Архитектура ЭВМ и вычислительных систем. Максимов Н.В. и др.

5-е изд., перераб. и доп. - М.: 2013. - 512 с.

Рассмотрены вопросы организации и функционирования вычислительных устройств, машин и систем. Описаны логические, информационные, алгоритмико-вычислительные основы построения систем. Значительное внимание уделено архитектурам вычислительных машин и систем, их классификациям, составным компонентам - информационно-вычислительным средам и коммутационно-коммуникационным средам. В качестве примера подробно представлены технические, структурные, архитектурные компоненты персональных машин и средства их комплексирования. Для студентов учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по группе специальностей «Информатика и вычислительная техника».

Формат: pdf

Размер: 21 Мб

Смотреть, скачать: google.drive

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 3
Глава 1. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА И МАШИНЫ. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ 7
1.1. Вычислительные устройства и приборы, история вопроса 8
1.2. Информация, кодирование и обработка в ЭВМ 22
1.3. Логические основы и элементы ЭВМ 63
1.4. Технологии электронных схем 87
1.5. Алгоритмы и программы 100
Глава 2. АРХИТЕКТУРА И СТРУКТУРА ЭЛЕКТРОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН И СИСТЕМ 109
2.1. Классы вычислительных машин и систем 112
2.2. Узлы ЭВМ 129
2.3. Базовые представления об архитектуре ЭВМ 145
2.4. Классы и архитектуры вычислительных систем и суперкомпьютеров 155
Глава 3. ПРОЦЕССОРЫ: МИКРОАРХИТЕКТУРЫ И ПРОГРАММИРОВАНИЕ 210
3.1. Общее представление о структуре и архитектуре процессоров 210
3.2. Технологии повышения производительности процессоров и эффективности ЭВМ 216
3.3. Микроархитектуры процессоров 244
3.4. Системы команд х86. Макроассемблер 344
Глава 4. АРХИТЕКТУРЫ ОБРАМЛЕНИЯ. ИНТЕРФЕЙСЫ. ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ 394
4.1. Организация оперативной памяти 394
4.2. Конкретные системы памяти 406
4.3. Внутренние интерфейсы 427
4.4. Интерфейсы периферийных устройств и внешние интерфейсы 444
4.5. Архитектуры набора микросхем системной платы (чипсет) 451
Заключение 460
Список литературы 462
Приложение 1. Глоссарий терминов и сокращений (русский язык) 464
Приложение 2. Глоссарий терминов (английский язык) 480
Приложение 3. Набор команд х86 495

Рассмотрены вопросы организации и функционирования вычислительных устройств, машин и систем. Описаны логические, информационные, алгоритмико-вычислительные основы построения систем. Значительное внимание уделено архитектурам вычислительных машин и систем, их классификациям, составным компонентам - информационно-вычислительным
средам и коммутационно-коммуникационным средам. В качестве примера подробно представлены технические, структурные, архитектурные компоненты персональных машин и средства их комплексирования.
Для студентов учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по группе специальностей «Информатика и вычислительная техника».

Физическое представление обрабатываемой информации.
Здесь выделяют аналоговые (непрерывного действия); цифровые (дискретного действия); гибридные (на отдельных этапах обработки используются различные способы физического представления анных).

АВМ - аналоговые вычислительные машины, или вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией,
представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т. е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения):

ЦВМ - цифровые вычислительные машины, или вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, цифровой форме В силу универсальности цифровой формы представления информации
ЭВМ является более универсальным средством обработки данных.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение 3
Глава 1. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА. АЛГОРИТМЫ И ВЫЧИСЛЕНИЯ 7
1.1. Вычислительные устройства и приборы, история вопроса («Время - события - люди») 8
1.2. Классы вычислительных машин 20
1.3. Информация, кодирование, обработка в ЭВМ 33
1.4. Логические основы ЭВМ, элементы и узлы 65
1.5. Алгоритмы и программы 87
Глава 2. АРХИТЕКТУРА И СТРУКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН И СИСТЕМ 97
2.1. Базовые представления об архитектуре ЭВМ 97
2.2. Процессор, структура и функционирование 103
2.3. Технологии повышения производительности процессоров 115
2.4. Организация оперативной памяти 124
2.5. Интерфейсы 149
2.6. Внешние устройства 173
Глава 3. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ 227
3.1. Основные определения. Классы архитектур вычислительных систем 228
3.2. Примеры некоторых архитектур вычислительных систем 251
3.3. Обобщенные представления об архитектуре вычислительных машин, систем и сетей 264
3.4. Перспективные типы процессоров ЭВМ 269
3.5. Системы памяти 290
3.6. Коммуникационные среды 304
3.7. Коммутаторы для многопроцессорных вычислительных систем 311
3.8. Кластерные и массивно-параллельные системы различных производителей 322
Глава 4. ПЕРСОНАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ 334
4.1. Устройство ПК на процессорах Intel 336
4.2. Процессоры Intel 349
4.3. Режимы процессора. Система команд реального режима процессоров 180x86. Интерпретация в терминах Ассемблера (MASM) 368
4.4. Защищенный режим 419
4.5. BIOS и ее настройка 426
Заключение 435
Список литературы 440
Приложение 1. Глоссарий терминов и сокращений (русский язык) 443
Приложение 2. Глоссарий терминов (английский язык) 478
Приложение 3. Хронология информатики и вычислительной техники 496
Приложение 4. Основная таблица ASCII-символов и их кодировки.

Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Архитектура ЭВМ и вычислительных систем, Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И.И., 2005 - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.

Скачать pdf
Ниже можно купить эту книгу по лучшей цене со скидкой с доставкой по всей России.

	Выписка из ГОС СПО
	Пояснительная записка
	Цели и задачи дисциплины
	Требования к уровню освоения содержания дисциплины
	Объем дисциплины и виды учебной работы
	Разделы (темы) дисциплины
	Учебно – методическое обеспечение дисциплины
	Материально-техническое обеспечение дисциплины
	Формы контроля, перечень выносимых на зачет вопросов

1. Выписка из ГОС СПО

ОПД.00

Общепрофессиональные дисциплины

ОПД.05

Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: представление информации в вычислительных системах; архитектура и принципы работы основных логических блоков вычислительных систем; внутренняя организация процессора; регистры процессора; организация и принцип работы памяти; физическая, линейная, страничная, сегментная и виртуальная память; кэш-память; защищенный режим работы; управление памятью; виды адресации; шинная структура и виды шин; многозадачность; архитектуры процессоров; взаимосвязь с периферийными устройствами, организация и режимы работы процессора; основные команды процессора, рабочий цикл процессора использование прерываний, программы-отладчики; типы вычислительных систем и их архитектурные особенности, параллелизм и конвейеризация вычислений, классификация вычислительных платформ, преимущества и недостатки различных типов вычислительных систем

2. Пояснительная записка

Программа учебной дисциплины «Архитектура ЭВМ и вычислительных систем» предназначена для реализации государ ственных требований к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников по специальности Прикладная информатика среднего профессионального образования и является единой для всех форм обучения.

Учебная дисциплина «Архитектура ЭВМ и вычислительных сис тем» является общепрофессиональной дисциплиной, формирующей базовый уровень знаний для освоения специальных дисциплин.

Преподавание дисциплины должно иметь практическую направленность и проводиться в тесной взаимосвязи с общепрофессиональными дисциплинами: «Операционные системы и среды», «Основы алгоритмизации и программирования», «Дискретная математика», «Технические средства информатизации».

Рабочим учебным планом для данной дисциплины определено: теоретическое обучение 54 часа, практические и лабораторные занятия 30 часов, самостоятельная работа 24 часа, промежуточная аттестация установлена в форме зачета в конце четвертого семестра и в форме экзамена в конце пятого семестра.

3. Цели и задачи дисциплины

Целью курса является формирование у студентов представлений об устройстве и архитектуре современных ПК. Целью практических занятий является приобретение студентами навыков практической работы с комплектующими ПК. В задачи курса входит рассмотрение всех составных частей ПК и принципов их работы. Задачей практических занятий является непосредственное практическое ознакомление с компонентами ПК и правилами работы с ними, а так же рассмотрение некоторых аспектов диагностики возможных неисправностей и способов их устранения.

4. Требования к уровню освоения содержания дисциплины

В результате изучения дисциплины студент должен

иметь представление:

1. о роли и месте знаний по дисциплине в сфере профессиональной деятельности;
2. об основных проблемах и перспективах развития ЭВМ и вычислительных систем;

знать:

1. виды информации и способы ее представления в ЭВМ;
2. классификацию и типовые узлы вычислительной техники (ВТ);
3. архитектуру электронно-вычислительных машин и вычисли тельных систем;
4. назначение и принципы действия отдельных архитектурных конфигураций;

уметь:

1. выбирать рациональную конфигурацию оборудования в соот ветствии с решаемой задачей;
2. обеспечивать совместимость аппаратных и программных средств ВТ.

5. Объем дисциплины и виды учебной работы

Вид учебной работы	Всего часов	Семестры
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
Теоретическое обучение
Самостоятельная работа
Подготовка к зачету
Подготовка к экзамену
Вид итогового контроля	экзамен, зачет	зачет	экзамен

6. Разделы (темы) дисциплины)

№ темы	Наименование темы	Аудиторные занятия			Самостоятельная работа	Всего часов по курсу
		Теоретическое обучение	Лабораторные и практические занятия	Комбинированные
4-й семестр
	Введение в дисциплину
	Арифметические основы ЭВМ
	Представление информации в ЭВМ
	Логические основы ЭВМ, элементы и узлы.
	Основы построения ЭВМ
	Организация работы памяти компьютера
	Итого за 4-й семестр
5-й семестр
	Интерфейсы
	Режимы работы процессора.
	Современные процессоры
	Организация вычислений в вычислительных системах.
	Классификация вычислительных систем.
	Итого за 5-й семестр
	Итого за год

Тема 1. Введение в дисциплину

Роль и место знаний по дисциплине «Архитектура ЭВМ и вычис лительных систем» в сфере профессиональной деятельности. Представление информации в вычислительных системах.

История развития вычислительных средств. Классификация ЭВМ по физическому представлению обработки информации, поколени ям ЭВМ, сферам применения и методам исполнения вычислитель ных машин.

Тема 2 Арифметические основы ЭВМ.

Системы счисления. Виды адресации Непозиционные и позиционные системы счисления. Системы счисления, используемые в ЭВМ. Свойства по зиционных систем счисления. Перевод чисел из одной системы счисления в другую.

Представление чисел в ЭВМ: естественная и нормальная формы. Форматы хранения чисел в ЭВМ. Алгебраическое представление двоичных чисел: прямой, обратный и дополнительные коды. Опера ции с числами в прямом двоичном, восьмеричном и шестнадцатеричном кодах. Использование обратного и дополнительного двоич ных кодов для реализации всех арифметических операций с помо щью суммирующего устройства. Преимущество дополнительного кода по сравнению с обратным кодом.

Тема 3 Представление информации в ЭВМ

Виды информации и способы ее представления в ЭВМ. Класси фикация информационных единиц, обрабатываемых ЭВМ. Типы данных, структуры данных, форматы файлов. Числовые и нечисло вые типы данных и их виды. Структуры данных и их разновидности.

Кодирование символьной информации. Символьные коды: ASCII, UNICODE и др. Архитектура и принципы работы основных логических блоков вычислительных систем.

Кодирование графической информации. Двоичное кодирование звуковой информации. Сжатие информации. Кодирование видеоин формации. Стандарт MPEG. Внутренняя организация процессора.

Тема 4 Логические основы ЭВМ, элементы и узлы.

Базовые логические операции и схемы. Таблицы истинности. Схемные логические элементы ЭВМ: регистры, вентили, триггеры, полусумматоры и сумматоры. Таблицы истинности RS-, D- и Т-триггера. Защищенный режим работы

Логические узлы ЭВМ и их классификация. Сумматоры, дешиф раторы, программируемые логические матрицы, их назначение и применение. Организация и принцип работы памяти.

Тема 5 Основы построения ЭВМ.

Понятие архитектуры и структуры компьютера. Принципы (ар хитектура) фон Неймана. Основные компоненты ЭВМ. Основные типы архитектур ЭВМ. Управление памятью

Тема 6 Внутренняя организация процессора.

Регистры процессора. Основные команды процессора, рабочий цикл процессора использование прерываний, программы-отладчики

Реализация принципов фон Неймана в ЭВМ. Структура процес сора. Устройство управления: назначение и упрощенная функцио нальная схема. Регистры процессора: сущность, назначение, типы. Регистры общего назначения, регистр команд, счетчик команд, ре гистр флагов.

Структура команды процессора. Цикл выполнения команды. По нятие рабочего цикла, рабочего такта. Принципы распараллеливания операций и построения конвейерных структур. Классификация ко манд.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ): назначение и клас сификация. Структура и функционирование АЛУ.

Интерфейсная часть процессора: назначение, состав, функциони рование. Организация работы и функционирование процессора.

Тема 7 Организация работы памяти компьютера.

Кэш-память. Физическая, линейная, страничная, сегментная и виртуальная память

Иерархическая структура памяти. Основная память ЭВМ. Опера тивное и постоянное запоминающие устройства: назначение и ос новные характеристики.

Организация оперативной памяти. Адресное и ассоциативное ОЗУ: принцип работы и сравнительная характеристика. Виды адре сации. Линейная, страничная, сегментная память.

Кэш-память: назначение, структура, основные характеристики. Организация кэш-памяти: с прямым отображением, частично-ассоциативная и полностью ассоциативная кэш-память.

Динамическая память. Принцип работы. Обобщенная структур ная схема памяти. Режимы работы: запись, хранение, считывание, режим регенерации. Модификации динамической оперативной па мяти. Основные модули памяти. Наращивание емкости памяти.

Устройства специальной памяти: постоянная память (ПЗУ), пере программируемая постоянная память (флэш-память), видеопамять. Назначение, особенности, применение. Базовая система вво да/вывода (BIOS): назначение, функции, модификации.

Тема 8 Интерфейсы.

Понятие интерфейса. Классификация интерфейсов. Организация взаимодействия ПК с периферийными устройства ми. Чипсет: назначение и схема функционирования.

Общая структура ПК с подсоединенными периферийными уст ройствами. Системная шина и ее параметры. Интерфейсные шины и связь с системной шиной. Системная плата: архитектура и основные разъемы.

Внутренние интерфейсы ПК: шины ISA, EISA, VCF, VLB, PCI, AGP и их характеристики.

Интерфейсы периферийных устройств IDE и SCSI. Современная модификация и характеристики интерфейсов IDЕ/АТА и SCSI.

Внешние интерфейсы компьютера. Последовательные и парал лельные порты. Последовательный порт стандарта RS-232: назначе ние, структура кадра данных, структура разъемов. Параллельный порт ПК: назначение и структура разъемов.

Назначение, характеристики и особенности внешних интерфейсов USB и IEEE 1394 (FireWire). Интерфейс стандарта 802.11 (Wi-Fi).

Тема 9 Режимы работы процессора.

Шинная структура и виды шин . Режимы работы процессора. Характеристика реального режима процессора 8086. Адресация памяти реального режима.

Основные понятия защищенного режима. Адресация в защищен ном режиме. Дескрипторы и таблицы. Системы привилегий. Защита.

Переключение задач. Страничное управление памятью. Виртуализа ция прерываний. Переключение между реальным и защищенным режимами.

Тема 10 Основы программирования процессора.

Взаимосвязь с периферийными устройствами, организация и режимы работы процессора

Основы программирования процессора. Выбор и дешифрация команд. Выбор данных из регистров общего назначения и микро процессорной памяти. Обработка данных и их запись. Выработка управляющих сигналов.

Основные команды процессора: арифметические и логические команды, команды перемещения, сдвига, сравнения, команды ус ловных и безусловных переходов, команды ввода-вывода. Подпро граммы. Виды и обработка прерываний. Этапы компиляции исход ного кода в машинные коды и способы отладки. Использование от ладчиков.

Тема 11 Современные процессоры.

Основные характеристики процессоров. Идентификация процес соров. Совместимость процессоров. Типы сокетов. Многозадачность; архитектуры процессоров .

Обзор современных процессоров ведущих мировых производите лей.

Процессоры нетрадиционной архитектуры. Клеточные и ДНК-процессоры. Нейронные процессоры.

Тема 12. Организация вычислений в вычислительных системах.

Типы вычислительных систем и их архитектурные особенности, параллелизм и конвейеризация вычислений, классификация вычислительных платформ, преимущества и недостатки различных типов вычислительных систем.

Назначение и характеристики ВС. Организация вычислений в вычислительных системах. ЭВМ параллельного действия, понятия потока команд и потока данных. Ассоциативные системы. Матрич ные системы. Конвейеризация вычислений. Конвейер команд, конвейер дан ных. Суперскаляризация.

Тема 13 Классификация вычислительных систем.

Классификация ВС в зависимости от числа потоков команд и данных: ОКОД (SISD). ОКМД (SIMD), МКОД (MISD), МКМД (MIMD).

Классификация многопроцессорных ВС с разными способами реализации памяти совместного использования: UMA, NUMA, СОМА. Сравнительные характеристики, аппаратные и программные особенности.

Классификация многомашинных ВС: МРР, NDW и COW. Назна чение, характеристики, особенности.

Примеры ВС различных типов. Преимущества и недостатки раз личных типов вычислительных систем.

7.Учебно-методическое обеспечение дисциплины

Основная литература

1. [Электронный ресурс] Чекмарев Ю.В. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебное пособие. – М.: ДМК Пресс, 2009.
2. [Электронный ресурс] Догадин Н.Б. Архитектура компьютера: учебное пособие. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
3. [Электронный ресурс] Авдеев В.А. Периферийные устройства: интерфейсы, схемотехника, программирование: Учебное пособие. – М.: ДМК Пресс, 2009.

Дополнительная литература

1. [Электронный ресурс] Юров В.И. Assembler: Учебник для вузов. – СПб.: Питер, 2009.
2. [Электронный ресурс] Чекмарев Ю.В., Нечаев Д.Ю., Курушин В.Д., Киреева Г.И., Мосягин А.Б. Основы информационных технологий: учебное пособие. – М.: ДМК Пресс, 2009.
3. [Электронный ресурс] Чекмарев Ю.В. Локальные вычислительные сети: Учебное пособие. – М.: ДМК Пресс, 2009.
4. [Электронный ресурс] Прокди Р.Г., Дмитриев П.А., Финкова М.А. BIOS. Настройки. – СПб.: НиТ, 2009.

8. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Реализация учебной дисциплины требует наличия учебного кабинета для проведения теоретических занятий и компьютерного учебного кабинета для проведения практических работ.

Оборудование учебного кабинета:

1. столы и стулья для обучающихся;

1. маркерная доска;

Оборудование компьютерного учебного кабинета:

1. персональные компьютеры для обучающихся;
2. Мультимедийный проектор;
3. Экран;
4. Маркерная доска;
5. рабочее место преподавателя (ПК, принтер, стол, стул);

Программные средства обучения:

1. Операционная система GNU/Linux;
2. Интерпретатор Python;
3. Web Браузер;
4. СУБД MySQL 5.1;
5. Набор компиляторов gcc;
6. Текстовый редактор;
7. Среда разработки QtCreator;
8. Библиотека Qt4;

9. Формы контроля, перечень выносимых на зачет вопросов

Текущий контроль. Основной формой текущего контроля уровня теоретических знаний являются устные опросы на семинарских занятиях, формой текущего контроля уровня практических знаний и навыков являются контрольные и самостоятельные работы по отдельным темам, включая задачи и упражнения, предназначенные для самостоятельного внеаудиторного выполнения.

Вопросы к зачету

1. Одноразрядный полусумматор.
2. Многоразрядный сумматор.
3. Триггер.
4. Стек. Плоская и многосегментная модель памяти.
5. Статическая память. Применение и принцип работы. Основные особенности. Разновидности статической памяти.
6. Системы команд и классы процессоров: CISC, RISC, MISC, VLIM.

Вопросы к экзамену

1. Принцип работы Flash-памяти.
2. Технология ACPI и OnNow.
3. Интерфейс Serial ATA.

3. Учебно – методические материалы для студентов

Рабочей программой дисциплины «Архитектура ЭВМ и вычислительных сетей» предусмотрены аудиторные занятия в виде аудиторных занятий объеме 84 часа, а также самостоятельная работа студентов в объеме 24 часа.

Работа на теоретических занятиях. На теоретических занятиях студенты получают самые необходимые данные, во многом дополняющие учебник. Умение сосредоточено слушать лекции, активно, творчески воспринимать излагаемые сведения является непременным условием их глубокого прочного усвоения, а также развития умственных способностей.

Внимательное слушание и конспектирование материала предполагает интенсивную умственную деятельность студента. Слушая лекции, надо отвлечься от посторонних мыслей и думать только о том, что излагает преподаватель. Краткие записи лекций, конспектирование их помогает усвоить материал.

Внимание человека неустойчиво. Требуются волевые усилия, чтобы оно было сосредоточенным. Конспект является полезным тогда, когда записано самое существенное, основное. Это должно быть сделано самим студентом. Не надо стремиться записать дословно всю лекцию. Такое «конспектирование» приносит больше вреда, чем пользы. Некоторые студенты просят иногда лектора «читать помедленнее». Но лекция не может превратиться в лекцию-диктовку. Это очень вредная тенденция, ибо в этом случае студент механически записывает большое количество услышанных сведений, не размышляя над ним.

Запись лекций рекомендуется вести по возможности собственными формулировками. Желательно запись осуществлять на одной странице, а следующую оставлять для проработки учебного материала самостоятельно в домашних условиях. Конспект лучше подразделять на пункты, параграфы, соблюдая красную строку. Принципиальные места, определения, формулы следует сопровождать замечаниями: «важно», «особо важно», «Хорошо запомнить» и т.п. Целесообразно разработать собственную «маркографию» (значки, символы), сокращение слов. Не лишним будет и изучение основ стенографии. Работая над конспектом лекций, всегда следует использовать не только основную литературу, но и ту литературу, которую дополнительно рекомендовал лектор. Именно такая серьезная, кропотливая работа с лекционным материалом позволит глубоко овладеть знаниями.

Лабораторные и практические занятия. Лабораторные и практические занятия подразумевает решение практических задач, подготовку сообщения на заданную тему и участие в осуждении проблемы, затронуто сообщением. Сообщение должно занимать по времени не более 3 – 5 минут. Основной вид работы на семинаре – решение расчетно-графических задач.

Подготовка к практическому (лабораторному) занятию начинается с тщательного ознакомления с условиями предстоящей работы, т.е. с обращения к планам семинарских занятий. Определившись с проблемой, привлекающей наиболее внимание, следует обратиться к рекомендуемой литературе. Следует иметь в виду, что в семинаре участвует вся группа, а потом задание к практическому занятию следует распределить на весь коллектив. Задание должно быть охвачено полностью и рекомендованная литература должна быть освоена группой в полном объёме.

Для полноценной подготовки к практическому занятию чтения учебника недостаточно – в учебных пособиях излагаются только принципиальные основы, в то время как в монографиях и статьях на ту или иную тему поднимаемый вопрос рассматривается с разных ракурсов или ракурса одного, но в любом случае достаточно подробно и глубоко. Тем не менее, для того, чтобы должным образом сориентироваться в сути задания, сначала следует ознакомиться с соответствующим текстом учебника – вне зависимости от того, предусмотрена на лекциях в дополнение к данному семинару или нет. Оценив задание, выбрав тот или иной сюжет, и подобрав соответствующую литературу, можно приступать собственно к подготовке к семинару.

Тщательная подготовка к лабораторным и практическим занятиям, как и к лекциям, имеет определяющее значение: семинар пройдет так, как аудитория подготовилась к его проведению. Самостоятельная работа – столп, на котором держится вся подготовка по изучаемому курсу. Готовясь к практическим занятиям, следует активно пользоваться справочной литературой: энциклопедиями, словарями, альбомами схем и др. Владение понятийным аппаратом изучаемого курса является необходимостью.

Правила поведения на лабораторных и практических занятиях:

1. на занятия желательно являться с запасом сформулированных идей и знаниями методик для расчетно-аналитического анализа.
2. если вы что-то решили произнести на семинаре, то пусть это будет нечто стоящее – не следует сотрясать воздух пустыми фразами;
3. выступления должны быть по возможности компактными и в то же время вразумительными, не занимайте эфир надолго. Старайтесь не перебивать говорящего, это некорректно; замечания, возражения и дополнения следуют обычно по окончанию текущего выступления.

На семинаре идет не проверка подготовки к занятию (подготовка есть необходимое условие), но степень проникновения в суть материала, обсуждаемой проблемы или методики решения задачи. Поэтому беседа идти не по содержанию прочитанных работ; преподаватель будет ставить проблемные вопросы, не се из которых могут прямо относиться к обработанной литературе.

Самостоятельная работа. Студент в процессе обучения должен не только освоить учебную программу, но и приобрести навыки самостоятельной работы. Самостоятельная работа студентов играет важную роль в воспитании сознательного отношения самих студентов к овладению теоретическими и практическими знаниями, привитии им привычки к направленному интеллектуальному труду. Очень важно, чтобы студенты не просто приобретали знания, но и овладевали способами их добываниями.

Самостоятельная работа проводиться с целью углубления знания по дисциплине и предусматривает:

1. изучение отдельных разделов тем дисциплины;
2. чтение студентами рекомендованной литературы и усвоение теоретического материала дисциплины;
3. подготовку к практическим занятиям;
4. работу с Интернет-источниками, базами данных;
5. подготовку к различным формам контроля;
6. решение расчетно-графических работ;
7. написание реферата по выбранной тематике.

Последовательность всех контрольных мероприятий изложена в календарном плане, который доводится до сведения каждого студента в начале семестра.

Планирование времени на самостоятельную работу, необходимого на изучение настоящей дисциплины, студентам лучше всего осуществлять на весь семестр, предусматривая при этом регулярное повторение пройденного материала. Материал, законспектированный на лекциях, необходимо регулярно дополнять сведениями из литературных источников, представленных в рабочей программе.

Для расширения знаний по дисциплине необходимо использовать Интернет ресурсы и специализированные базы данных: проводить поиск в различных системах и использовать материалы сайтов, рекомендованных преподавателем на лекционных занятия.

Подготовка к сессии. Каждый учебный семестр заканчивается аттестационными испытаниями: зачетно-экзаменационной сессией

Подготовка к экзаменационной сессии и сдача зачетов и экзаменов является ответственейшим периодом в работе студента. Серьезно подготовиться к сессии и успешно сдать все экзамены – долг каждого студента. Рекомендуется так организовать учебную работу, чтобы перед первым днем начала сессии были сданы и защищены все практические работы, предусмотренные графиком учебного процесса.

Основное к подготовке к сессии – это повторение всего материала, курса или предмета, по которому необходимо сдать зачет. Только тот успевает, кто хорошо усвоил учебный материал.

Если студент плохо работал в семестре, пропускал лекции и семинары, слушал их невнимательно, не конспектировал, не изучал рекомендованную литературу, то в процессе подготовки к сессии ему придется не повторять уже знакомое, а заново в короткий срок изучать весь материал. А это зачастую, оказывается невозможно сделать из-за нехватки времени. Для такого студента подготовка к экзаменам будет трудным, а иногда и непосильным делом, а финиш – отчисление из учебного заведения.

При подготовке к сессии следует весь объем работы распределять равномерно по дням, отведенным для подготовки, контролировать каждый день выполнения работы. Лучше, если можно перевыполнить план. Тогда всегда будет резерв времени.

Преподавание учебной дисциплины «Архитектура ЭВМ и вычислительных сетей» осуществляется с учетом уже имеющихся у студентов знаний по философии, социологии. Практическую направленность дисциплины определяет знакомство с теоретическими и практическими методами оценки эффективности проектов. Основными формами проведения занятий с целью осмысления дисциплины являются аудиторные занятия. Для организации эффективного процесса усвоения материала студентами возможно использование различных форм: лекций, дискуссий, решение расчетных заданий, игровых форм, современных мультимедийных технологий и др.

Внеаудиторные занятия осуществляются путем организации и руководством самостоятельной работы студентов.

Для более глубокого изучения предмета преподаватель предоставляет студентам информацию о возможности использования по разделам дисциплины Интернет – ресурсов.

При наличии академических задолженностей по практическим занятиям, связанных с их пропусками преподаватель должен выдать задание студенту в виде контрольных заданий по пропущенной теме занятия.

Для контроля знаний студентов по данной дисциплине необходимо проводить текущий и промежуточный контроль.

Текущий контроль проводиться с целью определения качества усвоения лекционного материала. Наиболее эффективным является его проведение в письменной форме – по контрольным вопросам, тестам, расчетным заданиям и т.п. Контроль проводиться в виде сдачи всеми без исключения студентами контрольных заданий. В материалы письменных опросов студентов включаются и темы, предложенные им для самостоятельной подготовки. В течение работы над освоением дисциплины студенты, руководствуясь календарным планом, выполняют контрольные работы и практические задания.

Система оценки успеваемости

Данная система базируется, во-первых, на праве преподавателя самостоятельно определять содержание и методику своего курса и, во-вторых, на праве студента выбирать свой путь достижения желаемого результата.

Подразумевается, что научная работа студента является неотъемлемой частью образовательного процесса, смыслом становится не столько его ориентирование на усвоение готовых истин, а совместный с преподавателем и другими студентами поиск решения реальных жизненных проблем. Что в значительной степени определяет содержание и методы процесса обучения.

Может предусматриваться сначала входной тестовый контроль базовых знаний студентов и им же может заканчиваться курс обучения. Таким образом, определяется результативность обучения.

5. Материалы, устанавливающие содержание и порядок проведения текущего контроля и промежуточных аттестаций.

Вопросы к зачету

1. ЭВМ с Фон-Неймановской архитектурой.
2. Принцип организации ЭВМ с Фон-Неймановской архитектурой.
3. Представление информации в ЭВМ. Виды информации.
4. Представление информации в ЭВМ. Системы счисления.
5. Представление информации в ЭВМ. Представление целых двоичных чисел без знака.
6. Представление информации в ЭВМ. Представление целых двоичных чисел со знаком.
7. Особенности выполнения в ЭВМ сложения двоичных чисел со знаком и без.
8. Реализация логических операций. Логическая операция И.
9. Реализация логических операций. Логическая операция ИЛИ.
10. Реализация логических операций. Логическая операция НЕ и вентильные схемы.
11. Одноразрядный полусумматор.
12. Одноразрядный полный сумматор.
13. Многоразрядный сумматор.
14. Триггер.
15. Организация запоминающего устройства с произвольной выборкой (RAM).
16. Адресное и ассоциативное ОЗУ: принцип работы и сравнительная характеристика.
17. Виды адресации. Линейная, страничная, сегментная память.
18. Стек. Плоская и многосегментная модель памяти.
19. Кэш-память: назначение, структура, основные характеристики.
20. Статическая память. Применение и принцип работы. Основные особенности. Разновидности статической памяти.
21. Базовая структура вычислительной машины.
22. Базовая структура вычислительной машины. Центральный процессор.
23. Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Структура и функционирование АЛУ.
24. Устройство управления: назначение и упрощенная функциональная схема.
25. Регистры общего назначения, регистр команд, счетчик команд, регистр флагов.
26. Базовая структура вычислительной машины. Шинная организация ЭВМ.
27. Структура команды процессора. Классификация команд. Примеры.
28. Упрощенный цикл выполнения команд процессором в ЭВМ.
29. Понятие рабочего цикла, рабочего такта.
30. Принципы распараллеливания операций и построения конвейерных структур.
31. Системы команд и классы процессоров: CISC, RISC, MISC, VLIM.

Вопросы к экзамену

1. История развития вычислительных машин. Поколения ЭВМ. Обзор устройства и основные принципы работы ЭВМ.
2. Процессоры. Основные производители. Ядра и линейки. Корпуса. Сокеты и слоты. Материнская плата.
3. Понятие системного чипсета. Основные производители и характеристики. Чипсеты с локальной шиной. Мосты. Хабовая архитектура.
4. Устройство системной памяти. Виды памяти и их принципы функционирования.
5. Понятие системной шины. ISA, MCA, EISA, VLB, PCI, AGP, PCI-Express (EV6, HyperTransport.)
6. Архитектура контроллеров IDE и SerialATA. Основные характеристики.
7. Устройство жесткого диска. Логическая и физическая адресация данных.
8. Технология SMART. Перспективные технологии.
9. Оптические диски. Перспективные технологии.
10. Внешние носители информации. Iomega, ZIP, JAZZ, LS-120, MO-Drive.
11. Принцип работы Flash-памяти.
12. Подходы к улучшению производительности дисковой подсистемы. Уровни RAID.
13. Порты COM, IrDa, LPT. Шина USB.
14. Технология ACPI и OnNow.
15. Интерфейс Serial ATA.
16. Видеокарты. Эволюция и архитектура видеокарт. RAMDAC. Основные производители.
17. 3D-ускорители. Характеристики производительности. Z-буфер. Виды фильтрации.
18. Звуковые карты. Основные характеристики. Методы синтеза звука и эффекты. Виды звуковых карт.
19. Технологии пространственного звука.(QSound, HRTS+CC).
20. Технологии пространственного звука. Решения Sensaura. Технологии MacroFX, ZoomFX, EnvironmentFX..
21. Технологии пространственного звука. (EAX, A3D)
22. Мониторы. Архитектура CRT-мониторов. Характеристики. Виды масок.
23. Мониторы. Стандарты защиты TSO и NPRII.
24. Архитектура LCD-мониторов. Пассивная и активная матрица. Понятие TFT. Другие виды мониторов (PDP, FED, LEP).
25. Принтеры: ромашковые, матричные, струйные, лазерные, твердочернильные и термосублимационные.
26. Сетевые платы. Сетевые стандарты (10baze2, 10baze5, 10bazet, FDDI). Модемы. Протоколы связи, сжатие, коррекция ошибок. Технология ADSL.
27. Понятие петафлопа. Гиперкомпьютер. Кластер.

^

Классификация вычислительных систем

Вычислительные машины за свою полувековую историю прошли стремительный и впечатляющий путь, отмеченный частыми сменами поколений ЭВМ. В этом процессе развития можно выявить целый ряд закономерностей:

 весь период развития средств электронной вычислительной техники (ЭВТ) отмечен доминирующей ролью классической структуры ЭВМ (структуры фон Неймана), основанной на методах последовательных вычислений;

 основным направлением совершенствования ЭВМ является неуклонный рост производительности (быстродействия) и интеллектуальности вычислительных средств;

 совершенствование ЭВМ осуществлялось в комплексе (элементно-конструкторская база, структурно-аппаратурные решения, системно-программный и пользовательский, алгоритмический уровни);

 в настоящее время наметился кризис классической структуры ЭВМ, связанный с исчерпанием всех основных идей последовательного счета. Возможности микроэлектроники также не безграничны, давление пределов ощутимо и здесь.

Дальнейшее поступательное развитие вычислительной техники напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям, с идеями построения многопроцессорных систем и сетей, объединяющих большое количество отдельных процессоров и (или) ЭВМ. Здесь появляются огромные возможности совершенствования средств вычислительной техники. Но следует отметить, что при несомненных практических достижениях в области параллельных вычислений до настоящего времени отсутствует их единая теоретическая база.

Термин вычислительная система появился в начале - середине 60-х гг. при появлении ЭВМ III поколения. Это время знаменовалось переходом на новую элементную базу - интегральные схемы. Следствием этого явилось появление новых технических решений: разделение процессов обработки информации и ее ввода-вывода, множественный доступ и коллективное использование вычислительных ресурсов в пространстве и во времени. Появились сложные режимы работы ЭВМ - многопользовательская и многопрограммная обработка.

Отражая эти новшества, и появился термин “вычислительная система”. Он не имеет единого толкования в литературе, его иногда даже используют применительно к однопроцессорным ЭВМ. Однако общим здесь является подчеркивание возможности построения параллельных ветвей в вычислениях, что не предусматривалось классической структурой ЭВМ.

Под вычислительной системой (ВС) будем понимать совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для подготовки и решения задач пользователей. 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.

Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложняет управление вычислительным процессом, использование технических и программных ресурсов. Эти функции выполняет операционная система ВС.

Самыми важными предпосылками появления и развития вычислительных систем служат экономические факторы. Анализ характеристик ЭВМ различных поколений показал, что в пределах интервала времени, характеризующегося относительной стабильностью элементной базы, связь стоимости и производительности ЭВМ выражается квадратичной зависимостью - “законом Гроша”.

С эвм =К 1 . П 2 эвм

Построение же вычислительных систем позволяет существенно сократить затраты, так как для них существует линейная формула:

С эвм =К 2 . П i

Где Сэвм , Cвс - соответственно стоимость ЭВМ и ВС; К1 и К2 - коэффициенты пропорциональности, зависящие от технического уровня развития вычислительной техники; Пэвм , Пi - производительность ЭВМ и i-roиз n комплектующих вычислителей (ЭВМ или процессоров).

На рис. 10.1 представлены графики изменения стоимости вычислений для ЭВМ и ВС. Для каждого поколения ЭВМ и ВС существует критический порог сложности решаемых задач Пкр , после которого применение автономных ЭВМ становится экономически невыгодным, неэффективным. Критический порог определяется точкой пересечения двух приведенных зависимостей.

Рис. 10.1. Зависимость стоимости Свс и Сэвм от производительности

Кроме выигрыша в стоимости технических средств, следует учитывать и дополнительные преимущества. Наличие нескольких вычислителей в системе позволяет совершенно по-новому решать проблемы надежности, достоверности результатов обработки, резервирования, централизации хранения и обработки данных, децентрализации управления и т.д.

Основные принципы построения, закладываемые при создании 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;

Иерархия в организации управления процессами;

Способность систем к адаптации, самонастройке и самоорганизации;

Обеспечение необходимым сервисом пользователей при выполнении вычислений.

В настоящее время накоплен большой практический опыт в разработке и использовании ВС самого разнообразного применения. Эти системы очень сильно отличаются друг от друга своими возможностями и характеристиками. Различия наблюдаются уже на уровне структуры.

^ Структура ВС - это совокупность комплексируемых элементов и их связей. В качестве элементов ВС выступают отдельные ЭВМ и процессоры. В ВС, относящихся к классу больших систем, можно рассматривать структуры технических, программных средств, структуры управления и т.д.

Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы: по целевому назначению и выполняемым функциям, по типам и числу ЭВМ или процессоров, по архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы, степени разобщенности элементов вычислительной системы и др. Однако основными из них являются признаки структурной и функциональной организации вычислительной системы.

^ По назначению вычислительные системы делят на универсальные и специализированные. Универсальные ВС предназначаются для решения самых различных задач. Специализированные системы ориентированы на решение узкого класса задач. Специализация ВС может устанавливаться различными средствами:

Во-первых, сама структура системы (количество параллельно работающих элементов, связи между ними и т.д.) может быть ориентирована на определенные виды обработки информации: матричные вычисления, решение алгебраических, дифференциальных и интегральных уравнений и т.п. Практика разработки ВС типа суперЭВМ показала, чем выше их производительность, тем уже класс эффективно решаемых ими задач;

Во-вторых, специализация ВС может закладываться включением в их состав специального оборудования и специальных пакетов обслуживания техники.

По типу вычислительные системы различаются на многомашинные и многопроцессорные ВС. Многомашинные вычислительные системы (ММС) появились исторически первыми. Уже при использовании ЭВМ первых поколений возникали задачи повышения производительности, надежности и достоверности вычислений. Для этих целей использовали комплекс машин, схематически показанный на рис. 10.2, а.

Положения 1 и 3 электронного ключа (ЭК) обеспечивало режим повышенной надежности. При этом одна из машин выполняла вычисления, а другая находилась в “горячем” или “холодном” резерве, т.е. в готовности заменить основную ЭВМ. Положение 2 электронного ключа соответствовало случаю, когда обе машины обеспечивали параллельный режим вычислений. Здесь возможны две ситуации:

А) обе машины решают одну и ту же задачу и периодически сверяют результаты, решения. Тем самым обеспечивался режим повышенной достоверности, уменьшалась вероятность появления ошибок в результатах вычислений. Примерно по такой же схеме построены управляющие бортовые вычислительные комплексы космических аппаратов, ракет, кораблей. Например, американская космическая система “Шатл” содержала пять вычислительных машин, работающих по такой схеме;

Б) обе машины работают параллельно, но обрабатывают собственные потоки заданий. Возможность обмена информацией между машинами сохраняется. Этот вид работы относится к режиму повышенной производительности. Она широко используется в практике организации работ на крупных вычислительных центрах, оснащенных несколькими ЭВМ высокой производительности.

Схема, представленная на рис. 10.2, a , была неоднократно повторена в различных модификациях при проектировании разнообразных специализированных ММС. Основные различия ММС заключаются, как правило, в организации связи и обмена информацией между ЭВМ комплекса. Каждая из них сохраняет возможность автономной работы и управляется собствен ной ОС. Любая другая подключаемая ЭВМ комплекса рассматривается как специальное периферийное оборудование. В зависимости от территориальной разобщенности ЭВМ и используемых средств сопряжения обеспечивается различная оперативностьих информационного взаимодействия. Характеристика возможных уровней и средств взаимодействия изложена в п.10.3.

Рис. 10.2. Типы ВС: а - многомашинные комплексы; б - многопроцессорные системы

Многопроцессорные вычислительные системы (МПС) строятся при комплексировании нескольких процессоров (рис. 10.2, б). В качестве общего ресурса они имеют общую оперативную память (ООП). Параллельная работа процессоров и использование ООП обеспечиваются под управлением единой общей операционной системы. По сравнению с ММС здесь достигается наивысшая оперативность взаимодействия вычислителей-процессоров. Многие исследователи считают, что использование МПС является основным магистральным путем развития вычислительной техники новых поколений.

Однако МПС имеют и существенные недостатки. Они в первую очередь связаны с использованием ресурсов общей оперативной памяти. При большом количестве комплексируемых процессоров возможно возникновение конфликтных ситуаций, когда несколько процессоров обращаются с операциями типа “чтение” и “запись” к одним и тем же областям памяти. Помимо процессоров к ООП подключаются все каналы (процессоры ввода-вывода), средства измерения времени и т.д. Поэтому вторым серьезным недостатком МПС является проблема коммутации абонентов и доступа их к ООП. От того, насколько удачно решаются эти проблемы, и зависит эффективность применения МПС. Это решение обеспечивается аппаратурно-программными средствами. Процедуры взаимодействия очень сильно усложняют структуру ОС МПС. Накопленный опыт построения подобных систем показал, что они эффективны при небольшом числе комплексируемых процессоров (2,4 до 10). В отечественных системах Эльбрус обеспечивалась возможность работы до десяти процессоров, до 32 модулей памяти, до 4 процессоров ввода-вывода и до 16 процессоров связи. Все связи в системе обеспечивались коммутаторами.

Создание подобных коммутаторов представляет сложную техническую задачу, тем более что они должны быть дополнены буферами для организации очередей запросов. Для разрешения конфликтных ситуаций необходимы схемы приоритетного обслуживания. До настоящего времени в номенклатуре технических средств ЭВТ отсутствуют высокоэффективные коммутаторы общей памяти.

^ По типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения ВС, различают однородные и неоднородные системы. Однородные системы предполагают комплексирование однотипных ЭВМ (процессоров), неоднородные - разнотипных. В однородных системах значительно упрощаются разработка и обслуживание технических и программных (в основном ОС) средств. В них обеспечивается возможность стандартизации и унификации соединений и процедур взаимодействия элементов системы. Упрощается обслуживание систем, облегчаются модернизация и их развитие. Вместе с тем существуют и неоднородные ВС, в которых комплексируемые элементы очень сильно отличаются по своим техническим и функциональным характеристикам. Обычно это связано с необходимостью параллельного выполнения многофункциональной обработки. Так, при построении ММС, обслуживающих каналы связи, целесообразно объединять в комплекс связанные, коммуникационные машины и машины обработки данных. В таких системах коммуникационные ЭВМ выполняют функции связи, контроля получаемой и передаваемой информации, формирования пакетов задач и т.д. ЭВМ обработки данных не занимаются не свойственными им работами по обеспечению взаимодействия в сети, а все их ресурсы переключаются на обработку данных. Неоднородные системы находят применение и в МПС. Многие ЭВМ, в том числе и ПЭВМ, могут использовать сопроцессоры: десятичной арифметики, матричные и т.п.

^ По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ВС делятся на системы совмещенного (сосредоточенного) и распределенного(разобщенного) типов. Обычно такое деление касается только ММС. Многопроцессорные системы относятся к системам совмещенного типа. Более того, учитывая успехи микроэлектроники, это совмещение может быть очень глубоким. При появлении новых СБИС (сверхбольших интегральных схем) появляется возможность иметь в одном кристалле несколько параллельно работающих процессоров.

Совмещенные и распределенные ММС сильно различаются оперативностью взаимодействия в зависимости от удаленности ЭВМ. Время передачи информации между соседними ЭВМ, соединенными простым кабелем, может быть много меньше времени передачи данных по каналам связи. Как правило, все выпускаемые в мире ЭВМ имеют средства прямого взаимодействия и средства подключения к сетям ЭВМ. Для ПЭВМ такими средствами являются нуль-модемы, модемы и сетевые карты как элементы техники связи.

^ По методам управления элементами ВС различают централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением. Помимо параллельных вычислений, производимых элементами системы, необходимо выделять ресурсы на обеспечение управления этими вычислениями. В централизованных ВС за это отвечает главная, или диспетчерская, ЭВМ (процессор). Ее задачей являются распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия. Централизованный орган управления в системе может быть жестко фиксирован или эти функции могут передаваться другой ЭВМ (процессору), что способствует повышению надежности системы. Централизованные системы имеют более простые ОС. В децентрализованных системах функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процессор) системы сохраняет известную автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. С развитием ВС и, в частности, сетей ЭВМ интерес к децентрализованным системам постоянно растет.

В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Перераспределение функций осуществляется в ходе вычислительного процесса исходя из сложившейся ситуации.

^ По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жестким и плавающим закреплением функций. В зависимости от типа ВС следует решать задачи статического или динамического размещения программных модулей и массивов данных, обеспечивая необходимую гибкость системы и надежность ее функционирования.

^ По режиму работы ВС различают системы, работающие в оперативном и неоперативном временных режимах. Первые, как правило, используют режим реального масштаба времени. Этот режим характеризуется жесткими ограничениями на время решения задач в системе и предполагает высокую степень автоматизации процедур ввода-вывода и обработки данных.

Наибольший интерес у исследователей всех рангов (проектировщиков, аналитиков и пользователей) вызывают структурные признаки ВС. От того, насколько структура ВС соответствует структуре решаемых на этой системе задач, зависит эффективность применения ЭВМ в целом. Структурные признаки, в свою очередь, отличаются многообразием: топология управляющих и информационных связей между элементами системы, способность системы к перестройке и перераспределению функций, иерархия уровней взаимодействия элементов. В наибольшей степени структурные характеристики определяются архитектурой системы.

С середины 60-х годов существенно изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо независимой разработки аппаратуры и некоторых средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из совокупности аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на первый план выдвинулась концепция их взаимодействия. Так возникло принципиально новое понятие - архитектура ЭВМ.

Подархитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.

Архитектура ЭВМ охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих множество факторов. Среди этих факторов важнейшими являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации, а одним из главных компонентов архитектуры являются аппаратные средства. Основные компоненты архитектуры ЭВМ можно представить в виде схемы, показанной на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Основные компоненты архитектуры ЭВМ

Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки узлы и т. д.) и описывает связи внутри средства во всей их полноте. Архитектура же определяет правила взаимодействия составных частей вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой это необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она регламентирует не все связи, а наиболее важные, которые должны быть известны для более грамотного использования данного средства.

Так, пользователю ЭВМ безразлично, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемно или программно реализуются команды и т. д. Важно другое: как те или иные структурные особенности ЭВМ связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю, какие альтернативы реализованы при создании машины и по каким критериям принимались решения, как связаны между собой характеристики отдельных устройств, входящих в состав ЭВМ, и какое влияние они оказывают на общие характеристики машины. Иными словами, архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, относящихся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.

Только через 100 лет на базе появившихся электронных приборов эта идея была развита американским математиком Джоном фон Нейманом. В основу построения подавляющего большинства ЭВМ положены следующие общие принципы, сформулированные им в 1945 году.

Прежде всего, компьютер должен иметь следующие устройства:

Арифметическо-логическое устройство, выполняющие арифметические и логические операции;

Устройство управления , которое организует процесс выполнения программ;

Запоминающее устройство , илипамять для хранения программ и данных;

Внешние устройства для ввода-вывода информации.

В основе работы компьютера лежат следующие принципы:

Принцип двоичного кодирования . Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.

Принцип программного управления . Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Принцип однородности памяти . Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Принцип адресности . Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Машины, построенные на этих принципах, называются Фон-Неймановскими.

Виды архитектуры ЭВМ (открытая, закрытая, Гарвардская).

Архитектура вычислительной машины - концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения

Архитектуры закрытого типа

Компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имеет возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.

Укрупненная схема такой компьютерной архитектуры приведена на рис. 1. Оперативная память хранит команды и данные исполняемых программ. Канал допускает подключение определенного числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы.

Рис. 1. Архитектура компьютера закрытого типа

Компьютеры такой архитектуры эффективны при решении чисто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализации компьютерных технологий, требующих подключения дополнительных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информацией.

Вычислительные системы с открытой архитектурой

Такая архитектура позволяет свободно подключать любые периферийные устройства, что обеспечивает свободное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполнительных механизмов. Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии со стандартом шины. Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использовании обшей шины, приведена на рис. 2.

Рис. 2. Архитектура компьютера открытого типа

Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Запоминающее устройство хранит исполняемые программы и данные и согласовано уровнями своих сигналов с уровнями сигналов самой шины. Внешние устройства, уровни сигналов которых отличаются от уровней сигналов шины, подключаются к ней через специальное устройство – контроллер. Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора. Процессор имеет специальные линии управления, сигнал на которых определяет, обращается ли процессор к ячейке памяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнего устройства.

Несмотря на преимущества, предоставляемые архитектурой с общей шиной, она имеет и серьезный недостаток, который проявлялся все больше при повышении производительности внешних устройств и возрастании потоков обмена информацией между ними. К общей шине подключены устройства с разными объемами и скоростью обмена, в связи с чем «медленные» устройства задерживали работу «быстрых». Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались «быстрые» устройства. Архитектура компьютера с общей и локальной шинами приведена на рис. 3.

Рис. 3. Архитектура компьютера с общей и локальной шиной

Контроллер шины анализирует адреса портов, передаваемые процессором, и передает их контроллеру, подключенному к общей или локальной шине.

Конструктивно контроллер каждого устройства размещается на общей плате с центральным процессором и запоминающим устройством или, если устройство не является стандартно входящим в состав компьютера, на специальной плате, вставляемой в специальные разъемы на общей плате – слоты расширения. Дальнейшее развитие микроэлектроники позволило размещать несколько функциональных узлов компьютера и контроллеры стандартных устройств в одной микросхеме СБИС. Это сократило количество микросхем на общей плате и дало возможность ввести две дополнительные локальные шины для подключения запоминающего устройства и устройства отображения, которые имеют наибольший объем обмена с центральным процессором и между собой.

Центральный контроллер играет роль коммутатора, распределяющего потоки информации между процессором, памятью, устройством отображения и остальными узлами компьютера.

Функциональный контроллер – это СБИС, которая содержит контроллеры для подключения стандартных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер, модем и т.д. Часто в состав этого контроллера входит такое устройство, как аудиокарта, позволяющая получить на внешних динамиках высококачественный звук при прослушивании музыкальных и речевых файлов.

Гарвардская архитектура

Гарвардская архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете с целью увеличить скорость выполнения вычислительных операций и оптимизировать работу памяти.

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток - высокую стоимость. При разделении каналов передачи адреса и данных на кристалле процессора, последний должен иметь в два раза больше выводов. Способом решения этой проблемы стала идея использовать общую шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой.

Часто требуется выбрать три составляющие - два операнда и инструкцию(в алгоритмах цифровой обработки сигналов это наиболее встречаемая задача в БПФ и КИХ, БИХ фильтрах). Для этого существует кэш-память. В ней может храниться инструкция - обе шины остаются свободными, и появляется возможность передать два операнда одновременно. Использование кэш-памяти вместе с разделёнными шинами получило название «Super Harvard Architecture» («SHARC») - расширенная Гарвардская архитектура.

Примером могут послужить процессоры «Analog Devices»: ADSP-21xx - модифицированная Гарвардская Архитектура, ADSP-21xxx(SHARC) - расширенная Гарвардская Архитектура.