Архитектура ВС

А.А. Мокрушин
АРХИТЕКТУРА
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Научный редактор: Обабков И. Н. доц., канд. тех. наук
Для студентов всех форм обучения технических
направлений подготовки
Архитектура вычислительных
систем
2
Архитектура ВС
• знакомство с типами компьютеров и их
назначением;
• знание принципов, заложенных в
архитектурные решения компьютеров;
• изучение архитектуры «мозга» компьютера –
центрального процессора;
• знакомство с архитектурами
многопроцессорных вычислительных систем.
3
1. Архитектура ВС
• Архитектура ЭВМ - общий принцип
построения и организации работы,
включая определение функционального
состава основных узлов и блоков, а
также структуры управляющих и
информационных связей между ними,
обеспечивающих реализацию заданных
целей и характеристик.
4
1. Архитектура Фон Неймана
5
1. Архитектура Фон Неймана
• двоичное кодирование информации, разделение ее
на слова фиксированной длины;
• размещение слов в памяти с линейной организацией
адресов;
• представление работы при помощи программы
состоящей из команд. Команда – это простейшее
действие АЛУ;
• хранение данных и программы в одной памяти;
• жесткость архитектуры, т.е. в процессе работы
структура ЭВМ не может меняться.
6
1. ЦПУ
• Процессор - главный рабочий элемент
ЭВМ, который выполняет команды
программ и управляет действиями
других ее узлов. В состав процессора
входят следующие устройства:
устройство управления (УУ),
арифметико-логическое устройство
(АЛУ), регистры процессорной памяти.
7
1. ЦПУ
8
1. ЦПУ
• извлечение команды — процессор считывает команду из
памяти;
• интерпретация команды — процессор расшифровывает
команду и определяет, какие операции ему предстоит
выполнить;
• извлечение данных — для выполнения команды может
потребоваться прочесть данные из памяти или из модуля
ввода-вывода;
• обработка данных — выполнение команды может потребовать
преобразования данных, т.е. выполнения над ними
определенных арифметических или логических операций;
• запись данных — если в процессе выполнения команды данные
были изменены, результат необходимо где-то зафиксировать. В
частности, результат может быть записан в память или передан
в модуль ввода-вывода.
9
1. Принцип работы ЭВМ
•
•
•
считывается очередная команда программы
(ее код обычно заносится на хранение в
специальный регистр команд);
счетчик команд автоматически изменяется
так, чтобы в нем содержался адрес
следующей команды;
считанная в регистр команд операция
расшифровывается, извлекаются
необходимые данные и над ними
выполняются требуемые действия.
10
1. Принцип работы ЭВМ
11
2. Типы архитектур
• Быстрый процессор – медленные устройства
ввода-вывода
• Появление контроллера DMA
• Шина:
– шина данных, по которой передается
информация;
– шина адреса, определяющая, куда передаются
данные;
– шина управления, регулирующая процесс обмена
информацией.
12
2. Типы архитектур
Архитектура с общей шиной
13
2. Типы архитектур
Архитектура компьютера с общей и локальной шинами
14
2. Типы архитектур
Архитектура закрытого типа
15
3. Архитектура процессора
• Определенные свойства архитектуры
центрального процессора могут отнести
ЭВМ к тому или иному классу.
• Система адресации
• Набор команд
• Архитектура
16
3. Система адресации
• Адресное пространство - множество
ячеек памяти
• Прямая адресация
• Косвенная адресация
17
3. Система адресации
• Разрядность - длина обрабатываемого
двоичного слова
• разрядность внутренних регистров –
сколько бит можно записать в регистр
процессора;
• разрядность шины данных – длину
передаваемого слова;
• разрядность шины адреса
18
3. Набор команд
• Набор команд процессора —
соглашение о предоставляемых
архитектурой средствах
программирования, а именно:
определённых типах данных,
инструкций, системы регистров,
методов адресации, моделей памяти,
способов обработки прерываний и
исключений, методов ввода и вывода.
19
3. Набор команд
• CISC - Complex Instruction Set
Computers
• RISC - Reduced Instruction Set
Computers
20
3. Набор команд
• Совместимость процессоров. Если
два процессора имеют одинаковую
систему команд, то они полностью
совместимы на программном уровне.
21
3. Архитектура
• Конвейерная архитектура – несколько
однотипных операций
• Чаще всего на RISC
• Суперскалярная архитектура –
несколько конвейеров
22
3. Архитектура
• извлечение команды, (ИК) — чтение из памяти следующей
выполняемой машинной команды.
• декодирование команды (ДК) — расшифровка кода операции и
спецификаторов операндов.
• вычисление адресов операндов (АО) — вычисление
исполнительных адресов всех операндов-источников. При
вычислении эффективных адресов учитываются заданные
режимы адресации операндов, в том числе косвенная
адресация, адресация со смещением, индексная и т.д.
• извлечение операндов (ИО) — Извлечение всех операндовисточников из памяти. Операнды, которые ранее помещены в
регистр, в выполнении этого этапа не участвуют.
• выполнение команды (ВК) — выполнение операций, заданных
кодом операции в команде и, если это задано в команде,
сохранение результата в регистрах.
• запись результата (ЗР) — запись результата в память.
23
3. Архитектура
24
4. Многопроцессорные системы
• Архитектура фон Неймана описывает
компьютер, у которого существует
только одно АЛУ устройство
• Практически все современные
процессоры являются многоядерными –
многопроцессорные системы
25
4. Системы с общей памятью
26
4. Системы с распределенной
памятью
27
4. Векторно-матричная
архитектура
• Векторные процессоры, векторные регистры,
работа с векторами
• загружают вектор данных из оперативной
памяти в векторный регистр;
• записывают вектор из регистра в память;
• выполняют арифметические и логические
операции над векторами;
• выполняют другие операции над векторами и
скалярами.
28