1. Понятие архитектуры ЭВМ. Языки, уровни и виртуальные машины ЭВМ




Название1. Понятие архитектуры ЭВМ. Языки, уровни и виртуальные машины ЭВМ
страница2/13
Дата публикации21.03.2013
Размер1.25 Mb.
ТипДокументы
vbibl.ru > Информатика > Документы
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13

UltraSPARC.

Первая ЭВМ этой архитектуры была создана в 1981 г. аспирантом Стэнфордского университета Энди Бехтольсхаймом с целью переноса популярной тогда операционной системы UNIX с PDP-11 и VAX на персональные компьютеры.

В то время как предыдущие машины работали только с символьными и числовыми данными, UltraSPARC с самого начала был предназначен для работы с мультимедиа. Помимо 64-битной архитектуры, появились 23 новые команды, в том числе команды для упаковки и распаковки пикселов из 64-битных слов, масштабирования и вращения изобра­жений, перемещения блоков, а также для компрессии и декомпрессии видео в ре­альном времени.

UltraSPARC предназначался для web-серверов с десятками процессоров и большой физической памятью. Тем не менее некото­рые версии UltraSPARC могут использоваться и в ноутбуках.
picoJava.

В середине 90-х годов фирмой Sun Microsystems был создан язык программирования Java. Это объектно-ориентированный язык, основанный на C++, с усиленными ограничениями в целях безопасности. Основное его назначение - разработка двоичных программ, которые могут вызываться пользователями через Интернет и загружаться как часть web-страниц. Однако Java может применяться и при решении других прикладных задач.

Чтобы разрешить проблему совместимости (ведь в сети работают различные компьютеры), компания Sun разработала новую виртуальную машину JVM (Java Virtual Machine). Память у этой машины состоит из 32-битных слов, машина поддерживает 226 простых команд, но выполнение некоторых из них требует большого количества циклов обращения к памяти.

^ 6. Общие функции и свойства процессоров. Архитектуры CISC и RISC
Центральный процессор (или просто процессор, если это не вызывает неоднозначностей) – главная компонента компьютера. Он выполняет программы, находящиеся в основной памяти. Программа состоит из отдельных команд. Процессор выбирает каждую команду из памяти, определяет ее тип и выполняет ее. Компоненты компьютера связаны друг с другом шиной. Она представляет собой набор параллельно соединенных проводников (проводов), по которым передаются данные и сигналы управления. Шины бывают внешними (связывают процессор с памятью и внешними устройствами) и внутренними (связывают элементы процессора).

Процессор состоит из нескольких частей. ^ Блок управления осуществляет выборку команд из памяти и определение их типов. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции. Центральный процессор содержит также внутреннюю память для хранения промежуточных результатов и некоторых команд управления. Она состоит из нескольких регистров, каждый из которых имеет свое предназначение. Содержимое регистров считывается и записывается с высокой скоростью.

Среди регистров обычно выделен счетчик команд. Он указывает на следующую выполняемую команду. Существует также регистр команд, который содержит очередную выполняемую команду. У большинства компьютеров имеются и другие регистры, одни из которых многофункциональны, а другие выполняют специфические функции (например, указатель стека).

Совокупность элементов процессора, по которым при выполнении программы перемещаются данные, принято называть трактом данных. Для процессора фон-неймановской архитектуры он состоит из регистров, АЛУ и нескольких соединяющих шин. Операнды (содержимое регистров или основной памяти) поступают во входные регистры АЛУ, над ними выполняется операция (сложение, вычитание, …), после чего результат помещается в выходной регистр АЛУ. Далее он может быть записан в регистр процессора или в память (обычно – на место одного из операндов). Этот процесс называется циклом тракта данных. Способы указания операндов в командах называются методами адресации.

Большинство команд можно разделить на два типа: “регистр-регистр” и “регистр-память” по признакам исходного расположения их операндов (методам адресации).

Центральный процессор выполняет типичную команду за несколько шагов:

  1. на основе счетчика команд выбирает очередную команду из памяти и помещает ее в регистр команд;

  2. меняет содержимое счетчика команд (чтобы он указывал на следующую команду в памяти);

  3. определяет тип выбранной команды;

  4. определяет местонахождение ее операндов;

  5. при необходимости переносит их в собственные регистры;

  6. выполняет операцию;

  7. при необходимости записывает результат в регистр или память;

переходит к шагу 1 для выполнения следующей команды.

^ 7. Возможности параллельного выполнения программ
Параллельное выполнение программ - это один из наиболее перспективных способов ускорения работы компьютеров, широко применяющийся в их современной архитектуре. Рассмотрим две его разновидности.
^ Параллелизм на уровне команд

В этом случае он осуществляется в пределах каждой команды. Как известно, главным препятствием высокой скорости выполнения команд является обращение к основной памяти для их выборки. Для частичного преодоления этой проблемы придумана технология предварительной выборки команд. Эти команды помещаются в специальный набор регистров - буфер упреждающей выборки.

Таким образом, процесс выполнения команды разделился на 2 этапа, которые могут параллельно выполняться различными элементами процессора.

альнейшим развитием явилась идея конвейера. Теперь команда подразделяется на большее количество этапов - стадий, параллельно по конвейерному принципу выполняемых различными частями аппаратуры. Далее придумали два конвейера в одном процессоре, каждый из которых содержит собственное АЛУ для параллельного выполнения операций. Такая организация называется суперскалярной архитектурой.
^ Параллелизм на уровне процессоров

Еще более повышает скорость выполнения программ наличие нескольких процессоров на одном компьютере. Существует несколько технологий, работающих в этом направлении.

Одна из них - векторные компьютеры. Существуют две разновидности векторных компьютеров. Массивно-параллельный процессор (array processor) состоит из большого количества (сотни) сходных процессоров, контролируемых общим блоком управления и выполняющих одну и ту же последовательность команд применительно к разным данным. Вторая разновидность - векторный процессор (vector processor). В отличие от первого варианта, он содержит не много, а один блок выполнения команд с конвейерной структурой. Он оперирует векторными регистрами, состоящими из наборов стандартных регистров. Регистры такого набора последовательно загружаются из памяти при помощи одной операции, каждый - при помощи одной операции. Машинные команды (например, сложение) выполняются одновременно попарно над элементами векторных регистров.

Еще одна технология использования нескольких процессоров - мультипроцессоры. При этой технологии имеются несколько независимых процессоров (включая и блоки управления), разделяющих общую память.

В отдельных случаях, когда требуется большое количество независимых процессоров (более 64-х), для решения одной задачи могут применяться мультикомпьютеры (высокопроизводительные кластеры), состоящие из связанных между собой независимых компьютеров с собственной памятью.

^ 8. Основная память компьютера. Роль кэш-памяти
Память - это составная часть аппаратуры компьютера, предназначенная для хранения программ и данных. Для памяти еще используется термин “запоминающее устройство”. Основная память - это самое быстрое запоминающее устройство, в котором программы и данные хранятся временно, в период выполнения программ.

Минимальной единицей памяти является бит - двоичный разряд, способный содержать одну двоичную цифру - 0 или 1. В компьютерах применяется двоичная арифметика.

Некоторые компьютеры наряду с двоичной арифметикой используют также и десятичную (например, большие IBM). Для этого применяется так называемый двоично-десятичный код. В этом случае для хранения одного десятичного разряда используются 4 бита.

Смежные двоичные разряды памяти группируются в ячейки. Ячейки последовательно нумеруются с нуля и номер ячейки называется ее адресом. В последние годы подавляющее число производителей выпускает компьютеры с ячейками по 8 разрядов - байтами. Подряд расположенные байты объединяются в слова (обычно - по 2, 4 или 8 байтов). Адресом слова считается адрес его начального байта, который обычно должен быть кратен размеру слова.

Порядок байтов в слове может быть прямым (соответствует общему порядку байтов, например, SPARC или большие IBM) или обратным (PDP 11, Intel).

Физически современная основная память компьютера обычно имеет модульную структуру. Группа микросхем (8, 16, …штук) монтируется на одну печатную плату. Ранее такой блок изготавливался в виде SIMM (Single Inline Memory Module - модуль памяти с односторонним расположением выводов - контактов). Он содержал обычно 8 микросхем по 4 Мб каждая. На один компьютер устанавливалось до 4-х модулей. Затем появились DIMM (Dual Inline Memory Module - модуль памяти с двусторонним расположением выводом). Объем одного DIMM - 64 Mb и выше. В мобильных устройствах используется модуль DIMM меньшего размера, который называется SO-DIMM (Small OutLine DIMM).
Еще один способ повысить быстродействие компьютера - использование кэш-памяти. Это небольшого объема быстрая память на микросхеме процессора. Основная идея ее применения состоит в том, что в ней хранятся наиболее часто используемые процессором слова информации. Было замечено, что во время выполнения программ периодически в течение некоторого промежутка времени используется лишь небольшой участок памяти, т.е. имеет место принцип локальности. Поэтому, когда определенное слово считывается для процессора из основной памяти, вместе с этим словом переносятся в кэш и соседние слова, которые могут использоваться при последующих запросах.

Для обеспечения такого обмена кэш-память с учетом принципа локальности делится на блоки фиксированного размера, которые называются строками кэш-памяти. Если обращение процессора к кэш-памяти оказывается безрезультатным, из основной памяти в кэш загружается целая строка с необходимым словом. (на обороте…)

^ 9. Внешняя память компьютера: магнитные диски
Внешняя память (или вспомогательная память) предназначена для постоянного хранения информации, которая может быть использована процессором лишь после загрузки в основную память. Она относительно недорога, имеет большие объемы, работает медленнее основной памяти.
^ Магнитный диск состоит из одного или нескольких алюминиевых или стеклянных дисков с магнитным слоем. Головка диска, содержащая индукционную катушку, двигается над его поверхностью на воздушной подушке. Диск вращается под головкой с высокой скоростью. Когда же головка проходит над намагниченной областью, в головке возникает положительный или отрицательный ток, что позволяет считывать записанные ранее биты.

Дорожкой диска называется круговая последовательность битов, записанных на диск за полный оборот. Каждая дорожка делится на секторы фиксированной длины (обычно 512 байтов). Между соседними секторами находится межсекторный интервал. Чтобы сохранить высокое качество поверхности и чистоту окружающей среды, диски герметично запечатываются. Такие диски называются винчестерами. Большинство магнитных дисков состоит из нескольких расположенных друг под другом пластин, каждая из которых снабжена своей головкой. Совокупность дорожек одного радиуса называется цилиндром.

С диском в компьютере связан контроллер - микросхема, которая им управляет.

Упрощенной разновидностью магнитного диска является дискета - одинарный гибкий диск. У дискет головка чтения-записи непосредственно касается поверхности.
До настоящего времени было разработано несколько видов магнитных дисков, аппаратные интерфейсы которых относятся к различным технологиям.

IDE (Integrated Drive Electronics) - устройство со встроенным контроллером. Его контроллер встроен в материнскую плату компьютера и способен обслуживать 2 диска. Способ адресации такого диска с использованием BIOS не позволяли программам обращаться к более чем 528 Мб дисковой памяти.

На смену этим дискам пришли EIDE (Extended IDE) - диски с поддержкой дополнительной схемы адресации - LBA (Logical Block Addressing). Контроллер EIDE может обслуживать 4 диска, имеет более высокую скорость передачи данных и может управлять приводом CD-ROM.

Следующим шагом явились диски с интерфейсом SCSI (Small Computer System Interface) - интерфейс малых вычислительных систем. Они не отличаются геометрией, но имеют более высокую скорость передачи данных.

Существуют и другие технологии, направленные на увеличение скорости обмена данными с магнитными дисками. К ним относится RAID (Redundunt Array of Independent Disks) - избыточный массив независимых дисков. Основной идеей здесь является наличие возле компьютера нескольких (до 7) внешних SCSI-дисков, которые благодаря подключенному RAID-контроллеру рассматриваются программным обеспечением как один большой диск с несколькими головками.




5уровень языков высокого уровня. Программы, написанные на этих языках, обычно транслиру­ются на уровень 3, 3.5 или 4. Трансляторы, которые обрабатывают эти программы, на­зываются компиляторами. К данному уровню часто относят также такие специализированные системы как интерпретаторы символьной математики.

На следующих уровнях можно было бы расположить разнообразные системы автоматизированного проектирования программ, системы искусственного интеллекта и т. д., выходом которых могут являться программы 5-го и более низких уровней.





Эта последовательность шагов (выборка-декодирование-выполнение) является основой работы всех цифровых компьютеров. Она может быть также смоделирована программно, т.е. команды, предназначенные для аппаратуры, могут выполняться не только самим процессором, но и интерпретатором, основанным на более простой системе команд (например, микрокомандах).
В начале 80-х возникла идея - упрощение команд и сокращение их количества до необходимого минимума. В результате удается вообще отказаться от интерпретации, скорость выполнения команд резко возрастает, а более сложные вычисления производятся с помощью обычных программ. Последняя технология получила название RISC (Reduced Instruction Set Computer - компьютер с сокращенным набором команд; обычно их около 50). Эта технология воплощена, например, в UltraSPARC II. Поскольку эта технология относительна новая, то к ее недостаткам можно отнести несовместимость со старым ПО.

В противоположность RISC, новая технология была названа ^ CISC (Complex Instruction Set Computer - компьютер с полным набором команд; их количество может составлять от 200 до 300). Типичными ее представителями являются DEC VAX, большие IBM, процессоры Intel.

Приведем основные принципы RISC-технологии как более строгой и современной.

  • Все машинные команды непосредственно выполняются аппаратурой.

  • Компьютер должен начинать выполнение большого количества команд (параллелизм).

  • Команды должны легко декодироваться (простые коды операций и методы адресации).

  • К памяти должны обращаться лишь команды загрузки и сохранения.

  • Должно существовать большое количество регистров (в связи с предыдущим пунктом).











Проще всего разработать смежную кэш-память, в которой наряду с командами хранятся и данные. Однако в настоящее время имеется тенденция к использованию разделенной кэш-памяти. В этом случае команды и данные хранятся в отдельной кэш-памяти. Разделенная память позволяет осуществлять параллельный доступ к командам и данным, что широко используется конвейерами. Разделенная память учитывает также тот факт, что команды программы обычно не меняются, и соответственно содержимое командной кэш-памяти не записывается обратно в основную память.

Действует еще одна тенденция конструирования кэш-памяти - разделение ее на уровни. Кэш-память первого уровня располагается на микросхеме процессора, второго - вне микросхемы, но внутри его корпуса, третьего - еще дальше и т. д.



1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13

Похожие:

1. Понятие архитектуры ЭВМ. Языки, уровни и виртуальные машины ЭВМ iconПараллельная обработка данных
Машины (эвм) разделяются на аналоговые(непрерывные) и дискретные машины, реализующие цифровые вычисления. Так как для обозначения...

1. Понятие архитектуры ЭВМ. Языки, уровни и виртуальные машины ЭВМ iconФизические основы элементной базы современных ЭВМ
Поколения ЭВМ и их элементная база. Роль полупроводниковых материалов в современных ЭВМ. Преимущества интегральных схем перед дискретными...

1. Понятие архитектуры ЭВМ. Языки, уровни и виртуальные машины ЭВМ iconАрхитектура ЭВМ связана с качествами машины, к-е влияют на ее взаимодействие...
Это обусловлено развитием техники. Зу ЭВМ имеет несколько уровней: 1 внутреннее зу – содержит информацию, обрабатываемую в нем в...

1. Понятие архитектуры ЭВМ. Языки, уровни и виртуальные машины ЭВМ iconМетодические указания по прохождению преддипломной практики и дипломному...
Методические указания к дипломному проектированию составлены и доц каф ЭВМ лебеденко Ю. И. и обсуждены на заседании кафедры ЭВМ факультета...

1. Понятие архитектуры ЭВМ. Языки, уровни и виртуальные машины ЭВМ iconКафедра «Электронных вычислительных машин» методические указания...
Методические указания к дипломному проектированию составлены и доц каф ЭВМ лебеденко Ю. И. и обсуждены на заседании кафедры ЭВМ факультета...

1. Понятие архитектуры ЭВМ. Языки, уровни и виртуальные машины ЭВМ iconПлан лекции: Виды и операции технического обслуживания Организация эксплуатации ЭВМ
Эвм силами и средствами персонала ЭВМ. При этом виде обслуживания предполагается проведение регламентных работ, контроль технического...

1. Понятие архитектуры ЭВМ. Языки, уровни и виртуальные машины ЭВМ iconПлан лекции: Задачи, решаемые вычислительными центрами Структура...
Создание вычислительных центров является способом повышения эффективности работы ЭВМ. Вычислительный центр объединяет технику различных...

1. Понятие архитектуры ЭВМ. Языки, уровни и виртуальные машины ЭВМ iconЛабораторная работа №1 по дисциплине «эксплуатацияэвми систем»
...

1. Понятие архитектуры ЭВМ. Языки, уровни и виртуальные машины ЭВМ iconКонтроль работы ЭВМ
Процесс определения технического состояния и поддержания работы ЭВМ включает 4 этапа

1. Понятие архитектуры ЭВМ. Языки, уровни и виртуальные машины ЭВМ iconУрокам тема №1: этапы решения задач на ЭВМ. Алгоритмизация. Основные понятия. Блок-схемы
Программно дидактическое обеспечение: ЭВМ типа ibm. Turbo-Pascal Обучающие программы. Тесты

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
vbibl.ru
Главная страница