Лекції (Центральні пристрої ЕОМ)
Центральні пристрої ЕОМ
Структура пам'яті ЕОМ, її склад та принцип дії
Для совр. ЕОМ характерна модульність та децентралізація управління. У результаті є магістральність, тобто. шинний принцип організації структури з урахуванням ієрархії побудови та управління ЕОМ, які забезпечують узгоджені, тобто. скоординовані пристрої ЕОМ та виконання необхідних операцій знизу нагору при управлінні зверху.
Ієрархічний принцип побудови та управління характерний не тільки для ЕОМ в цілому, але й для окремих її підсистем, зокрема для пам'яті, це пояснюється тим, що для користувачів бажано мати ЕОМ з ОЗУ великої ємності та високою швидкодією, проте однорівнева побудова пам'яті не дозволяє одночасно задовольняти цим параметрам, тому пам'ять совр. ЕОМ будується за багаторівневим пірамідальним принципом. Ядро процесора (ЦП) ЕОМ утворює процесор та процесорну пам'ять, що складається з ОЗУ та ПЗУ.
Для підвищення швидкодії до складу ЦП може входити СОЗУ (надоперативне ЗП) з невеликою ємністю та утворена з кількох десятків регістрів зі швидким часом доступу.
У СОЗУ зберігаються дані, які у обробці. Час зчитування у 10-20 разів менший, ніж у ОЗУ. За призначенням використовуються регістри поділяються нарегістри зберіганняірегістри зсуву.
пам'ять магазинного типу
пам'ять із вибіркою за змістом (асоціативна)
П
При записі слова у стекову пам'ять, вміст зміщується убікостаннього регістру
Якщо стек повністю заповнений, число з останнього регістру втрачається. Потім записується число вершину стека (RG1), зчитується з RG1. Після того, як число рахується, вміст стека зміщується у бік RG1.
У стек може бути завантажений у певній черговості ряд даних, які зчитуються зі стека у зворотному порядку. На цій властивості побудовано систему ариф. перетворень, званоїлогікою Лукашевича.
Звертання до ОЗУ буде необхідне лише за відсутності необхідної інформації в СОЗУ. Завдяки такому використанню СОЗУ скорочується кількість звернень до ОЗУ ЕОМ, отже підвищується її швидкодія.
Кеш-пам'ять може бути розміщена в кристалі МП (кеш-пам'ять 1ого рівня), або виконана у вигляді окремої м\ми (зовнішня кеш-пам'ять або кеш-пам'ять 2ого рівня)
1 рівень кеш-пам'яті P133 - 16 кб, час доступу - 5-10нс (обробка 32-бітного слова), пропускна спроможність до 667 Мб\с.
Зовнішня кеш-пам'ять до 1 Мб, час доступу
15нс, 64 бітне слова, пропускна спроможність 528 Мб\с.
Кеш-пам'ять призначена для прискорення вибірки команд та даних, самі програми користувачів та дані до них розміщуються у ОЗУ. Крім того, частина машинних програм, що забезпечують автоматичне керування обчисленнями і найчастіше, можуть розміщуватися в ПЗУ основної пам'яті.
На нижчих рівнях ієрархії використовують зовнішні ЗУ на магнітних носіях (нижча швидкодія, оч. велика ємність) Організація обміну інформаційними потоками ЗУ різних рівнів при децентралізованому управлінні цими пристроями дозволяють розглядати ієрархічну структуру пам'яті як єдину абстрактну віртуальну пам'ять. Узгоджена робота ЗУ всіх рівнів забезпечується під керуваннямпрограм ОС, при цьому користувач отримує можливість працювати з пам'яттю ОЗУ, що набагато перевищує ємність.
Центральний процесор (ЦП) ЕОМ.
Структура базового МП.
Основа ПК - ЦП - пристрій для виконання ариф. та лог. перетворень даних, звернення до ОЗУ і зовнішнім ЗУ, керувати кодом обчислювальних процесів.
В даний час велика кількість різних МП, різних за призначенням, функціональними можливостями, структурою та виконанням. Найбільш суттєвою класифікаційною ознакою всіх МП є кількість розрядів в оброблюваному блоці інформації. (8,16,32-бітові МП). Починаючи з МП 80846 кристалі МП розміщується арифм. співпроцесор для виконання операцій із плаваючою комою.
Intel розробила спеціальний МП overdrive, призначений для паралельної роботи з основним МП. Удосконалення, внесені Intel в МП зробили ПК серії IBMPC мультипрограмними, розрахованими на багато користувачів, багатозадачними.
Структура МП Intel:
До керуючих регістрів МП відноситься регістр прапора, кожен розряд якого має певне призначення. Усі прапори молодшого байта регістру встановлюються ариф. або балка. операціями.
Прапори старших байтів крім прапора переповнення встановлюються програмним шляхом.
Взаємодія елементів під час роботи МП.
Управління зовнішніми пристроями
ЕОМ крім ЦП і ВП, що утворюють ядро ЕОМ, що містять різні периферійні пристрої:
Передача інформації з периферійних пристроїв в ЕОМ називаєтьсяоперацією введення, в периферійний пристрій -операцією виведення.Продуктивність та ефективність ЕОМ визначається не тільки можливостями її ЦП та характеристиками ОП, а й складом периф. обладнання,його тих. даними та методом організації спільної роботи з ЕОМ.
При розробці систем I\O для ЕОМ особлива увага приділяється вирішенню таких проблем:
забезпечення реалізації ЕОМ зі змінним складом устаткування з допомогою забезпечення можливості роботи з різними наборами периф. обладнання, щоб користувач міг вибирати конфігурацію машини відповідно до її призначення і міг за необхідності доповнювати її новим обладнанням.
для високої ефективності використання ЕОМ повинна реалізовувати одночасно роботу над програмою та виконувати процедури I\Oс периф. обладнання.
спростити і стандартизувати процедури програмованих операцій I і зробити їх незалежними від особливостей пров. о.
забезпечити автоматичне розпізнавання та реакцію ядра ЕОМ на які у пер.о. ситуації (ступінь готовності, порушення у роботі)
Прагнення до підвищення продуктивності ЕОМ призвело до появи автономності зовнішніх пристроїв, починаючи з другого покоління для того, щоб забезпечити узгодження швидкості роботи з пристроями в ЕОМ.
Автономність зовніш. пристроїв змусило розробити певну технологію. звернення до зовніш. пристроям, тобто.інтерфейс.
Після уніфікації цієї технології з'явилося поняття стандартного інтерфейсу. Стандартизація інтерфейсів I\O дозволила змінювати конфігурацію ЕОМ шляхом зміни набору зовніш. пристроїв. У міру вдосконалення та розвитку ПЗ та апаратної частини, розширився і діапазон використання ЕОМ. В результаті виник комплекс засобів, що забезпечують зв'язок ядра ЕОМ з пров. різного типу та призначення. До цих засобів входять softyhardware (лінії зв'язку, шини, сигнали, ел. схеми, алгоритми, програми, призначені для забезпечення обміну інформацією) Весь цей комплексназиваєтьсяінтерфейсом.
Залежно від виду з'єднувальних пристроїв розрізняють:
внутрішній інтерфейс ЕОМ – поєднання елементів усередині системного блоку
інтерфейс I\Oдля сполучення різних пристроїв із системним блоком
інтерфейси міжмашинного обміну (напр., під час створення ЛВС)
Способи обміну ядра ЕОМ та зовнішніх пристроїв
Залежно від використовуваних програмних тех. засобів інтерфейси I\Oділяться на:
Залежно від ступеня участі ЦП в обміні даними в інформаційних системах застосовується 3 способи управління обмінами:
режим сканування (асинхронний)
прямий доступ до пам'яті
Режим скануванняє малопродуктивним, т.к. потрібно від ЦП виконання безліч дрібних операцій, що знижує швидкість передачі. Звідси а) ЦП завжди задіяний під управлінням внеш. обладнання та не може виконувати іншу роботу; б) при швидкодіючий пров. ЦП не встигає організувати своєчасний обмін.
Синхронний режим. ЦП також виконує основну роботу з організації обміну, але на відміну від режиму сканування, він не чекає на готовність пристрою, а робить парал. іншу роботу, однак у разі потреби зовніш. пристрій за допомогою переривань звертається до ЦП.
Для швидкого I\Oблоків даних і розвантаження ЦП від операційI\O використовуютьпрямий доступ до пам'яті (DMA),здійснює обмін даними між ОП і зовніш. пристроями автономно від ЦП. У цьому випадку пристрій-контролер прямого доступу, який перед початком обміну програмується ЦП, скільки і яких даних необхідно переслати з ОП, потім ЦП перемикається на іншу роботу.
звільнити ЦП від управління операціями I\O/
дозволяє ЦП вести паралельну роботу поруч із організацієюобміну між зовн. пристроями та ОЗУ. У результаті цей режим забезпечує швидкість обміну даними обмежену лише пропускною спроможністю каналу зв'язку між ОП і внеш. пристроями.
Класифікація обчислювальних систем (ВС)
У процесі розвитку та зміни поколінь ЕОМ можна назвати такі закономірності:
розвиток коштів ВТ відбувалося з урахуванням домінування класичної структури ЕОМ (архітектура фон Неймана) засновані на методах послідовних обчислень.
Основною метою вдосконалення ЕОМ було збільшення швидкодії та підвищення інтелектуальності обчислювальних засобів.
Вдосконалення ВТ мало комплексний характер (елементна база, структурна організація, ПЗ)
Вичерпання традиційних шляхів удосконалення ЕОМ як погляду класичної структури, і з погляду сучасної мікроелектроніки.
У зв'язку з кризою, що намітилася в галузі архітектури ЕОМ заснованої на класичній схемі фон Неймана були зроблені спроби для пошуку нових ідей і методів удосконалення ВТ.
Одним із шляхів удосконалення засобів є перехід до використання принципу паралельних обчислень, а також використання ідей побудови багатопроцесорних систем, об'єднаних у кілька об'єднаних ЦП чи ЕОМ. У цьому напрямі великої можливості для вдосконалення засобів ВТ, проте поки що відсутня єдина теоретична база, яка б підвела більш цілеспрямовано та оптимально розроблені нові варіанти ВТ.
З середини 60-х років. ХХ ст. надійшов розвиток ЗС з урахуванням вдосконалення мікроелектронної технології у своїй виникають нові тех. рішення: поділ процесів I\O та процесів обробки, множинний доступ та колективне використання обчислювальних ресурсів у просторі тачасу, з'явилися нові складніші режими роботи ЕОМ, і саме багатокористуватимуть. та багатопотокові.
Обчислювальна система -сукупність взаємодіючих процесорів або ЕОМ, а також відповідні пер. (засобів інтерфейсу і ПЗ), призначені для підготовки та вирішення завдань користувача. Відмінною особливістю ЗС від автономних ЕОМ є наявність у них кількох обчислювачів, що забезпечують паралельну обробку даних.
Шляхом створення ЗС прагнуть досягти наступнихцілей:
підвищення продуктивності за рахунок прискорення процесів обробки даних
підвищення надійності та достовірності обчислень
надання додаткових сервісних послуг тощо.
Режим паралельних обчислень ускладнює керування цим процесом. Цей пункт виконує ОС НД.
Найважливішими передумовами виникнення та розвитку ЗС є економічні чинники. Для класичної ЕОМ зв'язок вартості та продуктивності виражається квадратичною залежністю, званої «законом Гроша»:
, де С - вартість, П - продуктивність
Крім вартості з'являються додаткові переваги, а також. підвищення надійності (за рахунок децентралізованого управління процесами) та низку інших.
Основні принципи побудови ЗС:
можливість роботи ВС у різних режимах
модульність структури тех. та програмних засобів, що дозволяє модернізувати НД без докорінних змін
уніфікація та стандартизація тех. коштів та ПЗ
ієрархія управління обчислювальних процесів
адаптивність ПС до умов застосування
сервісне обслуговування користувачів
В даний час опеньків з розробки та використання ВС різного призначення.
НД можуть бутикласифікованіза призначенням та функціями, за типами та числом ЕОМ (або ЦП), з архітектури ЗС, режимів роботи, методів управління і т.д.
Основні -принцип структурної та функціональної організації ВС.