Организация вычислительных систем

Организация вычислительных систем

2-е издание, исправленное

Ершова Н.Ю.
Соловьев А.В.

Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”
2016

2

Организация вычислительных систем/ Н.Ю. Ершова, А.В. Соловьев - М.: Национальный Открытый
Университет “ИНТУИТ”, 2016

Рассматриваются принципы построения и направления развития ЭВМ, архитектура вычислительной
системы, разъясняются особенности режимов работы процессоров, приводится иерархическая
система памяти компьютера, разъясняется организация прерываний, прямого доступа в память и
ввода/вывода.
Большое внимание уделяется архитектурным особенностям и режимам работы 16-битных
процессоров фирмы Intel и базовой структуре микропроцессоров IA-32: основным регистрам,
режимам работы; страничной и сегментной адресации памяти; многозадачности; формату команд, а
также некоторым особенностям архитектуры. Приводится анализ развития процессоров фирмы Intel
от 8086 до Pentium 4. Разъясняются такие базовые понятия, как конвейеризация шины, режим
пакетирования, суперскалярная архитектура, динамическое исполнение программ и особенности
новых архитектурных решений: SIMD и NetBurst. Кроме микропроцессоров IA-32, рассматривается
структура процессоров семейства МС680х0 фирмы Motorola и архитектура современных RISC
процессоров. Анализируется иерархическая подсистема памяти, организация кэш-памяти и
особенности обновления информации, перспективы развития технологий DRAM. Характеризуются
обмен с прерываниями и организация прямого доступа к памяти. Взаимодействие ПЭВМ и
сопроцессора приводится для микропроцессоров IA-32 и МС680х0. Рассматривается состав и
характеристика периферийных устройств. Предлагаются для рассмотрения основные классы
параллельных систем, их характеристики и особенности.

(c) ООО “ИНТУИТ.РУ”, 2006-2016
(c) Ершова Н.Ю., Соловьев А.В., 2006-2016

3

Введение

В этой лекции кратко приведена история развития информатики, рассматриваются
принципы построения, поколения и классификация ЭВМ и принципы их построения, а
также основные модели ПЭВМ. Цель: познакомить учащихся с историей развития
информатики, сформировать знания о принципах построения ЭВМ, и умения
определять, к какому классу ЭВМ относятся современные вычислительные машины.

История развития вычислительной техники

В эпоху всеобщей компьютеризации информационная подготовка становится
насущной потребностью каждого человека. Тем более это важно для тех, кто выбрал
информационные технологии своей специальностью. Постигать новое разумнее,
основываясь на уже известном, хорошо опробованном и показавшем свои
преимущества.

Историю развития информатики можно начинать с глубины веков, ведь информацией
называют любые сведения о событиях, процессах или объектах, являющиеся
предметом восприятия, передачи, преобразования и хранения.

Однако основы информационной теории и техники как таковой были заложены в XVII
веке Шиккардом, Паскалем и Лейбницем. Вот они - этапы большого пути:

1623 г. - В. Шиккард, профессор Тюбингенского университета предложил агрегат,
состоящий из суммирующего и множительного устройства.

1642 г. - Блез Паскаль продемонстрировал в Люксембургском дворце машину, которая
могла складывать и вычитать.

1673 г. - немецкий математик и философ Г. Лейбниц представил в Парижской
академии вычислитель, выполняющий все 4 арифметических действия.

1812 - 1823 гг. - профессор Кембриджского университета Чарльз Беббидж построил
разностную машину, а в 1835 г. он же представил проект аналитической машины
(прообраз ПК): склад, мельница, управляющий. Фрагмент такого вычислителя
построил сын ученого, а программы для него готовила первый программист Ада
Лавлейс (Байрон).

1880 г. - Г. Холлерит сконструировал электромеханический перфокарточный
табулятор, который использовался при переписи населения в США и в России.

1911 г. - механик А.Н. Крылов построил уникальный аналоговый решатель
дифференциальных уравнений.

1918 г. - М.А. Бонч-Бруевич изобрел триггер.

1919 г. - академик Н.Н. Павловский создал аналоговую вычислительную машину.

4

г. - основана фирма Motorola для производства электронных узлов вычислителей.

1936 г. - английский математик А. Тьюринг опубликовал доказательство того, что
любой алгоритм может быть реализован с помощью дискретного автомата.

1939 г. - американский инженер Дж. Стибниц создал релейную машину BELL.

1939 г. - У. Хьюлетт и Д. Паккард основали компанию для производства компонентов
первых вычислителей.

1946 г. - Джон фон Нейман и Гольдстейн опубликовали статью “Предварительное
обсуждение логической конструкции ЭВМ”.

1947 г. - Шокли и др. изобрели транзистор.

1948 г. - в Массачусетском университете был построен первый компьютер с памятью
EDVAC.

1949 г. - Морис Уилкс построил компьютер EDSAC в соответствии с принципами фон
Неймана.

1957 г. - Б. Нойс и Г. Мур открыли первую в мире компанию по производству
полупроводниковых приборов, спустя 10 лет ими была создана фирма “Intel
Corporation”.

1971 г. - сотрудник фирмы Intel Д. Хофф создает первый микропроцессор i4004.

1975 г. - рождение корпорации “Microsoft Corporation”.

1977 г. - Стефен Возняк и Стивен Джобс собирают первый настольный компьютер
“Apple”.

1981 г. - IBM представляет свой первый персональный компьютер IBM PC.

История развития информатики в СССР

История развития информатики в СССР начинается в первые послевоенные годы.

В конце 1948 г. 12 научных сотрудников и 15 техников под руководством С.А.
Лебедева начали работу над малой электронно-счетной машиной (МЭСМ). Машина,
выполненная на базе 7500 ламп на площади в 64 м2, была собрана за два года и
потребляла 25 кВт электроэнергии.

1952 г. - выпущена большая электронно-счетная машина (БЭСМ) на 4500 лампах,
выполнявшая до 10000 операций в секунду.

1956 г. - доклад Лебедева на конференции в городе Дармштадте произвел настоящий
фурор. БЭСМ (8 тыс. оп./с) была признана лучшей ЭВМ в Европе.

5

С 1958 г. начался промышленный выпуск ЭВМ в СССР.

1959 г. - ЭВМ М-20 (20 тыс. оп./с).

1967 г. - БЭСМ-6 (1 млн. оп./с). Впервые реализованы идеи параллелизма. Было
выпущено 350 машин со сроком эксплуатации - 25 лет. Последние БЭСМ
демонтированы в середине 90-х г.

30 декабря 1967 г. вышло постановление Совмина СССР о разработке ЕС ЭВМ.

1979 г. - “Эльбрус-1”, 10 ЦП на БИС с общей памятью, производительность - 1,5 - 10
млн. оп./с.

1985 г. - “Эльбрус-2”, производительность более 100 млн.оп./с.

1991 г. - “Эльбрус-3”, для 16 ЦП производительность - 1 млрд. оп./с.

Принципы построения ЭВМ

Основные из традиционных принципов построения ЭВМ, сформулированные фон
Нейманом, следующие:

наличие единого вычислительного устройства, включающего процессор, средства
передачи информации и память;
линейная структура адресации памяти, состоящей из слов фиксированной длины;
двоичная система исчисления;
централизованное последовательное управление;
хранимая программа;
низкий уровень машинного языка;
наличие команд условной и безусловной передачи управления;
АЛУ с представлением чисел в форме с плавающей точкой.

Кроме машин фон Неймана существуют потоковые и редукционные ЭВМ. Дж. Деннис
в 1967 г. сформулировал принципы построения потоковых ЭВМ - должны выполняться
все команды, для которых есть данные, независимо от их места в программе;
управление вычислительным процессом переходит от программы к данным.

В 1971-1974 гг. исследованы принципы создания машин, управляемых заданиями, в
которых выполнение операций определяется потребностью в результате, и
единообразно хранятся любые объекты: данные, программы, файлы, массивы редукционные ЭВМ.

Поколения ЭВМ

В основе выделения поколений ЭВМ лежит элементная база процессора. Эта и другие
характеристики ЭВМ разных поколений приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Поколения ЭВМ

6

Характеристики
Первое 1951
1954 гг.

Второе 1958
1960 гг.

Третье 1965
1966 гг.

Четвертое

1976 - 1979 гг.
1985 г.

1. Элементная база
ЦП

Электронные
лампы

Транзисторы Интегральные

схемы

БИС
СБИС

2. Элементная база
ОЗУ

Электроннолучевые
трубки

Ферритовые
сердечники

Ферритовые
сердечники

БИС
СБИС

3. Maксимальная
емкость ОП в
байтах

102
103
104
105
107

4. Максимальное
быстродействие
ЦП в ОС

104
106
107
108
109 +
многопроцессорность

5. Языки
программирования

Машинный
код

+ ассемблер +

процедурные
языки
высокого
уровня (ЯВУ)

+ новые
процедурные
ЯВУ

+ непроцедурные
ЯВУ

6. Средства связи
пользователя с
ЭВМ

Пульт
управления,
перфокарты

Перфокарты,
перфоленты

Алфавитноцифровой
терминал

Монохромный
графический
дисплей,
клавиатура

Цветной графический
дисплей, клавиатура,
“мышь” и т.д.

Классификация ЭВМ

Одна из общепринятых классификаций ЭВМ приведена Б.С. Богумирским. Нам она
представляется приемлемой и на сегодняшний день.

1. Большие ЭВМ (mainframe) IBM 360/370, ЕС ЭВМ, ES/9000, IBM S/390.
2. Супер-ЭВМ (Cray J90, Convex C38XX, IBM SP2, SGI POWER CHALLENGE,

системы MPP, Электроника СС-100, Эльбрус-3).

3. Мини-ЭВМ (PDP-11, VAX, СМ ЭВМ).
4. Микро-ЭВМ:

АРМ;
встроенные;
ПЭВМ.

С точки зрения взаимодействия команд и данных, интересна классификация ЭВМ по
Флинну:

1. ОКОД (SISD) - “одиночный поток команд, одиночный поток данных”.

Традиционная архитектура фон Неймана + КЭШ + память + конвейеризация.

2. ОКМД (SIMD) - “одиночный поток команд, множественный поток данных”.
3. МКМД (MIMD) - “множественный поток команд, множественный поток данных”,

мультипроцессорные системы (несколько устройств управления и АЛУ).

7

Основные модели ПЭВМ

Основные модели ПЭВМ, представленные на рынке:

1. ЭВМ фирмы IBM и их аналоги. Характерен принцип открытости архитектуры.
2. ЭВМ фирмы Apple собираются на базе микропроцессоров фирмы Motorola,

представлены двумя семействами: Apple и Macintosh. Основное отличие от ЭВМ
фирмы Intel -замкнутость архитектуры.

3. ЭВМ независимых фирм производителей.

Вопросы

1. Сформулируйте традиционные принципы построения ЭВМ.
2. Какие еще принципы построения ЭВМ вы знаете?
3. По какому признаку выделяют поколения ЭВМ?
4. К какому поколению относятся первые мини-ЭВМ?
5. Какие выделяют классы ЭВМ?
6. Какие существуют типы ЭВМ с точки зрения взаимодействия команд и данных?
7. Какие модели ПЭВМ представлены сегодня на рынке?

8

Архитектура 16-битных микропроцессоров семейства Intel IA-32

В этой лекции анализируется базовая архитектура процессора 8086: основные
регистры, адресация памяти, режимы работы и ее развитие в процессоре 80286. Цель:
познакомить учащихся с архитектурными особенностями и режимами работы 16битных процессоров фирмы Intel, сформировать знания о формировании адреса в
разных режимах работы процессора.

Анализ развития процессоров фирмы Intel IA-32

В табл. 2.1 приведены основные свойства процессоров фирмы Intel, от процессора 8086
до первых представителей семейства Pentium.

Таблица 2.1. Основные свойства процессоров фирмы Intel

Тип ЦП Свойства
8086 8088 80286
80386
80486
Pentium P6

1. Год выпуска
1978 1979 1982
1985
1989
1993
1995

2. Проектные нормы (мкм)
3
3
1,5
1
1-0,8
0,8-0,6 0,6-0,35

3. Количество транзисторов
29000 29000 130000 275000
1млн
200т

3млн
100т

9млн
500т

4. Разрядность ШД/ША
16/20 8/20
16/24
32/32
32/32
64/32
64/32
(36)

5. Максимальный объем физ.
памяти

1 Мб 1 Мб 16 Мб
4 Гб
4 Гб
4 Гб
4 Гб (64
Гб)

6. Максимальный объем
виртуальной памяти

1 Мб 1 Мб 1 Гб
64 Тб
64 Тб
64 Тб
64 Тб

7. Максимальный размер
сегмента

64 Кб 64 Кб 64 Кб/4

Гб

64 Кб/4
Гб

64 Кб/4
Гб

64 Кб/4
Гб

64 Кб/4
Гб

8. Размер очереди предвыборки
(байт)

6
6
16
32
32
32
32

9. Размер операндов (бит)
8, 16 8, 16 8, 16
8, 16, 32 8, 16,

32, 64

8, 16,
32, 64

8, 16,
32, 64

10. Размер регистров (бит)
8, 16 8, 16 8, 16
8, 16, 32 8, 16,

32

8, 16,
32

8, 16, 32

11. Разбиение на страницы
Нет
Нет
Нет
Есть
Есть
Есть
Есть

12. Рабочая частота (МГЦ)
5, 8,
10

5, 8,
10

8, 10,
12, 16

20,
25,33,
40

25-133 60-233 166,

180, 200

13. Защита памяти
Нет
Нет
Есть
Есть
Есть
Есть
Есть

14. Сопроцессор
8087 8087 80287
80287,
80387

FPU
FPU
FPU

Архитектура ЦП 8086: основные регистры, организация памяти

Программная модель МП представляется набором его регистров. Регистр является
устройством временного хранения данных и используется с целью облегчения

9

арифметических, логических и пересылочных операций.

Центральный процессор 8086 имеет четыре 16-битных регистра общего назначения
AX, BX, CX, DX, четыре регистра-указателя SI, DI, BP и SP, четыре регистра
сегментов CS, DS, ES, SS, один 16-битовый регистр флагов FLAGS и указатель
программ IP (см. рис.2.1)

Рис. 2.1.  Программная модель ЦП 8086

Регистр-аккумулятор AX используется для хранения промежуточных данных и
результатов.

При базовых типах адресации регистр BX содержит адрес области памяти либо адрес,
который суммируется для получения нового значения со смещением.

Регистр-счетчик CX предназначен для управления числом итераций в цикле или
числом повторений в командах REP в строковых операциях.

Регистр данных DX используется как вторичный аккумулятор для хранения
промежуточных данных и результатов.

Индексный регистр-источник SI применяется в качестве указателя адреса байта или
слова в таких строковых командах, как LODS (“загрузить строку”), CMPS (“сравнить
строку”), MOVS (“переслать строку”). При базово-индексной адресации содержимое
регистра SI может суммироваться с содержимым регистра BX.

Индексный регистр-приемник DI используется как указатель назначения для адреса
байта или слова в строковых командах, таких как SCAS (сканировать строку), CMPS,
MOVS, STOS (записать строку). При базово-индексной адресации для получения
адреса операнда содержимое регистра DI может суммироваться с содержимым
регистра BX.

Регистр-указатель стека SP применяется для работы с данными в стековых структурах.
Его содержимое указывает адрес элемента на вершине стека, что удобно при
организации обработки прерываний, процедур вызова подпрограммы и выхода из нее

10