Бикташев Р.А., Чернышев Н.И.

Организация ЭВМ и систем: Учеб. пособие. – Пенза: Издательство ЦНТИ, 2012.- 163с.

Учебное пособие посвящено вопросам организации структур и функционирования ЭВМ. Рассмотрены структуры и функционирование классических фон- неймановских машин, принципы организации системы команд, процессоров, памяти, шин, систем прерывания и ввода- вывода. Приведены примеры структур и реализации основных систем современных ПК.

Учебное пособие одобрено и рекомендовано методическим советом Пензенской государственной технологической академии для использования в учебном процессе.

 

УДК 681.3 (075)

 

 

общие сведения О эвм

Этапы развития ЭВМ

Идея использования программного управления для по­строения устройств, автоматически выполняющих арифмети­ческие вычисления, была впервые высказана английским мате­матиком Ч. Бэббиджем в 1833 г. Однако его попытки построить механическое вычислительное устройство с про­граммным управлением не увенчались успехом.

Фактически эта идея была реализована спустя более чем 100 лет, когда в 1942 г. К. Цюзе в Германии и в 1944 г. Г. Айкен в США построили вычислительные машины на электромагнитных реле с управлением от перфоленты, на которую записывалась программа вычислений.

Идея программного управления вычислительным процес­сом была существенно развита американским математиком Джорджем фон Нейманом, который в 1945 г. сформулировал принцип хранимой в памяти программы. Первые ЭВМ с программным управлением и с хранимой в памяти программой появились практически одновременно в Англии, США и СССР.

На протяжении более шести десятилетий электронная вычис­лительная техника бурно развивается. Появи­лись, сменяя друг друга, несколько поколений ЭВМ. Появление новых поколений ЭВМ вызывалось расширением областей и развитием методов их применения, требовавших более производительных, более дешевых и более надежных машин.

Поколение ЭВМ определяется совокупностью взаимосвя­занных и взаимообусловленных существенных особенностей и характеристик, используемых при построении машин, кон­структивно-технологической (в первую очередь элементной) базы и реализуемой в машине архитектуры.

Первое поколение образовали ламповые ЭВМ, промыш­ленный выпуск которых начался в начале 50-х гг. В качестве компонентов логических элементов использовались элек­тронные лампы. ЭВМ этого поколения характеризовались низкой надежностью и высокой стоимостью. Их быстродействие составляло всего 5 ¸ 8 тыс. опер/с.

Второе поколение ЭВМ появилось в конце 50-х годов. Элементной базой второго поколения ЭВМ были полупроводниковые приборы, благодаря чему повысилась их надежность, а производительность возросла до 30 тыс. опер/с. В рамках ЭВМ 2-го поколения академик Лебедев С.А. создал ЭВМ БЭСМ-6 с производительностью до 1 млн. опер/с.

С середины 60-х годов отсчитывается начало появления ЭВМ 3-го поколения. Их элементной базой стали интегральные микросхемы (ИМС). В рамках этого поколения фирма IBM создала систему машин IBM-360, в которых был использован ряд новых достижений в области вычислительной техники. Машины серии IBM-360, а затем и IBM-370, получили широкое распространение в мире. К этому времени в Пензенском научно- исследовательском институте математических машин (ныне АО “Рубин”) была разработана ЭВМ примерно такого же класса - Урал-16, однако заметное отставание СССР в области элементной базы не могло не сказаться на характеристиках отечественных ЭВМ. Поэтому правительством было принято решение о переходе на производство техники, разработанной фирмой IBM. В СССР она выпускалась под названием Единая Система ЭВМ (EC ЭВМ). Наиболее быстродействующая ЭВМ из этого ряда- ЕС 1065 выпускалась заводом ВЭМ (г. Пенза). Она выполняла до 5 млн. опер/с.

Конструктивно-технологической основой ЭВМ четвертого поколения являются большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) ИМС.

К четвертому поколению относятся реализованные на СБИС такие новые средства вычислительной техники, как ми­кропроцессоры и создаваемые на их основе микро-ЭВМ и микропроцессорные контроллеры. Ми­кропроцессоры и микро-ЭВМ нашли широкое применение в устройствах и системах автоматизации измерений, обработки данных и управления технологическими процессами, при по­строении различных специализированных цифровых устройств и машин.

Вычислительные возможности микро-ЭВМ оказались доста­точными для создания на их основе в рамках ЭВМ четвертого поколения, нового по ряду эксплуатационных характеристик и способу использования типа вычислительных устройств - персональных компьютеров (ПК), получивших в настоящее время широкое распространение.

К четвертому поколению относятся также многопроцессорные вычислительные системы, имеющие быстродействие в несколько сотен миллионов, или даже миллиард операций в секунду. К этому же поколению относятся управляющие комплексы на их основе с по­вышенной живучестью и надежностью, получаемых путем автоматической реконфигурации при выходе из строя одного или нескольких процессоров или других устройств.

Примером ранних отечественных вычислительных систем, которые сле­дует отнести к четвертому поколению, является многопроцес­сорный комплекс «Эльбрус-2» с суммарным быстродействием до 100 млн. опер/с. В центральном процессоре комплекса была реализована нетрадиционная система команд, приближенная к языкам высокого уровня. Представление программ осуществлялось в виде обратной польской записи. Для обработки программ применялся магазинный (стековый) механизм организации вычислений и обращений к памяти программ и данных.

В 90-е годы прошлого века определились контуры нового, пятого поколения ЭВМ. В значительной степени этому способствовали публикации сведений о проекте ЭВМ пятого поколения ведущих японских фирм, поставившими перед собой цель захвата в 90-х го­дах японской промышленностью мирового лидерства в обла­сти вычислительной техники. Поэтому этот проект часто называют “японским вызовом”. Согласно этому проекту ЭВМ и вычислительные системы пятого поколения, помимо более высокой производительности и надежности при более низкой стоимости, должны обладать качественно новыми свойствами. В первую очередь к ним относятся возможность взаимодействия с ЭВМ при помощи чело­веческой речи и графических изображений, способность си­стемы обучаться, производить ассоциативную обработку ин­формации, делать логические суждения, вести “разумную” беседу с человеком в форме вопросов и ответов. Вычислительные системы пятого поколения должны также “понимать” содержимое базы данных, которая при этом превращается в “базу знаний”, и использовать эти “зна­ния” при решении задач. В настоящее время исследования по подобным проблемам ведутся и в России.

 

Характеристики ЭВМ

Важнейшими характеристиками ЭВМ являются быстродействие и производительность. Эти характеристики тесно связаны. Быстродействие характеризуется числом команд B, выполняемых ЭВМ за одну секунду. Быстродействие можно вычислить как

B = 1/ t_K,

где t_K – время выполнения одной машинной команды. Однако процессор ЭВМ выполняет множество различных команд, время выполнения которых значительно отличается друг от друга. Поэтому быстродействие оценивается обычно по времени выполнения самой короткой команды.

Команды в процессоре выполняются по тактам, причём длительность такта t_T зависит от частоты тактового генератора f_T и определяется по формуле

t_T = 1/ f_T.

Если считать, что на выполнение машинной команды затрачивается w машинных тактов, то быстродействие можно определить как

B = fT / w (1)

Формула (1) является основной для вычисления быстродействия.

Одной из единиц измерения быстродействия была и остается величина, измеряемая в MIPS (Million Instructions Per Second — миллион операций в секунду). В качестве операций здесь обычно рассматриваются наиболее короткие операции типа сложения.

При решении научно-технических задач в программах превалируют операции с плавающей точкой, поэтому в этом случае используется характеристика быстродействия, выраженная в MFLOPS (Million Floating Point Operations Per Second — миллион операций с плавающей запятой в секунду).

Производительность — это число эталонных программ, выполняемых ЭВМ в единицу времени.

P=1/T,

где T- время выполнения эталонной программы, которое можно вычислить по формуле

,

где m_i- число команд i-го типа с временем выполнения t_i, h- число типов команд в эталонной программе. Тогда

(2)

Таким образом, производительность зависит от характера эталонной программы, т.е. сколько в ней команд различного типа: сложения, умножения, логических операций и др., имеющих разное время выполнения.

В настоящее время применяется характеристика эффективности Е, удобная при сравнении разных ЭВМ. Наиболее употребительное название этой характеристики - “стоимость-производительность”

E = S / P, (3)

где S- стоимость ЭВМ.

Несмотря на простоту формул (1), (2) и (3), определение характеристик быстродействия, производительности и эффективности представляет собой очень сложную задачу, поскольку в формулах в явном виде не учтены архитектурные параметры ЭВМ.

Для более точных комплексных оценок существуют тестовые наборы, которые можно разделить на три группы:

-наборы тестов фирм-изготовителей для оценивания качества собственных изделий (например, компания Intel для своих микропроцессоров ввела показатель iCOMP - Intel Comparative Microprocessor Performance);

-стандартные универсальные тесты для ЭВМ, предназначенных для крупномасштабных вычислений (например, пакет математических задач Linpack, по которому ведется список ТОР 500, включающий 500 самых производительных компьютерных установок в мире);

-специализированные тесты для конкретных областей применения компьютеров (например, для тестирования ПК по критериям офисной группы приложений используется тест Winstone 97-Business, для группы «домашних компьютеров» — WinBench 97-CPUMark 32, а для группы ПК для профессиональной работы — 3D WinBench 97-UserScene).

Результаты оценивания ЭВМ по различным тестам несопоставимы. Наборы тестов и области применения компьютеров должны быть адекватны. Наиболее применительной практикой для оценки производительности стало использование некоторого набора специально подобранных, реально используемых прикладных программ. Подбором таких приложений занимается некоммерческая организация под названием System Performance Evaluation Corporation (SPEC). Она публикует списки программ для различных прикладных областей и результаты тестирования многих имеющихся на рынке моделей компьютеров. Тесты постоянно обновляются. Так для компьютеров общего назначения тест трижды модифицировался, а самая новая версия была опубликована в 2000 году.

Коэффициент производительности SPEC вычисляется по формуле:

SPEC = TE / TT,

где TE - время выполнения программы на эталонном компьютере, TT – время выполнения программы на тестируемом компьютере. В качестве эталонного компьютера выбирается один из серийно выпускаемых компьютеров. Так для теста SPEC 2000 в качестве эталонного применяется рабочая станция UltraSPARC10 с тактовой частотой процессора 300 МГц.

Для проведения полного тестирования по очереди компилируются и выполняются все программы из списка SPEC, а затем вычисляется среднее геометрическое полученных результатов

SPEC = ,

где n - количество программ в тестовом наборе.

Таким образом, SPEC– коэффициент характеризует результат суммарного влияния всех факторов, от которых зависит производительность компьютера: компилятора, операционной системы, процессора и памяти.

Другой важнейшей характеристикой ЭВМ является емкость запоминающих устройств. Она измеряется количеством структурных единиц информации, которые одновременно можно разместить в памяти. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти.

Обычно отдельно характеризуют емкость оперативной памяти и емкость внешней памяти. Современные персональные ЭВМ могут иметь емкость оперативной памяти, равную 64- 256 Мбайтам и даже больше. Этот показатель очень важен для определения, какие программные приложения могут обрабатываться в машине.

Емкость внешней памяти зависит от ее типа. Емкость жесткого диска достигает нескольких десятков Гбайтов, емкость компакт-диска (CD-ROM) — сотни Мбайтов (640 Мбайт и выше). Емкость внешней памяти характеризует объем программного обеспечения и отдельных программных продуктов, которые могут устанавливаться в ЭВМ. Например, для установки операционной среды Windows XP (2002 г.) требуется объем памяти жесткого диска более 1,5 Гбайт и не менее 128 Мбайт оперативной памяти ЭВМ.

Надежность — это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного времени (стандарт ISO – международной организации стандартов -2382/14-78).

Точность — возможность различать почти равные значения (стандарт ISO — 2382/2-76). Точность получения результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, которая в зависимости от класса ЭВМ может составлять 32, 64 и 128 двоичных разрядов.

Во многих применениях ЭВМ не требуется большой точности, например при обработке текстов и документов, при управлении технологическими процессами. В этом случае достаточно воспользоваться 8- и 16-разрядными двоичными кодами. При выполнении же сложных математических расчетов следует использовать высокую разрядность (32, 64 и даже более). Программными способами диапазон представления и обработки данных 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 аппаратно-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.

 

Классификация средств ЭВТ

По виду представления обрабатываемой информации электронная вычислительная техника разделяется на аналоговую и цифровую.

В аналоговых вычислительных машинах (АВМ) обрабатываемая информация представляется аналоговыми значениями величин: тока, напряжения, угла поворота некоторого механизма и т.п. АВМ обеспечивают высокое быстродействие, но не высокую точность вычислений (0,001 — 0,01). Подобные машины мало распространены. Они используются в основном в проектных и научно-исследовательских учреждениях в составе стендов по отработке новых образцов техники. По назначению их можно рассматривать как специализированные вычислительные машины.

В настоящее время под словом ЭВМ обычно понимают цифровые вычислительные машины (ЦВМ), в которых числа и другая информация представляются в виде двоичных кодов. Именно эти машины из-за их универсальности являются самой массовой вычислительной техникой.

По быстродействию ЭВМ можно разделить на:

- суперЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач, для обслуживания крупнейших информационных банков данных;

- большие ЭВМ для комплектования вычислительных центров различного уровня, а также для управления сложными производственными и технологическими 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 микроконтроллеры, осуществляющие автоматизацию управления отдельными устройствами и механизмами.

С развитием сетевых технологий все больше начинает использоваться другой классификационный признак, отражающий место и роль ЭВМ в сети, а именно:

-мощные машины и вычислительные системы для управления сетевыми хранилищами информации;

-кластерные структуры;

-серверы;

-рабочие станции;

-сетевые компьютеры.

Мощные машины и вычислительные системы предназначаются для обслуживания крупных сетевых банков данных и банков знаний. По своим характеристикам их можно отнести к классу суперЭВМ, но в отличие от них они являются более специализированными и ориентированными на обслуживание больших потоков информации.

Кластерные структуры представляют собой многомашинные распределенные вычислительные системы, объединяющие несколько серверов. Это позволяет гибко управлять ресурсами сети, обеспечивая необходимую производительность, надежность, готовность и другие характеристики.

Серверы - это вычислительные машины и системы, управляющие определенным видом ресурсов сети. Различают файл-серверы, почтовые, коммуникационные, Web -серверы и др.

Рабочая станция ориентированна на работу профессиональных пользователей с сетевыми ресурсами. Персональная ЭВМ отличается от рабочей станции тем, что функционирует обычно в автономном режиме и предназначена в основном для непрофессиональных пользователей.

Сетевые компьютеры представляют собой упрощенные персональные компьютеры, вплоть до карманных ПК. Их основным назначением является обеспечение доступа к сетевым информационным ресурсам. Вычислительные возможности у них достаточно низкие.

Структуры ЭВМ

Обобщенная структура ЭВМ

 

Обобщенная структура ЭВМ приведена на рисунке 1.1. В состав ЭВМ входят: запоминающие устройства (ЗУ), процессор, устройства ввода и вывода (УВВ).

Процессор предназначен для обработки информации и управления ЭВМ в целом. Он состоит из 2-х частей: УУ - устройство управления (управляющий автомат), и АЛУ - арифметико-логическое устройство (операционный автомат). Обработку информации процессор осуществляет под управлением программы, хранящейся в запоминающем устройстве (ЗУ), которое является памятью ЭВМ.

 

Рисунок 1.1- Обобщенная структура ЭВМ

 

Память вычислительной машины является многоуровневой и состоит из оперативной памяти (ОП) и внешней памяти (ВП или ВЗУ). Оперативная память является основной памятью машины. При выключенном питании информация в ОП не сохраняется, поэтому для выполнения программы ее копия и необходимых для нее данных загружаются перед началом работы из внешней памяти. Внешняя память хранит программы и данные все время их существования, т.е. до момента их удаления пользователем с внешней памяти.

Устройства ввода предназначены для ввода программ и данных в ЭВМ, а также для осуществления запуска программ на обработку пользователем. Устройства вывода используются для выдачи результатов выполнения программ пользователю в виде текстовых, графических документов или в ином виде.

Все устройства ЭВМ соединены с процессором с помощью связей (шин), показанных на рисунке линиями со стрелками. Однако реальное соединение устройств значительно отличается от расположения их в обобщенной структуре. Так внешняя память функционально относится к памяти ЭВМ, но электрически подключается подобно устройствам ввода-вывода, с которыми она образует единое пространство, называемое периферией.

От структурной организации, т.е. от того, какие устройства входят в состав ЭВМ и как они соединены между собой, зависят многие её качества. При самом общем подходе можно говорить о двух типах структур, одна из которых основана на использовании единственной общей шины, другая на множестве шин (иерархии шин).