Архитектура и основные функции первого и второго поколения ЭВМ

 

Изображение состоит  из некоторого числа горизонтальных линий – строк, а каждая строка из элементарных мельчайших  единиц (точек) – пикселов. Весь массив элементар-х  единиц н-ют растром. Степень четкости изобр-я зависит от кол-ва строк на весь экран и колич-ва точек в строке , к-ые представляют  разрешающую способность или просто разрешение(640х480, 1024х768,1280х1024). Каждый пиксель на цветном экране – это совокупность 3 точек разного цвета: красного, зел-го, синего(RGB). Обычно каждый пиксель кодируется 3 байтами. Всего  в этом случае  возможно передавать 256*256*256 более 16 млн разл. цветов. Этот способ представ-я цветной графики н-ют режимом True Color.

Звук пр-ет собой  колебание воздуха. Подход к кодированию звука,к-ый н-ся  оцифровываниет, основан на том , что непрерывный звук-ой сигнал заменяется дискретным набором значений сигнала – отсчетов сигнала. Количесво отсчетов сигнала в ед. времени н-ся частотой дискретизации.Одно событие – 1 Гц.Применяются частоты  11, 22, 44 кГц.

  

Повышение эффективности оперативной памяти.

 

Для количественной оценки эффективности ОП применяется  система характеристик, содержащая сл. параметры:

• тип микросхемы памяти;
• объем памяти;
• допустимая тактовая частота системной шины;
• быстродействие микросхем памяти;
• скорость обмена или производительность;
• плотность хранения данных;
• отношение цены к объему;
• надежность или достоверность хранения данных.

 

От типа микросхемы существенно зависят быстродействие и производительность памяти.

Т.к все действия микросхемы и шины должны быть согласованы,то тактовая частота системной шины становится важной характерис-й ОП.

Быстродействие памяти определяется временем, затрачиваемым на выполнение операций записи и считывания. А время у соврем-х комп-в изм-ся в миллисек-х(10^-3 ), микросек-х(10^-6 ),  и наносек-х.

Скорость  обмена измеряется в количестве передаваемых байт в секунду (Кбайт/с).

Плотность хранения информации  измеряется количеством байт, к-е может быть сохранено в единице измерения памяти .

Удельная  стоимость определяется как стоим-ть хранения одного байта(Кб,Мб …).

 

Классификация архитектур

по принципу действия;

по поколениям;

по области  применения;

Классиф-я персональных комп-в;

Классификация по архитектуре системы команд;

 

По  принципу действия ВМ делятся на 2 класса:

• цифровые выч. машины, которые применяются для обработки дискретных сигналов сообщений;
• аналоговые выч-е машины, используемые для обработки непрерывных сигналов и сообщений.

 

По  области применения различают сл. группы:

Суперкомпьютер – многопроцессорная вычислит-я система, способная обрабатывать огромные массивы данных(задачи метеопрогноза в планетарных масштабах, задачи из области ядерной физики). Стоимость ~ 500 млн.$. Например, суперкомп. BlueGene/L: 65 тыс. процессоров, 136 трлн. опер-й/сек.

 Мэйнфреймы- большие однопроцессорные или с небольшим колич-м центральных процессоров вычисл-ые системы.Использ-ся в системах управления произв-м циклом.Вытесняются персон-ми комп-ми.

Персональные компьютеры – группа машин настольного исполнения, кот-еэксплуатируются 1 человеком или небольшим коллективом специалистов для решения професс-ч задач.Они в свою очередь подразделяются на:

домашний, офисный, игровой, мобильный.

Встроенные процессоры – интрегральные схемы, включаемы в конструкцию какого-либо отдельного уст-ва или механизма(автомобиль, ракета…)

 

По архитектуре  системы команд различают:

Аккумулятор–>

Аккумулятор и  регистры –>

Стековая архит-ра, Регистры общего назначения –>

Теговая арх-ра ,СISC(полный набор команд),     RISC(сокращ-ый набор команд)–>

VLIW(длинное рабочее слово)–>

EPIC(вычисл-ия с явным параллелиз-м)

 

Шинная  архитектура

Впервые  12-битовая  общая шина Omnibus появилась в конструкции выпущеной в 1965 году. машины PDP-8. С тех пор шины стали широко исп-ся в различных моделях компьютеров. Основными техническими характеристиками шин я-ся разрядность, тактовая частота, производительность(пропускная способность).

Количество проводов в шине н-ся ее разрядностью, а провода из которых она состоит н-ся линиями шины.По каждому проводу может перед-ся 1 бит адреса, или 1 бит данных, или 1 управляющий бит. Тактовая частота определяется как количество управляющих работой шины синхроимпульсов в секунду. Производительность равна количеству битов( или байтов), передаваемых по шине в единицу времени(н., производ-ть 16-битовой шины с частотой работы 100 МГц равна 2 байта*10⁸ тактов/с ~ 190 Мб/с.

Современные ПК обычно содержат:

• системную шину,связывающую процессор и ОП;
• шину кэша, связыв-ю процессор и внешний кэш;
• шину низкоскоростных внешних устройств( ISA,eISA:разрядность 16,32 бит. Эти  шины считаются уже устарев-ми)
• шину высокоскоростных внешних устройств (магнитные,оптические диски);

 PCI, (PCI Express) – высокоск-я ш. со скоростью обмена до 500 Мб/с (4Гб/с), тактовой частотой 66, МГц. Разрядности шин – 64 и 128  бит.

IDE, EIDE– шины и стандарт подключ-я жестких,оптич-х дисков со скоростью обмена до 20 Мб/с. SCSI  - скорость обмена данных до 80 Мб/с.

• шину графического адаптера, для передачи высококачественных цветных изобр-й на экран дисплея;

AGP – ш. для подключ-я  видеоплат со скор-ю обмена от 256 Мб до 1,06 Гбайт/с.

Имеется также  универсал-я ш. USB. Скорость обмена данными доходит до 12 Мб/с, а у USB 2.0 – до 60 Мб/с.

FireWire – ш. предназнач-на для подключения цифровых фото и видеокамер.Скорость обмена до 50  Мб/с.

 

 

 

 

Повышение эффективности центрального процессора компьютера

Самое большое влияние на производительость компьютера оказывают характеристики процессора, которые могут быть существенно улучшены и не только изменением его физических параметров. Основными технич-ми характерис-ми процессора в настоящее время считаются:

• архитектура системы команд проц-ра;
• модель процессора, связанная с его системой команд;
• внутренняя тактовая частота;
• разрядность или длина машинного слова;
• объем внутреннего кэша L1;
• производительность;
• плотность логических элементов;
• линейный размер логических элементов;
• форм-фактор, определяющий геометрич-е размеры, форму, количество сокетов, а также способ подключения микросхемы процессора к материнской плате.

 

Статистическая  и динамическая память

Память, основанная  на триггерах, состоящих не менее чем из 6 транзисторов, отличающихся тем, что после записи значения в триггер его состояние может сохраняться сколь угодно долго без примен-я каких-либо специал-х действий,  наз-ся статической. Она обозначается аббревиатурой SRAM. Статич-я память отлич-ся высоким быстродействием, но характеризуется низкой плотностью хранения данных(_~ млн. байт). Для ОП статич-я память дорога и громоздка.Еще стат. память отлич-ся высоким энергопотреб-ем.

 Операт-ю  память , реализованную в виде  периодически подзаряжаемых конденсаторов,  н-ют динамической и обозначают DRAM. Она характер-ся высокой плотностью хранения данных( десятки млн-в байт), и поэтому заниам-ет меньшую площадь. Стоимость и энергопотребление меньше чем у статич-й памяти. Недостатком я-ся низкие скоростные показатели и необходимость регенерации памяти(конденсаторы теряют заряд, поэтому необх-мо восстанавливать их  исходное  сост-е ).Без регенерации занесенные в память коды окажутся утерянными.

 

Классификация параллельных систем по Флинну.

В 1966 г. М.Флинном (Flynn) был предложен чрезвычайно  удобный подход к классификации  архитектур вычислительных систем. В  его основу было положено понятие  потока, под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором. Соответствующая система классификации основана на рассмотрении числа потоков инструкций и потоков данных и описывает четыре архитектурных класса:

SISD = Single Instruction Single Data

MISD = Multiple Instruction Single Data

SIMD = Single Instruction Multiple Data

MIMD = Multiple Instruction Multiple Data 

SISD– одиночный поток команд и одиночный поток данных(последовательные компьютеры фон Неймана). Относятся компьютерные системы, кот-ые имеют один центральный процессор, способный обрабат-ть только один поток последовательно исполняемых инструкций. В наст. время практически все высокопроизводит-ые системы имеют более 1 центрального процессора, однако каждый из них выполняет несвязанные потоки инструкций, что делает такие системы комплексами SISD-систем. В SISD входят однопроцесс-ые комп-ры VAX 11/780, системы

CRAY-1, CYBER 205.

MISD– множественный поток команд и одиночный поток данных. Теоретически в этом типе машин множество инструкций должно выполняться над единственным потоком данных. До сих пор ни одной реальной машины, попадающей в данный класс, создано не было.       

SIMD– одиночный поток команд и множест-ый поток данных. Эти системы имеют большое колич-во процессоров, от 1024 до 16384, кот-ые могут выполнять одну и ту же инструкцию относительно разных данных.Одна инструкция параллельно выпол-ся над многими элементами данных. Представителями класса SIMD считаются матрицы процессоров: ILLIAC IV, ICL DAP, Goodyear Aerospace MPP, Connection Machine, Hitachi S3600.

MIMD– множест-ый поток команд и множест-ый поток данных. Эти машины параллельно выполняют несколько потоков инструкций над различными потоками данных. В отличие от многопроцессорных SISD-машин, команды и данные связаны, потому что они представляют различные части одной и той же задачи. Напр., MIMD-системы могут параллельно выполнять множество подзадач с целью сокращения времени выполнения основной задачи.

Класс MIMD чрезвычайно  широк, поскольку включает в себя всевозможные мультипроцессорные системы: Cm*, C.mmp, CRAY Y-MP, Denelcor HEP,BBN Butterfly Intel Paragon, CRAY T3D и многие другие.