С. А. Орлов организация ЭВМ и систем допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебник icon

С. А. Орлов организация ЭВМ и систем допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебник



НазваниеС. А. Орлов организация ЭВМ и систем допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебник
С. А. Орлов<><> <> <>ОРГАНИЗАЦИЯ<><> <> <>ЭВМ<><> <> <>И СИСТЕМ
Дата конвертации02.07.2012
Размер274.1 Kb.
ТипУчебник

СЕРИЯ

Б. Я. Цилькер, С. А. Орлов

ОРГАНИЗАЦИЯ

ЭВМ

И СИСТЕМ

Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве

учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся

по направлению «Информатика и вычислительная техника»



300.piter.com Издательская программа

300 лучших учебников для высшей школы в честь 300-летия Санкт-Петербурга

осуществляется при поддержке Министерства образования РФ

Москва • Санкт-Петербург • Нижний Новгород • Воронеж • Ростов-на-Дону Новосибирск • Екатеринбург • Самара • Киев • Харьков • Минск

2004

5БК 32.973.2-02я7 /ДК 681.3(075) Д60

Рецензенты:

Сергеев М. Б., доктор технических наук, заведующий кафедрой вычислительных систем и сетей

Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения |

Яшин А. И., профессор кафедры АСОИУ Санкт-Петербургского государственного ' |

электротехнического университета |

^ Цилькер Б. Я., Орлов С. А. .

Д60 Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов. — СПб.: Питер, 2004. — 668 с.: ил. ISBN 5-94723-759-8

Учебник посвящен систематическому изложению вопросов организации структуры и функ­ционирования вычислительных машин и систем, при этом большое внимание уделяется вопросам эффективности традиционных и перспективных решений в области компьютерной техники. Рас­смотрены структура и функционирование классических фон-неймановских машин, принципы орга­низации шин, внутренней и внешней памяти, операционных устройств и устройств управления, систем ввода-вывода. Изложены основные тенденции в архитектуре современных процессоров. Зна­чительная часть материала посвящена идеологии построения и функционирования параллельных и распределенных вычислительных систем самых разнообразных классов. Показаны наиболее перс­пективные направления в области организации и архитектуры вычислительных машин и систем. В основу работы положен 25-летний университетский опыт преподавания авторами соответствую­щих дисциплин.

Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника для сту­дентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Информатика и вычислительная техника».

ББК 32.973.2-02я7 УДК 681.3(075)

Зсе права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было рорме без письменного разрешения владельцев авторских прав.


Информация, содержащаяся в данной книге, получена из источников, рассматриваемых издательством как одежные. Тем не менее, имея в виду возможные человеческие или технические ошибки, издательство не ложет гарантировать абсолютную точность и полноту приводимых сведений и не несет ответственности за юзможные ошибки, связанные с использованием книги.

SBN 5-94723-759-8 ' © ЗАО Издательский дом «Питер», 2004

^ Краткое содержание

Введение ........................................................................................ 15

Глава 1. Становление и эволюция цифровой вычислительной

техники .......................................................................... 19

Глава 2. Архитектура системы команд ......................................... 52

Глава 3. Функциональная организация

фон-неймановской ВМ................................................. 126

Глава 4. Организация шин ......................................................... 155

Глава 5. Память ......................................................................... 197

Глава 6. Устройства управления ................................................ 293

Глава 7. Операционные устройства вычислительных машин ..... 327

Глава 8. Системы ввода/вывода................................................ 387

Глава 9. Основные направления в архитектуре процессоров..... 413

Глава 10. Параллелизм как основа высокопроизводительных

вычислений.................................................................. 477

Глава 11. Организация памяти вычислительных систем .............. 493

Глава 12. Топологии вычислительных систем .............................. 524

Глава 13. Вычислительные системы класса SIMD........................ 552

Глава 14. Вычислительные системы класса MIMD ....................... 586

Глава 15. Потоковые и редукционные вычислительные

системы ....................................................................... 613

Заключение .................................................................................. 637

Список литературы ....................................................................... 638

Алфавитный указатель................................................................... 653

Содержание

Введение .............................................................. 15

Благодарности.......................................................................................... 18

От издательства........................................................................................ 18

^ Глава 1. Становление и эволюция цифровой

вычислительной техники.............................. 19

Определение понятия «архитектура» ........................................................ 20

Уровни детализации структуры вычислительной машины ......................... 21

Эволюция средств автоматизации вычислений ........................................ 23

Нулевое поколение (1492-1945)...................................................... 25

Первое поколение (1937-1953) ....................................................... 27

Второе поколение (1954-1962) ....................................................... 30

Третье поколение (1963-1972) ........................................................ 31

Четвертое поколение (1972-1984)................................................... 32

Пятое поколение (1984-1990) ......................................................... 33

Шестое поколение (1990-)............................................................... 34

Концепция машины с хранимой в памяти программой ............................. 35

Принцип двоичного кодирования .................................................... 36

Принцип программного управления ................................................ 37

Принцип однородности памяти ....................................................... 37

Принцип адресности ....................................................................... 38

Фон-неймановская архитектура ...................................................... 38

Типы структур вычислительных машин и систем ....................................... 40

Структуры вычислительных машин .................................................. 40

Структуры вычислительных систем ................................................. 41

Перспективы совершенствования архитектуры ВМ и ВС .......................... 42

Тенденции развития больших интегральных схем............................ 43

Перспективные направления исследований в области архитектуры 50

Контрольные вопросы .............................................................................. 50

Содержание 7

Глава 2. Архитектура системы команд........................ 52

Классификация архитектур системы команд ............................................ 54

Классификация по составу и сложности команд.............................. 54

Классификация по месту хранения операндов ................................ 56

Регистровая архитектура................................................................. 61

Архитектура с выделенным доступом к памяти ................................ 63

Типы и форматы операндов ...................................................................... 64

Числовая информация..................................................................... 65

Символьная информация ................................................................ 80

Логические данные.......................................................................... 83

Строки ............................................................................................. 84

Прочие виды информации ............................................................... 84

Типы команд ............................................................................................. 87

Команды пересылки данных ............................................................ 88

Команды арифметической и логической обработки ........................ 88

SIMD-команды ................................................................................. 90

Команды для работы со строками.................................................... 92

Команды преобразования ............................................................... 92

Команды ввода/вывода ................................................................... 92

Команды управления системой ....................................................... 93

Команды управления потоком команд ............................................. 93

Форматы команд ...................................................................................... 96

Длина команды ................................................................................ 96

Разрядность полей команды............................................................ 97

Количество адресов в команде ........................................................ 98

Выбор адресности команд............................................................. 100

Способы адресации операндов ..................................................... 102

Способы адресации в командах управления потоком команд........ 115

Система операций ......................................................................... 116

Контрольные вопросы ............................................................................ 123

^ Глава 3. Функциональная организация

фон-неймановской ВМ .............................. 126

Функциональная схема фон-неймановской вычислительной машины .... 126

Устройство управления ................................................................. 127

Арифметико-логическое устройство ............................................. 129

Основная память .....................................................................:..... 130

М одул ь в во да/вы во да.................................................................... 131

Микрооперации и микропрограммы ....................................................... 131

Способы записи микропрограмм .................................................. 132

Совместимость микроопераций .................................................... 138

Цикл команды ......................................................................................... 138

Стандартный цикл команды ........................................................... 139

8 Содержание

Описание стандартных циклов команды для гипотетической

машины..................................................................................... 141

Машинный цикл с косвенной адресацией ...................................... 144

Машинный цикл с прерыванием .................................................... 144

Диаграмма состояний цикла команды ........................................... 146

Основные показатели вычислительных машин ....................................... 148

Быстродействие ............................................................................ 148

Критерии эффективности вычислительных машин ................................. 150

Способы построения критериев эффективности ........................... 150

Нормализация частных показателей.............................................. 152

Учет приоритета частных показателей ........................................... 153

Контрольные вопросы ............................................................................ 153

Глава 4. Организация шин ...................................... 155

Типы шин ................................................................................................. 158

Шина «процессор-память» ............................................................ 158

Шина ввода/вывода....................................................................... 158

Системная шина ............................................................................ 159

Иерархия шин ......................................................................................... 160

Вычислительная машина с одной шиной ....................................... 160

Вычислительная машина с двумя видами шин ............................... 160

Вычислительная машина с тремя видами шин ............................... 161

Физическая реализация шин .................................................................. 161

Механические аспекты .................................................................. 161

Электрические аспекты ................................................................. 162

Распределение линий шины ................................................................... 166

Выделенные и мультиплексируемые линии ................................... 170

Арбитраж шин......................................................................................... 171

Схемы приоритетов ....................................................................... 171

Схемы арбитража .......................................................................... 173

Протокол шины ....................................................................................... 180

Синхронный протокол ................................................................... 181

Асинхронный протокол .................................................................. 182

Особенности синхронного и асинхронного протоколов ................. 185

Методы повышения эффективности шин ................................................ 187

Пакетный режим пересылки информации ..................................... 187

Конвейеризация транзакций ......................................................... 188

Протокол с расщеплением транзакций .......................................... 188

Увеличение полосы пропускания шины ......................................... 189

Ускорение транзакций ................................................................... 190

Повышение эффективности шине множеством ведущих .............. 190

Надежность и отказоустойчивость.......................................................... 191

Стандартизация шин .............................................................................. 192

Контрольные вопросы ............................................................................ 195

Содержание 9

Глава 5. Память .................................................... 197

Характеристики систем памяти .............................................................. 197

Иерархия запоминающих устройств ....................................................... 199

Основная память .................................................................................... 203

Блочная организация основной памяти ......................................... 204

Организация микросхем памяти .................................................... 207

Синхронные и асинхронные запоминающие устройства................ 213

Оперативные запоминающие устройства ...................................... 213

Постоянные запоминающие устройства ........................................ 225

Энергонезависимые оперативные запоминающие устройства...... 229

Специальные типы оперативной памяти ........................................ 230

Обнаружение и исправление ошибок ...................................................... 236

Стековая память ..................................................................................... 244

Ассоциативная память............................................................................ 245

Кэш-память ............................................................................................ 249

Емкость кэш-памяти ...................................................................... 251

Размер строки ............................................................................... 252

Способы отображения оперативной памяти на кэш-память .......... 252

Алгоритмы замещения информации в заполненной

кэш-памяти ............................................................................... 257

Алгоритмы согласования содержимого кэш-памяти

и основной памяти .................................................................... 259

Смешанная и разделенная кэш-память ......................................... 260

Одноуровневая и многоуровневая кэш-память.............................. 261

Дисковая кэш-память .................................................................... 262

Понятие виртуальной памяти .................................................................. 263

Страничная организация памяти ................................................... 264

Сегментно-страничная организация памяти.................................. 268

Организация защиты памяти ......................................................... 269

Внешняя память...................................................................................... 271

Магнитные диски........................................................................... 271

Массивы магнитных дисков с избыточностью................................ 275

Оптическая память ........................................................................ 286

Магнитные ленты........................................................................... 290

Контрольные вопросы ............................................................................ 291

Глава 6. Устройства управления .............................. 293

Функции центрального устройства управления ...................................... 293

Модель устройства управления .............................................................. 295

Структура устройства управления .......................................................... 296

Микропрограммный автомат с жесткой логикой ..................................... 300

Микропрограммный автомате программируемой логикой..................... 302

Принцип управления по хранимой в памяти микропрограмме ....... 303

10 Содержание

Кодирование микрокоманд ........................................................... 304

Обеспечение последовательности выполнения микрокоманд....... 309

Организация памяти микропрограмм ............................................ 315

Пути повышения быстродействия автоматов микропрограммного

управления ............................................................................... 323

Контрольные вопросы ............................................................................ 325

^ Глава 7. Операционные устройства

вычислительных машин............................. 327

Структуры операционных устройств ....................................................... 329

Операционные устройства с жесткой структурой .......................... 329

Операционные устройства с магистральной структурой................ 331

Базис целочисленных операционных устройств ..................................... 337

Сложение и вычитание .................................................................. 337

Целочисленное умножение..................................................................... 339

Умножение чисел без знака ........................................................... 340

Умножение чисел со знаком .......................................................... 343

Умножение целых чисел и правильных дробей .............................. 346

Ускорение целочисленного умножения .................................................. 347

Логические методы ускорения умножения .................................... 347

Аппаратные методы ускорения умножения.................................... 351

Целочисленное деление ......................................................................... 370

Деление с восстановлением остатка ............................................. 371

Деление без восстановления остатка ............................................ 371

Деление чисел со знаком .............................................................. 372

Ускорение целочисленного деления ....................................................... 376

Замена деления умножением на обратную величину..................... 376

Ускорение вычисления частичных остатков ................................... 377

Алгоритм SRT ................................................................................ 377

Деление в избыточных системах счисления .................................. 380

Операционные устройства с плавающей запятой ................................... 380

Подготовительный этап ................................................................. 381

Заключительный этап .................................................................... 382

Сложение и вычитание .................................................................. 382

Умножение .................................................................................... 383

Деление......................................................................................... 384

Реализация логических операций ........................................................... 384

Контрольные вопросы ............................................................................ 385

Глава 8. Системы ввода/вывода.............................. 387

Адресное пространство системы ввода/вывода ..................................... 388

Внешние устройства............................................................................... 390

Модули ввода/вывода............................................................................. 392

Функции модуля ............................................................................ 392

Структура модуля .......................................................................... 396

Содержание 11

Методы управления вводом/выводом .................................................... 398

Программно управляемый ввод/вывод.......................................... 399

Ввод/вывод по прерываниям ......................................................... 400

Прямой доступ к памяти ................................................................ 403

Каналы и процессоры ввода/вывода ...................................................... 407

Канальная подсистема .................................................................. 410

Контрольные вопросы ............................................................................ 411

^ Глава 9. Основные направления в архитектуре

процессоров............................................ 413

Конвейеризация вычислений.................................................................. 413

Синхронные линейные конвейеры ................................................. 414

Метрики эффективности конвейеров ............................................ 415

Нелинейные конвейеры ................................................................. 416

Конвейер команд........................................................................... 417

Конфликты в конвейере команд..................................................... 418

Методы решения проблемы условного перехода .......................... 423

Предсказание переходов............................................................... 425

Суперконвейерные процессоры .................................................... 445

Архитектуры с полным и сокращенным набором команд ........................ 447

Основные черты RISC-архитектуры ............................................... 448

Регистры в RISC-процессорах ....................................................... 449

Преимущества и недостатки RISC ................................................. 452

Суперскалярные процессоры ................................................................. 453

Особенности реализации суперскалярных процессоров ............... 458

Аппаратная поддержка суперскалярных операций ........................ 461

Контрольные вопросы ............................................................................ 474

^ Глава 10. Параллелизм как основа

высокопроизводительных вычислений ....... 477

Уровни параллелизма............................................................................. 477

Параллелизм уровня задания ........................................................ 478

Параллелизм уровня программ ..................................................... 480

Параллелизм уровня команд ......................................................... 481

Метрики параллельных вычислений ....................................................... 481

Профиль параллелизма программы .............................................. 481

Ускорение, эффективность, загрузка и качество ........................... 483

Закон Амдала ......................................................................................... 486

Закон Густафсона ................................................................................... 488

Классификация параллельных вычислительных систем.......................... 490

Классификация Флинна................................................................. 490

Контрольные вопросы ............................................................................ 492

12 Содержание

^ Глава 11. Организация памяти вычислительных

систем .................................................. 493

Память с чередованием адресов ............................................................ 494

Модели архитектуры памяти вычислительных систем ............................ 495

Модели архитектур совместно используемой памяти.................... 496

Модели архитектур распределенной памяти ................................. 499

Мультипроцессорная когерентность кэш-памяти ................................... 501

Программные способы решения проблемы когерентности ........... 501

Аппаратные способы решения проблемы когерентности .............. 502

Контрольные вопросы ............................................................................ 522

Глава 12. Топологии вычислительных систем ............ 524

Метрики сетевых соединений ................................................................. 527

Функции маршрутизации данных ............................................................ 528

Перестановка ................................................................................ 529

Тасование...................................................................................... 529

Баттерфляй ................................................................................... 530

Реверсирование битов .................................................................. 531

Сдвиг............................................................................................. 531

CeTblLLIACIV................................................................................. 531

Циклический сдвиг ........................................................................ 532

Статические топологии........................................................................... 532

Линейная топология ...................................................................... 533

Кольцевые топологии .................................................................... 533

Звездообразная топология ........................................................... 534

Древовидные топологии................................................................ 535

Решетчатые топологии .................................................................. 536

Полносвязная топология ............................................................... 537

Топология гиперкуба ..................................................................... 537

Топология k-ичного п-куба............................................................. 539

Динамические топологии ....................................................................... 540

Блокирующие и неблокирующие многоуровневые сети................. 540

Шинная топология ......................................................................... 541

Топология перекрестной коммутации («кроссбар») ....................... 542

Коммутирующие элементы сетей с динамической топологией ...... 543

Топология «Баньян» ....................................................................... 544

Топология «Омега» ........................................................................ 545

Топология «Дельта» ....................................................................... 546

Топология Бенеша ......................................................................... 547

Топология Клоша ........................................................................... 548

Топология двоичной n-кубической сети с косвенными связями ..... 549

Топология базовой линии .............................................................. 549

Контрольные вопросы ............................................................................ 550

Содержание 13

Глава 13. Вычислительные системы класса SIMD....... 552

Векторные и векторно-конвейерные вычислительные системы .............. 553

Понятие вектора и размещение данных в памяти .......................... 553

Понятие векторного процессора ................................................... 554

Структура векторного процессора................................................. 556

Структуры типа «память-память» и «регистр-регистр» ................... 560

Обработка длинных векторов и матриц ......................................... 561

Ускорение вычислений .................................................................. 561

Матричные вычислительные системы ..................................................... 563

Интерфейсная ВМ ......................................................................... 565

Контроллер массива процессоров ................................................ 565

Массив процессоров ..................................................................... 566

Ассоциативные вычислительные системы .............................................. 571

Вычислительные системы с систолической структурой .......................... 572

Классификация систолических структур........................................ 574

Топология систолических структур ................................................ 575

Структура процессорных элементов.............................................. 577

Пример вычислений с помощью систолического процессора ....... 578

Вычислительные системы с командными словами сверхбольшой

длины (VLIW) ...................................................................................... 580

Вычислительные системы с явным параллелизмом команд (EPIC) ......... 582

Контрольные вопросы ............................................................................ 585

Глава 14. Вычислительные системы класса MIMD ...... 586

Симметричные мультипроцессорные системы ....................................... 587

АрхитектураSMP-системы ............................................................ 589

Кластерные вычислительные системы.................................................... 593

Классификация архитектур кластерных систем ............................. 594

Топологии кластеров ..................................................................... 597

Системы с массовой параллельной обработкой (МРР)........................... 600

Вычислительные системы с неоднородным доступом к памяти .............. 603

Вычислительные системы на базе транспьютеров.................................. 606

Архитектура транспьютера ............................................................ 607

Вычислительные системы с обработкой по принципу волнового фронта 609 Контрольные вопросы ............................................................................ 611

^ Глава 15. Потоковые и редукционные

вычислительные системы ........................ 613

Вычислительные системы с управлением вычислениями

от потока данных ................................................................................ 614

Вычислительная модель потоковой обработки .............................. 614

Архитектура потоковых вычислительных систем............................ 618

Статические потоковые вычислительные системы ........................ 620

14 Содержание

Динамические потоковые вычислительные системы ..................... 622

Макропотоковые вычислительные системы................................... 628

Гиперпотоковая обработка ............................................................ 629

Вычислительные системы с управлением вычислениями по запросу ..... 632

Контрольные вопросы ............................................................................ 635

Заключение ........................................................ 637

Список литературы............................................... 638

Алфавитный указатель .......................................... 653

Введение

Мы живем в информационную эпоху: документы ЮНЕСКО свидетельствуют, что сейчас в информационной сфере занято больше половины населения развитых стран. Основу современных информационных технологий, их базис, составляют аппаратные средства компьютерной техники.

Современные вычислительные машины (ВМ) и системы (ВС) являются од­ним из самых значительных достижений научной и инженерной мысли, влияние которого на прогресс во всех областях человеческой деятельности трудно пере­оценить. Поэтому понятно то пристальное внимание, которое уделяется изучению ВМ и ВС в направлении «Информатика и вычислительная техника» высшего про­фессионального образования.

В государственном образовательном стандарте высшего профессионального образования содержание дисциплины «Организация ЭВМ и систем» определено следующим образом:

^ 9 основные характеристики, области применения ЭВМ различных классов;

И функциональная и структурная организация процессора;

9 организация памяти ЭВМ;

И основные стадии выполнения команды;

f организация прерываний в ЭВМ;

9 организация ввода-вывода; , ,

is периферийные устройства; ;

^ Ш архитектурные особенности организации ЭВМ различных классов;

ж параллельные системы;

Я понятие о многомашинных и многопроцессорных вычислительных системах.

Все эти вопросы освещены в учебнике, который вы держите в руках, уважае­мый читатель. Иными словами, данный учебник отвечает всем требованиям обра­зовательного стандарта.

Авторы стремились к достижению трех целей:

Ш изложить классические основы, демонстрирующие накопленный отечествен­ный и мировой опыт вычислительных машин и систем;

ii показать последние научные и практические достижения, характеризующие динамяку развития аппаратных средств компьютерной техники;

16 Введение ,

я обобщить и отразить 25-летний университетский опыт преподавания авторами учебника соответствующих дисциплин.

Первая глава учебника посвящена базовым положениям. Обсуждаются поня­тия «организация» и «архитектура» вычислительных машин и систем, уровни абстракции, на которых эти понятия могут быть раскрыты. Прослеживается эво­люция ВМ и ВС как последовательности идей, предопределивших современное состояние в области вычислительной техники. Анализируются тенденции даль­нейшего развития архитектуры ВМ и ВС с учетом технологического прогресса и последних достижений в проектировании вычислительных средств.

Во второй главе дается понятие архитектуры системы команд и обсуждаются различные аспекты этой архитектуры. Рассматриваются основные виды инфор­мации, являющейся объектом обработки и хранения в ВМ и ВС. Приводятся основные способы представления такой информации: форматы, стандарты, разме­щение в памяти, способы доступа к данным. Представлены классификация и ха­рактеристика команд ВМ. Обсуждаются принципы выбора эффективной системы операций и системы адресации.

Третья глава является основой для понимания принципов функционирования вычислительных машин с классической фон-неймановской архитектурой. На при­мере гипотетической ВМ прослеживается взаимодействие узлов вычислительной машины в ходе выполнения типовых команд. Приводится описание языка микро­программирования как средства формальной записи вычислительных процессов на уровне архитектуры ВМ.

Четвертая глава отведена принципам организации системы коммуникаций меж­ду элементами структуры ВМ. Дается понятие системной шины. Рассматриваются способы синхронизации и арбитража устройств, подключенных к шине.

В пятой главе определены принципы и средства, используемые при построе­нии систем памяти ВМ. Поясняется концепция иерархического построения памя­ти. В первой части главы обсуждаются вопросы организации внутренней памяти с учетом ее реализации на базе полупроводниковых запоминающих устройств (ЗУ): структура памяти с произвольным доступом, матричная организация микросхем ЗУ, основные типы оперативных и постоянных запоминающих устройств. Опи­сываются архитектурные аспекты внутренней памяти ВМ — модульное построе­ние, конвейеризация, расслоение, обнаружение и исправление ошибок. Значитель­ное внимание уделено принципам организации и функционирования кэш-памяти. Обсуждаются вопросы виртуализации памяти ВМ, методы и средства защиты па­мяти от несанкционированного доступа. Вторая часть главы содержит краткую характеристику различных типов внешних запоминающих устройств, включая магнитные и оптические дисковые ЗУ, магнитоленточные запоминающие устрой­ства. Приводится классификация и описание массивов магнитных дисков с избы­точностью (RAID).

Содержание шестой главы — это описание принципов организации устройств управления (УУ) ВМ. Обсуждаются вопросы построения, функционирования и проектирования УУ с «жесткой» логикой и УУ с микропрограммной организа­цией, а также^пособы ускорения их работы.

Введение 17

Предметом внимания седьмой главы являются операционные устройства ВМ. Рассматриваются жесткие и магистральные структуры операционных устройств, их организация и классификация, способы реализации в ВМ основных арифмети­ческих и логических операций с учетом обработки данных в различных формах представления и форматах. Наряду со «стандартными» способами реализации арифметических операций обсуждаются и такие алгоритмы, использование кото­рых ведет к существенному ускорению вычислений.

Восьмая глава учебника посвящена вопросам организации систем ввода/выво­да (СВВ). Рассматриваются способы организации ввода/вывода (программно-уп­равляемый ввод/вывод, ввод/вывод по прерываниям, прямой доступ к памяти) и их влияние на эволюцию принципов построения СВВ. Описываются особенно­сти систем ввода/вывода больших универсальных ВМ с их концепцией процессо­ров (каналов) ввода/вывода.

В девятой главе излагаются вопросы, касающиеся архитектуры процессоров вычислительных машин. Дается понятие конвейера команд, обсуждаются прин­ципы организации такого конвейера и проблемы, возникающие при его реализа­ции. Особое внимание уделяется конфликтам в конвейере команд и способам борьбы с ними. Поясняется концепция суперконвейеризации. Рассматривается проблема семантического разрыва и способы его преодоления в ВМ с архитекту­рами CISC и RISC. Глава завершается изложением концепции суперскалярного процессора.

Десятая глава предваряет вторую часть учебника, посвященную вопросам по­строения вычислительных систем, реализующих концепцию распараллеливания вычислений. Излагается теоретический базис таких вычислений. Приводится схема классификации параллельных вычислительных систем.

В одиннадцатой главе рассматриваются два основных принципа организации памяти ВС: общая (совместно используемая) память и распределенная память. Рассказывается об особенностях различных моделей как той, так и другой памяти. Значительное внимание в главе уделено вопросам когерентности кэш-памяти.

Двенадцатая глава содержит достаточно подробный обзор топологий сетей меж­соединений, связывающих между собой компоненты вычислительных систем.

В тринадцатой главе сосредоточен материал по системам, которые согласно классификации Флинна можно отнести к системам класса SIMD. Несмотря на достаточную расплывчатость границ того или иного класса, допускаемую классифи­кацией в схеме Флинна, в учебнике к SIMD-системам отнесены: векторные и век-торно-конвейсрные ВС, матричные ВС, ассоциативные ВС, вычислительные системы с систолической структурой и ВС с командным словом сверхбольшой длины.

В четырнадцатой главе рассматриваются системы класса MIMD. К таким в учебнике отнесены симметричные мультипроцессорные системы (SMP), кластер­ные ВС, системы с массовым параллелизмом (МРР), ВС на базе транспьютеров, системы с неоднородным доступом к памяти, ВС с обработкой по принципу вол­нового фронта.

В пятнадцатой главе описываются системы с нетрадиционным способом уп­равления вычислительным процессом: потоковые и макропотоковые ВС, а также вычислительные системы с управлением по запросу. Именно особенность управ-

18 Введение

ления вычислениями предопределила выделение этих систем в отдельную группу, хотя в принципе их можно трактовать как варианты систем класса MIMD. В главе рассматривается также концепция гиперпотоковых вычислений; впрочем, изло­жение данного вопроса было бы уместно и в девятой главе.

Учебник предназначен для студентов инженерного, бакалаврского и магистер­ского уровней компьютерных специальностей, может быть полезен аспирантам, преподавателям и разработчикам вычислительных машин и систем.

Вот, пожалуй, и все. Насколько удалась эта работа — судить вам, уважаемый читатель.

Благодарности

Прежде всего, паши слова искренней любви родителям.

Самые теплые слова благодарности нашим семьям, родным, любимым и близким людям. Без их долготерпения, внимания, поддержки, доброжелательности и сердечной заботы эта книга никогда бы не была написана.

Выход в свет данной работы был бы невозможен вне творческой атмосферы, бесчисленных вопросов и положительной обратной связи, которую создавали наши многочисленные студенты.

Хочется отметить особо значимую роль руководителя проекта Юрия Суркиса, благодаря незаурядным профессиональным качествам которого и состоялось данное издание. Авторы искренне признательны всем талантливым сотрудникам издательства «Питер».

И, конечно, огромная признательность нашим коллегам, общение с которыми поддерживало огонь творчества, и нашим учителям, давшим базис образования, подкрепляемого нами всю жизнь.

^ От издательства

Ваши замечания, предложения, вопросы отправляйте по адресу электронной почты comp@piter.com (издательство «Питер», компьютерная редакция).

Мы будем рады узнать ваше мнение!

На веб-сайте издательства http://www.piter.com вы найдете подробную информацию о наших книгах.

^ Глава 1

Становление и эволюция цифровой вычислительной техники

Изучение любого вопроса принято начинать с договоренностей о терминологии. В нашем случае определению подлежат понятия вычислительная машина (ВМ) и вычислительная система (ВС). Сразу же оговорим, что предметом рассмотрения будут исключительно цифровые машины и системы, то есть устройства, опериру­ющие дискретными величинами. В литературе можно найти множество самых раз­личных определений терминов «вычислительная машина» и «вычислительная система». Причина такой терминологической неопределенности кроется в невоз­можности дать удовлетворяющее всех четкое определение, достойное роли стан­дарта. Любая из известных формулировок несет в себе стремление авторов отра­зить наиболее существенные, по их мнению, моменты, в силу чего не может быть всеобъемлющей. В подтверждение этого тезиса приведем несколько определений термина «вычислительная машина», взятых из различных литературных источ­ников'. Итак, вычислительная машина — это:

1. Устройство, которое принимает данные, обрабатывает их в соответствии с хра­нимой программой, генерирует результаты и обычно состоит из блоков ввода, вывода, памяти, арифметики, логики и управления.

2. Функциональный блок, способный выполнять реальные вычисления, включа­ющие множественные арифметические и логические операции, без участия че­ловека в процессе этих вычислений.

3. Устройство, способное:

- хранить программу или программы обработки и по меньшей мере информа­цию, необходимую для выполнения программы;

- быть свободно перепрограммируемым в соответствии с требованиями поль­зователя;

Две первые цитаты взяты из различных толковых словарей, а третья — из постановления о таможен­
ном тарифе. .

20 Глава 1. Становление и эволюция цифровой вычислительной техники

- выполнять арифметические вычисления, определяемые пользователем;

- выполнять без вмешательства человека программу обработки, требующую изменения действий путем принятия логических решений в процессе обра­ботки.

Не отдавая предпочтения ни одной из известных формулировок терминов «вы­числительная машина» и «вычислительная система», тем не менее воспользуемся наиболее общим их определением [33], условившись, что по мере необходимости смысловое их наполнение может уточняться.

Термином вычислительная машина будем обозначать комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и реше­ния задач пользователей.

В свою очередь, вычислительную систему определим как совокупность взаимо­связанных и взаимодействующих процессоров или вычислительных машин, пе­риферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для подготовки и решения задач пользователей.

Таким образом, формально отличие ВС от ВМ выражается в количестве вы­числителей. Множественность вычислителей позволяет реализовать в ВС парал­лельную обработку. С другой стороны, современные вычислительные машины с од­ним процессором также обладают определенными средствами распараллеливания вычислительного процесса. Иными словами, грань между ВМ и ВС часто бывает весьма расплывчатой, что дает основание там, где это целесообразно, рассматри­вать ВМ как одну из реализаций ВС. И напротив, вычислительные системы часто строятся из традиционных ВМ и процессоров, поэтому многие из положений, относящихся к ВМ, могут быть распространены и на ВС. Последнее замечание имеет непосредственное отношение к материалу данной главы. Условимся, что ска­занное относительно вычислительных машин распространяется и на ВС с тради­ционными процессорами. В тех случаях, когда излагаемый материал справедлив лишь по отношению ВС, структура или принцип действия которых отличается от традиционных, будет действовать термин «вычислительная система».

И, наконец, заключительное замечание. Специфика главы вынуждает исполь­зовать в ней многие понятия, полное содержание которых станет ясным лишь после изучения последующих разделов книги. Там, где это возможно, пояснения будут даваться по ходу изложения (правда, в упрощенном виде). В любом случае, для получения полной картины к материалу данной главы имеет смысл еще раз вер­нуться после ознакомления со всей книгой.

^ Определение понятия «архитектура»

Рассмотрение принципов построения и функционирования вычислительных ма­шин и систем предварим определением термина архитектура в том виде, как он будет трактоваться в данной книге.

Под архитектурой вычислительной машины обычно понимается логическое построение ВМ, то есть то, какой машина представляется программисту. Впервые термин «архитектура вычислительной машины» (computer architecture) был упот­реблен фирмой IBM при разработке машин семейства IBM 360 для описания тех…

ОСТАЛЬНЫЕ СТРАНИЦЫ ВЫСЫЛАЮТСЯ НА КОМПАКТ-ДИСКЕ, ЛИБО ПО ЭЛЕКТРОННОЙ ПОЧТЕ.


Заказ: http://psbatishev.narod.ru/zakaz.htm


Примечание: заказывая отсканированные копии книг, Вы принимаете на себя всю ответственность за возможные нарушения авторских прав.




Похожие:

С. А. Орлов организация ЭВМ и систем допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебник iconС. Н. Волков землеустройство • системы автоматизированного проектирования в землеустройстве том 6 Допущено Министерством сельского хозяйства Российской Федерации в качестве учебник
Допущено Министерством сельского хозяйства Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений по земле­устроительным...
С. А. Орлов организация ЭВМ и систем допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебник iconС. Б. Чистякова охрана окружающей среды допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебник
Ч-68 Охрана окружающей среды: Учеб для вузов. Спец. «Архитектура». М.: Стройиздат, 1988. 272 с.: ил
С. А. Орлов организация ЭВМ и систем допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебник iconУчебник по обучению грамоте и чтению 1 Академкнига/Учебник 2
Рекомендованных министерством образования и науки российской федерации к использованию в образовательном процессе в общеобразовательных...
С. А. Орлов организация ЭВМ и систем допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебник iconН. В. Макаровой Третье переработанное издание Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебник
Н. В. Макарова, профессор, доктор педагогических наук научное и общее редактирование; предисловие; гл. 1,2,3,8,9,12 и 14; Л. А. Матвеев,...
С. А. Орлов организация ЭВМ и систем допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебник iconН. В. Макаровой Третье переработанное издание Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебник
Н. В. Макарова, профессор, доктор педагогических наук научное и общее редактирование; предисловие; гл. 1,2,3,8,9,12 и 14; Л. А. Матвеев,...
С. А. Орлов организация ЭВМ и систем допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебник iconМинистерство образования российской федерации
Российской Федерации" и в рамках реализации Программы развития воспитания в системе образования России Министерством образования...
С. А. Орлов организация ЭВМ и систем допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебник iconА. Г. Спиркин Философия Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебник
Ран, переосмыслил их содержание, ак­центировав внимание на современной проблематике. В приложении систе­матизированы основные философские...
С. А. Орлов организация ЭВМ и систем допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебник iconПриказ №58 (зарегистрирован Министерством юстиции Российской Федерации 17 февраля 2012 г. №23239)
Порядком проведения единого государственного экзамена, утверждённым приказом Министерства образования и науки Российской Федерации...
С. А. Орлов организация ЭВМ и систем допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебник iconПриказ №58 (зарегистрирован Министерством юстиции Российской Федерации 17 февраля 2012 г. №23239)
Порядком проведения единого государственного экзамена, утверждённым приказом Министерства образования и науки Российской Федерации...
С. А. Орлов организация ЭВМ и систем допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебник iconМинистерство образования и науки российской федерации (Минобрнауки России)
Министерства образования и науки Российской Федерации от 28 ноября 2008 г. N 362 (зарегистрирован Министерством юстиции Российской...
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©podelise.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы

Разработка сайта — Веб студия Адаманов