Архитектура ЭВМ и вычислительных систем. Максимов Н.В. и др. Перечень лабораторных занятий. Формы контроля, перечень выносимых на зачет вопросов

С середины 60-х годов существенно изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо независимой разработки аппаратуры и некоторых средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из совокупности аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на первый план выдвинулась концепция их взаимодействия. Так возникло принципиально новое понятие - архитектура ЭВМ.

Подархитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.

Архитектура ЭВМ охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих множество факторов. Среди этих факторов важнейшими являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации, а одним из главных компонентов архитектуры являются аппаратные средства. Основные компоненты архитектуры ЭВМ можно представить в виде схемы, показанной на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Основные компоненты архитектуры ЭВМ

Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки узлы и т. д.) и описывает связи внутри средства во всей их полноте. Архитектура же определяет правила взаимодействия составных частей вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой это необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она регламентирует не все связи, а наиболее важные, которые должны быть известны для более грамотного использования данного средства.

Так, пользователю ЭВМ безразлично, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемно или программно реализуются команды и т. д. Важно другое: как те или иные структурные особенности ЭВМ связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю, какие альтернативы реализованы при создании машины и по каким критериям принимались решения, как связаны между собой характеристики отдельных устройств, входящих в состав ЭВМ, и какое влияние они оказывают на общие характеристики машины. Иными словами, архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, относящихся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.

Только через 100 лет на базе появившихся электронных приборов эта идея была развита американским математиком Джоном фон Нейманом. В основу построения подавляющего большинства ЭВМ положены следующие общие принципы, сформулированные им в 1945 году.

Прежде всего, компьютер должен иметь следующие устройства:

Арифметическо-логическое устройство, выполняющие арифметические и логические операции;

Устройство управления , которое организует процесс выполнения программ;

Запоминающее устройство , илипамять для хранения программ и данных;

Внешние устройства для ввода-вывода информации.

В основе работы компьютера лежат следующие принципы:

Принцип двоичного кодирования . Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.

Принцип программного управления . Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Принцип однородности памяти . Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Принцип адресности . Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Машины, построенные на этих принципах, называются Фон-Неймановскими.

Виды архитектуры ЭВМ (открытая, закрытая, Гарвардская).

Архитектура вычислительной машины - концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения

Архитектуры закрытого типа

Компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имеет возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.

Укрупненная схема такой компьютерной архитектуры приведена на рис. 1. Оперативная память хранит команды и данные исполняемых программ. Канал допускает подключение определенного числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы.

Рис. 1. Архитектура компьютера закрытого типа

Компьютеры такой архитектуры эффективны при решении чисто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализации компьютерных технологий, требующих подключения дополнительных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информацией.

Вычислительные системы с открытой архитектурой

Такая архитектура позволяет свободно подключать любые периферийные устройства, что обеспечивает свободное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполнительных механизмов. Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии со стандартом шины. Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использовании обшей шины, приведена на рис. 2.

Рис. 2. Архитектура компьютера открытого типа

Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Запоминающее устройство хранит исполняемые программы и данные и согласовано уровнями своих сигналов с уровнями сигналов самой шины. Внешние устройства, уровни сигналов которых отличаются от уровней сигналов шины, подключаются к ней через специальное устройство – контроллер. Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора. Процессор имеет специальные линии управления, сигнал на которых определяет, обращается ли процессор к ячейке памяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнего устройства.

Несмотря на преимущества, предоставляемые архитектурой с общей шиной, она имеет и серьезный недостаток, который проявлялся все больше при повышении производительности внешних устройств и возрастании потоков обмена информацией между ними. К общей шине подключены устройства с разными объемами и скоростью обмена, в связи с чем «медленные» устройства задерживали работу «быстрых». Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались «быстрые» устройства. Архитектура компьютера с общей и локальной шинами приведена на рис. 3.

Рис. 3. Архитектура компьютера с общей и локальной шиной

Контроллер шины анализирует адреса портов, передаваемые процессором, и передает их контроллеру, подключенному к общей или локальной шине.

Конструктивно контроллер каждого устройства размещается на общей плате с центральным процессором и запоминающим устройством или, если устройство не является стандартно входящим в состав компьютера, на специальной плате, вставляемой в специальные разъемы на общей плате – слоты расширения. Дальнейшее развитие микроэлектроники позволило размещать несколько функциональных узлов компьютера и контроллеры стандартных устройств в одной микросхеме СБИС. Это сократило количество микросхем на общей плате и дало возможность ввести две дополнительные локальные шины для подключения запоминающего устройства и устройства отображения, которые имеют наибольший объем обмена с центральным процессором и между собой.

Центральный контроллер играет роль коммутатора, распределяющего потоки информации между процессором, памятью, устройством отображения и остальными узлами компьютера.

Функциональный контроллер – это СБИС, которая содержит контроллеры для подключения стандартных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер, модем и т.д. Часто в состав этого контроллера входит такое устройство, как аудиокарта, позволяющая получить на внешних динамиках высококачественный звук при прослушивании музыкальных и речевых файлов.

Гарвардская архитектура

Гарвардская архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете с целью увеличить скорость выполнения вычислительных операций и оптимизировать работу памяти.

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток - высокую стоимость. При разделении каналов передачи адреса и данных на кристалле процессора, последний должен иметь в два раза больше выводов. Способом решения этой проблемы стала идея использовать общую шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой.

Часто требуется выбрать три составляющие - два операнда и инструкцию(в алгоритмах цифровой обработки сигналов это наиболее встречаемая задача в БПФ и КИХ, БИХ фильтрах). Для этого существует кэш-память. В ней может храниться инструкция - обе шины остаются свободными, и появляется возможность передать два операнда одновременно. Использование кэш-памяти вместе с разделёнными шинами получило название «Super Harvard Architecture» («SHARC») - расширенная Гарвардская архитектура.

Примером могут послужить процессоры «Analog Devices»: ADSP-21xx - модифицированная Гарвардская Архитектура, ADSP-21xxx(SHARC) - расширенная Гарвардская Архитектура.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

САРАПУЛЬСКИЙ ПРОМЫШЛЕННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 230103

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «АРХИТЕКТУРА ЭВМ И ВС»

ВЫПОЛНИЛ СТУДЕНТ

ГР. АСУ-31СЗ СУХИХ А.В.

ПРОВЕРИЛ

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ ГАББАСОВА Ф.Ф.

г.Сарапул

2005 – 2006 уч. год

1. МНОГОМАШИННАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА.............. 3

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ ПО НАЗНАЧЕНИЮ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫМ ВОЗМОЖНОСТЯМ............................................................................ 6

3. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ЛОГИЧЕСКИ ЭЛЕМЕНТОВ...... 10

1. МНОГОМАШИННАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

Вычислительная система (ВС) – совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенная для сбора, хранения, обработки и распределения информации.

Создание ВС преследует следующие основные цели:

· повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных;

· повышение надежности и достоверности вычислений;

· предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.

отличительной особенностью ВС по отношению к классическим ЭВМ является наличие в ней нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку .

Параллелизм выполнения операций существенно повышает быстродействие системы; он может также значительно повысить и надежность (при отказе одного компонента системы его функции может взять на себя другой), и достоверность функционирования системы, если операции будут дублироваться, а результаты их выполнения сравниваться.

Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложняет управление вычислительным процессом, использование технических и программных ресурсов. Эти функции выполняет операционная система ВС.

Несмотря на то, что классическим является многомашинный вариант ВС, в ВС может быть только один компьютер, но агрегированный с многофункциональным периферийным оборудованием (стоимость периферийного оборудования часто во много раз превосходит стоимость центральных устройств компьютера). В компьютере может быть как несколько процессоров (тогда имеет место также классический многопроцессорный вариант ВС), так и один процессор (если не брать в расчет специализированные процессоры, входящие в состав периферийных устройств).

В многомашинной вычислительной системе несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеет общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ ПО НАЗНАЧЕНИЮ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫМ ВОЗМОЖНОСТЯМ

Электронная вычислительная машина (ЭВМ), компьютер – комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

ЭВМ можно классифицировать по ряду признаков, в частности:

· физическому представлению обрабатываемой информации;

· поколениям (этапам создания и элементной базе);

· сферам применения и методам использования (а также размерам и вычислительной мощности).

По сферам применения и методам использования ЭВМ можно разделить на следующие группы (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Классификация по сферам применения и методам использования

3. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Логический элемент компьютера - это часть электронной логической схемы, которая реализует элементарную логическую функцию.

Логическими элементами компьютеров являются электронные схемы И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и другие (называемые также вентилями), а также триггер.

С помощью этих схем можно реализовать любую логическую функцию, описывающую работу устройств компьютера. Обычно у вентилей бывает от двух до восьми входов и один или два выхода.

Чтобы представить два логических состояния - “1” и “0” в вентилях, соответствующие им входные и выходные сигналы имеют один из двух установленных уровней напряжения. Например, +5 вольт и 0 вольт.

Высокий уровень обычно соответствует значению “истина” (“1”), а низкий - значению “ложь” (“0”).

Каждый логический элемент имеет свое условное обозначение, которое выражает его логическую функцию, но не указывает на то, какая именно электронная схема в нем реализована. Это упрощает запись и понимание сложных логических схем.

Работу логических элементов описывают с помощью таблиц истинности.

Таблица истинности это табличное представление логической схемы (операции), в котором перечислены все возможные сочетания значений истинности входных сигналов (операндов) вместе со значением истинности выходного сигнала (результата операции) для каждого из этих сочетаний.

С х е м а И

Схема И реализует конъюнкцию двух или более логических значений.

Условное обозначение на структурных схемах схемы И с двумя входами представлено на рис. 3.1. Таблица истинности - в таблице 3.1.

Рис. 3.1

Таблица 3.1

x	y	xy
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Единица на выходе схемы И будет тогда и только тогда, когда на всех входах будут единицы. Когда хотя бы на одном входе будет ноль, на выходе также будет ноль.

Связь между выходом z этой схемы и входами x и y описывается соотношением: z = xy (читается как "x и y").

Операция конъюнкции на функциональных схемах обозначается знаком “&” (читается как "амперсэнд"), являющимся сокращенной записью английского слова and.

С х е м а ИЛИ

Схема ИЛИ реализует дизъюнкцию двух или более логических значений.

Когда хотя бы на одном входе схемы ИЛИ будет единица, на её выходе также будет единица.

Условное обозначение схемы ИЛИ представлено на рис. 3.2. Знак “1” на схеме - от устаревшего обозначения дизъюнкции как ">=1" (т.е. значение дизъюнкции равно единице, если сумма значений операндов больше или равна 1). Связь между выходом z этой схемы и входами x и y описывается соотношением: z = x v y (читается как "x или y"). Таблица истинности - в табл. 3.2.

Рис. 3.2

Таблица 3.2

x	y	x v y
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

С х е м а НЕ

Схема НЕ (инвертор) реализует операцию отрицания. Связь между входом x этой схемы и выходом z можно записать соотношением z =

, где читается как "не x" или "инверсия х".

Если на входе схемы 0, то на выходе 1. Когда на входе 1, на выходе 0. Условное обозначение инвертора - на рисунке 3.3, а таблица истинности - в табл. 3.3.

Рис. 3.3

Таблица 3.3

x
0	1
1	0

	Выписка из ГОС СПО
	Пояснительная записка
	Цели и задачи дисциплины
	Требования к уровню освоения содержания дисциплины
	Объем дисциплины и виды учебной работы
	Разделы (темы) дисциплины
	Учебно – методическое обеспечение дисциплины
	Материально-техническое обеспечение дисциплины
	Формы контроля, перечень выносимых на зачет вопросов

1. Выписка из ГОС СПО

ОПД.00

Общепрофессиональные дисциплины

ОПД.05

Архитектура ЭВМ и вычислительных систем:

представление информации в вычислительных системах; архитектура и принципы работы основных логических блоков вычислительных систем; внутренняя организация процессора; регистры процессора; организация и принцип работы памяти; физическая, линейная, страничная, сегментная и виртуальная память; кэш-память; защищенный режим работы; управление памятью; виды адресации; шинная структура и виды шин; многозадачность; архитектуры процессоров; взаимосвязь с периферийными устройствами, организация и режимы работы процессора; основные команды процессора, рабочий цикл процессора использование прерываний, программы-отладчики; типы вычислительных систем и их архитектурные особенности, параллелизм и конвейеризация вычислений, классификация вычислительных платформ, преимущества и недостатки различных типов вычислительных систем

2. Пояснительная записка

Программа учебной дисциплины «Архитектура ЭВМ и вычислительных систем» предназначена для реализации государ ственных требований к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников по специальности Прикладная информатика среднего профессионального образования и является единой для всех форм обучения.

Учебная дисциплина «Архитектура ЭВМ и вычислительных сис тем» является общепрофессиональной дисциплиной, формирующей базовый уровень знаний для освоения специальных дисциплин.

Преподавание дисциплины должно иметь практическую направленность и проводиться в тесной взаимосвязи с общепрофессиональными дисциплинами: «Операционные системы и среды», «Основы алгоритмизации и программирования», «Дискретная математика», «Технические средства информатизации».

Рабочим учебным планом для данной дисциплины определено: теоретическое обучение 54 часа, практические и лабораторные занятия 30 часов, самостоятельная работа 24 часа, промежуточная аттестация установлена в форме зачета в конце четвертого семестра и в форме экзамена в конце пятого семестра.

3. Цели и задачи дисциплины

Целью курса является формирование у студентов представлений об устройстве и архитектуре современных ПК. Целью практических занятий является приобретение студентами навыков практической работы с комплектующими ПК. В задачи курса входит рассмотрение всех составных частей ПК и принципов их работы. Задачей практических занятий является непосредственное практическое ознакомление с компонентами ПК и правилами работы с ними, а так же рассмотрение некоторых аспектов диагностики возможных неисправностей и способов их устранения.

4. Требования к уровню освоения содержания дисциплины

В результате изучения дисциплины студент должен

иметь представление:

о роли и месте знаний по дисциплине в сфере профессиональной деятельности;
об основных проблемах и перспективах развития ЭВМ и вычислительных систем;

знать:

виды информации и способы ее представления в ЭВМ;
классификацию и типовые узлы вычислительной техники (ВТ);
архитектуру электронно-вычислительных машин и вычисли тельных систем;
назначение и принципы действия отдельных архитектурных конфигураций;

уметь:

выбирать рациональную конфигурацию оборудования в соот ветствии с решаемой задачей;
обеспечивать совместимость аппаратных и программных средств ВТ.

5. Объем дисциплины и виды учебной работы

Вид учебной работы	Всего часов	Семестры

Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
Теоретическое обучение

Самостоятельная работа
Подготовка к зачету
Подготовка к экзамену
Вид итогового контроля	экзамен, зачет	зачет	экзамен

6. Разделы (темы) дисциплины)

№ темы	Наименование темы	Аудиторные занятия			Самостоятельная работа	Всего часов по курсу
		Теоретическое обучение	Лабораторные и практические занятия	Комбинированные
4-й семестр
	Введение в дисциплину
	Арифметические основы ЭВМ
	Представление информации в ЭВМ
	Логические основы ЭВМ, элементы и узлы.
	Основы построения ЭВМ

	Организация работы памяти компьютера
	Итого за 4-й семестр
5-й семестр
	Интерфейсы
	Режимы работы процессора.
	Современные процессоры

	Организация вычислений в вычислительных системах.
	Классификация вычислительных систем.
	Итого за 5-й семестр
	Итого за год

Тема 1. Введение в дисциплину

Роль и место знаний по дисциплине «Архитектура ЭВМ и вычис лительных систем» в сфере профессиональной деятельности. Представление информации в вычислительных системах.

История развития вычислительных средств. Классификация ЭВМ по физическому представлению обработки информации, поколени ям ЭВМ, сферам применения и методам исполнения вычислитель ных машин.

Тема 2 Арифметические основы ЭВМ.

Системы счисления. Виды адресации Непозиционные и позиционные системы счисления. Системы счисления, используемые в ЭВМ. Свойства по зиционных систем счисления. Перевод чисел из одной системы счисления в другую.

Представление чисел в ЭВМ: естественная и нормальная формы. Форматы хранения чисел в ЭВМ. Алгебраическое представление двоичных чисел: прямой, обратный и дополнительные коды. Опера ции с числами в прямом двоичном, восьмеричном и шестнадцатеричном кодах. Использование обратного и дополнительного двоич ных кодов для реализации всех арифметических операций с помо щью суммирующего устройства. Преимущество дополнительного кода по сравнению с обратным кодом.

Тема 3 Представление информации в ЭВМ

Виды информации и способы ее представления в ЭВМ. Класси фикация информационных единиц, обрабатываемых ЭВМ. Типы данных, структуры данных, форматы файлов. Числовые и нечисло вые типы данных и их виды. Структуры данных и их разновидности.

Кодирование символьной информации. Символьные коды: ASCII, UNICODE и др. Архитектура и принципы работы основных логических блоков вычислительных систем.

Кодирование графической информации. Двоичное кодирование звуковой информации. Сжатие информации. Кодирование видеоин формации. Стандарт MPEG. Внутренняя организация процессора.

Тема 4 Логические основы ЭВМ, элементы и узлы.

Базовые логические операции и схемы. Таблицы истинности. Схемные логические элементы ЭВМ: регистры, вентили, триггеры, полусумматоры и сумматоры. Таблицы истинности RS-, D- и Т-триггера. Защищенный режим работы

Логические узлы ЭВМ и их классификация. Сумматоры, дешиф раторы, программируемые логические матрицы, их назначение и применение. Организация и принцип работы памяти.

Тема 5 Основы построения ЭВМ.

Понятие архитектуры и структуры компьютера. Принципы (ар хитектура) фон Неймана. Основные компоненты ЭВМ. Основные типы архитектур ЭВМ. Управление памятью

Тема 6 Внутренняя организация процессора.

Регистры процессора. Основные команды процессора, рабочий цикл процессора использование прерываний, программы-отладчики

Реализация принципов фон Неймана в ЭВМ. Структура процес сора. Устройство управления: назначение и упрощенная функцио нальная схема. Регистры процессора: сущность, назначение, типы. Регистры общего назначения, регистр команд, счетчик команд, ре гистр флагов.

Структура команды процессора. Цикл выполнения команды. По нятие рабочего цикла, рабочего такта. Принципы распараллеливания операций и построения конвейерных структур. Классификация ко манд.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ): назначение и клас сификация. Структура и функционирование АЛУ.

Интерфейсная часть процессора: назначение, состав, функциони рование. Организация работы и функционирование процессора.

Тема 7 Организация работы памяти компьютера.

Кэш-память. Физическая, линейная, страничная, сегментная и виртуальная память

Иерархическая структура памяти. Основная память ЭВМ. Опера тивное и постоянное запоминающие устройства: назначение и ос новные характеристики.

Организация оперативной памяти. Адресное и ассоциативное ОЗУ: принцип работы и сравнительная характеристика. Виды адре сации. Линейная, страничная, сегментная память.

Кэш-память: назначение, структура, основные характеристики. Организация кэш-памяти: с прямым отображением, частично-ассоциативная и полностью ассоциативная кэш-память.

Динамическая память. Принцип работы. Обобщенная структур ная схема памяти. Режимы работы: запись, хранение, считывание, режим регенерации. Модификации динамической оперативной па мяти. Основные модули памяти. Наращивание емкости памяти.

Устройства специальной памяти: постоянная память (ПЗУ), пере программируемая постоянная память (флэш-память), видеопамять. Назначение, особенности, применение. Базовая система вво да/вывода (BIOS): назначение, функции, модификации.

Тема 8 Интерфейсы.

Понятие интерфейса. Классификация интерфейсов. Организация взаимодействия ПК с периферийными устройства ми. Чипсет: назначение и схема функционирования.

Общая структура ПК с подсоединенными периферийными уст ройствами. Системная шина и ее параметры. Интерфейсные шины и связь с системной шиной. Системная плата: архитектура и основные разъемы.

Внутренние интерфейсы ПК: шины ISA, EISA, VCF, VLB, PCI, AGP и их характеристики.

Интерфейсы периферийных устройств IDE и SCSI. Современная модификация и характеристики интерфейсов IDЕ/АТА и SCSI.

Внешние интерфейсы компьютера. Последовательные и парал лельные порты. Последовательный порт стандарта RS-232: назначе ние, структура кадра данных, структура разъемов. Параллельный порт ПК: назначение и структура разъемов.

Назначение, характеристики и особенности внешних интерфейсов USB и IEEE 1394 (FireWire). Интерфейс стандарта 802.11 (Wi-Fi).

Тема 9 Режимы работы процессора.

Шинная структура и виды шин . Режимы работы процессора. Характеристика реального режима процессора 8086. Адресация памяти реального режима.

Основные понятия защищенного режима. Адресация в защищен ном режиме. Дескрипторы и таблицы. Системы привилегий. Защита.

Переключение задач. Страничное управление памятью. Виртуализа ция прерываний. Переключение между реальным и защищенным режимами.

Тема 10 Основы программирования процессора.

Взаимосвязь с периферийными устройствами, организация и режимы работы процессора

Основы программирования процессора. Выбор и дешифрация команд. Выбор данных из регистров общего назначения и микро процессорной памяти. Обработка данных и их запись. Выработка управляющих сигналов.

Основные команды процессора: арифметические и логические команды, команды перемещения, сдвига, сравнения, команды ус ловных и безусловных переходов, команды ввода-вывода. Подпро граммы. Виды и обработка прерываний. Этапы компиляции исход ного кода в машинные коды и способы отладки. Использование от ладчиков.

Тема 11 Современные процессоры.

Основные характеристики процессоров. Идентификация процес соров. Совместимость процессоров. Типы сокетов. Многозадачность; архитектуры процессоров .

Обзор современных процессоров ведущих мировых производите лей.

Процессоры нетрадиционной архитектуры. Клеточные и ДНК-процессоры. Нейронные процессоры.

Тема 12. Организация вычислений в вычислительных системах.

Типы вычислительных систем и их архитектурные особенности, параллелизм и конвейеризация вычислений, классификация вычислительных платформ, преимущества и недостатки различных типов вычислительных систем.

Назначение и характеристики ВС. Организация вычислений в вычислительных системах. ЭВМ параллельного действия, понятия потока команд и потока данных. Ассоциативные системы. Матрич ные системы. Конвейеризация вычислений. Конвейер команд, конвейер дан ных. Суперскаляризация.

Тема 13 Классификация вычислительных систем.

Классификация ВС в зависимости от числа потоков команд и данных: ОКОД (SISD). ОКМД (SIMD), МКОД (MISD), МКМД (MIMD).

Классификация многопроцессорных ВС с разными способами реализации памяти совместного использования: UMA, NUMA, СОМА. Сравнительные характеристики, аппаратные и программные особенности.

Классификация многомашинных ВС: МРР, NDW и COW. Назна чение, характеристики, особенности.

Примеры ВС различных типов. Преимущества и недостатки раз личных типов вычислительных систем.

7.Учебно-методическое обеспечение дисциплины

Основная литература

[Электронный ресурс] Чекмарев Ю.В. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебное пособие. – М.: ДМК Пресс, 2009.
[Электронный ресурс] Догадин Н.Б. Архитектура компьютера: учебное пособие. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
[Электронный ресурс] Авдеев В.А. Периферийные устройства: интерфейсы, схемотехника, программирование: Учебное пособие. – М.: ДМК Пресс, 2009.

Дополнительная литература

[Электронный ресурс] Юров В.И. Assembler: Учебник для вузов. – СПб.: Питер, 2009.
[Электронный ресурс] Чекмарев Ю.В., Нечаев Д.Ю., Курушин В.Д., Киреева Г.И., Мосягин А.Б. Основы информационных технологий: учебное пособие. – М.: ДМК Пресс, 2009.
[Электронный ресурс] Чекмарев Ю.В. Локальные вычислительные сети: Учебное пособие. – М.: ДМК Пресс, 2009.
[Электронный ресурс] Прокди Р.Г., Дмитриев П.А., Финкова М.А. BIOS. Настройки. – СПб.: НиТ, 2009.

8. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Реализация учебной дисциплины требует наличия учебного кабинета для проведения теоретических занятий и компьютерного учебного кабинета для проведения практических работ.

Оборудование учебного кабинета:

столы и стулья для обучающихся;

маркерная доска;

Оборудование компьютерного учебного кабинета:

персональные компьютеры для обучающихся;
Мультимедийный проектор;
Экран;
Маркерная доска;
рабочее место преподавателя (ПК, принтер, стол, стул);

Программные средства обучения:

Операционная система GNU/Linux;
Интерпретатор Python;
Web Браузер;
СУБД MySQL 5.1;
Набор компиляторов gcc;
Текстовый редактор;
Среда разработки QtCreator;
Библиотека Qt4;

9. Формы контроля, перечень выносимых на зачет вопросов

Текущий контроль. Основной формой текущего контроля уровня теоретических знаний являются устные опросы на семинарских занятиях, формой текущего контроля уровня практических знаний и навыков являются контрольные и самостоятельные работы по отдельным темам, включая задачи и упражнения, предназначенные для самостоятельного внеаудиторного выполнения.

Вопросы к зачету

Одноразрядный полусумматор.
Многоразрядный сумматор.
Триггер.
Стек. Плоская и многосегментная модель памяти.
Статическая память. Применение и принцип работы. Основные особенности. Разновидности статической памяти.
Системы команд и классы процессоров: CISC, RISC, MISC, VLIM.

Вопросы к экзамену

Принцип работы Flash-памяти.
Технология ACPI и OnNow.
Интерфейс Serial ATA.

3. Учебно – методические материалы для студентов

Рабочей программой дисциплины «Архитектура ЭВМ и вычислительных сетей» предусмотрены аудиторные занятия в виде аудиторных занятий объеме 84 часа, а также самостоятельная работа студентов в объеме 24 часа.

Работа на теоретических занятиях. На теоретических занятиях студенты получают самые необходимые данные, во многом дополняющие учебник. Умение сосредоточено слушать лекции, активно, творчески воспринимать излагаемые сведения является непременным условием их глубокого прочного усвоения, а также развития умственных способностей.

Внимательное слушание и конспектирование материала предполагает интенсивную умственную деятельность студента. Слушая лекции, надо отвлечься от посторонних мыслей и думать только о том, что излагает преподаватель. Краткие записи лекций, конспектирование их помогает усвоить материал.

Внимание человека неустойчиво. Требуются волевые усилия, чтобы оно было сосредоточенным. Конспект является полезным тогда, когда записано самое существенное, основное. Это должно быть сделано самим студентом. Не надо стремиться записать дословно всю лекцию. Такое «конспектирование» приносит больше вреда, чем пользы. Некоторые студенты просят иногда лектора «читать помедленнее». Но лекция не может превратиться в лекцию-диктовку. Это очень вредная тенденция, ибо в этом случае студент механически записывает большое количество услышанных сведений, не размышляя над ним.

Запись лекций рекомендуется вести по возможности собственными формулировками. Желательно запись осуществлять на одной странице, а следующую оставлять для проработки учебного материала самостоятельно в домашних условиях. Конспект лучше подразделять на пункты, параграфы, соблюдая красную строку. Принципиальные места, определения, формулы следует сопровождать замечаниями: «важно», «особо важно», «Хорошо запомнить» и т.п. Целесообразно разработать собственную «маркографию» (значки, символы), сокращение слов. Не лишним будет и изучение основ стенографии. Работая над конспектом лекций, всегда следует использовать не только основную литературу, но и ту литературу, которую дополнительно рекомендовал лектор. Именно такая серьезная, кропотливая работа с лекционным материалом позволит глубоко овладеть знаниями.

Лабораторные и практические занятия. Лабораторные и практические занятия подразумевает решение практических задач, подготовку сообщения на заданную тему и участие в осуждении проблемы, затронуто сообщением. Сообщение должно занимать по времени не более 3 – 5 минут. Основной вид работы на семинаре – решение расчетно-графических задач.

Подготовка к практическому (лабораторному) занятию начинается с тщательного ознакомления с условиями предстоящей работы, т.е. с обращения к планам семинарских занятий. Определившись с проблемой, привлекающей наиболее внимание, следует обратиться к рекомендуемой литературе. Следует иметь в виду, что в семинаре участвует вся группа, а потом задание к практическому занятию следует распределить на весь коллектив. Задание должно быть охвачено полностью и рекомендованная литература должна быть освоена группой в полном объёме.

Для полноценной подготовки к практическому занятию чтения учебника недостаточно – в учебных пособиях излагаются только принципиальные основы, в то время как в монографиях и статьях на ту или иную тему поднимаемый вопрос рассматривается с разных ракурсов или ракурса одного, но в любом случае достаточно подробно и глубоко. Тем не менее, для того, чтобы должным образом сориентироваться в сути задания, сначала следует ознакомиться с соответствующим текстом учебника – вне зависимости от того, предусмотрена на лекциях в дополнение к данному семинару или нет. Оценив задание, выбрав тот или иной сюжет, и подобрав соответствующую литературу, можно приступать собственно к подготовке к семинару.

Тщательная подготовка к лабораторным и практическим занятиям, как и к лекциям, имеет определяющее значение: семинар пройдет так, как аудитория подготовилась к его проведению. Самостоятельная работа – столп, на котором держится вся подготовка по изучаемому курсу. Готовясь к практическим занятиям, следует активно пользоваться справочной литературой: энциклопедиями, словарями, альбомами схем и др. Владение понятийным аппаратом изучаемого курса является необходимостью.

Правила поведения на лабораторных и практических занятиях:

на занятия желательно являться с запасом сформулированных идей и знаниями методик для расчетно-аналитического анализа.
если вы что-то решили произнести на семинаре, то пусть это будет нечто стоящее – не следует сотрясать воздух пустыми фразами;
выступления должны быть по возможности компактными и в то же время вразумительными, не занимайте эфир надолго. Старайтесь не перебивать говорящего, это некорректно; замечания, возражения и дополнения следуют обычно по окончанию текущего выступления.

На семинаре идет не проверка подготовки к занятию (подготовка есть необходимое условие), но степень проникновения в суть материала, обсуждаемой проблемы или методики решения задачи. Поэтому беседа идти не по содержанию прочитанных работ; преподаватель будет ставить проблемные вопросы, не се из которых могут прямо относиться к обработанной литературе.

Самостоятельная работа. Студент в процессе обучения должен не только освоить учебную программу, но и приобрести навыки самостоятельной работы. Самостоятельная работа студентов играет важную роль в воспитании сознательного отношения самих студентов к овладению теоретическими и практическими знаниями, привитии им привычки к направленному интеллектуальному труду. Очень важно, чтобы студенты не просто приобретали знания, но и овладевали способами их добываниями.

Самостоятельная работа проводиться с целью углубления знания по дисциплине и предусматривает:

изучение отдельных разделов тем дисциплины;
чтение студентами рекомендованной литературы и усвоение теоретического материала дисциплины;
подготовку к практическим занятиям;
работу с Интернет-источниками, базами данных;
подготовку к различным формам контроля;
решение расчетно-графических работ;
написание реферата по выбранной тематике.

Последовательность всех контрольных мероприятий изложена в календарном плане, который доводится до сведения каждого студента в начале семестра.

Планирование времени на самостоятельную работу, необходимого на изучение настоящей дисциплины, студентам лучше всего осуществлять на весь семестр, предусматривая при этом регулярное повторение пройденного материала. Материал, законспектированный на лекциях, необходимо регулярно дополнять сведениями из литературных источников, представленных в рабочей программе.

Для расширения знаний по дисциплине необходимо использовать Интернет ресурсы и специализированные базы данных: проводить поиск в различных системах и использовать материалы сайтов, рекомендованных преподавателем на лекционных занятия.

Подготовка к сессии. Каждый учебный семестр заканчивается аттестационными испытаниями: зачетно-экзаменационной сессией

Подготовка к экзаменационной сессии и сдача зачетов и экзаменов является ответственейшим периодом в работе студента. Серьезно подготовиться к сессии и успешно сдать все экзамены – долг каждого студента. Рекомендуется так организовать учебную работу, чтобы перед первым днем начала сессии были сданы и защищены все практические работы, предусмотренные графиком учебного процесса.

Основное к подготовке к сессии – это повторение всего материала, курса или предмета, по которому необходимо сдать зачет. Только тот успевает, кто хорошо усвоил учебный материал.

Если студент плохо работал в семестре, пропускал лекции и семинары, слушал их невнимательно, не конспектировал, не изучал рекомендованную литературу, то в процессе подготовки к сессии ему придется не повторять уже знакомое, а заново в короткий срок изучать весь материал. А это зачастую, оказывается невозможно сделать из-за нехватки времени. Для такого студента подготовка к экзаменам будет трудным, а иногда и непосильным делом, а финиш – отчисление из учебного заведения.

При подготовке к сессии следует весь объем работы распределять равномерно по дням, отведенным для подготовки, контролировать каждый день выполнения работы. Лучше, если можно перевыполнить план. Тогда всегда будет резерв времени.

Преподавание учебной дисциплины «Архитектура ЭВМ и вычислительных сетей» осуществляется с учетом уже имеющихся у студентов знаний по философии, социологии. Практическую направленность дисциплины определяет знакомство с теоретическими и практическими методами оценки эффективности проектов. Основными формами проведения занятий с целью осмысления дисциплины являются аудиторные занятия. Для организации эффективного процесса усвоения материала студентами возможно использование различных форм: лекций, дискуссий, решение расчетных заданий, игровых форм, современных мультимедийных технологий и др.

Внеаудиторные занятия осуществляются путем организации и руководством самостоятельной работы студентов.

Для более глубокого изучения предмета преподаватель предоставляет студентам информацию о возможности использования по разделам дисциплины Интернет – ресурсов.

При наличии академических задолженностей по практическим занятиям, связанных с их пропусками преподаватель должен выдать задание студенту в виде контрольных заданий по пропущенной теме занятия.

Для контроля знаний студентов по данной дисциплине необходимо проводить текущий и промежуточный контроль.

Текущий контроль проводиться с целью определения качества усвоения лекционного материала. Наиболее эффективным является его проведение в письменной форме – по контрольным вопросам, тестам, расчетным заданиям и т.п. Контроль проводиться в виде сдачи всеми без исключения студентами контрольных заданий. В материалы письменных опросов студентов включаются и темы, предложенные им для самостоятельной подготовки. В течение работы над освоением дисциплины студенты, руководствуясь календарным планом, выполняют контрольные работы и практические задания.

Система оценки успеваемости

Данная система базируется, во-первых, на праве преподавателя самостоятельно определять содержание и методику своего курса и, во-вторых, на праве студента выбирать свой путь достижения желаемого результата.

Подразумевается, что научная работа студента является неотъемлемой частью образовательного процесса, смыслом становится не столько его ориентирование на усвоение готовых истин, а совместный с преподавателем и другими студентами поиск решения реальных жизненных проблем. Что в значительной степени определяет содержание и методы процесса обучения.

Может предусматриваться сначала входной тестовый контроль базовых знаний студентов и им же может заканчиваться курс обучения. Таким образом, определяется результативность обучения.

5. Материалы, устанавливающие содержание и порядок проведения текущего контроля и промежуточных аттестаций.

Вопросы к зачету

ЭВМ с Фон-Неймановской архитектурой.
Принцип организации ЭВМ с Фон-Неймановской архитектурой.
Представление информации в ЭВМ. Виды информации.
Представление информации в ЭВМ. Системы счисления.
Представление информации в ЭВМ. Представление целых двоичных чисел без знака.
Представление информации в ЭВМ. Представление целых двоичных чисел со знаком.
Особенности выполнения в ЭВМ сложения двоичных чисел со знаком и без.
Реализация логических операций. Логическая операция И.
Реализация логических операций. Логическая операция ИЛИ.
Реализация логических операций. Логическая операция НЕ и вентильные схемы.
Одноразрядный полусумматор.
Одноразрядный полный сумматор.
Многоразрядный сумматор.
Триггер.
Организация запоминающего устройства с произвольной выборкой (RAM).
Адресное и ассоциативное ОЗУ: принцип работы и сравнительная характеристика.
Виды адресации. Линейная, страничная, сегментная память.
Стек. Плоская и многосегментная модель памяти.
Кэш-память: назначение, структура, основные характеристики.
Статическая память. Применение и принцип работы. Основные особенности. Разновидности статической памяти.
Базовая структура вычислительной машины.
Базовая структура вычислительной машины. Центральный процессор.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Структура и функционирование АЛУ.
Устройство управления: назначение и упрощенная функциональная схема.
Регистры общего назначения, регистр команд, счетчик команд, регистр флагов.
Базовая структура вычислительной машины. Шинная организация ЭВМ.
Структура команды процессора. Классификация команд. Примеры.
Упрощенный цикл выполнения команд процессором в ЭВМ.
Понятие рабочего цикла, рабочего такта.
Принципы распараллеливания операций и построения конвейерных структур.
Системы команд и классы процессоров: CISC, RISC, MISC, VLIM.

Вопросы к экзамену

История развития вычислительных машин. Поколения ЭВМ. Обзор устройства и основные принципы работы ЭВМ.
Процессоры. Основные производители. Ядра и линейки. Корпуса. Сокеты и слоты. Материнская плата.
Понятие системного чипсета. Основные производители и характеристики. Чипсеты с локальной шиной. Мосты. Хабовая архитектура.
Устройство системной памяти. Виды памяти и их принципы функционирования.
Понятие системной шины. ISA, MCA, EISA, VLB, PCI, AGP, PCI-Express (EV6, HyperTransport.)
Архитектура контроллеров IDE и SerialATA. Основные характеристики.
Устройство жесткого диска. Логическая и физическая адресация данных.
Технология SMART. Перспективные технологии.
Оптические диски. Перспективные технологии.
Внешние носители информации. Iomega, ZIP, JAZZ, LS-120, MO-Drive.
Принцип работы Flash-памяти.
Подходы к улучшению производительности дисковой подсистемы. Уровни RAID.
Порты COM, IrDa, LPT. Шина USB.
Технология ACPI и OnNow.
Интерфейс Serial ATA.
Видеокарты. Эволюция и архитектура видеокарт. RAMDAC. Основные производители.
3D-ускорители. Характеристики производительности. Z-буфер. Виды фильтрации.
Звуковые карты. Основные характеристики. Методы синтеза звука и эффекты. Виды звуковых карт.
Технологии пространственного звука.(QSound, HRTS+CC).
Технологии пространственного звука. Решения Sensaura. Технологии MacroFX, ZoomFX, EnvironmentFX..
Технологии пространственного звука. (EAX, A3D)
Мониторы. Архитектура CRT-мониторов. Характеристики. Виды масок.
Мониторы. Стандарты защиты TSO и NPRII.
Архитектура LCD-мониторов. Пассивная и активная матрица. Понятие TFT. Другие виды мониторов (PDP, FED, LEP).
Принтеры: ромашковые, матричные, струйные, лазерные, твердочернильные и термосублимационные.
Сетевые платы. Сетевые стандарты (10baze2, 10baze5, 10bazet, FDDI). Модемы. Протоколы связи, сжатие, коррекция ошибок. Технология ADSL.
Понятие петафлопа. Гиперкомпьютер. Кластер.

Департамент образования, науки и молодежной политики

ОГОУ СПО «Борисоглебский индустриальный техникум»

Архитектура ЭВМ и вычислительных систем

Методические указания для студентов-заочников

ОГОУ СПО Борисоглебский индустриальный техникум

по специальности 2204 «Технического обслуживания средств

вычислительной техники и компьютерных сетей»

г. Борисоглебск

Методические указания составлены в соответствии с рабочей программой

по дисциплине «Архитектура ЭВМ и вычислительных систем»

по специальности 2204 «Техническое обслуживание средств вычислительной техники и компьютерных сетей»

Составитель: ___________

Одобрена цикловой комиссией
информационных технологий

Председатель ц/к

__________________

1. Введение

Учебная дисциплина основывается на знаниях, полученных учащимися по информатике, информационным технологиям. В процессе преподавания необходимо показывать связь изучаемого материала с профессиональной деятельностью по данной специальности.

Основная цель дисциплины:

Изучение и усвоение студентами устройства персонального компьютера, умение анализировать работу внутренних и внешних устройств ПК.

Преподавание дисциплины имеет практическую направленность, и проводиться в тесной взаимосвязи с общепрофессиональными дисциплинами: «Операционные системы и среды», «Электронная техника», «Основы алгоритмизации и программирования», «Микросхемотехника».

При изучении дисциплины необходимо постоянно обращать внимание на соблюдение техники безопасности , значение научной организации труда, связь изучаемого материала с другими предметами которые изучают студенты.

Для закрепления теоретического материала и развития практических навыков в данной программе предусмотрены практические и лабораторные работы .

Перед проведением лабораторных работ обязательным является инструктаж по технике безопасности.

Целью настоящих методических указаний является оказание помощи студентам-заочникам в изучении программного материала по дисциплине «Архитектура ЭВМ и вычислительных систем».

Учебная работа студента-заочника при изучении курса складывается из следующих этапов: самостоятельного изучения курса по рекомендуемым учебникам и учебным пособиям ; посещения установочных, консультационных и обзорных занятий, проводимых преподавателями в период лабораторно-экзаменационных сессий или в межсессионный период; выполнения практических работ ; сдачи зачета по дисциплине.

Основной формой обучения студента-заочника является систематическая самостоятельная работа над учебным материалом.

С целью закрепления теоретических знаний и выработки практических умений программой предусмотрено 10 лабораторных занятий.

Студент – заочник, приступая к самостоятельному изучению предмета, должен подробно ознакомиться с содержанием настоящего пособия и руководствоваться им в работе.

Наименование разделов и тем		Обязательные учебные занятия при заочной форме обучения
максимальная	самостоятельная	обязательная при очной форме обучения	В том числе
обзорные, установочные занятия
лабор. занят.	практ. занят.

1. Основные блоки вычислительных систем. Их назначение и принцип работы.
2. Представление числовых данных. Коды.
3. Структура и функционирование процессора
4. Микропроцессорная память.
5. Арифметико-логическое устройство
6. Память в ЭВМ. Виды и типы памяти. Оперативная память. КЭШ-память.
7. Динамическая память.
8. Статическая память.
9. Организация процесса ввода-вывода.
10. Подключение основных устройств ввода-вывода к ПК.
11. Контроллеры. Прерывания.
12. Программы-отладчики.
13. Преимущества и недостатки различных типов вычислительных систем.
Всего по дисциплине

Тема 1 Основные блоки вычислительных систем. Их назначение и принцип работы.

Студент должен

знать

Состав центральных и периферийных устройств ВТ

Назначение и структуру процессора

Понятия: память, регистры, шины

Методические указания . При изучении данной темы студент должен обратить внимание на содержание понятий, определяющих основные блоки компьютера. Необходимо четко знать их назначение.

Вопросы для самоконтроля

Сущность принципов фон Неймана

Устройство процессора

Понятие о регистрах

Тема 2 Представление числовых данных. Коды.

Студент должен

знать

Представление числовых данных;

Основные символьные коды.

уметь

Работать с числами в различных системах счисления

Кодировать данные

Лабораторная работа №1.

Методические указания. Необходимо обратить внимание на типы кодировок числовых данных.

Вопросы для самоконтроля.

Типы данных в ЭВМ

Понятие о системах счисления

Кодировка данных

Тема 3 . Структура и функционирование процессора

Студент должен

знать

Определение процессора, его структуру

Характеристики процессора

Классы процессоров

уметь

Характеризовать принципы выполнения команд в процессорах,

Вопросы для самоконтроля.

Понятие тактовой частоты процессора

Рабочий цикл процессора

Определение основных характеристик процессора

Тема 4. Микропроцессорная память.

Студент должен

знать

Назначение и состав памяти;

Назначение регистров памяти;

Уметь

Характеризовать работу регистров общего назначения,

Вопросы для самоконтроля.

Понятие памяти ПК

Виды памяти ПК

Понятие регистров памяти

Тема 5. Арифметико-логическое устройство (АЛУ)

Студент должен

знать

Назначение и характеристики АЛУ;

Состав АЛУ;

Уметь

Проводить арифметические операции

Лабораторная работа №2.

Лабораторная работа №3.

Вопросы для самоконтроля.

Что такое АЛУ

Структура АЛУ

Выполнение арифметических операций в АЛУ

Тема 6. Память в ЭВМ. Виды и типы памяти. Оперативная память. КЭШ-память.

Студент должен

знать

Классификацию устройств памяти в ЭВМ по различным признакам;

Основные характеристики памяти;

Вид и типы памяти

Порядок обмена информацией между отдельными видами памяти.

Уметь

Определять порядок обмена информацией между отдельными видами памяти.

Вопросы для самоконтроля.

Определение виртуальной памяти ПК

Определение физической памяти ПК

Способы наращивания памяти

Тема 7. Динамическая память.

Студент должен

знать

Виды динамической памяти

Особенности памяти динамического типа;

Вопросы для самоконтроля.

Определение динамической памяти

Виды динамической памяти

Тема 8. Статическая память.

Студент должен

знать

Виды статической памяти

Особенности памяти статического типа;

Лабораторная работа №4.

Вопросы для самоконтроля.

Определение статической памяти

Виды статической памяти

Тема 9. Организация процесса ввода-вывода.

Студент должен

знать

Классификацию шин ПК;

Характеристики шин ПК;

Уметь

Определять логическую структуру ПК с одной или несколькими шинами;

Интерфейс, системная шина. Характеристики системной шины: разрядность, тактовая частота, пропускная способность. Шины расширения. Локальные шины. Периферийные шины.

Вопросы для самоконтроля.

Понятие интерфейса, системной шины

Характеристики системных шин

Виды шин

Тема 10. Подключение основных устройств ввода-вывода к ПК.

Студент должен

знать

Способы подключения периферийных устройств ввода-вывода ПК;

Уметь

Подключать основные устройства ввода-вывода к ПК.

Вопросы для самоконтроля.

- характеристика устройств ввода ПК

Характеристика устройств вывода ПК

Тема 11 . Контроллеры. Прерывания.

Студент должен

знать

Определение контроллер, прерывания

Назначение и способы подключения контроллера.

Уметь

Определять виды прерываний

Вопросы для самоконтроля.

Определение контроллера, прерывания

Виды и обработка прерываний

Тема 12 . Программы-отладчики.

Студент должен

знать

Виды программ-отладчиков

Способы отладки

Уметь

Давать характеристику программам-отладчикам;

Вопросы для самоконтроля.

Характеристика программ - отладчиков

Определение подпрограммы

Компиляция исходного кода в машинный

Тема 13 . Преимущества и недостатки различных типов вычислительных систем.

Студент должен

знать

Типы вычислительных систем

Особенности различных типов ВС

Уметь

Выявлять преимущества и недостатки различных ВС

Лабораторная работа №5.

Вопросы для самоконтроля.

Определение вычислительной системы

Преимущества и недостатки различных вычислительных систем

3. Перечень лабораторных занятий

Тема №	№ лаб. занят.	Наименование лабораторного занятия	К-во часов

		«Выполнение операции сложения в АЛУ»
		«Выполнение операции вычитания в АЛУ»
		«Ознакомление с режимом работы памяти статического типа»
		«Тестирование производительности компьютера»

Вариант 1.

1. Понятие кода. Виды кодов. Характеристики кодов.

2. Мониторы. Принцип действия, характеристики.

3. Перевести данные числа 123,45; 891; 587,45 в двоичную систему счисления

Вариант 2.

1. Кодирование чисел в ЭВМ. Системы счисления. Виды систем счисления.

2. Интерфейсы. Параметры интерфейсов. Магистрально-модульный способ построения ЭВМ.

3. Произвести сложение двоичных чисел 1101 + 111111; + 1111101

Вариант 3.

1. Процессор, его функции. Характеристики процессора.

2. Понятие контроллера. Прямой доступ к памяти.

3. Произвести умножение двоичных чисел 111*11; 101*111

Вариант 4.

1. Классификация процессоров по числу больших интегральных схем.

2. Понятие памяти. Типы памяти в зависимости от возможности записи-перезаписи данных.

3. Перевести данное число 456,78 в двоичную систему счисления

5. Контроль знаний.

Итоговый контроль приводится в форме экзамена (7 семестр).

Перечень примерных вопросов к экзамену:

1. Теоретические основы построения ЭВМ. Машина Тьюринга и автомат Неймана.

2. Кодирование символьной информации в ЭВМ.

3. Двоичное, восьмеричное и шестнадцатеричное представление чисел

4. Арифметико-логическое устройство.

5. Выполнение операций сложения в АЛУ.

6. Выполнение операций вычитания в АЛУ.

7. Выполнение операций умножения в АЛУ.

8. Выполнение операций деления в АЛУ.

9. Структура классической ЭВМ. Назначение узлов.

10. FMD ROM-накопители. Флэш-накопители.

11. Структура процессора. Назначение отдельных устройств.

12. Классификация процессоров.

13. Виртуальная память. Стратегия организации виртуальной памяти.

14. Система команд процессора. Классы процессоров.

15. Устройство и виды динамической памяти.

16. Регистры общего назначения.

17. Устройство управления.

18. ДНК-процессоры. Нейронные процессоры.

19. Устройство и виды статической памяти.

20. Кластерная архитектура.

21. Интерфейсы ПК.

22. Организация основной памяти. Память с расслоением.

23. Связь процессоров в кластерной системе.

24. Кэш-память.

25. Организация системы ввода/вывода.

1. Э. Таненбаум Архитектура компьютера С. Пб, 2003

2. Максимов ЭВМ Москва, Форум 2005 г.

3. М. Гук Энциклопедия Аппаратные средства IBM PC, Питер, 2004 г

1. Введение
2. Программа учебной дисциплины:
3. Перечень лабораторных занятий
4. Задания для контрольных работ.
5. Контроль знаний.

АРХИТЕКТУРА ЭВМ И СИСТЕМ

конспект лекций

Основные характеристики ЭВМ. Общие принципы построения современных ЭВМ. Общие сведения и классификация устройств памяти. Архитектурная организация процессора ЭВМ. Структура машинной команды. Способы адресации. Особенности архитектур микропроцессоров. Архитектура суперскалярных микропроцессоров. Принципы организации системы прерывания программ. Классификация вычислительных систем.

Источник /file/14319/

Лекция 1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И АРХИТЕКТУРА ЭВМ

1.1. Основные характеристики ЭВМ

Электронная вычислительная машина - комплекс технических и про-граммных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и реше-ния задач пользователей.

Структура - совокупность элементов и их связей. Различают структуры технических, программных и аппаратурно-программных средств.

Архитектура ЭВМ - это многоуровневая иерархия аппаратурно-про-граммных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уров-ней определяет особенности структурного построения ЭВМ.

Одной из важнейших характеристик ЭВМ является ее быстродействие, которое характеризуется числом команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду. Поскольку в состав команд ЭВМ включаются операции, различные по дли-тельности выполнения и по вероятности их использования, то имеет смысл характеризовать его или средним быстродействием ЭВМ, или предельным (для самых «коротких» операций типа «регистр-регистр»). Современные вычислительные машины имеют очень высокие характеристики по быстро-действию, измеряемые сотнями миллионов операций в секунду. Например, новейший микропроцессор Merced, со-вместного производства фирм Intel и Hewlett-Packard, обладает пиковой производительностью более миллиарда операций в секунду.

Другой важнейшей характеристикой ЭВМ является емкость запо-минающих устройств. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти. В настоящее время персональные ЭВМ теоретически могут иметь ем-кость оперативной памяти 768Мбайт (chipset BX). Этот пока-затель очень важен для определения, какие программные пакеты и их прило-жения могут одновременно обрабатываться в машине.

Надежность - это способность ЭВМ при определенных условиях выпол-нять требуемые функции в течение заданного периода времени. Например, у современных HDD среднее время наработки на отказ достигает 500 тыс.ч. (около 60 лет).

Точность - возможность различать почти равные значения. Точность получения результатов обработки в основном оп-ределяется разрядностью ЭВМ, а также используемыми структурными еди-ницами представления информации (байтом, словом, двойным словом). С помощью средств программирования языков высокого уровня этот диапазон может быть увеличен в несколько раз, что позволяет достигать очень высокой точности.

Достоверность - свойство информации быть правильно воспринятой. Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных ре-зультатов. Заданный уровень достоверности обеспечивается аппаратурно-программными средствами контроля самой ЭВМ. Возможны методы контроля достоверности путем решения эталонных задач и повторных расчетов. В особо ответственных случаях проводятся контрольные решения на других ЭВМ и сравнение результатов.

1.2.Классификация средств ЭВТ

Тради-ционно электронную вычислительную технику (ЭВТ) подразделяют на аналоговую и цифровую. Редкие образцы аналоговой ЭВТ используются в основном в проектных и научно-исследовательских учреждениях в составе различных стендов по отработке сложных образцов техники. По своему назначению их можно рассматривать как специализиро-ванные вычислительные машины.

То, что 10-15 лет назад считалось современной большой ЭВМ. в настоя-щее время является устаревшей техникой с очень скромными возможностя-ми. В этих условиях любая предложенная классификация ЭВМ очень быст-ро устаревает и нуждается в корректировке. Например, в классификациях десятилетней давности широко использовались названия мини-, миди- и микроЭВМ, которые почти исчезли из обихода.

Академик В.М. Глушков указывал, что существуют три глобальные сфе-ры деятельности человека, которые требуют использования качественно раз-личных типов ЭВМ.

Первое направление является традиционным - применение ЭВМ для ав-томатизации вычислений.. Отличительной осо-бенностью этого направления является наличие хорошей математической основы, заложенной развитием математических наук и их приложений. Пер-вые, а затем и последующие вычислительные машины классической струк-туры в первую очередь и создавались для автоматизации вычислений.

Вторая сфера применения ЭВМ связана с использованием их в системах управления. Она родилась в 60-е годы, когда ЭВМ стали внедряться в контуры управления автоматических и автоматизирован-ных систем. Математическая база этой сферы была создана в течение последующих 15-20 лет. Новое применение вычислительных машин потребовало видоизменения их структуры. ЭВМ, используемые в управлении, должны были не только обеспечивать вычисления, но и автоматизировать сбор данных и рас-пределение результатов обработки.

Третье направление связано с применением ЭВМ для решения задач ис-кусственного интеллекта. Напомним, что задачи искусственного интеллекта предполагают получение не точною результата, а чаще всего осредненного в статистическом, вероятностном смысле. Примеров подобных задач много: задачи робототехники, доказательства теорем, машинного перевода текстов с одного языка на другой, планирования с учетом неполной информации, со-ставления прогнозов, моделирования сложных процессов и явлений и т.д. Это направление все больше набирает силу. Во многих областях науки и тех-ники создаются и совершенствуются базы данных и базы знаний, экспертные системы. Доя технического обеспечения этого направления нужны качествен-но новые структуры ЭВМ с большим количеством вычислителей (ЭВМ или процессорных элементов), обеспечивающих параллелизм в вычислениях. По существу, ЭВМ уступают место сложнейшим вычислительным системам.

Еще один класс наиболее массовых средств ЭВТ - встраиваемые микропроцессоры. Успехи микроэлектроники позволяют создавать миниатюрные вычислительные устройства, вплоть до одно-кристальных ЭВМ. Эти устройства, универсальные по характеру применения, могут встраиваться в отдельные машины, объекты, системы. Они находят все большее применение в бытовой технике (телефонах, телевизорах, электрон-ных часах, микроволновых печах и т.д.), в городском хозяйстве (энерго-, теп-ло- , водоснабжении, регулировке движения транспорта и т.д.), па производ-стве (робототехнике, управлении технологическими процессами). Постепенно они входят в нашу жизнь, все больше изменяя среду обитания человека.

Таким образом, можно предложить следующую классификацию средств вычислительной техники, в основу которой положено их разделение по быс-тродействию,

СуперЭВМ длярешения крупномасштабных вычислительных задач. для обслуживания крупнейших информационных банков данных.

Большие ЭВМ для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров.

Средние ЭВМ широкого назначения для управления сложными техно-логическими производственными процессами. ЭВМ этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой инфор-мации в качестве сетевых серверов.

Персональные и профессиональныеЭВМ, позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня.

Встраиваемые микропроцессоры, осуществляющие автоматизацию уп-равления отдельными устройствами и механизмами.

1.3. Общие принципы построения современных ЭВМ

Основным принципом построения всех современных ЭВМ является про-граммное управление. В основе его лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений. Стандартом для пост-роения практически всех ЭВМ стал способ, описанный Дж. фон Нейманом в 1945 г. при построении еще первых образцов ЭВМ. Суть его заключается в следующем.

Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управля-ющих слов-команд. Каждая команда содержит указания на конкретную вы-полняемую операцию, место нахождения операндов (адреса операндов) и ряд служеб-ных признаков. Операнды - переменные, значения которых участвуют в опе-рациях преобразования данных. Список (массив) всех переменных (входных данных, промежуточных значении и результатов вычислений) является еще одним неотъемлемым элементом любой программы.

Для доступа к программам, командам и операндам используются их ад-реса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ, предназна-ченных для хранения объектов. Различные типы объектов, размещенные в памяти ЭВМ, идентифицируются по контексту.

Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. Например, в каждой команде программы различают поле кода операций, поле адресов операндов. Применительно к числовой инфор-мации выделяют знаковые разряды, поле значащих разрядов чисел, старшие и младшие разряды.

Последовательность, состоящая из определенного принятого для дан-ной ЭВМ числа байтов, называется словом.

Рис. 1.1. Структурная схема ЭВМ первого и второго поколений

В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВв), с помо-щью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и дан-ные к ним. Введенная информация полностью или частично сначала запоми-нается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длитель-ного хранения информации, где преобразуется в файл. При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления (УУ).

Устройство управления предназначается для автоматического выполне-ния программ путем принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ. Цепи сигналов управления показаны на рис. 1.1 штриховыми линия-ми. Вызываемые из ОЗУ команды дешифрируются устройством управления: определяются код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

В зависимости от количества используемых в команде операндов разли-чаются одно-, двух-, трех-, четырех- адресные и безадресные команды. В одноадресных командах указывается, где находится один из двух обрабатываемых операн-дов. Второй операнд должен быть помещен заранее в арифметическое уст-ройство.

Двухадресные команды содержат указания о двух операндах, размещае-мых в памяти (или в регистрах и памяти). После выполнения команды в один из этих адресов засылается результат, а находившийся там операнд теряется.

В трехадресных командах обычно два адреса указывают, где находятся исходные операнды, а третий - куда необходимо поместить результат.

В безадресных командах обычно обрабатывается один операнд, который до и после операции находится на одном из регистров арифметико-логичес-кого устройства (АЛУ). Кроме того, безадресные команды используются для выполнения служебных операций (запрет прерывания, выход из подпрограммы и др.).

Все команды программы выполняются последовательно, команда за ко-мандой, в том порядке, как они записаны в памяти ЭВМ (естественный поря-док следования команд) или если команда четырех- адресная (характерно для первых ЭВМ) адрес следующей команды находится в поле четвертого операнда. Этот порядок характерен для линейных программ, т.е. программ, не содержащих разветвлений. Для организации ветвлений ис-пользуются команды, нарушающие естественный порядок следования команд. Отдельные признаки результатов r (r = 0, r < 0, r > 0 и др.) устройство управ-ления использует для изменения порядка выполнения команд программы.

АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др. Оно каждый раз перенастраивается на выполнение очередной операции. Резуль-таты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего ис-пользования на одном из регистров АЛУ или записываются в память. Ре-зультаты, полученные после выполнения всей программы вычислений, пере-даются на устройства вывода (УВыв) информации. В качестве УВыв могут использоваться экран дисплея, принтер, графопостроитель и др.

Современные ЭВМ имеют достаточно развитые системы машинных опе-раций. Например, ЭВМ типа IBM PC имеют около 200 различных операций (170 - 300 в зависимости от типа микропроцессора). Любая операция в ЭВМ выполняется по определенной микропрограмме, реализуемой в схемах АЛУ со-ответствующей последовательностью сигналов управления (микрокоманд). Каж-дая отдельная микрокоманда - это простейшее элементарное преобразование дан-ных типа алгебраического сложения, сдвига, перезаписи информации и т.п.

Уже в первых ЭВМ для увеличения их производительности широко при-менялось совмещение операций. При этом последовательные фазы выполне-ния отдельных команд программы (формирование адресов операндов, вы-борка операндов, выполнение операции, отсылка результата) выполнялись отдельными функциональными блоками. В своей работе они образовывали конвейер, а их параллельная работа позволяла обрабатывать различные фазы целого блока команд. Этот принцип получил дальнейшее развитие в ЭВМ следующих поколений. Но все же первые ЭВМ имели очень сильную централизацию управления, единые стандарты форматов команд и данных, «жесткое» построение циклов выполнения отдельных операций, что во многом объясняется ограниченными возможностями используемой в них элементной базы. Центральное УУ обслуживало не только вычислительные операции, но и операции ввода-вывода, пересылок данных между ЗУ и др. Все это позволяло в какой-то степени упростить аппаратуру ЭВМ, но сильно сдерживало рост их производительности.

В ЭВМ третьего поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и ее обработки (рис. 1.2).

Сильносвязанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор, г.е. устройство, предназначенное для обработки данных. В схеме ЭВМ по-явились также дополнительные устройства, которые имели названия: процессоры ввода-вывода, устройства управления обменом информацией, кана-лы ввода-вывода (КВВ). Последнее название получило наибольшее распрос-транение применительно к большим ЭВМ. Здесь наметилась тенденция к децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств. что позволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом.

Рис. 1.2. Структурная схема ЭВМ третьего поколения

Среди каналов ввода-вывода выделяли мультиплексные каналы, способ-ные обслуживать большое количество медленно работающих устройств вво-да-вывода (УВВ). и селекторные каналы, обслуживающие в многоканаль-ных режимах скоростные внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

В персональных ЭВМ, относящихся к ЭВМ четвертого поколения, про-изошло дальнейшее изменение структуры (рис. 1.3). Они унаследовали ее от мини-ЭВМ.

Рис. 1.3. Структурная схема ПЭВМ

Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помо-щью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее еще более децентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.

Ядро ПЭВМ образуют процессор и основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). ПЗУ предназначается для постоянного хранения программ первоначального тестирования ПЭВМ (POST) и загрузки ОС. Подключение всех внешних устройств (ВнУ), дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ и других обеспечивается через соответ-ствующие адаптеры - согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств или контроллеры - специальные устройства управления периферийной ап-паратурой. Контроллеры в ПЭВМ играют роль каналов ввода-вывода. В ка-честве особых устройств следует выделить таймер - устройство измерения времени и контроллер прямого доступа к памяти (КПД) - устройство, обес-печивающее доступ к ОП, минуя процессор.

Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие эле-менты, которые являются общим стандартом структур современных ЭВМ:

модульность построения, магистральность, иерархия управления.

Модульность построения предполагает выделение в структуре ЭВМ достаточно автономных, функционально и конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком Mai-нитном диске).

Модульная конструкция ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию. К ЭВМ можно подключать дополнитель-ные устройства, улучшая ее технические и экономические показатели. Появ-ляется возможность увеличения вычислительной мощности, улучшения струк-туры путем замены отдельных устройств на более совершенные, изменения и управления конфигурацией системы, приспособления ее к конкретным усло-виям применения в соответствии с требованиями пользователей.

В современных ЭВМ принцип децентрализации и параллельной работы распространен как на периферийные устройства, так и на сами ЭВМ (про-цессоры). Появились вычислительные системы, содержащие несколько вы-числителей (ЭВМ или процессоры), работающие согласованно и параллель-но. Внутри самой ЭВМ произошло еще более резкое разделение функций между средствами обработки. Появились отдельные специализированные процессоры, например сопроцессоры, выполняющие обработку чисел с пла-вающей точкой, матричные процессоры и др.

Все существующие типы ЭВМ выпускаются семействами, в которых различают старшие и младшие модели. Всегда имеется возможность замены более слабой модели на более мощную. Это обеспечивается информацион-ной, аппаратурной и программной совместимостью. Программная совмес-тимость в семействах устанавливается по принципу снизу-вверх, т.е. про-граммы, разработанные для ранних и младших моделей, могут обрабаты-ваться и на старших, но не обязательно наоборот.

Модульность структуры ЭВМ требует стандартизации и унификации оборудования, номенклатуры технических и программных средств, средств сопряжения - интерфейсов, конструктивных решений, унификации типовых элементов замены, элементной базы и нормативно-технической документа-ции. Все это способствует улучшению технических и эксплуатационных ха-рактеристик ЭВМ, росту технологичности их производства.

Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры ЭВМ. Централизованное управление осуществляет устройство управления главного, или центрального, процессора. Подключаемые к цент-ральному процессору модули (контроллеры и КВВ) могут, в свою очередь, использовать специальные шины или магистрали для обмена управляющи-ми сигналами, адресами и данными. Инициализация работы модулей обес-печивается по командам центральных устройств, после чего они продолжа-ют работу по собственным программам управления. Результаты выполнения требуемых операций представляются ими «вверх по иерархии» для правиль-ной координации всех работ.

По иерархическому принципу строится система памяти ЭВМ. Так, с точки зрения пользователя желательно иметь в ЭВМ оперативную память большой информационной емкости и высокого быстродействия. Од-нако одноуровневое построение памяти не позволяет одновременно удовлет-ворять этим двум противоречивым требованиям. Поэтому память современ-ных ЭВМ строится по многоуровневому, пирамидальному принципу.

В состав процессоров может входить сверхоперативное запоминающее устройство небольшой емкости, образованное несколькими десятками регис-тров с быстрым временем доступа (единицы нс). Здесь обычно хранятся дан-ные, непосредственно используемые в обработке.

Следующий уровень образует кэш-память. Она представляет собой буферное запоминающее устройство, предназначен-ное для хранения активных страниц объемом десятки и сотни Кбайтов. Вре-мя обращения к данным составляет 2-10 нс, при этом может использовать-ся ассоциативная выборка данных. Кэш-память, как более быстродействую-щая ЗУ, предназначается для ускорения выборки команд программы и обрабатываемых данных. Сами же программы пользователей и данные к ним размещаются в оперативном запоминающем устройстве (емкость - милли-оны машинных слов, время выборки 10-70 нс).

Часть машинных программ, обеспечивающих автоматическое управле-ние вычислениями и используемых наиболее часто, может размещаться в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). На более низких уровнях иерар-хии находятся внешние запоминающие устройства на магнитных носителях: на жестких и гибких магнитных дисках, магнитных лентах, магнитоопти-ческих дисках и др. Их отличает более низкое быстродействие и очень боль-шая емкость.

Организация заблаговременного обмена информационными потоками между ЗУ различных уровней при децентрализованном управлении ими по-зволяет рассматривать иерархию памяти как единую абстрактную виртуальную память. Согласованная работа всех уровней обеспечива-ется под управлением программ операционной системы. Пользователь имеет возможность работать с памятью, намного превышающей емкость ОЗУ.

Децентрализация управления и структуры ЭВМ позволила перейти к более сложным многопрограммным (мультипрограммным) режимам. При этом в ЭВМ одновременно может обрабатываться несколько программ пользова-телей.

В ЭВМ, имеющих один процессор, многопрограммная обработка явля-ется кажущейся. Она предполагает параллельную работу отдельных устройств, задействованных в вычислениях по различным задачам пользователей. Например, компьютер может производить распечатку каких-либо докумен-тов и принимать сообщения, поступающие по каналам связи. Процессор при этом может производить обработку данных по третьей программе, а пользователь - вводить данные или программу для новой задачи, слушать музыку и т.п.

В ЭВМ иди вычислительных системах, имеющих несколько процессо-ров обработки, многопрограммная работа может быть более глубокой. Авто-матическое управление вычислениями предполагает усложнение структуры за счет включения в ее состав систем и блоков, разделяющих различные вы-числительные процессы друг от друга, исключающие возможность возник-новения взаимных помех и ошибок (системы прерываний и приоритетов, защиты памяти). Самостоятельного значения в вычислениях они не имеют, но являются необходимым элементом структуры для обеспечения этих вы-числений.

Как видно, полувековая история развития ЭВТ дала не очень широкий спектр основных структур ЭВМ. Все приведенные структуры не выходят за пределы классической структуры фон Неймана. Их объединяют следующие традиционные признаки :

Ядро ЭВМ образует процессор - единственный вычислитель в струк-туре, дополненный каналами обмена информацией и памятью-

Линейная организация ячеек всех видов памяти фиксированного раз-мера;

Одноуровневая адреса11ия ячеек памяти, стирающая различия между всеми типами информации:

Внутренний машинный язык низкого уровня, при котором команды со-держат элементарные операции преобразования простых операндов;

Последовательное централизованное управление вычислениями;

Достаточно примитивные возможности устройств ввода-вывода.

Несмотря на все достигнутые успехи, классическая структура ЭВМ не обеспечивает возможностей дальнейшего увеличения производительности. Наметился кризис, обусловленный рядом существенных недостатков:

Плохо развитые средства обработки нечисловых данных (структуры, символы, предложения, графические образы, звук, очень большие мас-сивы данных и др.);

Несоответствие машинных операций операторам языков высокого уровня;

Примитивная организация памяти ЭВМ;

Низкая эффективность ЭВМ при решении задач, допускающих парал-лельную обработку и т.п.

Все эти недостатки приводят к чрезмерному усложнению комплекса про-граммных средств, используемого для подготовки и решения задач пользова-телей.

В ЭВМ будущих поколений, с использованием в них «встроенного искус-ственного интеллекта», предполагается дальнейшее усложнение структуры. В первую очередь это касается совершенствования процессов общения пользова-телей с ЭВМ (использование аудио-, видеоинформации, систем мультимедиа и др.) , обеспечения доступа к базам данных и базам знаний, организации параллельных вычислений. Несомненно, что этому должны соответствовать новые параллельные структуры с новыми принципами их построения. В каче-стве примера укажем, что самая быстрая ЭВМ фирмы IBM в настоящее время обеспечивает быстродействие 600 MIPS (миллионов команд в секунду), самая же большая гиперкубическая система nCube дает быстродействие 123.10 3 MIPS. Расчеты показывают, что стоимость одной машинной операции в гиперсистеме примерно в тысячу раз меньше. Вероятно, подобными системами будут об-служиваться большие информационные хранилища.