ТИПЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАНДАРТНЫХ ШИН

Типы и характеристики стандартных шин, используемых в настоящее время, приведены в таблице 10.1.

Табл. 10.1

Характеристики стандартных шин.

Тип/назначение	Разрядность	Тактовая частота (МГц)	Пропускная способность (Мб/с)
ISA/общая
EISA/общая
VLB (VESA)
VLB2/локальная
PCI/ввод/вывод		33, 66	120, 133
SBUS/ввод/вывод	32, 64	20, 25	80, 100
MBUS/процессор-память			125 (400)
XDBUS/процессор-память			310 (400)
AGP/локальная графическая
PCI-X

Системная шина ISA (Industry Standard Architecture) впервые стала применяться в ПК IBM PC/AT на базе процессора 12826. Данная шина позволяет передавать параллельно 16 бит данных и обращаться к 16 Мбайт системной памяти. В современных компьютерах используется как шина ввода/вывода для организации связи с медленно действующими периферийными устройствами. С появлением процессоров i386, i486 системная шина ISA стала " узким местом" ПК на их основе.

Системная шина EISA (Extended Industry Standard Architecture), разработанная в 1988 году, обеспечивает адресное пространство в 4 Гбайта, 32-битовую передачу данных, тактируется частотой около 8 Мгц, имеет максимальную теоретическую скорость передачи данных 33 Мбайт/с и совместима с шиной ISA.

Шина МСА также обеспечивает 32-разрядную передачу данных, тактируется частотой 10 МГц, но не совместима с шиной ISA и используется только в компьютерах компании IBM.

Локальная шина VESA-Local-Bus (VLB) предназначалась для увеличения быстродействия видеоадаптеров и контроллеров дисковых накопителей. Она подключалась непосредственно к процессору i486, и только к нему. После появления процессора Pentium ассоциация VESA приступила к работе над новым стандартом VLB версии 2, который предусматривает использование 64-битовой шины данных и увеличение количества разъемов расширения. Ожидаемая скорость передачи данных - до 400 Мбайт/сек.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnection) в первом варианте использовалась как локальная шина и предназначалась для тех же целей, что и предыдущая шина (VLB). В действующем втором варианте шина PCI относится к шинам ввода/вывода. В данном случае соединение шин центрального процессора и PCI осуществляется через так называемую РС1-перемычку, мост PCI или контроллер, которые согласуют шину центрального процессора с шиной PCI. Это означает, что PCI может работать с процессорами различных платформ и поколений.

Шина VME приобрела большую популярность как шина ввода/вывода в рабочих станциях и серверах на базе RISC-процессоров. Эта шина высоко стандартизирована, имеет несколько версий этого стандарта: VME32, VME64.

В однопроцессорных и многопроцессорных рабочих станциях и серверах на основе микропроцессоров архитектуры SPARC одновременно используются несколько типов шин: Sbus, MbusиXDBus, причем шина Sbus применяется в качестве шины ввода/вывода, a Mbus и XDBus — в качестве шин для объединения большого числа процессоров и памяти.

Локальная шина AGP (Accelerated Graphics Port) первоначально предназначалась исключительно для графики и была способна повысить производительность видео-приложений. Для использования технологии AGP необходим набор микросхем Intel 440LX, который позволяет разгрузить сравнительно " узкую" (133 Мб/с) шину PCI от жадного на ресурсы видеоадаптера и подключить последний к специально предназначенной для него более " широкой" (528 Мб/с) шине AGP. На долю же PCI остаются более медленные устройства, функционирование которых существенно улучшается благодаря отключению от шины более быстродействующих устройств, то и дело создающих " пробки" в стремительном потоке данных. Набор 440LX не только имеет поддержку AGP, но и допускает использование в машинах на базе Pentium II быстродействующей памяти SDRAM, которая обеспечивает более высокую производительность, чем ОЗУ типа EDO DRAM, применяемое в машинах Pentium II со старым набором микросхем.

PCI-X - расширение шины PCI, которая работает на тактовой частоте 133 МГц. Шина PCI-X обладает обратной совместимостью с PCI, требует нового набора микросхем Intel 450 NX, кроме того, благодаря новой схеме обмена регистр-регистр достигается пропускная способность 1, 06 Гб/с (8 Гбит/с), что обеспечивает почти шестикратный выигрыш в производительности. В первую очередь PCI-X предназначена для подключения высокопроизводительных адаптеров типа Gigabit Ethernet, Ultra 3SCSI и Fibre Channel (FC-AL).

В целом же шинная архитектура настольного ПК нового (на ближайшие два-три года) поколения содержит несколько шин с различной пропускной способностью:

¨ шины (1Гб/с), соединяющей ядро Pentium II с кэш-памятью второго уровня,

¨ трех шин (528 Мб/с), соединяющих новый набор AGPset с ядром процессора, SDRAM и графическим акселератором,

¨ шины PCI (133 Мб/с).

Применение такой шиной организации увеличивает быстродействие компьютеров при выполнении целочисленных операций, действий с плавающей запятой и работе с мультимедиа-приложениями.

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Вычислительные системы (ВС) и сети представляют собой некий комплекс аппаратных (аппаратную платформу) и программных (системное ПО) средств, позволяющих обеспечить выполнение информационных, вычислительных или управленческих процедур в самых разных областях современной жизни.

Цели создания ВС:

¨ достижение сверхвысокой производительности;

¨ увеличение эффективности использования аппаратных средств системы;

¨ повышение надежности и живучести функционирования средств вычислительной техники.

Общие положения

Вычислительные системы относятся к категории сложных систем. При рассмотрении вопросов, связанных с их построением и функционированием, выделяют элементы системы и подсистемы как составные части структуры ВС.

Элемент системы — объект системы, не подлежащий дальнейшему расчленению на части при данном ее рассмотрении. Предметом изучения является не внутренняя структура элемента, а такие его свойства, которые определяют взаимодействие этого элемента с другими элементами системы или влияют на свойства системы в целом.

Подсистема — часть системы, представляющая собой совокупность некоторых ее элементов, выделенных по определенному функциональному признаку, и отличающаяся подчиненностью по своей цели функционирования единой цели функционирования всей системы.

Структура ВС — это организация системы из отдельных элементов с их взаимосвязями, которые определяются распределением функций, выполняемых ВС. В зависимости от уровня детализации при данном рассмотрении структуры ВС в качестве ее элементов могут пониматься отдельные модули системы вплоть до ЭВМ в целом.

Комплекс программных средств регулярного применения, предназначенный для придания ВС определенных свойств, повышения эффективности ее использования, облегчения эксплуатации и снижения трудоемкости подготовительной работы при решении задач, образует системное программное обеспечение (СПО) ВС.

В состав СПО входят:

¨ программы, управляющие работой ВС (операционная система ВС);

¨ системы автоматизации программирования;

¨ пакеты прикладных программ общего пользования и расширяющие возможности операционной системы;

¨ комплекс программ технического обслуживания ВС.

Основные принципы построения ВС заключаются в следующем:

¨ обеспечение работы в различных режимах;

¨ модульность структуры технических и программных средств;

¨ унификация и типизация технических и программных средств;

¨ согласованность пропускных способностей отдельных функциональных частей системы;

¨ иерархия в организации управления процессом функционирования;

¨ способность системы к самоорганизации, самонастройке, адаптивности к изменению условий функционирования.

Система называется самоорганизующейся, если в ней на основании оценки воздействия внешней среды путем последовательного изменения своих свойств заложены возможности перехода к некоторому устойчивому состоянию, когда воздействия внешней среды сказываются в допустимых пределах.

В ВС возможность к самонастройке заложена преимущественно в структуре и функциях управляющей программы ОС. Примеры самонастройки: автоматическое перераспределение ресурсов системы с увеличением числа активных абонентов; повышение уровня мультипрограммной работы, т. е. увеличение числа одновременно обслуживаемых запросов абонентов, если ставится задача обеспечения минимального времени ожидания обслуживания, и др.

Это достигается за счет:

¨ развитой сети периферийного оборудования;

¨ использования современных средств автоматизации программирования;

¨ обеспечения независимости работы абонентов при подготовке своих программ;

¨ обеспечения доступа абонентов к базам данных и знаний, стандартным программам, пакетам прикладных программ, имеющимся в структуре информационного и программного обеспечения ВС;

¨ обеспечения гарантированной защиты индивидуальных программ и информационных массивов абонентов от несанкционированного доступа.

Классификация ВС

Основными классификационными признаками являются признаки структурной и функциональной организации ВС(см. раздел Архитектуры ЭВМ и систем). Существует достаточно большое количество других признаков, по которым можно классифицировать ПВС.

По назначению ПВС делятся на:

¨ универсальные;

¨ специализированные;

¨ проблемно-ориентированные (см. раздел Классификация ЭВМ).

По типу ЭВМ или процессоров, из которых комплектуются ПВС, различают:

¨ однородные системы, составленные из однотипных машин (процессоров);

¨ неоднородные.

Неоднородные ММВС состоят из ЭВМ различного типа, а в неоднородных МПВС используются различные специализированные процессоры для обработки десятичных чисел, для реализации некоторых функций ОС, для матричных задач, и др.

В однородных системах упрощаются вопросы обеспечения программной совместимости на любом уровне, облегчается решение задачи резервирования для повышения надежности, упрощается техническое обслуживание системы, удешевляется ее реконструкция, модернизация и, в случае необходимости, наращивание производительности, а самое главное - гораздо проще решаются вопросы по управлению работой системы во всех режимах, по организации вычислительного процесса. Однако для однородных систем характерно в ряде случаев неполное использование их производительности, что определяется непостоянством степени загруженности отдельных ЭВМ (процессоров). Часто возникает необходимость иметь в составе ПВМ машины различной производительности, что диктуется требованиями функциональной специализации отдельных подсистем. В этом случае рациональным решением является построение системы на базе унифицированных ЭВМ, составляющих семейство или ряд ЭВМ, т. е. построение неоднородной системы.

По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ПВС делятся на два типа:

¨ сильно-связанные (время передачи информации пренебрежимо мало по сравнению с временем решения этой задачи на одном из модулей системы);

¨ распределенные (отдельные ЭВМ находятся на значительных расстояниях и обмениваются информацией по каналам связи через специальную аппаратуру. Время, затрачиваемое на обмен, в этом случае соизмеримо с временем решения задач в системе и должно учитываться при исследовании процесса функционирования системы в частности при оценке ее производительности.).

По методам управления элементами ПВС делятся на:

¨ централизованные (все функции управления сосредоточены в специально выделенной центральной управляющей машине (или в центральном процессоре);

¨ децентрализованные (каждая ЭВМ (процессор) системы при решении задач действует автономно, а вычислительный процесс организуется за счет передачи между машинами специального набора сигналов.);

¨ со смешанным управлением (вся система разбивается на группы взаимодействующих ЭВМ (процессоров), в каждой из которых осуществляется централизованное управление.).

По степени обобществления модулей памятиилипо структуре памятивыделяют системы:

¨ с жестким разделением памяти (у каждой ЭВМ (процессора) имеется собственный модуль памяти, недоступный для других ЭВМ системы);

¨ со свободным разделением памяти (все ЭВМ (процессоры) системы имеют доступ ко всем модулям памяти).

Могут быть и промежуточные решения. Например, обобществляются только внешняя память и часть оперативной памяти при наличии автономной ОП у каждой ЭВМ системы.

Существуют и другие методы классификации ВС на которых мы здесь останавливаться не будем.

Понятие открытой системы

Широкое распространение информационно-вычислительных систем в самых разных областях современной жизни: промышленности, финансах, образовании и культуре, - делает актуальным вопрос о создании некоторых стандартов выполнения ИВС. Наиболее комплексно эти вопросы ставятся в научном направлении, которое определяет концепцию " открытых систем".

Открытая система для ИВС - это среда для прикладных программ, базирующаяся на стандартных интерфейсах и обеспечивающей мобильность прикладных систем, персонала и взаимодействие (интероперабельность) систем. Таким образом важнейшими свойствами открытой ИВС будут:

¨ мобильность прикладных программ, т.е. возможность переноса программ с одной аппаратной платформы на другую с минимальными доработками или даже без них;

¨ мобильность персонала, т.е. возможность подготовки персонала для работы на ИВС с минимальными временными и трудозатратами;

¨ четкие условия взаимодействия частей ИВС и сетей с использованием открытых (общедоступных) спецификаций.

Ключевой момент в обеспечении свойств открытых ИВС -использование открытых спецификаций, т.е. спецификаций (которые поддерживаются открытым, гласным согласительным процессом, направленным на постоянную адаптацию новым технологиям).

Кластерные структуры

Кластерные структуры или просто кластеры являются самым дешевым способом наращивания производительности уже инсталлированных компьютеров.

Кластер представляет собой набор из нескольких ЭВМ, соединенных через некоторую инфраструктуру. В качестве такой инфраструктуры может выступать обычная компьютерная сеть, однако из соображений повышения производительности желательно иметь высокоскоростные соединения (FDDI, ATM, HiPPI и т.п.).

Кластеры могут быть образованы как из различных компьютеров (гетерогенные кластеры), так и из одинаковых (гомогенные кластеры).

Кластеры являются примером слабо связанных систем, поскольку модули памяти распределены по всей системе и закреплены за отдельными процессорами. Добавление компьютеров в кластер позволяет увеличивать пропускную способность памяти и наращивать производительность.

В кластерных системах для организации взаимодействия между процессами, выполняющимися на разных компьютерах при решении одной задачи, применяются различные модели обмена сообщениями (PVM, MPI и другие). Однако задача распараллеливания вычислений в таких системах с распределенной между отдельными компьютерами памятью в рамках этих моделей является более сложной, чем в моделях с общим полем памяти (как, например, в SMP-серверах).

В кластеры могут объединяться различные компьютеры, однако наиболее известными кластерами в мире являются IBM SP2 и SGI Power CHALLENGEarray.

Библиографический список

1. Большая Советская энциклопедия

2. Головкин Б.А. Параллельные вычислительные системы.-М.: Наука.- 1980.

3. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы.-М.: Энергия.-1991.

4. Краковяк С. Основы организации и функционирования ОС ЭВМ.- М.: Мир.-1988.

5. Беляев С.Н., Козырева Г.М. и др. Вычислительные машины, комплексы и сети: Учебник / под ред. А.П. Пятибратова. – М.: Финансы и статистика, 1991.

6. Пятибратов А.П., Гудыко Л.П., Кириченко А.А. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. Учебник / Под ред. А.П. Пятибратова. - М.: Финансы и статистика, 1998.

7. Водяхо А.И., Горнец Н.Н., Пузанков Д.В. Высокопроизводительные системы обработки данных: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 1997.

8. Компьютерные системы и сети. Учеб. пособие /В.П. Косарев и др. - М.: Финансы и статистика, 1999.

9. Protić J., Tomaš ević M., Milutinović V. Distributed Shared Memory: Concepts and Systems.// IEEE Parallel & Distributed Technology.-1996.-V.4, No.2.- P.63-79.

10. Cheriton D.R. Preliminary thoughts on problem-oriented shared memory: A decentralized approach to distributed systems.// Oper. Syst. Rev.-1985.-V.19(4).-P.26-33.

11. Li К., Hudak P. Memory Coherence in Shared Virtual Memory Systems.// ACM Trans. Computer Systems.-1989.-V.7, No.4.-P.321-359.

12. http: //encycl.yandex.ru/cgi-bin/art.pl? art=bse/00077/31000.htm& encpage=bse

13. http: //www.hpc.nw.ru/KOI/COURSES/

14. http: //cultura.baikal.ru/sib4/PAGE2_1/pokolen.html

15. http: //www.rubrikon.ru/qe.asp? qtype=4& rq=4& id=2& aid={36BE9B08-68DC-4C22-8860-7A9C0B68797F}

16. http: //zgpuchita.ru/virtlib/students/diploms/hist_vt/index.html

СОДЕРЖАНИЕ

введение 3

1. общие сведения 5

1.1. Технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ 5

1.2. История развития ЭВМ 7

1.3. Классификация ЭВМ 10

1.3.1. Классификация ЭВМ по назначению 10

1.3.2. Классификация ЭВМ по функциональным возможностям и размерам 12

Функциональная и структурная организация ЭВМ 17

1.1.3. Связь между функциональной и структурной организацией ЭВМ 17

1.1.4. Обобщенная структура ЭВМ и пути её развития 18

1.1.4.1. Обрабатывающая подсистема 20

1.1.4.2. Подсистема памяти 21

1.1.4.3. Подсистема ввода-вывода 21

1.1.4.4. Подсистема управления и обслуживания 22

2. Архитектуры ЭВМ 22

SISD-компьютеры 24

2.1.1. Компьютеры с CISC архитектурой 24

2.1.2. Компьютеры с RISC архитектурой 25

2.1.3. Компьютеры с суперскалярной обработкой 25

SIMD-компьютеры 26

2.1.4. Матричная архитектура 27

2.1.5. Векторно-конвейерная архитектура 28

2.1.6. ММХ технология 28

MISD компьютеры 29

MIMD компьютеры 30

2.1.7. Многопроцессорные вычислительные системы 31

2.1.7.1. Многопроцессорные вычислительные системы с общей шиной. 32

2.1.7.2. Многопроцессорные вычислительные системы с многовходовыми модулями ОП. 33

2.1.8. Многомашинные вычислительные системы (ММВС) 33

2.1.8.1. Многомашинные комплексы 34

2.1.8.2. ММР архитектура 36

3. Структура и форматы команд ЭВМ 37

Форматы команд ЭВМ 37

Способы адресации 40

3.1.1. Классификация способов адресации по наличию адресной информации в команде 41

3.1.2. Классификация способов адресации по кратности обращения в память 42

3.1.3. Классификация по способу формирования исполнительных адресов ячеек памяти 44

3.1.3.1. Относительная адресация 44

3.1.3.2. Стековая адресация 47

4. Типы данных 47

Данные со знаком 47

Данные без знака 48

Данные в формате с плавающей точкой 48

Двоично-десятичные данные 49

Данные типа строка 49

Символьные данные 50

Данные типа указатель 50

Теги и дескрипторы. Самоопределяемые данные 51

5. ПРОЦЕССОРЫ. ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР 53

Логическая структура ЦП 54

Структурная схема процессора 55

Характеристики процессора 58

Регистровые структуры центрального процессора 59

5.1.1. Основные функциональные регистры 60

5.1.2. Регистры процессора обработки чисел с плавающей точкой 62

5.1.3. Системные регистры 62

5.1.4. Регистры отладки и тестирования 63

Назначение и Классификация ЦУУ 63

УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ ЦП 65

5.1.5. ЦУУ с жесткой логикой. 65

5.1.6. ЦУУ с микропрограммной логикой 67

5.1.7. Процедура выполнения команд 71

6. ЯЗЫК МИКРООПЕРАЦИЙ 72

Описание слов, регистров и шин 73

Описание массива данных и памяти. 73

Описание микроопераций 74

Условные микрооператоры. 76

7. АРИФМЕТИКО-ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО 78

Структура алу 78

Сумматоры 79

Классификация АЛУ 80

Методы повышения быстродействия АЛУ 84

8. ПАМЯТЬ ЭВМ 84

Организация внутренней памяти процессора. 87

Оперативная память и методы управления ОП 91

8.1.1. Методы управления памятью без использования дискового пространства (без использования внешней памяти). 92

8.1.1.1. Распределение памяти фиксированными разделами. 92

8.1.1.2. Размещение памяти с перемещаемыми разделами. 95

Организация виртуальной памяти. 96

8.1.2. Страничное распределение. 97

8.1.3. Сегментное распределение. 100

8.1.4. Странично - сегментное распределение. 102

8.1.5. Свопинг 104

Методы повышения пропускной способности ОП. 105

8.1.6. Выборка широким словом. 105

8.1.7. Расслоение сообщений. 106

Методы организации кэш-памяти 109

8.1.8. Типовая структура кэш-памяти 110

8.1.9. Способы размещения данных в кэш-памяти. 111

8.1.9.1. Прямое распределение. 111

8.1.9.2. Полностью ассоциативное распределение. 112

8.1.9.3. Частично ассоциативное распределение. 114

8.1.9.4. Распределение секторов. 115

8.1.10. Методы обновления строк в основной памяти 117

Системы внешней памяти 117

9. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ПРЕРЫВАНИЯ ПРОГРАММ 118

Характеристики системы прерываний 120

Программно-управляемый приоритет прерывающих программ 123

Организация перехода к прерывающей программе 125

10. подСИСТЕМА ВВОДА/ВЫВОДА 125

Принципы организации подсистемы ввода/вывода 125

Каналы ввода-вывода 127

Интерфейсы ввода-вывода 129

10.1.1. Классификация интерфейсов 129

10.1.2. ТИПЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАНДАРТНЫХ ШИН 132

11. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ 134

Общие положения 135

Классификация ВС 136

Понятие открытой системы 138

Кластерные структуры 139

12. Библиографический список 140

⇐ Предыдущая 14 15 16 17 18 19 20 21 2223