'ять - напівпровідникова (час вироблення даного з такої пам'яті 100-150 нс.

Напівпровідники́ (англ. semiconductors) - матеріали, електропровідність яких має проміжне значення між провідностями провідника та діелектрика. Відрізняються від провідників сильною залежністю питомої провідності від концентрації домішок, температури та різних видів випромінювання.

Ємність 1012 ÷ 1013 символів);

- Вперше застосовується апаратна реалізація оперативної системи;

- Модульне побудова стало застосовуватися і для програмних засобів. Основна увага машин 4-го покоління було направлено на сервіс (поліпшення спілкування

людини з ЕОМ).

П'яте покоління. Наприкінці 80-х з'являються машини 5-го покоління.

5-е покоління ЕОМ пов'язують зазвичай з переходом до мікропроцесорах. З точки зору структурної побудови характерна максимальна децентралізація управління.

Програмування - процес проектування, написання, тестування, зневадження і підтримки комп'ютерних програм. Програмування поєднує в собі елементи інженерії (існує навіть відповідна спеціальна галузь інженерії - програмна інженерія (англ. software engineering)

Мікропроце́сор (англ. microprocessor) - інтегральна схема, яка виконує функції центрального процесора (ЦП) або спеціалізованого процесора. Сьогодні слово мікропроцесор є практично повним синонімом слова процесор, оскільки функціональний блок, що на ранніх стадіях розвитку обчислювальної техніки займали цілу плату чи навіть шафу, тепер вміщається в одну невеличку інтегральну схему із сотнями мільйонів транзисторів всередині. З середини 1980-х мікропроцесори витіснили інші види ЦП. Проте загалом це не так: центральні процесорні пристрої деяких суперкомп'ютерів навіть сьогодні є складними комплексами великих (ВІС) і надвеликих (НВІС) інтегральних схем.

Децентралізація - процес перерозподілу або диспергування функцій, повноважень, людей або речей від центрального управління.

Програ́мне забезпе́чення (програ́мні за́соби) (ПЗ; англ. software) - сукупність програм системи обробки інформації і програмних документів, необхідних для експлуатації цих програм.

Аспект (лат. aspectus - вигляд, погляд) - поняття філософії (онтології, теорії пізнання). У філософії аспект розглядається

З точки зору програмного та математичного забезпечення - перехід на роботу в програмних середовищах і оболонках.

Математичне забезпечення (mathematical support) - сукупність методів, правил, математичних моделей і алгоритмів розв'язання задач;

Продуктивність 108 ÷ 109 операцій в секунду. Для 5-го і 6-го покоління характерні багатопроцесорні структури, створені на спрощених мікропроцесорах, яких дуже багато (вирішальні поля або середовища). При цьому розвиваються два діаметрально протилежних підходи:

1) Персоніфікація ресурсів.

2) Колективізація ресурсів (колективний доступ за допомогою мереж).

Класифікація ЕОМ.

ЕОМ класифікуються за:

1) призначення: зазвичай виділяють ЕОМ загального призначення і ЕОМ, орієнтовані на досить вузький клас задач.

Уособлення або Прозопопея - вид метафори - вираз, що дає уявлення про яке-небудь поняття або явище шляхом зображення його у вигляді живої особи і наділеного її властивостями. Наприклад, зображення у міфах греків і римлян щастя у вигляді капризної богині Фортуни тощо.

Діáметр кола - найдовша хорда. За величиною діаметр дорівнює двом радіусам.

Класифіка́ція (фр. , англ. classification походить від лат. classis - клас і facio - роблю) - система розподілення об'єктів (процесів, явищ) за класами (групами тощо) відповідно до визначених ознак. Інколи вживають термін категоризація у значенні «розподілення об'єктів на категорії».

2) Продуктивності: ЕОМ поділяються за величиною продуктивності.

3) Режим роботи:

- Однопрограмні ЕОМ;

- Мультипрограмному ЕОМ (ці ЕОМ повинні мати велику оперативну пам'ять, засоби управління часом, введення-виведення, засоби, що дозволяють виключити вплив програм один на одного).

- ЕОМ для побудови машинних і багатопроцесорних обчислювальних систем (додатково до мультипрограмним ЕОМ повинні реалізовувати функції взаємного обміну між ЕОМ).

Багатопроцесорність (англ. Multiprocessing) - це використання двох або більше центральних процесорів (CPU) в одній комп'ютерній системі. Термін також відноситься до здатності системи підтримувати більше одного процесора і/або здатність розділити завдання між ними.

Обчи́слювальна систе́ма (англ. computer system) - сукупність ЕОМ та їх програмного забезпечення, що призначені для організації ефективного обчислювального процесу;

- ЕОМ для роботи в системах реального часу, наприклад, для управління технічним процесом (ходом процесу скловаріння) або об'єктом (автопілотом).

Реальний час - режим роботи автоматизованої системи обробки інформації і керування, при якому враховуються обмеження на часові характеристики функціювання.

Тут пред'являються високі вимоги до можливості

швидкої обробки великого масиву даних від різних зовнішніх джерел (датчиків).

4) Способам структурної організації:

- Однопроцесорні;

- Багато (мульти) процесорні ЕОМ (основне призначення одержання

високої продуктивності - обчислювальні системи).

ВС зазвичай класифікують по Фліну. В її основі лежить спосіб організації паралелізму ВС (множинність).

Згідно Фліну існує 4 різновиду ВС:

1. Класифікація Флінна

У літературі часто використовується та чи інша схема класифікації комп'ютерних архітектур і однією з найбільш популярних є таксономія Флінна. В її основу покладено опис роботи комп'ютера з потоком команд і потоком даних.

Різновид (рос. разновидность, англ. species, sort, variation, variety, нім. Abart f) - у мінералогії - окремі члени мінерального виду змінного складу.

Таксоно́мія (від грец. τασσεῖν - «класифікація» і грец. νόμος - «закон», «наука») - термін, що має кілька значень.

Поті́к да́них (англ. data stream) в телекомунікаціях і програмуванні - це послідовність кодованих когерентних сигналів (пакетів даних) в цифровій формі, яка використовується, щоб передавати або отримати інформацію це знаходиться в передачі.

За Флинну прийнято класифікувати всі можливі архітектури комп'ютерів на чотири категорії:

1. SISD (Single Instruction Stream - Single Data Stream) - один потік команд і один потік даних;

2. SIMD (Single Instruction Stream - Multiple Data Stream) - один потік команд і безліч потоків даних;

3. MISD (Multiple Instruction Stream - Single Data Stream) - безліч потоків команд і один потік даних;

4. MIMD (Multiple Instruction Stream - Multiple Data Stream) - безліч потоків команд і безліч потоків даних.

Розглянемо цю класифікацію більш докладно.

SISD комп'ютери

SISD комп'ютери це звичайні, "традиційні" послідовні комп'ютери, в яких в

кожен момент часу виконується лише одна операція над одним елементом даних (числовим або яким-небудь іншим значенням).

Момент часу - точка на часовій осі. Про події, що відповідають одному моменту часу, говорять як про одночасні.

Більшість сучасних персональних ЕОМ, наприклад, потрапляє саме в цю категорію. Іноді сюди відносять і деякі типи векторних комп'ютерів, це залежить від того, що розуміти під потоком даних, але обговорювати ці деталі тут ми не будемо.

SIMD комп'ютери

SIMD комп'ютери складаються з одного командного процесора (керуючого модуля), званого контролером, і декількох модулів обробки даних, званих процесорними елементами.

Контро́лер (controller) - спеціалізований компонент системи, що призначений для управління зовнішніми пристроями комп'ютера: накопичувачами, відеосистемою та дисплеєм, принтерами тощо.

Більшість - велика частина чого-небудь, або кількісне переважання прихильників якоїсь ідеї чи рішення над їхніми противниками. Вважається найпершою засадою демократичного способу прийняття спільних рішень, головною й необхідною умовою обрання кандидата на виборну посаду.

Команди́р частини (підрозділу) - посадова особа командного складу в збройних силах, на котру покладено командування (керівництво) підрозділом, частиною (кораблем), з'єднанням. У більшості країн світу командир є єдиноначальником і несе особисту відповідальність за постійну бойову і мобілізаційну готовність ввіреної йому частини (підрозділу).

Обро́бка да́них - систематична цілеспрямована послідовність дій над даними. Обробка даних містить в собі множину різних операцій.

Керуючий модуль приймає, аналізує і виконує команди. Якщо в команді зустрічаються дані, контролер розсилає на всі процесорні елементи команду, і ця команда виконується на декількох або на всіх процесорних елементах. Кожен процесорний елемент має свою власну пам'ять для зберігання даних. Однією з переваг даної архітектури вважається те, що в цьому випадку більш ефективно реалізована логіка обчислень. До половини логічних інструкцій звичайного процесора пов'язане з управлінням виконанням машинних команд, а решта їх частина

ставиться до роботи з внутрішньою пам'яттю процесора і виконання арифметичних операцій.

Інструкція - правовий акт, який створюється органами державного управління для встановлення правил, що регулюють організаційні, науково-технічні, технологічні, фінансові та інші спеціальні сторони діяльності та відносин установ, закладів, підприємств, службових осіб.

Зберіга́ння - дія за значенням зберігати; технологічний процес.

Арифме́тика (дав.-гр. ἀριϑμητική - мистецтво лічби, вчення про числа, від дав.-гр. αριθμός - число) - наука про числа, їх властивості й операції над ними.

У програмуванні, команда - це наказ комп'ютерній програмі діяти як деякий інтерпретатор для вирішення задачі. У загальнішому випадку, команда - це зазначення деякому інтерфейсу (наприклад командній оболонці) командного рядка.

Арифметичні дії є двомісними операціями на множині чисел - на вході беруть два числа (операнда), і повертають одне число як результат.

У SIMD комп'ютері управління виконується контролером, а "арифметика" віддана процесорним елементам.

Векторні комп'ютери являють собою приклад архітектури SIMD.

MISD комп'ютери

Обчислювальних машин такого класу практично немає і важко навести приклад їх успішної реалізації. Один з небагатьох - систолічний масив процесорів, в якому процесори знаходяться у вузлах регулярної решітки, роль ребер якій грають межпроцессорной з'єднання. Всі процесорні елементи управляються загальним тактовим

  1   2   3


Скачати 230.28 Kb.

  • Принцип програмного керування
  • Програма