Ершов С.С. Архитектура и организация ЭВМ

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Южно-Уральский государственный университет

Кафедра «Электронные вычислительные машины»

681.3(07)

Е804

С. С. Ершов

АРХИТЕКТУРА И ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ

Учебное пособие

Часть 1

Челябинск

Издательство ЮУрГУ

2008

УДК 681.3.002(075.8)

Е804

Одобрено

учебно-методической комиссией приборостроительного факультета

Рецензенты:

Г. Э. Бауэр, Л. А. Полякова.

Ершов, С.С.

Е804 Архитектура и организация ЭВМ: учебное пособие / С.С. Ершов. — Че-

лябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2008. — Ч.1. — 144 с.

В пособии (часть 1) рассматриваются принципы функциональной и структур-

ной организации ЭВМ, а

также процессоры — центральные устройства ЭВМ. При

этом имеются в виду разные поколения и классы машин. Материал пособия соот-

ветствует читаемым дисциплинам «Организация ЭВМ и систем», «Архитектура

ЭВМ и систем».

Для студентов специальности 230101 («Вычислительные машины, комплексы,

системы и сети») и направления 01040062 («Информационные технологии»),

а также для студентов родственных специальностей и направлений.

УДК 681.3.002(075.8)

©Издательство ЮУрГУ, 2008.

ВВЕДЕНИЕ

Содержание представленных ниже разделов:

— Принципы функциональной и структурной организации ЭВМ(1);

— Процессоры (2);

— Средства ввода-вывода (3);

— Память ЭВМ (4);

— Вычислительные комплексы и системы (5)

соответствует преподаваемым кафедрой ЭВМ ЮУрГУ двум дисциплинам —

«Организация ЭВМ и систем» и «Архитектура ЭВМ и систем».

Ранее это называлось: «Цифровые вычислительные машины», «Теория и про-

ектирование

ЦВМ», «Теория и проектирование ЭВМ и систем», «Организация

ЭВМ, комплексов и систем».

Термины и определения в области вычислительной техники

В разного рода издававшихся ранее справочниках, словарях и т.п. можно было

найти совершенно «строгие» определения таких основных понятий вычислитель-

ной техники (ВТ), как «вычислительное устройство», «вычислительная машина»,

«вычислительная система», «

вычислительный комплекс» и сама «вычислительная

техника». Эти определения страдают излишней регламентированностью, рекур-

сивностью (в них присутствуют другие, ранее не определенные понятия) и т.п.

Пожалуй, следует все-таки выделить некоторые главные моменты в этих опре-

делениях. Так, «вычислительное устройство» — это нечто не очень крупное, вы-

полняющее однотипные операции (даже, возможно, всего

одну). «Вычисли-

тельная машина» — это уже физическая система. Она предназначена для авто-

матизации математических вычислений (это, действительно, так).

Насчет «вычислительных систем» (ВС) и «вычислительных комплексов» (ВК)

до сих пор единодушия в оценке их не наблюдается. Вообще-то система — это со-

вокупность элементов и связей между ними, т.е. требуется расщепление.

И это

расщепление есть уже, например, когда писали «Вычислительная система

ЕС-1022». Действительно, два компонента (элемента) налицо: технические (ап-

паратные) средства и программное обеспечение. «Настоящие» ВС и ВК, конечно,

это то, что организовано на базе множества процессоров и даже целых машин

(МПВС, ММВС и МПВК, ММВК). При этом трудно различить, где

здесь «систе-

ма», а где — «комплекс». И те, и другие, кстати, могли быть однородные (все про-

цессоры или машины однотипные) или неоднородные. В дальнейшем предлагает-

ся не делать различия между этими двумя понятиями. Хотя, конечно, это только

частная авторская точка зрения.

«Вычислительная техника» понимается двояко — как область техники и как

область науки. С этим можно согласиться. Имеется ввиду все множество разно-

образных вычислительных средств и «надстроек» над ними — результатов, дейст-

вительно, научных исследований.

В [20] приводится общая классификация систем обработки данных СОД

(и это, действительно, правильное терминологическое обобщение вычислитель-

ных средств) (рис. В.1).

СОД

Сосредоточенные

Распределенные

ЭВМ ВК ВС СТО

В сети

Локальные Глобальные

МПВК ММВК

Рис. В.1. Классификация систем обработки данных

Вычислительным системам, как видно из рис. В.1, отводится отдельная собст-

венная «ниша» — они рассматриваются как специализированные средства

(информационно-справочные системы разного рода и т.п.). Таким образом, они не

отождествляются с комплексами (как принято нами).

Сокращение «СТО» означает — «Системы телеобработки». В свое время

по-

пулярными были разговоры о так называемых ВЦКП (вычислительные центры

коллективного пользования), когда есть мощная центральная (и дорогая) ЭВМ

(или несколько их) и подключенные через разнообразные линии связи абонент-

ские пункты АП (где тоже есть, возможно, ЭВМ, но значительно меньшей произ-

водительности). Теперь с повсеместным распространением дешевых и производи-

тельных

ПЭВМ эти разговоры приутихли.

Вычислительные сети, во многом унаследовавшие черты вычислительных сис-

тем, но и значительно их продвинувшие, представлены в наше время не только

локальными (LAN) и глобальными (WAN) сетями, но также, например MAN (met-

ropolitan ...), т.е. городскими, и т.п.

Вообще, иногда, кроме терминов hardware (жесткое, т.е. аппаратное обеспече-

ние), software (программное обеспечение), используют

также термин brainware

(алгоритмическое обеспечение) — для выделения-подчеркивания и этой состав-

ляющей вычислений.

Краткая история вычислительной техники

Имеет смысл ввести параллельно три линии развития вычислительной техни-

ки: идеи, материальная база и реализация.

Идеи (основные вехи):

1642 г. — суммирующая машина Б. Паскаля;

1808 г. — перфокарта Жаккара как носитель информации для задания структу-

ры ткани в механизированном к тому времени ткацком производстве;

1833 г. — работы англичанина Ч

. Бэббиджа, предвосхитившего основные идеи

построения ЭВМ (АЛУ-«мельница», команды условного перехода и т.п.);

1937 г. — каноническая алгоритмическая система (машина) А. Тьюринга;

1945 г. — принцип программного управления Дж. фон Неймана;

...

Материальная база:

1904 г. — изобретение двухэлектродной электронной («вакуумной») лампы —

диода;

1907 г. — ламповый триод;

1926 г. — полупроводниковый диод;

1948 г. — полупроводниковый триод (транзистор

);

1960 г. — большая интегральная схема (БИС);

1971 г. — микропроцессор, 4-разрядный всего (СБИС);

...

Реализация:

1936 — 1941 гг. — машины на электромагнитных реле Ц-1, 2, 3 немецкого кон-

структора Цузе;

1939 — 1941 гг. — разработки болгарина Атанасова в США, память — на кон-

денсаторах;

1944 г. — релейная цифровая вычислительная машина «Марк-1» (Айкен,

США);

1942 — 1946 гг. — проект атомной бомбы «Манхэттен», первая ЭВМ —

ЭНИАК

(Маучли, Эккерт [30]);

1951 г. — первая советская ЭВМ – МЭСМ (малая электронно-счетная маши-

на);

1953 г. — ЭВМ «Стрела», БЭСМ (быстродействующая электронно-счетная

машина);

...

Поколения ЭВМ

Понятие «поколение» применимо, конечно, не только к ЭВМ, но и к автомоби-

лям, самолетам и т.п. Первично в виду имелся один, в общем-то, класс

ЭВМ,

а именно машины общего назначения (mainframe – мэйнфрэйм). Другие клас-

сы — суперЭВМ, мини- и микроЭВМ (в частности, персональные — ПЭВМ).

Поколений ЭВМ принято насчитывать 5 или 6. Первое поколение (табл. В.1) —

это ламповые машины с экзотическими элементами памяти (электронно-лучевые

трубки, «большие» конденсаторы и т.п.). Программное обеспечение (ПО) пред-

ставлено очень скудно — всего-навсего

библиотеки стандартных программ (БСП).

Программирование ввелось на машинном языке. Перфокарты просматривались на

свет (отверстие означает 1). Хорошо еще, что на бланках запись велась в 8-ричной

системе.

В транзисторных машинах второго поколения программное обеспечение было

представлено так называемыми интерпретирующими системами (ИС), задачей ко-

торых являлась настройка используемых в программе стандартных программ

(СП)

по месту их конкретного размещения в оперативной памяти.

Ферритовые сердечники (ФС) в качестве запоминающих элементов некоторое

время использовались и в машинах третьего поколения. Но им на смену пришли

элементы памяти на интегральных микросхемах (ИМС). Таким образом, магнит-

ная компонента поля исчезла, все стало однородным — поле только электриче-

ское.

Настоящие операционные системы

(ОС) появляются, начиная с машин третье-

го поколения, в машинах пятого поколения они становятся интеллектуальны-

ми (искусственный интеллект).

Машины четвертого поколения иногда даже не выделяются. Считают, что их

отличительный признак — многопроцессорность.

Таблица В.1

Поколения ЭВМ

Поколение США/СССР Процессор Память ПО

1951/1954 Лампы ЭЛТ, ... БСП

1958/1961 Транзисторы Ферритовые

сердечники

ИС

III

1965/1973 Интеграль-

ные микросхемы

ФС, ИМС ОС

1973/1979 БИС ИМС Параллель-

ные вычисления

1985/1990 СБИС ИМС, ... Интеллекту-

альные ОС

Вычислительная техника в России (СССР) и за рубежом

Машины общего назначения были представлены множеством семейств,

в частности:

— БЭСМ, БЭСМ-2, 4, 6, 7 (БЭСМ – престижный 1 миллион операций в секун-

ду, правда — коротких операций-команд; БЭСМ-6, 7 — это уже поколение «2,5»);

— «Урал», «Урал-2, 11, 14» (используются накопители на магнитных бараба-

нах, НМБ);

— «Минск-2, 22, 32» («Минск-32» — поколение «2,5», базовая машина АСУП;

появляются алфавитно-цифровые печатающие устройства, АЦПУ);

— М-20, 220, 222 (М-222 — поколение «2,5»; 3-адресные транзисторные ма-

шины);

— ЕС ЭВМ (в

качестве прототипов — IBM 360 и IBM 370; 12 моделей первого

«ряда», 8 — второго ряда; третий ряд — ЕС-1036, ЕС-1046, ЕС-1066);

Отечественные суперЭВМ:

— многопроцессорный вычислительный комплекс (МПВК) «Эльбрус», «Эль-

брус-2,3»;

— четвертый ряд ЕС ЭВМ (проект), ЕС-1130 (1 миллион операций с плаваю-

щей запятой-точкой в секунду, 1 MFLOPS), ЕС-1170 (4 процессора, 10 MLOPS,

Μ байт оперативной памяти), ЕС-1181 (60 MFLOPS, 128 Μ байт), ЕС-1766 (500

MFLOPS), разработки Научно-исследовательского центра электронной вычисли-

тельной техники (НИЦЭВТ) – ЕС-1710, 1191.

Отечественные миниЭВМ:

— очень популярное семейство «Наири», «Наири-2, К, С, 3, 4». Последние две

служили базой так называемых АРМ (автоматизированных рабочих мест);

— управляющие машины АСВТ-М (Агрегатная система средств вычислитель-

ной техники), АСВТ-М-2000, 3000, 4000, ..., 7000;

— «малые» машины М-400, 5000, 7000;

— семейство малых

ЭВМ (СМ-1, 2, 3, 4, 1425, 1820); уже в классе микроЭВМ

— СМ-1600, 1700, 1800.

Отечественные микроЭВМ (ПЭВМ):

— ЕС-1840, 1841, 1842 (прототип – IBM PC/AT);

— «Искра-1030»;

— «Электроника-60, 85»;

— ДВК-1, 2, 3.

Представители зарубежной вычислительной техники:

— системы STRETCH (IBM 7030), 2 млн оп/c;

— английская ВС «Атлас» (прототип БЭСМ-6);

— машины фирмы Burroughs (В-...), прототип МПВК «Эльбрус»;

— СДС-6600 и др.;

— машины фирмы DEC (PDP-11, VAX-11, прототип СМ ЭВМ);

— матричная ВС «ILLIAC-IV», 1 млрд оп

/c;

— ВС «STAR-100», «STARAN-500»;

— суперЭВМ семейства Крэй, Cray-1,2,3,4, от 50 до 128 млрд ОПЗ в секунду;

— система «Парагон», 1000 млрд ОПЗ/c;

— ВС SP (фирма IBM), 1344 процессора, 100 трлн ОПЗ/с, проект 2004 г.;

— машины фирмы IBM (IBM-360, 370), прототип ЕС ЭВМ-1, 2, 3-й очереди-

ряда;

— семейство ПЭВМ IBM PC/ХТ, IBM PC/AT;

— ВС ASCI RED (Accelerated Strategic Computing Initiative [«Наука и жизнь»,

2000, №5, с.77]), Министерство энергетики США, 9632 процессора типа Pentium

Pro, 600 Гбайт оперативной памяти, 3200 млрд ОПЗ/с;

— ВС ASCI White (США, IBM; 12,3 TFLOPS – «терафлопс», т.е. 12,3 трлн

ОПЗ/c; 8192 микропроцессора);

— ВС NEC («Симулятор Земли», Япония, 2-этажное здание 65*50*17 м, 350-

400 млн. долларов; 5120 микропроцессоров, 2320

шкафов; 150 шкафов для НМД;

более 40 TFLOPS).

Основные производители зарубежных вычислительных средств (технических

и программных), «киты»:

— микропроцессоры (Intel, AMD);

— ПЭВМ (IBM);

— программное обеспечение, ОС (Microsoft);

— сетевое обеспечение (Novell).

Конечно, перечень фирм и производимых продуктов может быть су-

щественно расширен.

Направления и перспективы развития вычислительной техники

1. Повышение быстродействия

Быстродействие, оцениваемое количеством операций (например, с

плавающей

запятой) в единицу времени, — важная характеристика ЭВМ, поскольку является

базовой для оценки производительности машины W. А производительность вхо-

дит в состав критерия «производительность/стоимость» (W/S).

Например, 100 трлн ОПЗ/c = 10

ОПЗ/с.

В машинах пятого поколения быстродействие должно измеряться в единицах

«логические заключения в секунду». Считается, что в пересчете на ОПЗ/с быстро-

действие таких машин должно быть на уровне 10

ОПЗ/с.

Простой «точечной» характеристикой быстродействия может служить время

переключения элемента τ

пркл

. Например, 1 пс = 10

-12

с, что соответствует тактовой

частоте 1000 ГГц (максимум, очевидно).

Естественным ограничением быстродействия является скорость света. В пус-

тоте это 300 000 км/с. В металлах проводников – меньше раза в 2-3. Поэтому ак-

туален переход от «алюминиевых» микросхем к «медным».

В физических экспериментах достигнуто значение τ

пркл

порядка 0,1 пс. Но до

практического использования таких «экзотических» эффектов еще далеко…

2. Увеличение емкости оперативной памяти

В ЭВМ первого поколения «Стрела» оперативная память на электронно-

лучевых трубках (ЭЛТ) имела емкость всего 2048 слов по 48 двоичных разрядов.

В процессорах типа Pentium при 32-разрядном адресе получается адресное

пространство памяти уже 2

= 4

байт. Для машин 5-го поколения расчетная

емкость памяти составляет 10

байт.

3. Микроминиатюризация

Степень (коэффициент) интеграции микросхемы определяется по формуле:

ис

= ent lg N + 1,

где ent — функция приближения до небольшего целого, N — количество эле-

ментов (вентилей, транзисторов, pn-переходов и т.п.).

Для больших ИС считалось N ≤ 1000.

Закон Моора (1965г., Гордон Моор – основатель фирмы Intel) утверждает, что

степень интеграции удваивается каждые 1,5 года.

На кристалле процессора типа Pentium около 7 млн. транзисторов, типа Athlon

(фирмы AMD) – около 29 млн (с учетом ускорителя — акселератора).

качестве «точечной» оценки степени микроминиатюризации может исполь-

зоваться так называемая норма – минимальное расстояние между токоведущими

дорожками на подложке интегральной схемы. Здесь начинали с 1,5 мкм. Далее

было 0,35; 0,2; 0,18 и, наконец, 0,15 мкм. Есть случаи и меньших значений – до

0,09 мкм. Естественно, существует нижний предел, обусловленный, например,

влиянием космических лучей.

4. Расширение сервиса

Здесь

можно отметить два момента.

Во-первых, расширение номенклатуры периферийных (внешних) устройств.

Ранее, в основном, были озабочены недогрузкой процессора — его загрузка

ρ должна быть по возможности близкой к 1. Теперь задача ставится иначе. Требу-

ется сбалансированность системы в целом. Дорогостоящие прецизионные

устройства (например, графопостроители) должны быть также достаточно загру-

жены.

Во-вторых, появились

ПЭВМ — настольного исполнения. Казалось невоз-

можным разместить в корпусе ПЭВМ накопитель на жестких дисках (НЖМД).

Это случилось — как своего рода революция. ПЭВМ не зря сначала именовались

еще ППЭВМ (профессиональные ПЭВМ, т.е. не для «игрушек»).

5. Надежность

В последнее время особый интерес проявляется к так называемым отказо-

устойчивым вычислительным комплексам. «Отказоустойчивость» по-другому на-

зывается еще «живучесть».

Способы достижения нужной степени надежности многообразны, например:

— кодирование по нечетности (четности);

— помехоустойчивое кодирование по Хеммингу (ЕСС для микросхем памя-

ти);

— двухпроводный контроль (в машинах ЕС ЭВМ);

— контрольное

суммирование (используется и в современных RAID-

технологиях);

— резервирование элементов (в частности, дублирование).

Кодирование с дополнением количества единиц в байте (слове) до нечетного

или четного количества путем добавления контрольного разряда К. Если это кон-

троль по нечетности, то в этом разряде — результат инверсии свертки остальных

разрядов по модулю два. Например, для нулевого

байта 0000 0000 в разряде К —

единица (а при контроле по четности — нуль, и весь 9-разрядный байт — нуле-

вой). При хранении данных на магнитной ленте контроль по нечетности оказыва-

ется более предпочтительным, чем контроль по четности. Здесь не требуется

иметь специальную 10-ю дорожку для синхроимпульсов. Роль синхросигнала ис-

полняет единица в любом

из 9 разрядов (поскольку полного нуля, в принципе,

нет).

Контроль по нечетности (четности) позволяет только обнаруживать ошибки

(нечетной кратности), но не исправлять их. Кроме того, есть случай «ложной тре-

воги» (ошибка в контрольном разряде).

Код Хемминга имеет значительно большую корректирующую способность.

Дополнительно обнаруживаются двойные ошибки (что влечет последующий пере-

запрос кодовой

комбинации) и исправляются одиночные ошибки.

Двухпроводный контроль требует фактически удвоения затрат оборудования

— параллельно вычисляется инверсное значение результата. Сумма по модулю

два в каждом разряде результата должна быть, очевидно, единичной:

.1xx

⊕

Контрольное суммирование — довольно «древний» способ борьбы с помеха-

ми. Еще в машинах 1-го и 2-го поколений контрольная сумма (формальная совер-

шенно) вычислялась по всему массиву на ленте (барабане, диске). Несовпадение

сумм — старой и новой — достаточное основание для повторения ввода.

Наконец, резервирование с кратностью k ≥ 2 резко снижает вероятность отказа

по сравнению

с такой же вероятностью для одного элемента. Дублирование широ-

ко использовалось в машинах Единой системы ЭВМ (основной и дополнительный