Tokios mašinos dažnai vadinamos „von Neumann mašina“, tačiau šių sąvokų atitikimas ne visada yra aiškus. Apskritai, kai kalbama apie von Neumann architektūrą, jie turi omenyje duomenų ir instrukcijų saugojimo vienoje atmintyje principą.
Enciklopedinis „YouTube“.
-
1 / 5
Architektūros doktrinos pagrindai kompiuteriai fon Neumannas padėjo pamatus 1944 m., kai įsitraukė į pirmojo pasaulyje vamzdinio kompiuterio ENIAC kūrimą. Dirbant su ENIAC Pensilvanijos universitete, per daugybę diskusijų su kolegomis Johnu Williamu Mauchly, Johnu Eckertu, Hermanu Goldstine'u ir Arthuru Burksu, kilo idėja apie pažangesnę mašiną, pavadintą EDVAC. Tyrimas Darbas su EDVAC buvo tęsiamas lygiagrečiai su ENIAC statyba.
1945 m. kovo mėn. loginės architektūros principai buvo įforminti dokumente, pavadintame „Pirmasis EDVAC ataskaitos projektas“ - ataskaita JAV armijos balistikos laboratorijai, kuri finansavo ENIAC statybą ir EDVAC plėtrą. Ataskaita, kadangi tai buvo tik juodraštis, nebuvo skirta publikavimui, o tik platinimui grupės viduje, tačiau Hermanas Goldsteinas – JAV armijos projekto vadovas – tai atgavo. mokslinis darbas ir išsiuntė jį peržiūrėti plačiam mokslininkų ratui. Kadangi pirmajame dokumento puslapyje buvo tik von Neumanno pavardė, dokumentą skaitantiems susidarė klaidingas įspūdis, kad jis yra visų darbe pateiktų idėjų autorius. Dokumente buvo pateikta pakankamai informacijos, kad jį skaitantys asmenys galėtų sukurti savo kompiuterius, panašius į EDVAC, remdamiesi tais pačiais principais ir ta pačia architektūra, kuri dėl to tapo žinoma kaip „von Neumann architektūra“.
Pasibaigus Antrajam pasauliniam karui ir pasibaigus darbui ENIAC 1946 m. vasarį, inžinierių ir mokslininkų komanda iširo, Johnas Mauchly ir Johnas Eckertas nusprendė pradėti verslą ir kurti kompiuterius komerciniais pagrindais. Von Neumannas, Goldsteinas ir Burksas persikėlė į , kur nusprendė sukurti savo „IAS mašininį“ kompiuterį, panašų į EDVAC, ir panaudoti jį moksliniams tyrimams. 1946 m. birželio mėn. jie išdėstė savo kompiuterių konstravimo principus dabar jau klasikiniame straipsnyje „Preliminarus elektroninio skaičiavimo įrenginio loginio dizaino svarstymas“. Nuo to laiko praėjo daugiau nei pusė amžiaus, tačiau jame pateiktos nuostatos išlieka aktualios ir šiandien. Straipsnyje įtikinamai pagrindžiamas dvejetainės sistemos naudojimas skaičiams pavaizduoti, tačiau anksčiau visi kompiuteriai apdorojamus skaičius saugodavo dešimtaine forma. Autoriai pademonstravo dvejetainės sistemos privalumus techniniam įgyvendinimui, aritmetinių ir loginių operacijų joje atlikimo patogumą ir paprastumą. Vėliau kompiuteriai pradėjo apdoroti neskaitinę informaciją – tekstinį, grafinį, garsinį ir kitą, tačiau dvejetainis duomenų kodavimas vis dar sudaro bet kurio šiuolaikinio kompiuterio informacinį pagrindą.
Be mašinų, kurios dirbo su dvejetainiu kodu, buvo ir tebėra trijų dalių mašinos. Trinariai kompiuteriai turi daug privalumų ir trūkumų, palyginti su dvejetainiais. Tarp privalumų galima paminėti greitį (sudėties operacijos atliekamos maždaug pusantro karto greičiau), dvejetainės ir trinarės logikos buvimas, simetriškas sveikųjų ženklų vaizdavimas (dvejetainėje logikoje bus arba du nuliai (teigiamas ir neigiamas), arba bus skaičius, neturintis poros su priešingu ženklu). Trūkumai yra tai, kad įgyvendinimas yra sudėtingesnis, palyginti su dvejetainėmis mašinomis.
Kita revoliucinė idėja, kurios svarbą sunku pervertinti, yra „saugomos programos“ principas. Iš pradžių programa buvo nustatyta įrengiant trumpiklius specialioje pataisų skydelyje. Tai buvo labai daug darbo reikalaujanti užduotis: pavyzdžiui, ENIAC mašinos programai pakeisti prireikė kelių dienų, o tikrasis skaičiavimas negalėjo trukti ilgiau nei kelias minutes - sugedo ten buvusios lempos. puiki suma. Tačiau programa taip pat gali būti saugoma kaip nulių ir vienetų rinkinys ir toje pačioje atmintyje kaip ir apdorojami skaičiai. Esminio skirtumo tarp programos ir duomenų nebuvimas leido kompiuteriui susikurti sau programą pagal skaičiavimų rezultatus.
Tam tikro vykdomųjų komandų ir programų rinkinio buvimas buvo būdingas pirmųjų kompiuterių sistemų bruožas. Šiandien panašus dizainas naudojamas supaprastinti skaičiavimo įrenginio dizainą. Taigi, staliniai skaičiuotuvai iš esmės yra įrenginiai su fiksuotu programų rinkiniu, kurį galima vykdyti. Jie gali būti naudojami matematiniams skaičiavimams, tačiau beveik neįmanoma naudoti teksto apdorojimui ir kompiuteriniams žaidimams, grafiniams vaizdams ar vaizdo įrašams peržiūrėti. Norint pakeisti šio tipo įrenginio programinę-aparatinę įrangą, reikia beveik visiškai pakeisti, o daugeliu atvejų tai neįmanoma. Tačiau ankstyvųjų kompiuterinių sistemų perprogramavimas vis dar buvo vykdomas, tačiau tam prireikė didžiulio rankų darbo ruošiant naują dokumentaciją, perjungiant ir atkuriant blokus bei įrenginius ir kt.
Idėja saugoti kompiuterines programas bendrojoje atmintyje viską pakeitė. Iki jos įvedimo architektūros, pagrįstos vykdomųjų komandų rinkiniais, naudojimas ir skaičiavimo proceso, kaip programoje parašytų instrukcijų vykdymo, vaizdavimas, labai padidino skaičiavimo sistemų lankstumą duomenų apdorojimo požiūriu. Tas pats požiūris į duomenų ir instrukcijų peržiūrą leido lengvai pakeisti pačias programas.
Von Neumanno principai
Atminties homogeniškumo principas Pagrindinis skirtumas tarp „von Neumann“ (Princetono) ir „Harvardo“ architektūros. Komandos ir duomenys saugomi toje pačioje atmintyje ir išoriškai neatskiriami atmintyje. Juos galima atpažinti tik pagal naudojimo būdą; tai yra ta pati reikšmė atminties langelyje gali būti naudojama kaip duomenys, kaip komanda ir kaip adresas, priklausomai tik nuo to, kaip ji pasiekiama. Tai leidžia su komandomis atlikti tas pačias operacijas kaip ir su skaičiais ir atitinkamai atveria daugybę galimybių. Taigi, cikliškai keičiant komandos adreso dalį, galima pasiekti nuoseklius duomenų masyvo elementus. Ši technika vadinama komandų modifikavimu ir iš požiūrio modernus programavimas nepatinka. Naudingesnė yra kita homogeniškumo principo pasekmė, kai vienos programos nurodymus galima gauti vykdant kitą programą. Šia galimybe grindžiamas vertimas – programos teksto vertimas iš aukšto lygio kalbos į konkretaus kompiuterio kalbą. Adresavimo principas Struktūriškai pagrindinė atmintis susideda iš sunumeruotų langelių, o bet kuri ląstelė yra prieinama procesoriui bet kuriuo metu. Dvejetainiai komandų ir duomenų kodai suskirstomi į informacijos vienetus, vadinamus žodžiais ir saugomi atminties ląstelėse, o norint juos pasiekti, naudojami atitinkamų langelių numeriai – adresai. Programos valdymo principas Visi uždavinio sprendimo algoritmo numatyti skaičiavimai turi būti pateikti programos forma, susidedančia iš kontrolinių žodžių sekos – komandų. Kiekviena komanda nurodo tam tikrą operaciją iš kompiuterio įdiegtų operacijų rinkinio. Programos komandos yra saugomos nuosekliose kompiuterio atminties ląstelėse ir vykdomos natūralia seka, tai yra, jų padėties programoje tvarka. Jei reikia, naudojant specialias komandas, šią seką galima pakeisti. Sprendimas pakeisti programos komandų vykdymo tvarką priimamas arba remiantis ankstesnių skaičiavimų rezultatų analize, arba besąlygiškai. Dvejetainio kodavimo principas Pagal šį principą visa informacija, tiek duomenys, tiek komandos, yra koduojama dvejetainiais skaitmenimis 0 ir 1. Kiekvienas informacijos tipas yra vaizduojamas dvejetaine seka ir turi savo formatą. Konkrečią reikšmę turinčio formato bitų seka vadinama lauku. Skaitmeninėje informacijoje paprastai yra ženklų laukas ir reikšmingųjų skaitmenų laukas. Paprasčiausiu atveju komandos formatą galima suskirstyti į du laukus: operacijos kodo lauką ir adresų lauką.
Kompiuteriai, sukurti pagal von Neumann principus
Pagal planą pirmasis pagal von Neumann architektūrą pastatytas kompiuteris turėjo būti EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) – vienas pirmųjų elektroninių kompiuterių. Skirtingai nuo jo pirmtako ENIAC, tai buvo dvejetainis, o ne dešimtainis kompiuteris. Kaip ir ENIAC, EDVAC buvo sukurtas Pensilvanijos universiteto Moore institute JAV armijos balistikos tyrimų laboratorijai inžinierių ir mokslininkų komandos, vadovaujamos Johno Prespero Eckerto ir Johno Williamo Mauchly, aktyviai padedant matematikui], tačiau iki tol. 1951 EDVAC nebuvo paleistas dėl techninių sunkumų kuriant patikimą kompiuterio atmintį ir nesutarimų kūrimo komandoje. Kiti tyrimų institutai, susipažinę su ENIAC ir EDVAC projektu, šias problemas sugebėjo išspręsti daug anksčiau. Pirmieji kompiuteriai, įgyvendinę pagrindines von Neumann architektūros savybes:
- prototipas – Manchester Small Experimental Machine – Mančesterio universitetas, JK, 1948 m. birželio 21 d.;
- EDSAC – Kembridžo universitetas, JK, 1949 m. gegužės 6 d.;
- Mančesteris Mark I – Mančesterio universitetas, JK, 1949 m.;
- BINAC – JAV, 1949 m. balandis arba rugpjūtis;
- CSIR Mk 1
- EDVAC – JAV, 1949 m. rugpjūčio mėn. – faktiškai paleistas 1952 m.;
- CSIRAC – Australija, 1949 m. lapkritis;
- SEAC – JAV, 1950 m. gegužės 9 d.;
- ORDVAC – JAV, 1951 m. lapkritis;
- IAS mašina – JAV, 1952 m. birželio 10 d.;
- MANIAC I – JAV, 1952 m. kovas;
- AVIDAC – JAV, 1953 m. sausio 28 d.;
- ORACLE – JAV, 1953 m. pabaiga;
- WEIZAC – Izraelis, 1955 m.;
- SILLIAC – Australija, 1956 m. liepos 4 d.
SSRS pirmasis visiškai elektroninis kompiuteris, artimas von Neumanno principams, buvo MESM, pastatytas Lebedevo (Ukrainos TSR mokslų akademijos Kijevo Elektros inžinerijos instituto pagrindu), kuris valstybinius priėmimo testus išlaikė 1951 m. gruodžio mėn. .
Von Neumann architektūros kliūtis
Programų atminties ir duomenų atminties magistralės bendrinimas sukelia von Neumann architektūros kliūtį, ty pralaidumo tarp procesoriaus ir atminties apribojimą, palyginti su atminties kiekiu. Dėl to, kad programos atminties ir duomenų atminties negalima pasiekti vienu metu, pralaidumas Procesoriaus-atminties kanalas ir atminties greitis gerokai apriboja procesoriaus spartą – daug labiau nei tuo atveju, jei programos ir duomenys būtų saugomi skirtingose vietose. Kadangi procesoriaus greitis ir atmintis padidėjo daug greičiau nei pralaidumas tarp jų, kliūtis tapo didelė problema, kurių sunkumas didėja su kiekviena naujos kartos procesoriais [ ] ; Ši problema yra išspręsta tobulinant talpyklos sistemas, ir tai sukelia daug naujų problemų [ kurie?] .
Terminą „von Neumann architektūros kliūtis“ 1977 m. įvedė Johnas Backusas savo Turingo apdovanojimo paskaitoje „Ar programavimas gali būti išlaisvintas iš von Neumanno stiliaus?
2015 metais JAV ir Italijos mokslininkai paskelbė apie prototipo atmintinės procesoriaus (angl. memprocessor) sukūrimą, kurio architektūra skiriasi nuo von Neumanno, ir galimybę jį panaudoti sprendžiant visas problemas.
taip pat žr
Literatūra
- Hermanas H. Goldstine'as. Kompiuteris nuo Pascal iki von Neumann. - Princeton University Press, 1980. - 365 p. – ISBN 9780691023670.(Anglų)
- Viljamas Aspray. Johnas von Neumannas ir šiuolaikinės kompiuterijos ištakos. - MIT Press, 1990. - 394 p. – ISBN 0262011212.(Anglų)
- Skotas Makartnis. ENIAC: Pirmojo pasaulyje kompiuterio triumfai ir tragedijos – Berkley Books, 2001. – 262 p. –
1946 m. D. von Neumannas, G. Goldsteinas ir A. Berksas bendrame straipsnyje išdėstė naujus kompiuterių konstravimo ir veikimo principus. Vėliau remiantis šiais principais buvo gaminamos pirmosios dvi kompiuterių kartos. Vėlesnėse kartose įvyko tam tikrų pokyčių, nors Neumanno principai aktualūs ir šiandien.
Tiesą sakant, Neumannui pavyko apibendrinti daugelio kitų mokslininkų mokslo raidą ir atradimus ir jų pagrindu suformuluoti kažką iš esmės naujo.
Programos valdymo principas: programa susideda iš procesoriaus tam tikra seka vykdomų komandų rinkinio.
Atminties homogeniškumo principas: programos ir duomenys saugomi toje pačioje atmintyje.
Taikymo principas: Struktūriškai pagrindinė atmintis susideda iš sunumeruotų langelių. Bet kuri ląstelė yra prieinama procesoriui bet kuriuo metu.
Kompiuteriai, sukurti remiantis aukščiau pateiktais principais, yra von Neumann tipo.
Svarbiausia šių principų pasekmė yra ta, kad dabar programa nebėra nuolatinė mašinos dalis (kaip, pavyzdžiui, skaičiuotuvas). Atsirado galimybė lengvai pakeisti programą. Palyginimui, ENIAC kompiuterio (kuris neturėjo išsaugotos programos) programa buvo nustatyta specialiais skydelyje esančiais trumpikliais. Mašinos perprogramavimas gali užtrukti daugiau nei vieną dieną (kitaip nustatykite trumpiklius). Ir nors programos, skirtos šiuolaikiniai kompiuteriai parašyti gali prireikti metų, tačiau jie veikia milijonuose kompiuterių; programų įdiegimas nereikalauja didelių laiko investicijų.
Be minėtų trijų principų, von Neumannas pasiūlė dvejetainio kodavimo principą – naudojami duomenims ir komandoms pavaizduoti dvejetainė sistema skaičių sistema (pirmosios mašinos naudojo dešimtainę skaičių sistemą). Tačiau vėlesni pokyčiai parodė galimybę naudoti netradicines skaičių sistemas.
1956 metų pradžioje akademiko S.L. Sobolevas, Maskvos universiteto Mechanikos ir matematikos fakulteto Kompiuterinės matematikos katedros vedėjas, Maskvos valstybinio universiteto kompiuterių centre buvo įkurtas elektronikos katedra ir pradėjo dirbti seminaras, kurio tikslas buvo sukurti praktinį skaitmeninio kompiuterio pavyzdį. skirtas naudoti universitetuose, taip pat pramonės įmonių laboratorijose ir projektavimo biuruose. Reikėjo sukurti nedidelį kompiuterį, kuris būtų lengvai išmokstamas ir naudojamas, patikimas, nebrangus ir tuo pačiu efektyvus atliekant įvairiausias užduotis. Išsamus tuo metu turimų kompiuterių tyrimas per metus ir technines galimybes Jų įgyvendinimas lėmė nestandartinį sprendimą kuriamoje mašinoje naudoti ne dvejetainį, o trinakį simetrinį kodą, įgyvendinant subalansuotą skaičių sistemą, kurią D. Knuthas po dvidešimties metų pavadintų bene elegantiškiausia ir kaip vėliau tapo žinoma, kurios privalumus K. Šenonas įvardijo 1950 m Skirtingai nuo dvejetainio kodo su skaičiais 0, 1, kuris yra visuotinai priimtas šiuolaikiniuose kompiuteriuose, kuris yra aritmetiškai prastesnis dėl to, kad jame neįmanoma tiesiogiai pavaizduoti neigiamų skaičių, trijų dalių kodas su skaičiais -1, 0, 1 suteikia optimalų variantą. ženklų skaičių aritmetikos konstravimas. Trinarė skaičių sistema yra pagrįsta tuo pačiu poziciniu skaičių kodavimo principu kaip ir dvejetainė sistema, naudojama šiuolaikiniuose kompiuteriuose, tačiau svoris i Jame esanti vieta (skaitmuo) lygi ne 2 i , o 3 i . Be to, patys skaitmenys yra ne dviženkliai (ne bitai), o triženkliai (trites) - be 0 ir 1, jie leidžia trečią reikšmę, kuri simetrinėje sistemoje yra -1, dėl kurios abu yra teigiami. o neigiami skaičiai pateikiami vienodai. N-triojo sveikojo skaičiaus N reikšmė nustatoma panašiai kaip ir n-bitų sveikojo skaičiaus:
kur a i ∈ (1, 0, -1) yra i-ojo skaitmens reikšmė.
1960 m. balandį buvo atlikti tarpžinybiniai kompiuterio prototipo „Setun“ bandymai, kurių rezultatais „Setun“ buvo pripažintas pirmuoju veikiančiu universalaus kompiuterio modeliu, paremtu bežiedžiais elementais, kuriam būdinga didelis našumas, pakankamas patikimumas, maži matmenys ir paprasta priežiūra.“ „Setun“, dėl trijų dalių simetrinio kodo natūralumo, pasirodė esąs tikrai universalus, lengvai programuojamas ir labai efektyvus skaičiavimo įrankis, kuris teigiamai pasitvirtino. visų pirma kaip techninė kompiuterinės matematikos mokymo priemonė daugiau nei trisdešimtyje universitetų. Ir Oro pajėgų inžinerijos akademijoje. Žukovskis pirmą kartą buvo įgyvendintas „Setun“ automatizuota sistema mokymas kompiuteriu.
Pagal von Neumanno principus kompiuteris susideda iš:
· aritmetinis loginis vienetas – ALU(angl. ALU, Arithmetic and Logic Unit), kuris atlieka aritmetinius ir loginius veiksmus; valdymo įtaisas -UU, skirtas organizuoti programų vykdymą;
· saugojimo įrenginiai (saugykla), įskaitant laisvosios kreipties atmintis (RAM – pirminė atmintis) ir išorinis saugojimo įrenginys (ESD); maždaug Pagrindinė ATMINTIS saugomi duomenys ir programos; atminties modulį sudaro daug sunumeruotų langelių; kiekvienoje langelyje gali būti dvejetainis skaičius, kuris interpretuojamas kaip komanda arba kaip duomenys;
· adresu įvesties / išvesties įrenginiai, kurie naudojami duomenims perduoti tarp kompiuterio ir išorinės aplinkos, susidedančios iš įvairių periferinių įrenginių, įskaitant antrinę atmintį, ryšių įrangą ir terminalus.
Užtikrina sąveiką tarp procesoriaus (ALU ir valdymo bloko), pagrindinės atminties ir įvesties/išvesties įrenginių su sistemos magistralė .
Von Neumann kompiuterių architektūra laikoma klasikine; dauguma kompiuterių yra sukurti ant jos. Apskritai, kai žmonės kalba apie von Neumann architektūrą, jie turi omenyje fizinį procesoriaus modulio atskyrimą nuo programos ir duomenų saugojimo įrenginių. Idėja saugoti kompiuterių programas bendrojoje atmintyje leido kompiuterius paversti universaliais įrenginiais, galinčiais atlikti įvairiausias užduotis. Programos ir duomenys į atmintį įvedami iš įvesties įrenginio per aritmetinį loginį bloką. Visos programos komandos įrašomos į gretimus atminties langelius, o apdorojimui skirti duomenys gali būti talpinami savavališkose ląstelėse. Bet kuriai programai paskutinė komanda turi būti išjungimo komanda.
Šiandien didžioji dauguma kompiuterių yra von Neumann mašinos. Vienintelės išimtys yra tam tikrų tipų lygiagrečiam skaičiavimui skirtos sistemos, kuriose nėra programų skaitiklio, neįdiegta klasikinė kintamojo samprata ir yra kitų reikšmingų esminių skirtumų nuo klasikinio modelio (pavyzdžiai yra srautinio perdavimo ir mažinimo kompiuteriai). Matyt, reikšmingas nukrypimas nuo von Neumann architektūros atsiras plėtojant penktosios kartos mašinų idėją, kurioje informacijos apdorojimas grindžiamas ne skaičiavimais, o loginėmis išvadomis.
2.2 Komanda, komandų formatai
Komanda yra elementarios operacijos, kurią turi atlikti kompiuteris, aprašymas.
Komandos struktūra.
Komandoms parašyti skirtų bitų skaičius priklauso nuo aparatinės įrangos konkretus modelis kompiuteris. Šiuo atžvilgiu mes apsvarstysime konkrečios komandos struktūrą bendram atvejui.
Apskritai komandoje yra ši informacija:
Ø atliekamos operacijos kodas;
Ø operandų ar jų adresų apibrėžimo instrukcijos;
Ø gauto rezultato išdėstymo instrukcijos.
Kiekvienam konkrečiam įrenginiui turi būti nurodytas dvejetainių bitų, skirtų instrukcijose kiekvienam jos adresui ir operacijos kodui, skaičius, taip pat patys faktiniai operacijos kodai. Komunikacijos bitų skaičius, skiriamas kuriant mašiną kiekvienam jos adresui, lemia viršutinę mašinos atminties langelių, turinčių atskirus adresus, skaičiaus ribą: jei adresas komandoje yra n bitų, tada greitosios prieigos atmintis. negali turėti daugiau nei 2 n ląstelių.
Komandos vykdomos nuosekliai, pradedant nuo vykdomosios programos pradžios adreso (įvesties taško), kiekvienos paskesnės komandos adresas yra vienu didesnis už ankstesnės komandos adresą, jei tai nebuvo šuolio komanda.
Šiuolaikinėse mašinose komandų ilgis yra kintamas (dažniausiai nuo dviejų iki keturių baitų), o kintamųjų adresų nurodymo būdai yra labai įvairūs.
Komandos adreso dalyje gali būti, pavyzdžiui:
Operandas;
Operando adresas;
Operando adreso adresas (baito numeris, iš kurio yra operando adresas) ir kt.
Pažiūrėkime į struktūrą galimi variantai kelių tipų komandos.
Trijų adresų komandos.
Dvipusės komandos.
Unicast komandos.
Neadresuotos komandos.
Apsvarstykite dvejetainę sudėjimo operaciją: c = a + b.
Kiekvienam atminties kintamajam apibrėžiame sąlyginius adresus:
Tegul 53 yra sudėjimo operacijos kodas.
Šiuo atveju trijų adresų komandų struktūra atrodo taip:
· Trijų adresų komandos.
Komandos vykdymo procesas yra padalintas į šiuos etapus:
Iš atminties langelio parenkama kita instrukcija, kurios adresas išsaugomas programos skaitiklyje; skaitiklio turinys yra pakeistas ir dabar jame yra eilės tvarka kitos komandos adresas;
Pasirinkta komanda perduodama valdymo įrenginiui į komandų registrą;
Valdymo įrenginys iššifruoja komandos adreso lauką;
Remiantis valdymo bloko signalais, operandų reikšmės nuskaitomos iš atminties ir įrašomos į ALU specialiuose operandų registruose;
Valdymo blokas iššifruoja operacijos kodą ir duoda signalą ALU atlikti atitinkamą operaciją su duomenimis;
Operacijos rezultatas šiuo atveju siunčiamas į atmintį (vienaadresiuose ir dviejų adresų kompiuteriuose jis lieka procesoriuje);
Visi ankstesni veiksmai atliekami tol, kol pasiekiama STOP komanda.
2.3 Kompiuteris kaip automatas
„Elektroninės skaitmeninės mašinos su programų valdymu yra vienos iš šiuo metu labiausiai paplitusių diskrečiųjų informacijos keitiklių, vadinamų diskretiniais arba skaitmeniniais automatais, pavyzdys“ (Gluškovas V.M. Skaitmeninių automatų sintezė)
Bet kuris kompiuteris veikia automatiškai (nesvarbu, didelis ar mažas kompiuteris, asmeninis kompiuteris ar superkompiuteris). Šia prasme kompiuterį kaip automatą galima apibūdinti blokine schema, parodyta Fig. 2.1.
Ankstesnėse pastraipose buvo nagrinėjama kompiuterio blokinė schema. Remdamiesi kompiuterio blokine schema ir mašinos schema, galime palyginti mašinos grandinės blokus ir kompiuterio blokinės schemos elementus.
Į mašiną kaip vykdomieji elementai yra įtraukti šie elementai:
Aritmetinis-loginis prietaisas:
· atmintis;
· informacijos įvesties/išvesties įrenginiai.
Mašinos valdymo elementas yra valdymo įtaisas, kuris iš tikrųjų suteikia automatinis režimas dirbti. Kaip jau minėta, šiuolaikinėje skaičiavimo prietaisai Pagrindinis vykdomasis elementas yra procesorius arba mikroprocesorius, kuriame yra ALU, atmintis ir valdymo įrenginys.
Pagalbiniai mašinos įtaisai gali būti visokios papildomos priemonės, kurios pagerina ar praplečia mašinos galimybes.
Kasdieniame lygmenyje dauguma žmonių terminą „architektūra“ stipriai sieja su įvairiais pastatais ir kitais inžineriniais statiniais. Taigi, galime kalbėti apie gotikinės katedros, Eifelio bokšto ar operos teatro architektūrą. Kitose srityse šis terminas vartojamas gana retai, tačiau kompiuteriams sąvoka „kompiuterio architektūra“ (elektroninis kompiuteris) jau įsitvirtino ir plačiai vartojama nuo praėjusio amžiaus 70-ųjų. Norėdami suprasti, kaip kompiuteryje vykdomos programos ir scenarijai, pirmiausia turite žinoti, kaip veikia kiekvienas jo komponentas. Kompiuterių architektūros doktrinos pagrindus, apie kuriuos kalbama pamokoje, padėjo Johnas von Neumannas. Šioje pamokoje galite sužinoti daugiau apie loginius mazgus, taip pat apie šiuolaikinių asmeninių kompiuterių architektūros pagrindinį modulinį principą.
Kompiuterių architektūros principus 1945 m. suformulavo Johnas von Neumannas, išplėtojęs Charleso Babbage'o idėjas, vaizduojančias kompiuterio veikimą kaip įrenginių rinkinio veikimą: apdorojimą, valdymą, atmintį, įvestį-išvestį.
Von Neumanno principai.
1. Atminties homogeniškumo principas. Su komandomis galite atlikti tuos pačius veiksmus kaip ir su duomenimis.
2. Atminties adresavimo principas. Pagrindinė atmintis struktūriškai sudaryta iš sunumeruotų ląstelių; Bet kuri ląstelė yra prieinama procesoriui bet kuriuo metu. Tai reiškia galimybę pavadinti atminties sritis taip, kad vėliau būtų galima pasiekti arba pakeisti jose saugomas reikšmes programos vykdymo metu naudojant priskirtus pavadinimus.
3. Nuosekliojo programų valdymo principas. Daroma prielaida, kad programa susideda iš komandų, kurias procesorius automatiškai viena po kitos tam tikra seka vykdo, rinkinys.
4. Architektūrinio standumo principas. Topologijos, architektūros ir komandų sąrašo nekintamumas veikimo metu.
Neumanno principais sukurti kompiuteriai turi klasikinę architektūrą, tačiau be jos yra ir kitų architektūros tipų. Pavyzdžiui, Harvardas. Jo skiriamieji bruožai yra šie:
- instrukcijų saugykla ir duomenų saugykla yra skirtingi fiziniai įrenginiai;
- Instrukcijų kanalas ir duomenų kanalas taip pat yra fiziškai atskirti.
Vystymosi istorijoje Kompiuterinė technologija kokybinis šuolis įvykdavo maždaug kas 10 metų. Šis šuolis siejamas su naujos kartos kompiuterių atsiradimu. Idėja dalyti mašinas atsirado dėl to, kad per trumpą savo vystymosi istoriją kompiuterinės technologijos patyrė didelę evoliuciją tiek ta prasme. elemento pagrindas(lempos, tranzistoriai, mikroschemos ir kt.), o jos struktūros keitimo prasme – naujų galimybių atsiradimas, plečiant pritaikymo sritis ir naudojimo pobūdį. Daugiau informacijos kompiuterių kūrimo etapai parodyta pav. 2. Norint suprasti, kaip ir kodėl viena karta buvo pakeista kita, reikia žinoti tokių sąvokų reikšmę kaip atmintis, greitis, integracijos laipsnis ir kt.
Ryžiai. 2. Kompiuterių kartos ()
Tarp kompiuterių, kurie nėra klasikiniai, ne von Neumann architektūra, galime išskirti vadinamuosius neurokompiuterius. Jie imituoja žmogaus smegenų ląstelių, neuronų, taip pat kai kurių nervų sistemos dalių, galinčių keistis signalais, darbą.
Kiekvienas kompiuterio loginis mazgas atlieka savo funkcijas. Funkcijos procesorius(3 pav.):
- duomenų apdorojimas (aritmetinių ir loginių operacijų su jais atlikimas);
- visų kitų kompiuterių įrenginių valdymas.
Ryžiai. 3. Kompiuterio centrinis procesorius ()
Programa susideda iš atskirų komandų. Komanda apima operacijos kodą, operandų adresus (dydžius, kurie dalyvauja operacijoje) ir rezultato adresą.
Komandos vykdymas yra padalintas į šiuos etapus:
· komandos atranka;
- generuoti kitos komandos adresą;
- komandų dekodavimas;
- operandų adresų skaičiavimas;
- operandų pasirinkimas;
- operacijos vykdymas;
- rezultato ženklo formavimas;
- įrašyti rezultatą.
Vykdant bet kurią komandą yra ne visi etapai (priklausomai nuo komandos tipo), tačiau visada vyksta gavimo, dekodavimo, kitos komandos adreso generavimo ir operacijos vykdymo etapai. Tam tikrais atvejais galimi dar du žingsniai:
- netiesioginis adresavimas;
- atsakas į pertraukimą.
RAM(4 pav.) yra išdėstyta taip:
- informacijos gavimas iš kitų įrenginių;
- įsiminti informaciją;
- informacijos perkėlimas pagal pageidavimą į kitus kompiuterinius įrenginius.
Ryžiai. 4. Kompiuterio RAM (laisvosios kreipties atmintis) ()
Šiuolaikinių kompiuterių architektūra yra pagrįsta stuburas-modulinis principas(5 pav.). Modulinis principas leidžia užbaigti norimą konfigūraciją ir atlikti reikiamus atnaujinimus. Jis remiasi magistralės principu, kuriuo keičiasi informacija tarp modulių. Sistemos magistralę arba kompiuterio magistralę sudaro kelios įvairios paskirties magistralės. Nugarą sudaro trys kelių bitų magistralės:
- duomenų magistralė;
- adresų magistralė;
- valdymo magistralė.
Ryžiai. 5. Kompiuterio konstravimo stuburinis-modulinis principas
Duomenų magistralė naudojama įvairiems duomenims perduoti tarp kompiuterių įrenginių; adresų magistralė naudojama perduotiems duomenims adresuoti, tai yra nustatyti jų vietą atmintyje arba įvesties/išvesties įrenginiuose; Valdymo magistrale yra valdymo signalai, skirti laikinai koordinuoti veikimą įvairių įrenginių kompiuteriu, nustatyti duomenų perdavimo kryptį, nustatyti perduodamų duomenų formatus ir kt.
Šis principas galioja įvairiems kompiuteriams, kuriuos galima suskirstyti į tris grupes:
- stacionarus;
- kompaktiškas (nešiojamieji kompiuteriai, netbook ir kt.);
- kišenė (išmanieji telefonai ir kt.).
IN Sistemos vienetas staliniame kompiuteryje arba kompaktiškame dėkle yra pagrindinis loginiai mazgai- Tai pagrindinė plokštė su procesoriumi, maitinimo šaltiniu, saugojimo įrenginiais išorinė atmintis ir tt
Bibliografija
1. Bosova L.L. Informatika ir IKT: vadovėlis 8 klasei. - M.: BINOM. Žinių laboratorija, 2012 m.
2. Bosova L.L. Informatika: Užduočių knygelė 8 klasei. - M.: BINOM. Žinių laboratorija, 2010 m.
3. Astafieva N.E., Rakitina E.A., Informatika schemose. - M.: BINOM. Žinių laboratorija, 2010 m.
4. Tannenbaum E. Kompiuterių architektūra. – 5-asis leidimas. - Sankt Peterburgas: Petras, 2007. - 844 p.
1. Interneto portalas „Visi patarimai“ ()
2. Interneto portalas „Elektroninė enciklopedija „Kompiuteris““ ()
3. Interneto portalas „apparatnoe.narod.ru“ ()
Namų darbai
1. 2 skyriaus 2.1, 2.2 punktai. Bosova L.L. Informatika ir IKT: vadovėlis 8 klasei. - M.: BINOM. Žinių laboratorija, 2012 m.
2. Ką reiškia santrumpa COMPUTER?
3. Ką reiškia terminas „kompiuterių architektūra“?
4. Kas suformulavo pagrindinius kompiuterio architektūros principus?
5. Kuo remiasi šiuolaikinių kompiuterių architektūra?
6. Įvardykite pagrindines kompiuterio centrinio procesoriaus ir RAM funkcijas.
KOMPIUTERIŲ ORGANIZAVIMAS
Paskaitų konspektai
Čeliabinskas
JONO VON NEUMANO PRINCIPAI. KOMPIUTERIŲ KARTOS
Jono fon Neumanno principais
Didžioji dauguma kompiuterių yra pagrįsti šiais elementais: Bendri principai 1945 metais suformulavo vengrų kilmės amerikiečių mokslininkas JOHN von NEUMANN.
1) Dvejetainio kodavimo principas.
Pagal šį principą visa į kompiuterį patenkanti informacija yra užkoduojama naudojant dvejetainius signalus.
2) Programos valdymo principas.
Programa susideda iš komandų rinkinio, kurias procesorius automatiškai viena po kitos vykdo tam tikra seka.
3) Atminties homogeniškumo principas.
Programos ir duomenys saugomi toje pačioje atmintyje. Todėl kompiuteris neskiria, kas yra saugoma tam tikroje atminties langelyje – skaičius, tekstas ar komanda. Su komandomis galite atlikti tuos pačius veiksmus kaip ir su duomenimis.
4) Nukreipimo principas.
Struktūriškai pagrindinė atmintis susideda iš sunumeruotų langelių, o bet kuri ląstelė yra prieinama procesoriui bet kuriuo metu.
Tai reiškia galimybę pavadinti atminties sritis taip, kad vėliau būtų galima pasiekti arba pakeisti jose saugomas reikšmes programos vykdymo metu naudojant priskirtus pavadinimus.
Anot von Neumanno, kompiuteris susideda iš šių pagrindinių blokų:
– informacijos įvesties/išvesties įrenginiai;
– kompiuterio atmintis;
– procesorius, susidedantis iš valdymo bloko (CU) ir aritmetinio-loginio bloko (ALU).
Pagal šiuos principus sukurtos mašinos vadinamos VON NEUMANN mašinomis.
Taigi, kompiuteris gali būti suvokiamas kaip procesorius, daugiapakopė atminties sistema, išorinių ir vidinių ryšių bei periferinių įrenginių sistema.
Atminties funkcijos apima:
– informacijos gavimas iš kitų įrenginių;
– įsiminti informaciją;
– informacijos teikimas pagal pageidavimą kitiems mašinos įrenginiams.
Procesoriaus funkcijos:
– duomenis tvarko duota programa atliekant aritmetinius ir loginius veiksmus;
– kompiuterinių įrenginių veikimo programinis valdymas.
Instrukcijas vykdanti procesoriaus dalis vadinama aritmetiniu loginiu bloku (ALU), o kita dalis, atliekanti įrenginio valdymo funkcijas – valdymo bloku (CU). Paprastai šie du įrenginiai yra išskiriami sąlygiškai, struktūriškai jie nėra atskirti.
Procesorius turi keletą specializuotų papildomų atminties ląstelių, vadinamų registrais.
Registras atlieka trumpalaikio skaičiaus ar komandos saugojimo funkciją. Specialios elektroninės grandinės gali atlikti tam tikras manipuliacijas su kai kurių registrų turiniu. Pavyzdžiui, iškirpti atskiras komandos dalis vėlesniam naudojimui arba atlikti tam tikras aritmetines operacijas su skaičiais.
Pagrindinis registro elementas yra elektroninė grandinė, vadinama flip-flop, kuri gali išsaugoti vieną dvejetainį skaitmenį (bitą).
Registras yra trigerių, tam tikru būdu sujungtų vienas su kitu, rinkinys bendra sistema valdymas.
Yra keletas registrų tipų (1.1 pav.), kurie skiriasi atliekamų operacijų tipu:.
– adder – ALU registras, dalyvaujantis atliekant kiekvieną operaciją;
– komandų skaitiklis – registras CU, kurio turinys atitinka kitos vykdomos komandos adresą; tarnauja automatiniam programos parinkimui iš nuoseklių atminties langelių;
– komandų registras – valdymo registras, skirtas komandos kodui saugoti jo vykdymui reikalingą laiką. Kai kurie jo bitai naudojami operacijos kodui saugoti, likusieji – operandų adresų kodams saugoti.
1.1 pav
Procesoriaus registro sąsajos schema
TECHNINĖS ĮRANGOS ARCHITEKTŪRA
Panagrinėkime fizinę IBM asmeninio kompiuterio struktūrą, jo periferinius įrenginius ir atskirų komponentų sąsajos principus.
Mikroprocesorius
Tai yra centrinis asmeninio kompiuterio mazgas. Procesorius turi galimybę vykdyti instrukcijas, kurios sudaro kompiuterio programa. Asmeniniai kompiuteriai yra sukurti aplink mikroprocesorius, šiuo metu veikiančius viename kristale arba „lustu“.
IBM/PC naudojamą mikroprocesorių sukūrė ir sukūrė Intel. Esminis skirtumas tarp IBM/PC ir ankstesnės kartos asmeninių kompiuterių yra 16 bitų mikroprocesoriaus naudojimas. Prieš atsirandant IBM/PC, populiariausias asmeninius kompiuterius buvo sukurti 8 bitų mikroprocesorių pagrindu.
Skirtumas tarp 8 bitų ir 16 bitų mikroprocesorių yra tas, kad 8 bitų procesoriai gali apdoroti 8 bitų duomenis, o 16 bitų – 16 bitų duomenis. Pagrindinis 16 bitų procesorių pranašumas, palyginti su 8 bitų procesoriais, yra žymiai padidėjęs jų greitis, galia ir instrukcijų rinkinio patogumas. Be to, žymiai padidėja adresuojamos atminties kiekis. Dauguma 8 bitų procesorių gali naudoti tik 64K atminties, o tai labai sumažina talpą efektyvus naudojimas asmeninius kompiuterius. IBM/PC naudojami 8088 ir 8086 procesoriai leidžia adresuoti 1024K.
Funkcinis tikslas
Sistemos laiko signalus teikia 8284A generatorius. Šiuos signalus naudoja visi kompiuterio elementai ir nustato operacijų trukmę. Su laikrodžio generatoriumi yra susietas 8255A-5 laikmatis, naudojamas juostos įrenginio sąsajai ir įmontuotam garsiakalbiui palaikyti.
Kompiuterinės sistemos veikimas pagrįstas pertraukimų naudojimu. Pertraukimo sistemos darbui organizuoti naudojamas 8259A lustas. Kai duomenys perduodami kompiuterinėje sistemoje, jie perduodami bendru kanalu, kurį gali pasiekti visi sistemos komponentai. Šis kelias buvo pavadintas duomenų magistralės.
Autobusų koncepcija yra vienas iš pažangiausių kompiuterinio dizaino unifikavimo metodų. Užuot bandę sujungti visus kompiuterinės sistemos elementus specialiomis jungtimis, kompiuterių dizaineriai apribojo duomenų perdavimą į vieną bendrą magistralę. Duomenys siunčiami kartu su specialiais signalais, nurodnčiais jų paskirtį. Ši idėja labai supaprastino kompiuterių dizainą ir labai padidino jo lankstumą. Norėdami pridėti naują komponentą, jums nereikia daryti daug skirtingų jungčių, tiesiog prijunkite jį prie magistralės. Norint supaprastinti informacijos perdavimą per magistralę, naudojamas magistralės valdiklis.
X terminalai
X terminalai yra bedisko darbo stočių ir standartinių terminalų derinys. Darbo stotys be diskų dažnai buvo naudojamos kaip brangūs ekranai ir šiuo atveju ne visiškai išnaudojo vietos apdorojimo galią. Visai neseniai, kai tapo prieinamos labai galingos grafikos darbo vietos, atsirado tendencija naudoti „vergus“ X terminalus, kurie naudoja darbo vieta kaip vietinis serveris.
Paprastai X terminalai kainuoja apie pusę panašios mašinos be diskų kainos ir maždaug ketvirtadalį visiškai įrengtos darbo vietos kainos.
Įprastą X terminalą (3.1 pav.) sudaro šie elementai:
– didelės raiškos ekranas – paprastai įstrižai svyruoja nuo 14 iki 21 colio dydžio;
– Mikroprocesorius, pagrįstas „Motorola 68xxx“ arba RISC procesoriumi, pvz., „Intel i960“, MIPS R3000 arba AMD29000;
– Be pagrindinio procesoriaus atskiras grafikos koprocesorius, palaikantis dviejų procesorių architektūrą, kuri užtikrina greitesnį ekrano piešimą ir slinkimą;
– pagrindinis sistemos programos, kuriame veikia ir vykdoma X-Windows sistema tinklo protokolai;
– X11 serverio programinė įranga.
– kintamo dydžio vietinės atminties (nuo 2 iki 8 MB) ekranui, tinklo sąsaja, palaikanti tinklo duomenų perdavimo protokolus.
– prievadai klaviatūrai ir pelei prijungti.
3.1 pav
X terminalo veikimo schema
X terminalai nuo asmeninių kompiuterių ir darbo stočių skiriasi ne tik tuo, kad neatlieka įprastų vietinių apdorojimo funkcijų. X terminalų veikimas priklauso nuo pagrindinės sistemos, prie kurios jie prijungti per tinklą. Kad X terminalas veiktų, vartotojai turi įdiegti X11 kelių langų serverio programinę įrangą pagrindiniame procesoriuje, kuriame veikia programa (garsiausia versija yra X11 Release 5).
Minimalus X terminalo veikimui reikalingas atminties kiekis yra 1 MB. Priklausomai nuo gaminio funkcionalumo, RAM gali būti padidinta iki 32 MB ar daugiau.
Įrengtas standartine sistema X-Windows, X terminalas gali rodyti kelias programas tame pačiame ekrane vienu metu. Kiekviena programa gali veikti savo lange, o vartotojas gali keisti langų dydį, padėtį ir manipuliuoti bet kurioje ekrano vietoje.
Serveriai
Taikomosiose kelių vartotojų sistemose naudojama kliento-serverio technologija ir paskirstytasis duomenų apdorojimas. „Klientas-serveris“ atveju dalį darbo atlieka serveris, o dalį – vartotojo kompiuteris (bendruoju atveju kliento ir vartotojo dalys gali dirbti tame pačiame kompiuteryje). Yra keletas serverių tipų, skirtų skirtingoms programoms: failų serveris, duomenų bazės serveris, spausdinimo serveris, skaičiavimo serveris, programų serveris. Taigi serverio tipas nustatomas pagal jam priklausančių išteklių tipą ( Failų sistema, duomenų bazę, spausdintuvus, procesorius arba taikomųjų programų paketus programos).
Kita vertus, yra serverių klasifikacija, nustatoma pagal tinklo, kuriame jie naudojami, mastą: serveris darbo grupė, padalinio serveris arba įmonės masto serveris (įmonės serveris). Ši klasifikacija yra labai sąlyginė. Pavyzdžiui, grupės dydis gali svyruoti nuo kelių žmonių iki kelių šimtų žmonių, o skyriaus serveris gali aptarnauti nuo 20 iki 150 vartotojų. Akivaizdu, kad atsižvelgiant į vartotojų skaičių ir jų sprendžiamų užduočių pobūdį, įrangos sudėties reikalavimai ir programinė įranga serverių, jų patikimumas ir našumas labai skiriasi.
Failų serveriai mažoms darbo grupėms (ne daugiau kaip 20-30 žmonių) yra lengviausiai diegiami asmeninio kompiuterio platformoje ir Novell NetWare programinėje įrangoje. Failų serveris šiuo atveju veikia kaip centrinė duomenų saugykla. Programų serveriai ir didelio našumo įrenginiai, skirti kliento-serverio aplinkai, turi labai skirtingus techninės ir programinės įrangos reikalavimus.
Procesoriaus greitis daug įvesties / išvesties serveriams nėra svarbus. Jie turi būti pakankamai įrengti galingi blokai maitinimo šaltinis, kad būtų galima įdiegti papildomas išplėtimo plokštes ir diskų įrenginius. Patartina naudoti nepertraukiamo maitinimo įrenginį. RAM paprastai yra mažiausiai 128 MB, o tai leis operacinei sistemai naudoti dideles disko talpyklas ir padidinti serverio našumą. Jei yra vienas tinklo segmentas ir 10-20 darbo stočių, didžiausią serverio pralaidumą riboja maksimalus tinklo pralaidumas. Tokiu atveju pakeičiant procesorius arba disko posistemes galingesni nepadidina našumo, nes kliūtis yra pats tinklas. Todėl svarbu naudoti geras atlyginimas tinklo sąsaja.
Šiuolaikiniai serveriai pasižymi:
– dviejų ar daugiau centrinių procesorių buvimas;
– kelių lygių magistralės architektūra, kurioje didelės spartos sistemos magistralė jungia kelis procesorius ir RAM, taip pat daug standartinių I/O magistralių, esančių tame pačiame korpuse;
– technologijų palaikymas diskų matricos REIDAS;
– simetrinio kelių apdorojimo režimo palaikymas, leidžiantis paskirstyti užduotis tarp kelių centrinių procesorių, arba asimetrinio kelių apdorojimo režimo, leidžiančio paskirstyti procesorius konkrečioms užduotims atlikti.
Pagrindiniai kompiuteriai
Pagrindiniai kompiuteriai– iki šių dienų išlieka galingiausiomis skaičiavimo sistemomis Pagrindinis tikslas, užtikrinantis nuolatinį darbą visą parą. Architektūriniu požiūriu pagrindiniai kompiuteriai yra kelių procesorių sistemos, turinčios vieną ar daugiau centrinių ir periferinių procesorių su bendra atmintimi, sujungtų didelės spartos duomenų perdavimo maršrutais. Šiuo atveju pagrindinė skaičiavimo apkrova tenka centriniams procesoriams, o periferiniai užtikrina darbą su daugeliu periferinių įrenginių.
Pagrindinis pagrindinių kompiuterių trūkumas šiuo metu išlieka santykinai mažas našumo ir sąnaudų santykis.
Klasterių architektūros
Du pagrindiniai iššūkiai kuriant kompiuterines sistemas svarbioms programoms, apimančioms transakcijų apdorojimą, duomenų bazių valdymą ir telekomunikacijų paslaugas, yra didelio našumo ir ilgalaikio sistemos veikimo užtikrinimas. Veiksmingiausias būdas pasiekti tam tikrą našumo lygį yra naudoti lygiagrečias, keičiamo dydžio architektūras. Iššūkį užtikrinti ilgalaikį sistemos veikimą sudaro trys komponentai: patikimumas, prieinamumas ir aptarnavimas. Visi šie trys komponentai visų pirma apima kovą su sistemos gedimais, atsirandančiais dėl gedimų ir jos veikimo sutrikimų. Ši kova vyksta visose trijose srityse, kurios yra tarpusavyje susijusios ir taikomos bendrai.
Patikimumo didinimas grindžiamas gedimų prevencijos principu, sumažinant gedimų ir gedimų dažnį naudojant elektroninės grandinės ir komponentai, turintys aukštą ir itin aukštą integracijos laipsnį, mažinantys trukdžių lygį, lengvi grandinių veikimo režimai, užtikrinantys šilumines jų veikimo sąlygas, taip pat tobulinant įrangos surinkimo būdus. Parengties lygio didinimas apima tam tikrose ribose gedimų ir gedimų įtakos sistemos veikimui slopinimą naudojant klaidų kontrolės ir taisymo priemones, taip pat priemones, skirtas automatiškai atkurti skaičiavimo procesą įvykus gedimui, įskaitant techninę ir programinę įrangą. perteklius, kurio pagrindu įgyvendinamos įvairios gedimams atsparių architektūrų galimybės. Prieinamumo didinimas yra būdas sumažinti sistemos prastovą. Pagrindinės sistemos eksploatacinės charakteristikos labai priklauso nuo jos priežiūros paprastumo, ypač nuo techninės priežiūros, testavimo ir kt.
Yra keletas didelio prieinamumo sistemų tipų, kurie skiriasi savo funkcionalumą ir kaina. Aukšto prieinamumo sistemų kaina yra daug didesnė nei įprastų sistemų kaina. Tikriausiai todėl klasterinės sistemos yra labiausiai paplitusios pasaulyje, nes jos užtikrina gana aukštą sistemos prieinamumo lygį palyginti mažomis sąnaudomis.
Klasterizavimas yra mašinų, kurios atrodo kaip viena visuma operacinei sistemai, sistemos programinei įrangai, taikomosioms programoms ir vartotojams, suvienijimas.
Tokiu būdu sugrupuotos mašinos, sugedus vienam procesoriui, gali labai greitai perskirstyti darbą kitiems klasterio procesoriams. Tai yra svarbiausia daugelio aukšto pasiekiamumo sistemų tiekėjų užduotis.
Grupėje esantys kompiuteriai gali bendrinti prieigą prie įprastų juostų ir diskų įrenginių. Visi klasterio kompiuteriai gali pasiekti atskirus duomenų failus taip, lyg jie būtų vietiniai.
Jei vienas iš kompiuterių sugenda, jo vartotojų darbai gali būti automatiškai perkelti į kitą klasterio kompiuterį. Jei sistemoje yra keli valdikliai išoriniai diskai ir vienas iš jų sugenda, kiti valdikliai automatiškai paima jo darbą (aukštas prieinamumas).
Didelis pralaidumas. Daugybė taikomųjų sistemų gali pasinaudoti galimybe lygiagrečiai vykdyti užduotis keliuose grupės kompiuteriuose.
Sistemos priežiūros paprastumas. Bendrinamos duomenų bazės gali būti aptarnaujamos iš vienos vietos. Taikomosios programos gali būti įdiegtos tik vieną kartą bendruose klasterio diskuose ir bendrinamos tarp visų grupės kompiuterių.
Išplečiamumas. Klasterio skaičiavimo galios padidėjimas pasiekiamas prisijungus prie jo papildomų kompiuterių. Papildomi magnetiniai diskai ir magnetinės juostos įrenginiai tampa prieinami visiems klasterio kompiuteriams.
Bet kurios klasterio sistemos veikimą lemia du pagrindiniai komponentai: didelės spartos procesorių tarpusavio ryšio mechanizmas ir sistemos programinė įranga, suteikianti klientams skaidrią prieigą prie sistemos paslaugų. Šiuo metu lygiagrečių duomenų bazių technologija taip pat yra plačiai paplitusi. Ši technologija leidžia keliems procesoriams dalytis prieiga prie vienos duomenų bazės. Paskirstydami užduotis keliems procesoriaus ištekliams ir vykdydami juos lygiagrečiai, galite pasiekti aukštesnį operacijų pralaidumo lygį, palaikyti daugiau vienu metu dirbančių vartotojų ir pagreitinti sudėtingų užklausų vykdymą. Yra trys skirtingi architektūros tipai, palaikantys lygiagrečias duomenų bazes.
1) Simetrinė bendros atminties kelių procesorių architektūra(Bendrosios atminties SMP architektūra). Ši architektūra (3.3 pav.) palaiko vieną duomenų bazę, veikiančią kelių procesorių serveryje, kuriame veikia viena operacinė sistema. Tokių sistemų našumo padidėjimas užtikrinamas padidinus procesorių, RAM ir išorinių atminties įrenginių skaičių.
3.3 pav.
Simetrinė bendros atminties kelių procesorių architektūra
2) Architektūra su bendrais (bendraisiais) diskais.Ši architektūra palaiko vieną duomenų bazę keliuose klasteryje esančiuose kompiuteriuose (dažniausiai vadinamuose klasterio mazgais), kurių kiekviename veikia sava operacinės sistemos kopija. Tokiose sistemose visi mazgai dalijasi prieiga prie bendrų diskų, kuriuose iš tikrųjų yra viena duomenų bazė. Tokių sistemų našumą galima padidinti tiek didinant procesorių skaičių ir RAM kiekį kiekviename klasterio mazge, tiek didinant pačių mazgų skaičių.
3) Architektūra be dalijimosi ištekliais. Kaip ir bendro disko architektūra, ši architektūra palaiko vieną duomenų bazės vaizdą keliuose kompiuteriuose, kuriuose veikia savo operacinės sistemos kopijos. Tačiau šioje architektūroje kiekvienas sistemos mazgas turi savo RAM ir savo diskus, kurie nėra bendrinami tarp atskirų sistemos mazgų. Praktiškai tokiose sistemose dalijamasi tik bendru ryšio kanalu tarp sistemos mazgų. Tokių sistemų našumą galima padidinti pridedant procesorius, RAM ir išorinės (disko) atminties kiekius kiekviename mazge, taip pat didinant tokių mazgų skaičių.
Taigi, lygiagrečios duomenų bazės paleidimo aplinka turi dvi svarbias savybes: aukštą prieinamumą ir didelio našumo. Klasterio organizacijos atveju keli kompiuteriai arba klasterio mazgai dirba su viena duomenų baze. Jei vienas iš šių mazgų sugenda, likę mazgai gali perimti sugedusiame mazge vykdomas užduotis nesustabdydami viso duomenų bazės proceso. Kadangi logiškai kiekvienas sistemos mazgas turi duomenų bazės vaizdą, prieiga prie duomenų bazės bus tęsiama tol, kol sistemoje bus bent vienas sveikas mazgas. Sistemos našumas yra lengvai keičiamas, t.y. pridėti papildomų procesorių, RAM ir disko atminties kiekius bei naujus sistemos mazgus galima atlikti bet kuriuo metu, kai to tikrai reikia.
Lygiagrečios duomenų bazės plačiai naudojamos internetinėse transakcijų apdorojimo sistemose, sprendimų palaikymo sistemose ir dažnai naudojamos dirbant su svarbiomis programomis įmonėms ir organizacijoms, kurios dirba 24 valandas per parą.
PERTRAUKIMO SISTEMA
Pertraukite yra tam tikru būdu inicijuojamas procesas, kuris laikinai perjungia mikroprocesorių, kad jis vykdytų kitą programą, o vėliau tęsia pertrauktos programos vykdymą.
Pertraukimo mechanizmas leidžia efektyviausiai valdyti ne tik išorinius įrenginius, bet ir programas. Kai kurios operacinės sistemos pertraukimo mechanizmą naudoja ne tik išoriniams įrenginiams aptarnauti, bet ir savo paslaugoms teikti. Taigi gerai žinoma ir vis dar plačiai naudojama operacinė sistema MS-DOS sąveikauja su sisteminėmis ir taikomosiomis programomis pirmiausia per pertraukimo sistemą.
Gali būti pertraukų išorės Ir vidinis.
Išoriniai pertraukimai atsiranda dėl išorinių mikroprocesoriaus įvykių. Jie generuoja išorinius mikroprocesoriaus signalus, kurie praneša mikroprocesoriui, kad koks nors išorinis įrenginys prašo dėmesio.
Vidiniai pertraukimai atsiranda mikroprocesoriaus viduje skaičiavimo proceso metu. Viena iš dviejų priežasčių sukelia jų susijaudinimą:
– nenormali vidinė mikroprocesoriaus būsena, atsiradusi apdorojant tam tikrą programos komandą;
– mašinos komandos „int xx“ apdorojimas. Šio tipo pertraukimas vadinamas programinės įrangos pertraukimu. Tai yra suplanuoti pertraukimai, nes jų pagalba programuotojas tinkamu laiku kreipiasi į operacinę sistemą arba į BIOS, arba į savo užklausas. savo programas nutraukti tvarkymą.
Pertraukite tvarkymą.
„Intel“ mikroprocesoriai turi du darbo režimus – realų ir apsaugotą. Šiais režimais pertraukimų apdorojimas atliekamas naudojant iš esmės skirtingus metodus.
Pažvelkime į pertraukimų tvarkymą realiuoju režimu.
Apskritai pertraukimo sistema yra programinės ir techninės įrangos rinkinys, įgyvendinantis pertraukimo mechanizmą.
Pertraukimo sistemos aparatinė įranga apima
– mikroprocesoriaus kaiščiai
INTR – išorinio pertraukimo įvesties signalo kontaktas. Ši įvestis gauna išvesties signalą iš 8259A pertraukimo valdiklio lusto;
INTA – mikroprocesoriaus kaištis išvesties signalui, patvirtinančiam, kad mikroprocesorius gavo pertraukimo signalą. Šis išvesties signalas tiekiamas į to paties pavadinimo INTA įvestį 8259A pertraukimo valdiklio mikroschemoje;
NMI – mikroprocesoriaus kaištis nemaskuojamam pertraukimo įvesties signalui;
– 8259A programuojamo pertraukimo valdiklio lustas. Jis skirtas užfiksuoti pertraukimo signalus iš aštuonių skirtingų išorinių įrenginių: laikmačio, klaviatūros, magnetinių diskų ir kt. Paprastai naudojami du nuosekliai sujungti 8259A lustai. Dėl šio ryšio galimų išorinių pertraukimų šaltinių skaičius padidėja iki 15.
Realaus režimo pertraukimo sistemos programinė įranga apima:
– pertraukimų vektorių lentelė, kurioje pateikiamos nuorodos į atitinkamų pertraukimų apdorojimo procedūras tam tikru formatu, priklausomai nuo mikroprocesoriaus darbo režimo;
– vėliavų/vėliavų registre šios vėliavėlės:
IF (Interrupt Flag) – pertraukimo vėliavėlė. Skirtas taip vadinamam aparatūros pertraukimų maskavimui (slopinimui), tai yra pertraukimams INTR įėjime. IF vėliavėlė neturi įtakos kitų tipų apdorojimo pertraukimams. Jei IF=1, mikroprocesorius apdoroja išorinius pertraukimus, jei IF = 0, mikroprocesorius ignoruoja signalus INTR įėjime;
TF (Trace Flag) – sekimo vėliavėlė. Viena TF vėliavėlės būsena įjungia mikroprocesorių į komandų komandų režimą. Instrukcijos pagal komandą režimu, įvykdžius kiekvieną mašinos komandą, mikroprocesoriuje sugeneruojamas vidinis pertraukimas numeriu 1, o tada atliekami veiksmai pagal šio pertraukimo apdorojimo algoritmą;
– mikroprocesoriaus mašinos komandos: int, into, iret, cli, sti ().
Pertraukimo valdiklio lustas atlieka šias funkcijas:
– registruoja prašymus nutraukti apdorojimą iš aštuonių šaltinių, generuoja vieną pertraukimo užklausą ir pateikia ją į mikroprocesoriaus INTR įvestį;
– pertraukimo vektoriaus numerio generavimas ir siuntimas į duomenų magistralę;
– prioritetinio pertraukimo apdorojimo organizavimas;
– pertraukimų su tam tikrais skaičiais draudimas (maskavimas).
Svarbi šio valdiklio savybė – galimybė jį programuoti, leidžianti lanksčiai keisti aparatinės įrangos pertraukimų apdorojimo algoritmus.
Kompiuterio įkrovos proceso metu ir vėliau veikimo metu pertraukimo valdiklis sukonfigūruojamas veikti vienu iš keturių režimų.
1) Įdėtas pertraukimo režimas.Šiame režime kiekvienam įėjimui (lygiui) irq0...irq7 priskiriama fiksuota prioriteto reikšmė, o lygis irq0 turi aukščiausią prioritetą, o irq7 – žemiausią. Pertraukimų prioritetas lemia jų teisę nutraukti žemesnio prioriteto pertraukimo apdorojimą aukštesniu prioritetu (žinoma, jei IF = 1).
2) Ciklinio pertraukimo apdorojimo režimas. Šiame režime pertraukimų lygių prioritetų reikšmės taip pat yra tiesiškai išdėstytos, bet ne fiksuotu būdu, o keičiasi apdorojus kitą pertraukimą tokiu principu: paskutinio aptarnaujamo pertraukimo prioriteto reikšmei priskiriama mažiausia reikšmė. . Kitas eilės pertraukimo lygis gauna didžiausią reikšmę, todėl, kai vienu metu gaunamos pertraukimo užklausos iš kelių šaltinių, šis lygis bus viršesnis.
3) Adresuojamas prioriteto režimas. Programuotojas arba sistema gali savarankiškai priskirti aukščiausio prioriteto pertraukimo lygį.
4) Apklausos režimas.Šis režimas neleidžia valdikliui automatiškai pertraukti mikroprocesoriaus, kai pertraukiamas koks nors išorinis įrenginys. Kad mikroprocesorius sužinotų apie tam tikros pertraukimo užklausos buvimą, jis pats turi susisiekti su pertraukimo valdikliu, jį išanalizuoti ir tada veikti pagal savo algoritmą. Remiantis šiuo požiūriu, pertraukimo apdorojimo iniciatorius yra ne pats pertraukimas, kaip vektorinėje disciplinoje, o mikroprocesorius, o kartais ir jo nulemtas (tiksliau, Operacinė sistema vykdant jį) laiko akimirkas.
ATMINTIES HIERARCHIJA
Šiuolaikinių kompiuterių atminties hierarchijos įgyvendinimas grindžiamas dviem principais: skambučių lokalumo principu ir sąnaudų/našumo santykiu.
Skambučių lokalumo principas rodo, kad dauguma programų, laimei, ne vienodai pasiekia visas savo komandas ir duomenis, tačiau teikia pirmenybę tam tikrai adresų erdvės daliai.
Šiuolaikinių kompiuterių atminties hierarchija yra sudaryta keliais lygiais, o aukštesnis lygis yra mažesnis, greitesnis ir brangesnis už baitą nei žemesnis. Hierarchijos lygiai yra tarpusavyje susiję: visus vieno lygio duomenis galima rasti ir žemesniame lygyje, o visus to žemesnio lygio duomenis galima rasti kitame žemesniame lygyje ir taip toliau, kol pasieksime hierarchijos apačią.
Atminties hierarchija paprastai susideda iš daugelio lygių, tačiau bet kuriuo metu susiduriame tik su dviem šalia esančiais lygiais. Mažiausias informacijos vienetas, kuris gali būti arba negali būti dviejų lygių hierarchijoje, vadinamas bloku. Bloko dydis gali būti fiksuotas arba kintamas. Jei šis dydis yra fiksuotas, atminties dydis yra bloko dydžio kartotinis.
Sėkmingas arba nesėkmingas skambutis į aukštesnį lygį atitinkamai vadinamas pataikyti arba panele.
Pataikė– yra nuoroda į objektą atmintyje, kuris randamas aukštesniame lygyje, o panele reiškia, kad šiame lygyje jis nerastas.
Kadangi našumo gerinimas yra pagrindinė atminties hierarchijų atsiradimo priežastis, pataikymų ir praleistų rodikliai yra svarbi charakteristika. Pataikymo laikas – tai laikas, kurio reikia norint pasiekti aukštesnį hierarchijos lygį, kuris apima laiką, kurio reikia norint nustatyti, ar įvykis yra pataikymas, ar nepataikė, bet tuo neapsiribojant. Praleisti praradimas yra laikas, per kurį blokas aukštesniame sluoksnyje pakeičiamas bloku iš žemesnio sluoksnio, taip pat laikas, per kurį šis blokas persiųs į norimą įrenginį (dažniausiai procesorių). Praleisti praradimą taip pat sudaro du komponentai: prieigos laikas - laikas pasiekti pirmąjį bloko žodį praleidus ir persiuntimo laikas - papildomas laikas likusiems bloko žodžiams persiųsti. Prieigos laikas yra susijęs su žemesnio lygio atminties vėlavimu, o perdavimo laikas yra susijęs su kanalo pralaidumu tarp dviejų gretimų lygių atminties įrenginių.
Norėdami apibūdinti tam tikrą atminties hierarchijos lygį, turite atsakyti į šiuos keturis klausimus.
1) Kur gali būti blokas aukščiausiame hierarchijos lygyje? (bloko išdėstymas).
2) Kaip rasti bloką, kai jis yra aukščiausio lygio? (bloko identifikavimas).
3) Kuris blokas turėtų būti pakeistas praleidus? (bloko keitimas).
4) Kas nutinka įrašymo metu? (rašymo strategija).
Talpyklos organizavimas
Šiandien talpyklos atmintis yra beveik kiekviename kompiuteryje. Paprastai šiuolaikinė talpyklos atmintis yra struktūriškai neatskiriama nuo procesoriaus
Pagrindinė atmintis yra kitas atminties hierarchijos lygis. Pagrindinė atmintis tenkina talpyklos užklausas ir tarnauja kaip įvesties/išvesties sąsaja, nes yra įvesties paskirties vieta ir išvesties šaltinis. Yra du pagrindiniai parametrai, naudojami pagrindinės atminties našumui įvertinti: delsa ir pralaidumas. Tradiciškai pagrindinės atminties delsa yra susiję su talpyklos atmintimi ir pralaidumo arba pralaidumas reiškia I/O. Augant L2 talpyklų populiarumui ir didėjant L2 talpyklų blokų dydžiui, pagrindinės atminties pralaidumas tampa svarbus ir talpykloms.
Atminties delsa tradiciškai vertinama pagal du parametrus: prieigos laikas(prieigos laikas) ir atminties ciklo laikas(Pasivažinėjimo dviračiu laikas).
Prieigos laikas reiškia laiko intervalą nuo skaitymo užklausos išdavimo iki momento, kai prašomas žodis ateina iš atminties.
Atminties ciklo laikas nustatomas pagal minimalų laiką tarp dviejų prisijungimų prie atminties.
Puslaidininkinė RAM šiuo metu skirstoma į statinė RAM(SRAM) ir dinaminė RAM(DRAM). (Random Access Memory – laisvosios kreipties atmintis).
Mikroschemos (DRAM) pasižymi didesne talpa ir mažesnėmis sąnaudomis, tačiau reikalauja regeneravimo grandinių ir turi žymiai ilgesnį prieigos laiką.
Trigeris Jie vadina tranzistorių elementą, kuris gali būti vienoje iš dviejų stabilių būsenų (0 ir 1), ir pagal išorinį signalą gali keisti būseną. Trigeris gali tarnauti kaip atminties ląstelė, kurioje saugomas vienas informacijos bitas.
Trigeris pagrįsta atmintis vadinama statinis(SRAM).
DRAM įrenginio veikimo principas yra toks: metalo-dielektriko-puslaidininkio sistema yra pajėgi veikti kaip kondensatorius, t.y. gali kurį laiką išsilaikyti elektros krūvis. Įkrautą būseną pažymėdami 1, o neįkrautą - 0, gauname 1 bito talpos atminties elementą. Kadangi kondensatoriaus įkrovimas po tam tikro laiko išsisklaido, jį reikia periodiškai įkrauti (regeneruoti), vėl nuskaitant ir įrašant į jį duomenis. Dėl šios priežasties šio tipo atminčiai atsirado „dinamiškumo“ sąvoka.
Statinė RAM yra brangus ir neekonomiškas RAM tipas, todėl daugiausia naudojamas talpykloje ir mikroprocesorių registruose.
RAM plėtra
Nuo tada, kai buvo įdiegta dinaminė RAM, ji išgyveno kelis augimo etapus. Iš pradžių dinaminės RAM lustai buvo gaminami DIP paketuose. Tada jie buvo pakeisti moduliais, sudarytais iš kelių lustų: SIPP, SIMM ir galiausiai DIMM ir RIMM. Pažvelkime į šias veisles atidžiau.
1) DIP paketas yra seniausias DRAM diegimas. Paprastai tai yra mažas juodas plastikinis dėklas su metaliniais kontaktais abiejose pusėse.
Dinaminės RAM mikroschemos (kitaip tariant, lustai) buvo įdiegtos vadinamuosiuose bankuose. Bankai yra 64, 256 KB, 1 ir 4 MB. Kiekvienas bankas susideda iš devynių atskirų identiškų lustų. Iš jų aštuoni lustai skirti informacijai saugoti, o devintasis lustas naudojamas patikrinti likusių aštuonių šiame banke esančių lustų paritetą. Atminties lustai turėjo 64 Kbit, 256 Kbit, 1 ir 4 Mbit talpą.
Asmeniniai kompiuteriai su mikroprocesoriais i8086/88, i80286 ir iš dalies i80386SX/DX buvo aprūpinti atmintimi su DIP paketais. Įdiegti ir pakeisti tokio tipo atmintį buvo sudėtinga užduotis. Todėl kompiuteriuose su i80386DX procesoriumi šios mikroschemos pradėjo keisti SIPP ir SIMM atmintis.
2) SIPP moduliai Tai mažos plokštės, ant kurių prilituota keletas DRAM lustų.
SIPP yra vieno įdėto paketo santrumpa. SIPP moduliai yra prijungti prie sistemos plokštė naudojant 30 kontaktinių kaiščių, kurie įkišti į atitinkamą skydelį pagrindinė plokštė. SIPP moduliai turėjo tam tikras išpjovas, kurios neleido jų netinkamai įkišti į lizdus.
3) SIMM moduliai.
SIMM reiškia Single Inline Memory Module. SIMM moduliai gali turėti 256 KB, 1, 2, 4, 8, 16 ir 32 MB talpos. SIMM moduliai yra prijungti prie pagrindinės plokštės naudojant jungtis. Modulis įstatomas į plastikinį bloką 70 laipsnių kampu, o po to užspaudžiamas plastikiniu laikikliu. Šiuo atveju lenta stovi vertikaliai. Specialios atminties modulio išpjovos neleidžia jas įdėti netinkamai.
SIMM moduliai, skirti prijungti prie pagrindinės plokštės, turi paauksuotas juosteles (kaiščius).
SIMM moduliai perėjo du kūrimo etapus. Pirmieji SIMM modulių atstovai buvo 30 kontaktų SIMM. Didžiausias jų veikimo dažnis yra 29 MHz. Standartinis atminties prieigos laikas buvo laikomas 70 ns. Šie moduliai jau turėjo sunkumų dirbant kompiuteriuose su i80486DX2 mikroprocesoriais, todėl juos iš pradžių išstūmė 72 kontaktų FPM (Fast Page Mode) DRAM, o po to EDO (Extended Data Output) RAM.
SIMM EDO RAM turi tik 72 kontaktus ir gali veikti iki 50 MHz dažniais. Šiuose atminties moduliuose buvo įrengti kompiuteriai su Intel procesoriai 80486DX2/DX4, Intel Pentium, Pentium Pro ir Pentium MMX, taip pat AMD 80586 ir K5.
· Dvejetainio kodavimo principas
· Pagal šį principą visa į kompiuterį patenkanti informacija yra užkoduojama naudojant dvejetainius signalus (dvejetainius skaitmenis, bitus) ir suskirstoma į vienetus, vadinamus žodžiais.
· Atminties homogeniškumo principas
· Programos ir duomenys saugomi toje pačioje atmintyje. Todėl kompiuteris neskiria, kas yra saugoma tam tikroje atminties langelyje – skaičius, tekstas ar komanda. Su komandomis galite atlikti tuos pačius veiksmus kaip ir su duomenimis.
· Atminties adresavimo principas
· Struktūriškai pagrindinė atmintis susideda iš sunumeruotų langelių; Bet kuri ląstelė yra prieinama procesoriui bet kuriuo metu. Tai reiškia galimybę pavadinti atminties sritis taip, kad jose saugomas reikšmes būtų galima vėliau pasiekti arba pakeisti programos vykdymo metu naudojant priskirtus pavadinimus.
· Nuoseklios programos valdymo principas
· Daro prielaidą, kad programa susideda iš aibės komandų, kurias procesorius automatiškai viena po kitos vykdo tam tikra seka.
· Architektūrinio standumo principas
· Topologijos, architektūros ir komandų sąrašo nekintamumas veikimo metu.
· Šiais principais sukurti kompiuteriai priskiriami von Neumann kompiuteriams.
· Svarbiausia šių principų pasekmė yra ta, kad dabar programa nebėra nuolatinė mašinos dalis (kaip, pavyzdžiui, skaičiuotuvas). Atsirado galimybė lengvai pakeisti programą. Tačiau įranga, žinoma, išlieka nepakitusi ir labai paprasta.
· Palyginimui, ENIAC kompiuterio (kuris neturėjo išsaugotos programos) programa buvo nustatyta specialiais skydelyje esančiais trumpikliais. Mašinos perprogramavimas gali užtrukti daugiau nei vieną dieną (kitaip nustatykite trumpiklius). Ir nors šiuolaikiniams kompiuteriams skirtų programų parašymas gali užtrukti ne vienerius metus, po kelių minučių įdiegimo standžiajame diske jos veikia milijonuose kompiuterių.
·
· Von Neumann mašina susideda iš saugojimo įrenginio (atminties) - atminties, aritmetinio-loginio įrenginio - ALU, valdymo įrenginio - CU, taip pat įvesties ir išvesties įrenginių.
· Programos ir duomenys į atmintį įvedami iš įvesties įrenginio per aritmetinį loginį bloką. Visos programos komandos įrašomos į gretimus atminties langelius, o apdorojimui skirti duomenys gali būti talpinami savavališkose ląstelėse. Bet kuriai programai paskutinė komanda turi būti išjungimo komanda.
· Komanda susideda iš nurodymo, kokią operaciją reikia atlikti (iš galimų operacijų tam tikroje aparatinėje įrangoje) ir atminties langelių adresų, kuriuose saugomi duomenys, kuriuose turi būti atlikta nurodyta operacija, taip pat adresas langelį, kuriame turėtų būti parašytas rezultatas (jei jį reikia išsaugoti atmintyje).
· Aritmetinis loginis blokas atlieka nurodymuose nurodytas operacijas nurodytais duomenimis.
· Iš aritmetinio loginio bloko rezultatai išvedami į atmintį arba išvesties įrenginį. Esminis skirtumas tarp atminties ir išvesties įrenginio yra tas, kad atmintyje duomenys saugomi patogia kompiuteriu apdoroti forma ir patogiu būdu siunčiami į išvesties įrenginius (spausdintuvą, monitorių ir kt.). žmogui.
· Valdymo blokas valdo visas kompiuterio dalis. Iš valdymo įrenginio kiti įrenginiai gauna signalus „ką daryti“, o iš kitų įrenginių valdymo blokas gauna informaciją apie jų būseną.
· Valdymo įrenginyje yra specialus registras (ląstelė), vadinamas „programų skaitikliu“. Įkėlus programą ir duomenis į atmintį, į programų skaitiklį įrašomas pirmosios programos komandos adresas. Valdymo blokas iš atminties nuskaito atminties ląstelės, kurios adresas yra programų skaitiklyje, turinį ir įdeda į specialų įrenginį - „Komandų registrą“. Valdymo blokas nustato komandos veikimą, atmintyje „pažymi“ duomenis, kurių adresai nurodyti komandoje, ir kontroliuoja komandos vykdymą. Operaciją atlieka ALU arba kompiuterio techninė įranga.
· Vykdant bet kurią komandą programos skaitiklis pasikeičia vienu ir todėl nurodo kitą programos komandą. Kai reikia vykdyti komandą, kuri nėra šalia esamos, bet yra atskirta nuo duotosios tam tikru adresų skaičiumi, tada specialioje peršokimo komandoje yra langelio, į kurį turi būti perkeltas valdymas, adresas .
16)Struktūra ir architektūra skaičiavimo sistema
Sistema (iš graikų systema - visuma, junginys, sudarytas iš dalių) yra elementų, kurie sąveikauja tarpusavyje, sudarydami tam tikrą vientisumą, vienybę, visuma.
Skaičiavimo sistema – tai vieno ar kelių kompiuterių ar procesorių, programinės įrangos ir išorinės įrangos rinkinys, organizuotas bendram informacijos ir skaičiavimo procesų vykdymui.
Išskirtinis bruožas VS, palyginti su kompiuteriais, yra keli kompiuteriai, kurie įgyvendina lygiagretų apdorojimą.
Pagrindiniai projektavimo principai, nustatyti kuriant orlaivį:
gebėjimas dirbti įvairiais režimais;
struktūros moduliškumas techninės ir programinė įranga, kuri leidžia tobulinti ir modernizuoti skaičiavimo sistemas be esminių pakeitimų;
techninių ir programinių sprendimų suvienodinimas ir standartizavimas;
hierarchija procesų valdymo organizavime;
sistemų gebėjimas prisitaikyti, prisitaikyti ir savarankiškai organizuoti;
būtinų paslaugų teikimas vartotojams atliekant skaičiavimus
Pagal paskirtį orlaiviai skirstomi į
Universalus,
orientuotas į problemą
specializuotas.
Universalios yra skirtos spręsti platų problemų klasę. Į problemas orientuoti yra naudojami sprendžiant tam tikrą problemų spektrą gana siauroje srityje. Specializuoti yra orientuoti į siauros klasės problemų sprendimą
Pagal orlaivio tipą jie skiriasi
kelių mašinų
daugiaprocesorius.
Skaičiavimo sistema gali būti sukurta remiantis ištisais kompiuteriais (kelių mašinų kompiuteris) arba atskirų procesorių pagrindu (daugiaprocesorinis kompiuteris).
Jie skiriasi pagal kompiuterio ar procesoriaus tipą
vienarūšis – sukurtas to paties tipo kompiuterių ar procesorių pagrindu.
nevienalytės sistemos – apima Įvairių tipų kompiuteriai ar procesoriai.
Geografiškai orlaiviai skirstomi į:
koncentruotas (visi komponentai yra arti vienas kito);
paskirstytas (komponentai gali būti išdėstyti dideliu atstumu, pavyzdžiui, kompiuterių tinklai);
Pagal orlaivių elementų valdymo būdus jie išskiriami
centralizuotas,
decentralizuotas
su mišria kontrole.Pagal orlaivio veikimo režimą sistemos, veikiančios in
veikiantis
neveikiantys laikinieji režimai.
Be to, orlaiviai gali būti konstrukciniai
vieno lygio (yra tik vienas bendras duomenų apdorojimo lygis);
Daugiapakopės (hierarchinės) struktūros. Hierarchinėse kompiuterinėse sistemose mašinos arba procesoriai yra paskirstyti įvairiuose informacijos apdorojimo lygiuose, kai kurios mašinos (procesoriai) gali specializuotis atlikti tam tikras funkcijas.
Skaičiavimo sistemos sandara.
Lėktuvo konstrukcija yra integruotų elementų ir jų jungčių visuma. Kompiuterio elementai yra atskiri kompiuteriai ir procesoriai.
Apibūdintoje daugiapakopėje struktūroje įgyvendinama klasikinė von Neumann ginkluotųjų pajėgų organizacija ir apima nuoseklų informacijos apdorojimą pagal iš anksto sudarytą programą.
Skaičiavimo sistemų architektūra. Kompiuterių sistemų architektūrų klasifikacija.
Sistemos architektūra yra sistemos ypatybių, kurios yra būtinos naudoti, rinkinys.
Kompiuterio architektūra yra jo aprašymas tam tikru lygiu, įskaitant vartotojo programavimo galimybių, komandų sistemų, adresų sistemų, atminties organizavimo ir kt.
Klasikinė architektūra (von Neumann architektūra) – vienas aritmetinis-loginis vienetas (ALU), per kurį praeina duomenų srautas, ir vienas valdymo įrenginys (CU), per kurį eina komandų srautas – programa. Tai vieno procesoriaus kompiuteris.
Kelių mašinų skaičiavimo sistema. Čia keli procesoriai, įtraukti į skaičiavimo sistemą, neturi bendros RAM, bet kiekvienas turi savo (vietinį). Kiekvienas kompiuteris kelių mašinų sistemoje turi klasikinę architektūrą, tokia sistema naudojama gana plačiai.
Ankstyviausia ir žinomiausia yra kompiuterių sistemų architektūrų klasifikacija, kurią 1966 metais pasiūlė M. Flynn.· Klasifikavimas grindžiamas gijos sąvoka, kuri yra elementų, komandų ar duomenų seka, kurią apdoroja procesorius. Remdamasis komandų srautų ir duomenų srautų skaičiumi, Flynnas išskiria keturias architektūrų klases: SISD, MISD, SIMD, MIMD.
SISD (single instruction stream / single data stream) – vienas instrukcijų srautas ir vienas duomenų srautas. Šiai klasei visų pirma priklauso klasikinės sekvencinės mašinos arba kitaip von Neumann tipo mašinos, pavyzdžiui, PDP-11 arba VAX 11/780. Tokiose mašinose yra tik vienas komandų srautas, visos komandos apdorojamos nuosekliai viena po kitos ir kiekviena komanda inicijuoja vieną operaciją su vienu duomenų srautu. Nesvarbu, kad konvejerinis procesas gali būti naudojamas komandų apdorojimo greičiui ir aritmetiniam greičiui padidinti – tiek CDC 6600 su skaliariniais funkciniais vienetais, tiek CDC 7600 su konvejeriais patenka į šią klasę.
SIMD (vieno instrukcijų srautas / kelių duomenų srautas) – vienas instrukcijų srautas ir keli duomenų srautai. Tokio tipo architektūrose išlaikomas vienas komandų srautas, kuris, skirtingai nei ankstesnė klasė, apima vektorines komandas. Tai leidžia vienu metu atlikti vieną aritmetinę operaciją su daugeliu duomenų – vektorinių elementų. Vektorinių operacijų atlikimo metodas nenurodytas, todėl vektorinių elementų apdorojimas gali būti atliekamas arba procesoriaus matrica, kaip ILLIAC IV, arba naudojant konvejerį, kaip, pavyzdžiui, mašinoje CRAY-1.
MISD (multiple instruction stream / single data stream) – kelių instrukcijų srautas ir vienas duomenų srautas. Apibrėžimas reiškia, kad architektūroje yra daug procesorių, apdorojančių tą patį duomenų srautą. Tačiau nei Flynnas, nei kiti kompiuterių architektūros srities ekspertai kol kas nesugebėjo pateikti įtikinamo pavyzdžio, kaip realiai sukurta kompiuterinė sistema. šis principas. Nemažai tyrinėtojų tam priskiria konvejerio mašinas
