Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение icon

Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение


Скачать 412.31 Kb.
НазваниеАрхитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение
страница3/10
Размер412.31 Kb.
ТипРеферат
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

^ 3. Организация современного ПК


На быстродействие ПК влияет не только тип процессора, но и набор микросхем, помогающий этому процессору реализовать свои возможности. Обычно системные платы для процессоров Pentium строились на базе микросхем 430VX, 430 HX, 430 TX, а для процессоров Рentium Pro – 440 FX.

До сих пор системы, разработанные на базе процессора Рentium II, Celeron строились в основном с использованием чипсетов 440 FX, 440 LX и 440 BX, также чипсетов других фирм производителей SIS и VIA Apollo. Под процессора Рentium III разработаны в настоящее время свои наборы микросхем, например, Intel810, Intel810. Данные наборы микросхем совместимы не только с процессорами компании INTEL, но и другими компаниями, например, AMD и CYRIX.

Совместное применение нового процессора и старого набора микросхем обычно не дает реализовать процессору все его возможности.


^ Архитектура ПК на базе набор микросхем 440 LX



КВС



Шина 528 Мб/с


AGP 528 Мб/с


Шина PCI 133 Мб/с


Ultra DMA/33

IDE


Шина ISA


X-bus


Рис. 3.1.


^ 3.1. Структура системной платы на наборе микросхем 440 LX

Набор микросхем 440 LX позволяет разгрузить (132 Мб/с) шину PCI от жадного на ресурсы видеоадаптера и посадить последний на специально предназначенную для него (528 Мб/с) шину AGP.

Конструктивно набор состоит из двух устройств: выполненный в корпусе типа 492 BGA микросхемы 82443 LX (PAC или PCI AGP Controler) и заключенного в корпус типа 324 BGA многофункционального моста 82371 АВ (PIIX4 или PCI, ISA, IDE Accelerator).

Чипсет 440 LX позволяет использовать синхронную динамическую память (SDRAM), которая подключается через шину с пропускной способностью 528 мб/с. На долю же PCI остаются более медленные устройства.

Микросхему 82443 LX проще всего представить в виде четырехпортового “черного ящика”, включающего в себя четыре буфера данных и четыре арбитражных устройства, регулирующих транспортные потоки блуждающих по системе байтов (см. рис. 3.1).

В целом же архитектуру ПК нового поколения можно сравнить с кровеносной системой, состоящей из сосудов трех диаметров: 1 Гб/с “аорты”, соединяющей ядро Pentium II с кеш-памятью второго уровня, трех более узких сосудов AGPset с ядром процессора, SDRAM и графическим акселератором, а также с системой PCI.

^ 3.2. Типы системных плат на чипсете 440 LX

Применение набора увеличит быстродействие систем при выполнении целочисленных операций, действий с плавающей запятой и работе с мультимедия-приложеиями.

На данном чипсете комплектуются 3 типа системных плат:

AL 440LX – универсальной системной платы форм-фактора АХ, предназначенной для домашних и корпоративных систем;

NX 440LX - высокоинтегрированной системной платы, созданной для снижения совокупной стоимости владения ПК в корпоративной среде;

DK 440LX – системные платы с двухпроцессорной конфигурацией на основе процессора Pentium II, разработанной для рабочих станций начального уровня и выполнения бизнес-приложений высокого уровня.


^ 4. Функциональная и структурная организация процессоров


4.1. Классификация процессоров (CISC и RISC)

Двумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники являются архитектуры CISC и RISC. Основоположником CISC-архитектуры можно считать компанию IBM с ее базовой архитектурой /360, ядро которой используется с1964 года и дошло до наших дней, например, в таких современных мейнфреймах как IBM ES/9000.

Лидером в разработке микропроцессоров c полным набором команд (CISC - Complete Instruction Set Computer) считается компания Intel со своей серией x86 и Pentium. Эта архитектура является практическим стандартом для рынка микрокомпьютеров. Для CISC-процессоров характерно: сравнительно небольшое число регистров общего назначения; большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов; большое количество методов адресации; большое количество форматов команд различной разрядности; преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.

Основой архитектуры современных рабочих станций и серверов является архитектура компьютера с сокращенным набором команд (RISC - Reduced Instruction Set Computer). Зачатки этой архитектуры уходят своими корнями к компьютерам CDC6600, разработчики которых (Торнтон, Крэй и др.) осознали важность упрощения набора команд для построения быстрых вычислительных машин. Эту традицию упрощения архитектуры С. Крэй с успехом применил при создании широко известной серии суперкомпьютеров компании Cray Research. Однако окончательно понятие RISC в современном его понимании сформировалось на базе трех исследовательских проектов компьютеров: процессора 801 компании IBM, процессора RISC университета Беркли и процессора MIPS Стенфордского университета.

Разработка экспериментального проекта компании IBM началась еще в конце 70-х годов, но его результаты никогда не публиковались и компьютер на его основе в промышленных масштабах не изготавливался. В 1980 году Д.Паттерсон со своими коллегами из Беркли начали свой проект и изготовили две машины, которые получили названия RISC-I и RISC-II. Главными идеями этих машин было отделение медленной памяти от высокоскоростных регистров и использование регистровых окон. В 1981году Дж.Хеннесси со своими коллегами опубликовал описание стенфордской машины MIPS, основным аспектом разработки которой была эффективная реализация конвейерной обработки посредством тщательного планирования компилятором его загрузки.

Эти три машины имели много общего. Все они придерживались архитектуры, отделяющей команды обработки от команд работы с памятью, и делали упор на эффективную конвейерную обработку. Система команд разрабатывалась таким образом, чтобы выполнение любой команды занимало небольшое количество машинных тактов (предпочтительно один машинный такт). Сама логика выполнения команд с целью повышения производительности ориентировалась на аппаратную, а не на микропрограммную реализацию. Чтобы упростить логику декодирования команд использовались команды фиксированной длины и фиксированного формата.

Среди других особенностей RISC-архитектур следует отметить наличие достаточно большого регистрового файла (в типовых RISC-процессорах реализуются 32 или большее число регистров по сравнению с 8 - 16 регистрами в CISC-архитектурах), что позволяет большему объему данных храниться в регистрах на процессорном кристалле большее время и упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные. Для обработки, как правило, используются трехадресные команды, что помимо упрощения дешифрации дает возможность сохранять большее число переменных в регистрах без их последующей перезагрузки.

Ко времени завершения университетских проектов (1983-1984 гг.) обозначился также прорыв в технологии изготовления сверхбольших интегральных схем. Простота архитектуры и ее эффективность, подтвержденная этими проектами, вызвали большой интерес в компьютерной индустрии и с 1986 года началась активная промышленная реализация архитектуры RISC. К настоящему времени эта архитектура прочно занимает лидирующие позиции на мировом компьютерном рынке рабочих станций и серверов.

Развитие архитектуры RISC в значительной степени определялось прогрессом в области создания оптимизирующих компиляторов. Именно современная техника компиляции позволяет эффективно использовать преимущества большего регистрового файла, конвейерной организации и большей скорости выполнения команд. Современные компиляторы используют также преимущества другой оптимизационной техники для повышения производительности, обычно применяемой в процессорах RISC: реализацию задержанных переходов и суперскалярной обработки, позволяющей в один и тот же момент времени выдавать на выполнение несколько команд.

Следует отметить, что в последних разработках компании Intel (имеется в виду Pentium P54C и процессор следующего поколения P6), а также ее последователей-конкурентов (AMD R5, Cyrix M1, NexGen Nx586 и др.) широко используются идеи, реализованные в RISC-микропроцессорах, так что многие различия между CISC и RISC стираются. Однако сложность архитектуры и системы команд x86 остается и является главным фактором, ограничивающим производительность процессоров на ее основе.


^ 4.2.Принципы организации процессоров

4.2.1. Назначение и структура процессора

Процессор — центральная часть ЭВМ, организующая ее работу по заданной программе. Процессор объединяет в себе АЛУ и ЦУУ, с помощью которых рабочая программа интерпретируется в вычислительный процесс. Структура процессора зависит от принятой в ЭВМ системы счисления, формата данных и команд, системы команд, способов адресации и организации вычислительного процесса и принципа управления им, а также метода контроля и диагностики работы ЭВМ (см. рис. 4.1.).

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) совокупность блоков и узлов процессора, обеспечивающая выполнение арифметических и логических операций над операндами. Характер операции задается командой программы.

^ Центральное устройство управления (ЦУУ) - совокупность блоков и узлов процессора, обеспечивающая координирование работы всех устройств ЭВМ и управление ими для всех принятых в данной ЭВМ режимов работы. Процессор, АЛУ которого содержит один универсальный арифметическо-логический блок (АЛБ) для выполнения всех основных арифметических и логических операций, относят к процессорам универсального типа.

Процессор, АЛУ которого содержит несколько специализированных АЛБ, ориентированных на определенный тип выполняемых команд, относят к процессорам функционального типа.

По способу организации передачи и обработки информации различают процессоры последовательного, параллельного и параллельно-последовательного действия, по организации вычислительного процесса — на однопрограммные и мультипрограммные.

Процессоры последовательного и параллельно-последовательного действия применяют в тех случаях, когда к их быстродействию не предъявляют жестких требований. Модели процессоров имеют различные возможности для совмещения по времени работы отдельных функциональных блоков. Чем выше уровень совмещения, тем выше быстродействие процессора.


Структура микропроцессора


ШД

Внутренняя ШД


ШУ ША


Рис. 4.1.


Cache (запас) - обозначает быстродействующую буферную память между процессором и основной памятью (буфер данных, буфер адреса). Кэш служит для частичной компенсации разницы в скорости процессора и основной памяти - туда попадают наиболее часто используемые данные. Когда процессор первый раз обращается к ячейки памяти, ее содержимое параллельно копируется в кэш, и в случае повторного обращения в скором времени может быть с гораздо большей скоростью выбрано из кэша. При записи в память значение попадает в кэш, и либо одновременно копируется в память (схема Write Through - прямая или сквозная запись), либо копируется через некоторое время (схема Write Back - отложенная или обратная запись). При обратной записи, называемой также буферизованной сквозной записью, значение копируется в память в первом же свободном такте, а при отложенной (Delayed Write) - когда для помещения в кэш нового значения не оказывается свободной области; при этом в память вытесняются наименее используемая область кэша. Вторая схема более эффективна, но и более сложна за счет необходимости поддержания соответствия содержимого кэша и основной памяти.

^ 4.2.2. Основные регистры процессоров

Обычно процессоры разделены на две части: операционное устройство (ОУ) и шинный интерфейс (ШИ). Роль ОУ заключается в выполнении команд, в то время как ШИ подготавливает команды и данные для выполнения. ОУ содержит АЛУ и устройство управления УУ и регистры общего назначения. Эти устройства обеспечивают выполнение команд, арифметические вычисления и логические операции (см. рис. 4.2).

Три элемента ШИ - блок управления шиной, очередь команд и сегментные регистры - осуществляют три важные функции:

  1. ШИ управляет передачей данных на ОУ, в память и на внешние устройства ввода-вывода.

  2. Сегментные регистры управляют адресацией памяти.

  3. Выборка команд. Все программные команды находятся в памяти, и ШИ должен иметь доступ к ним для выборки их в очередь команд. ШИ должен "заглядывать вперед" и выбирать команды так, чтобы всегда существовала непустая очередь команд, готовых для выполнения.


ОУ и ШИ работают параллельно, причем ШИ опережает ОУ на один шаг. ОУ сообщает ШИ о необходимости доступа к данным в памяти или на устройство ввода-вывода. Кроме того, ОУ запрашивает машинные команды из очереди команд. Пока ОУ занято, ШИ выбирает следующую команду из памяти. Эта выборка происходит во время выполнения, что повышает скорость обработки.

^ Сегментные регистры

Сегментом называется область, которая начинается на границе параграфа, т.е. по любому адресу, кратному 16. Хотя сегмент может располагаться в любом месте памяти и иметь размер до 64 Кбайт, он требует столько памяти, сколько необходимо для выполнения программы.

Сегмент кодов (CS) содержит машинные команды, которые будут выполняться. Обычно первая выполняемая команда находится в начале этого сегмента и операционная система передает управление по адресу данного сегмента для выполнения программы. Регистр сегмента кодов (CS) адресует данный сегмент.

Сегмент данных (DS) содержит определенные данные, константы и рабочие области, необходимые программе. Регистр сегмента данных (DS) адресует данный сегмент.

Сегмент стека (SS) содержит адреса возврата как для программы при возврате в операционную систему, так и для вызовов подпрограмм при возврате в главную программу. Регистр сегмента стека (SS) адресует данный сегмент.

Еще один сегментный регистр - дополнительный регистр сегмента (ES) - предназначен для специального использования.

^ Регистры общего назначения

Регистр - совокупность устройств, используемых для хранения информации, и обеспечения быстрого доступа к ней.

Регистр (AX) является основным сумматором и применяется для всех операций ввода-вывода, некоторых операций над строками и некоторых арифметических операций.

Регистр (BX) является базовым регистром. Это единственный регистр общего назначения, который может использоваться в качестве индекса для расширенной адресации.

Регистр (CX) является счетчиком. Он необходим для управления числом повторений циклов и для операций сдвига или вправо. Регистр (CX) используется также для вычислений.

Регистр (DX) является регистром данных. Он применяется для некоторых операций ввода-вывода и тех операций умножения и деления над большими числами.

Регистровые указатели (SP и BP) обеспечивают системе доступ к данным в сегменте стека. Регистр (SP) обеспечивает использование стека в памяти, позволяет временно хранить адреса и иногда данные. Этот регистр связан с регистром (SS) для адресации стека. Регистр (BP) облегчает доступ к параметрам (данным и адресам, переданным через стек).

Индексные регистры (SI и DI) применяются для расширенной адресации и для использования в операциях сложения и вычитания. Регистр (SI) является индексом источника и применяется для некоторых операций над строками. Регистр (DI) является индексом назначения и применяется также для некоторых операций над строками.

Регистр командного указателя (IP) содержит смещение на команду, которая должна быть выполнена.

Флаговый регистр определяет текущее состояние машины и результаты выполнения операций (проверка четности, переполнения, переносов, знака).


Операционное устройство и шинный интерфейс




ОУ: Операционное устройство ШИ: Шинный интерфейс


Управление программами


Шина


Очередь команд


Рис. 4.2.


^ 4.2.3. Способы организации управления вычислительным процессом

При автоматическом выполнении программы процессором команды последовательно поступают из оперативной памяти (ОП) в ЦУУ на время их выполнения АЛУ. Интервал времени, в течение которого процессор выполняет команду, называют рабочим циклом ЭВМ. Величина рабочего цикла зависит от структуры команды, типа операций, структуры операционных блоков АЛУ.

По принципу организации управления вычислительным процессом различают процессоры схемного типа или «жесткой» логикой, с микропрограммным и смешанным (микропрограммно-схемным) управлением.

^ Схемное управление - управление, при котором для выполнения любой операции последовательность управляющих сигналов задается логическими схемами (см. рис. 4.3). Различают центральное, местное и смешанное схемное управление.


Схемный принцип управления




1 0 0 1 … 0


……


УПn – управляющие части


Рис. 4.3.

В процессорах с центральным управлением длительность рабочего цикла выбирается такой, чтобы за время между двумя управляющими сигналами выполнялась самая длинная операция в процессоре. Такие процессоры получили название синхронных, а блок, в котором формируются управляющие сигналы для всех исполнительных устройств ЭВМ, называют центральным блоком управления (ЦБУ).

В синхронных процессорах при выполнении большинства операций, особенно коротких (например, операция сложения), происходит потеря машинного времени, связанная с непроизводительными простоями процессора. Однако структура процессора отличается простотой, экономичностью и удобна в эксплуатации.

В процессорах с местным управлением вычислительным процессом управление производится так, что каждая операция выполняется после выполнения предыдущей операции. При этом каждое исполнительное устройство после окончания работы формирует сигнал «Конец работы», который одновременно является сигналом «Начало работы» другого исполнительного устройства. Процессоры с переменной длительностью рабочего цикла, величина которого зависит от вида выполняемой операции и кодов операндов, называют асинхронными. В асинхронных процессорах основные исполнительные устройства имеют местные (автономные) блоки управления, что резко повышает быстродействие таких процессоров, так как отсутствуют простои между реальными циклами выполнения команд. Основной недостаток асинхронных процессоров — их сложность.

В процессорах со смешанным управлением исполнение простейших операций осуществляется в синхронном режиме, а наиболее сложные операции (например, деление, умножение и др.) - в асинхронном. При смешанном управлении процессор содержит как центральный блок, так и местные блоки управления операциями. Смешанный способ управления вычислительным процессом позволяет получить высокое быстродействие процессора при умеренных затратах оборудования, а поэтому наиболее распространен в современных ЭВМ.

Микропрограммное управление (см. рис. 4.4) основано на замене управляющих логических схем (см. рис. 4.5) специальной программой, хранящейся в ПЗУ. При таком управлении каждая команда разделяется на ряд элементарных этапов, получивших название микроопераций. Последовательность микрокоманд, выполняющих одну команду (операцию), представляет собой микропрограмму. Для характеристики временных соотношений между различными этапами операции используется понятие машинный такт, определяющий интервал времени, в течение которого выполняется одна или одновременно несколько микроопераций.


Микропрограммный принцип

Команда Регистр управляющего слова




К управляющим цепям


Рис. 4.4.


Достоинство микропрограммного управления заключается в том, что для изменения вида операций нет необходимости в переделке сложных электронных схем, неизбежной в ЭВМ со схемным управлением, а следует только изменить микропрограмму. Это обстоятельство дает возможность в данной ЭВМ использовать программы, составленные для другой ЭВМ. Благодаря этому микропрограммное управление получило широкое распространение в современных ЭВМ.


^ Схема управляющего устройства при микропрограммном принципе управления




РК РМК


К управляющим

цепям


БМУ – блок микропрограммного управления

МК - микрокоманда

РК - регистр команд

УС - управляющее слово

РМК – регистр микрокоманд

Рис. 4.5.


^ 4.2.4. Технология MMX

Технология MMX - разработана для ускорения мультимедия и коммуникационных программ. Она включает в себя новые команды и типы данных, что позволяет создавать приложения нового уровня. Технология основана на параллельной обработке данных. При этом сохраняется полная совместимость с существующими операционными системами и программным обеспечением. ММХ-технологии поддерживает новую арифметику, называемую арифметикой с насыщением (Saturation arithmetic).

Наибольший эффект от использования ММХ-технологии может быть достигнут в алгоритмах со следующими характеристиками:

  • малый размер данных (8-битные графические пикселы, 16-битные звуковые данные);

  • короткие, часто повторяющиеся циклы;

  • частые умножения и накопления.

В основе ММХ лежит принцип SIMD (Single Instruction Multiple Data), т.е. одной командой можно обработать сразу несколько единиц информации.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

Похожие:

Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение iconАрхитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение
Так, разработаны новые микропроцессорные вычислительные средства, являющиеся основой микроэвм и персональных ЭВМ. В связи с этим...
Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение iconУчебное пособие Москва-Рязань
Права человека: учебное пособие /Ю. С. Бадальянц, Д. А. Ягофаров. – Москва-Рязань: Издательство «Поверенный», 2006. – 519 с
Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение iconУчебное пособие для вузов М.: Аспект Пресс, 2004. Оглавление введение
Охватывает период так называемой пражурналистики – с I в до н э. Под ней понимают возникновение первичных способов, средств, методов,...
Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение iconУчебное пособие для студентов высших и средних специальных учебных заведений. М., 2001. Введение
Канке В. А. Философия: учебное пособие для студентов высших и средних специальных
Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение iconИ. В. Паблик рилейшнз для менеджеров и маркетеров. М., 1997. Варакута С. А., Егоров Ю. Н. Связи с общественностью Уч пос-е. М.,2004. Чумиков А. Н., Бочаров М. П. Связи с общественностью: теория и практика. Учебное пособие
Чумиков А. Н., Бочаров М. П. Связи с общественностью: теория и практика. Учебное пособие. – М., 2006
Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение iconУчебное пособие для участников торгов на мировых биржах Содержание введение 7
Охватывают вас во время игры, чтобы убедиться в логической обоснованности ваших решений. Вам нужна такая структура управления капиталом,...
Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение iconЮ. Ф. Введение в актуарную математику > Кузнецова Н. Л., А. В. Сапожникова Актуарная математика. Учебное пособие

Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение iconУчебное пособие санкт-петербург
Учебное пособие предназначено для самостоятельной подготовки курсантов и проведения практических занятий на базе городской детской...
Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение iconОбщая архитектура современных микропроцессорных систем
...
Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение iconУчебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение
Химическая технология. Часть Физико-химические закономерности в химической технологии: Учебное пособие для студентов химического...
Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение iconУчебное пособие для самостоятельной работы Ставрополь 2010 ббк 63. 3 (2) Я73 удк 99 (С) р -82
Учебное пособие предназначено для студентов медицинских и фармацевтических вузов
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Документы


При копировании материала укажите ссылку ©ignorik.ru 2015

контакты
Документы