Архитектура ЭВМ. Архитектура Фон-Неймана.

Архитектура фон Неймана — широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», однако соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.

Архитектура ЭВМ. Архитектура Фон-Неймана. - student2.ru

Принципы фон Неймана

Принцип двоичного кодирования

Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов (двоичных цифр, битов) и разделяется на единицы, называемые словами.

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 адресуемости памяти

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

Принцип последовательного программного управления

Предполагает, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Принцип жесткости архитектуры

Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.

Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана

1. Манчестерский Марк I (прототип — Манчестерская малая экспериментальная машина). Манчестерский университет, Великобритания, 21 июня 1948 года;

2. EDSAC. Кембриджский университет, Великобритания, 6 мая 1949 года;

3. BINAC. США, апрель или август 1949 года;

4. CSIR Mk 1. Австралия, ноябрь 1949 года;

5. SEAC. США, 9 мая 1950 года

Архитектура ЭВМ. Гарвардская архитектура.

Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительными признаками которой являются:
1. Хранилище инструкций и хранилище данных представляют собой разные физические устройства.
2. Канал инструкций и канал данных также физически разделены.

Архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете.

Классическая гарвардская архитектура

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий:

1. выборку двух операндов,

2. выбор инструкции и её выполнение,

3. и, наконец, сохранение результата.

Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие компьютера.

В Гарвардской архитектуре характеристики устройств памяти для инструкций и памяти для данных не требуется иметь общими. В частности, ширина слова, тайминги, технология реализации и структура адресов памяти могут различаться. В некоторых системах инструкции могут хранится в памяти только для чтения, в то время как, для сохранения данных обычно требуется память с возможностью чтения и записи. В некоторых системах требуется значительно больше памяти для инструкций, чем памяти для данных (поскольку данные обычно могут подгружатся с внешней или более медленной памяти). Такая потребность увеличивает битность (ширину) шины адреса памяти инструкций по сравнению с шиной адреса памяти данных.

Обобщенная структурная схема ЭВМ.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман.

Кэширование — это использование дополнительной быстродействующей памяти (кэш-памяти) для хранения копий блоков информации из основной (оперативной) памяти, вероятность обращения к которым в ближайшее время велика.

Различают кэши 1-, 2- и 3-го уровней. Кэш 1-го уровня имеет наименьшую латентность (время доступа) но малый размер, кроме того кэши первого уровня часто делаются многопортовыми. Так процессоры AMD K8 умеют производить 64 бит запись+64 бит чтение либо два 64-бит чтения за такт, процессоры Intel Core могут производить 128 бит запись+128 бит чтение за такт. Кэш 2-го уровня обычно имеет значительно большие латентности доступа, но его можно сделать значительно больше по размеру. Кэш 3-го уровня самый большой по объёму и довольно медленный, но всё же он гораздо быстрее, чем оперативная память.

CISC-процессоры (Complex Instruction Set Computing) — вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Типичными представителями CISC является семейство микропроцессоров Intel x86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд).

RISC-процессоры (Reduced Instruction Set Computing (technology) — вычисления с сокращённым набором команд. Архитектура процессоров, построенная на основе сокращённого набора команд. Характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Концепция RISC разработана Джоном Коком (John Cocke) из IBM Research, название придумано Дэвидом Паттерсоном (David Patterson).

Основные характеристики ЦП:

- Тактовая частота;

- Кэш;

- Технология изготовления;

- Поддержка технологий;

- Наличие встроенного контроллера памяти.

Спецификация шины PCI

частота шины — 33,33 или 66,66 МГц, передача синхронная;

разрядность шины — 32 или 64 бита, шина мультиплексированная (адрес и данные передаются по одним и тем же линиям);

пиковая пропускная способность для 32-разрядного варианта, работающего на частоте 33,33 МГц — 133 Мбайт/с;

адресное пространство памяти — 32 бита (4 байта);

адресное пространство портов ввода-вывода — 32 бита (4 байта);

конфигурационное адресное пространство (для одной функции) 256 байт;

напряжение 3,3 или 5 В.

8. Функциональные узлы ЭВМ. Устройства дополнительной памяти.

9. Функциональные узлы ЭВМ. Интерфейсы жестких дисков. RAID-массивы.

10. Функциональные узлы ЭВМ. Видеосистема.

11. Функциональные узлы ЭВМ. Порты подключения внешних устройств.

12. Особенности конструкций ПЭВМ.

13. Вычислительные сети. Общие понятия.

Классификация сетей.

Компьютерная сеть — система связи между двумя или более компьютерами. Для передачи информации могут быть использованы различные физические явления, как правило — различные виды электрических сигналов или электромагнитного излучения.

Классификация:

1. По размеру, охваченной территории:

o Локальные сети (LAN, Local Area Network)

o Городская сеть (MAN, Metropolitan Area Network)

o Глобальные вычислительные сети (WAN, Wide Area Network)

o Персональная сеть (PAN, Personal Area Network)

2. По типу функционального взаимодействия:

o Клиент-сервер

o Многослойная архитектура

o Точка-точка, P2P

o Одноранговая

3. По типу сетевой топологии:

o Шина

o Звезда

o Кольцо

o Смешанная топология

o Полносвязная топология

Смешанная топология — топология преобладающая в крупных сетях с произвольными связями между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произвольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовою топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией.

Полносвязная топология - топология компьютерной сети , в которой каждая рабочая станция подключена ко всем остальным. Этот вариант является громоздким и неэффективным, несмотря на свою логическую простоту. Для каждой пары должна быть выделена независимая линия, каждый компьютер должен иметь столько коммуникационных портов сколько компьютеров в сети. По этим причинам сеть может иметь только сравнительно небольшие конечные размеры.

Каналы передачи данных.

Проводные линии связи.

В вычислительных сетях проводные линии связи представлены коаксиальными кабелями и витыми парами проводов.

Используются коаксиальные кабели: "толстый" диаметром 12,5 мм и "тонкий" диаметром 6,25 мм. "Толстый" кабель имеет меньшее затухание, лучшую помехозащищенность, что обеспечивает возможность работы на больших расстояниях, но он плохо гнется, что затрудняет прокладку соединений в помещениях, и дороже "тонкого".

Существуют экранированные (STP - Shielded Twist Pair) и неэкранированные (UTP - Unshielded Twist Pair) витые пары проводов. Экранированные пары сравнительно дороги. Неэкранированные витые пары имеют несколько категорий (типов). Обычный телефонный кабель - пара категории 1. Пара категории 2 может использоваться в сетях с пропускной способностью до 4 Мбит/с. Для сетей Ethernet (точнее, для ее варианта с названием 10Base-T) разработана пара категории 3, а для сетей Token Ring - пара категории 4. Наиболее совершенной является витая пара категории 5, которая применима при частотах до 100 МГц. В паре категории 5 проводник представлен медными жилами диаметром 0,51 мм, навитыми по определенной технологии и заключенными в термостойкую изолирующую оболочку. В высокоскоростных ЛВС на UTP длины соединений обычно не превышают 100 м. Затухание на 100 МГц и при длине 100 м составляет около 24 дБ, при 10 МГЦ и 100 м - около 7 дБ.

Витые пары иногда называют сбалансированной линией в том смысле, что в двух проводах линии передаются одни и те же уровни сигнала (по отношению к земле), но разной полярности. При приеме воспринимается разность сигналов, называемая парафазным сигналом. Синфазные помехи при этом самокомпенсируются.

Системы мобильной связи осуществляют передачу информации между пунктами, один из них или оба являются подвижными. Характерным признаком систем мобильной связи является применение радиоканала. К технологиям мобильной связи относятся пейджинг, твейджинг, сотовая телефония, транкинг, для мобильной связи используются также спутниковые каналы.

Пейджинг - система односторонней связи, при которой передаваемое сообщение поступает на пейджер пользователя, извещая его о необходимости предпринять то или действие или просто информируя его о тех или иных текущих событиях.

Доступом к сети называют взаимодействие станции (узла сети) со средой передачи данных для обмена информацией с другими станциями. Управление доступом к среде - это установление последовательности, в которой станции получают доступ к среде передачи данных.

Различают случайные и детерминированные методы доступа. Среди случайных методов наиболее известен метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов (МДКН/ОК). Англоязычное название метода - Carrier Sense Multiple Access /Collision Detection (CSMA/CD). Этот метод основан на контроле несущей в линии передачи данных и устранении конфликтов, возникающих из-за попыток одновременного начала передачи двумя или более станциями, путем повторения попыток захвата линии через случайный отрезок времени.

МДКН/ОК является широковещательным (broadcasting) методом. Все станции при применении МДКН/ОК равноправны по доступу к сети. Если линия передачи данных свободна, то в ней отсутствуют электрические колебания, что легко распознается любой станцией, желающей начать передачу. Такая станция захватывает линию. Любая другая станция, желающая начать передачу в некоторый момент времени t, если обнаруживает электрические колебания в линии, то откладывает передачу до момента t + t_d, где t_d - задержка.

Различают настойчивый и ненастойчивый МДКН/ОК в зависимости от того, как определяется t_d. В первом случае попытка захвата канала происходит сразу после его освобождения, что допустимо при слабой загрузке сети. При заметной загрузке велика вероятность того, что несколько станций будут претендовать на доступ к сети сразу после ее освобождения, и, следовательно, конфликты станут частыми. В ненастойчивом МДКН/ОК задержка t_d является случайной величиной.

При работе сети каждая станция анализирует адресную часть передаваемых по сети кадров с целью обнаружения и приема кадров, предназначенных для нее.

Архитектура ЭВМ. Архитектура Фон-Неймана. - student2.ru

представлены алгоритмы приема и передачи данных в одном из узлов при МДКН/ОК.

Сети Ethernet и Token Ring.

Ethernet и Token Ring - самые распространенные и наиболее апробированные стандарты, используемые для создания локальных связей в сетях. Хотя их пропускная способность - 10 и 16 Мб/с соответственно - во многих случаях уже недостаточна для некоторых современных приложений даже на клиентских компьютерах, тем не менее огромная инсталляционная базах этих стандартов оставит их еще на некоторое время в поле зрения сетевых интеграторов.

Стандарты Ethernet разработаны комитетом 802.3, а стандарты Token Ring - комитетом 802.5 института IEEE.

Архитектура ЭВМ. Архитектура Фон-Неймана. - student2.ru

Типовая структура ИУВС.

В состав модуля децентрализованной микропроцессорной ИУВС входят:

- микроЭВМ с системной магистралью Multi-bus (разделенные

магистралями адреса МА и данных МД и радиальной магистралью

управления /2/, в том числе: магистраль прерываний МПР и магистраль

стробов управления обменом (стробы записи и чтения) СУО;

- устройство сопряжения с объектом УСО (на рисунке структурно

выделены части УСО для ввода – УВв и вывода – УВыв);

- пульт управления ПУ с минимальной системой отображения информации

СОИ (предназначено для контроля и наладки модуля ИУВС);

- устройство сопряжения с сетевым окружением УССО (определяется

видом линии связи с центральным пунктом управления: телефонная или

коаксиальная проводная связь, оптоволоконная связь, радиосвязь)

Принадлежностью системы можно считать также датчики входной

информации ДВИi и исполнительные элементы ИЭj, поскольку их параметры

учитываются в УСО, в связи с чем они в целом составляют структуру СОД

МикроЭВМ выполняет заданные резидентной программой, которая

«зашита» в ПЗУ, преобразования информации и управляет работой всех

составных частей ИУВС. В процессе работы микроЭВМ опрашивает

состояние органов управления и задания режимов (тумблеры,

переключатели) на пульте управления ПУ, и в зависимости от их положения

реализует тот или иной режим функционирования модуля ИУВС.

Взаимодействие микроЭВМ с УСО, ПУ, СОИ и УССО осуществляется по

внешним магистралям адреса МАВ, данных МДВ, прерывания МПР,

составляющих общую магистраль. Для опроса требуемой в данный момент

времени информации на магистрали МА микроЭВМ устанавливается адрес

источника информации. Такими источниками могут быть тумблер ПУ, один

из каналов ввода УСО, приемник УССО. В источнике информации

определяется соответствие его номера адресу и обеспечивается выдача

информации по магистрали МДВ. Аналогично осуществляется вывод

информации.

В подавляющих случаях инициатором обмена является микроЭВМ, то

есть ее основная (резидентная) программа. Вместе с тем, с целью уменьше-

ния времени ожидания системы на изменения состояния объекта управления,

УСО, ПУ и СОИ могут формировать запросы на прерывание работы в

текущем режиме и временный (оперативный) переход к обработке новой

информации. Для этого в ИУВС предусматривается магистраль прерывания

МПР.

Режим ПДП в таких модулях ИУВС, как правило, не предусматривается.

Система КАМАК.

КАМАК представляет собой систему, предназначенную для связи измерительных устройств с цифровой аппаратурой обработки данных. Система построена по модульному (блочному) принципу. Наименьшая конструктивная единица системы - функциональный модуль (или станция) представляет собой вставную кассету. Кассеты размещаются в каркасе-крейте.

Архитектура ЭВМ. Архитектура Фон-Неймана. - student2.ru

Структура измерительной системы на основе аппаратуры КАМАК

Логический стандарт

Модули крейта КАМАК управляются определенным набором команд. Команды делятся на:

адресуемые (предназначенные конкретному модулю) и
неадресуемые (общие).

Все адресуемые команды имеют форму NAF, где N - "адрес" - номер станции, на которой расположен модуль (может принимать значения от 1 до 23), A - "субадрес" - номер адреса устройства (регистра) внутри модуля, принимает значения от 0 до 15, F - код операции (функции), которую должен выполнить модуль. Для кодирования операции отводится 5 двоичных разрядов, т. е., это может число от 0 до 31. Каждый модуль может выполнять ограниченное число операций, и, приступая к работе с конкретным модулем, надо по его описанию ознакомиться со списком его функций и соответствующими кодами. Однако существуют общепринятые коды для типичных операций.

Код команды (F)	Подгруппа операций	Комментарии
0 - 7	Чтение	F (2) - чтение и сброс содержимого регистра
8 - 15	Управление	F (8) - поверка L-запроса; F (9) - сброс L-запроса
16 - 23	Запись	-
24 - 31	Управление	F (24) - блокирование; F (25) - исполнение; F (26) - деблокирование; F (27) - проверка состояния

Безадресные команды, действующие на все станции крейта:

"подготовка" (Z) - устанавливает все матрицы в исходное состояние;
"запрет" (I) - на время действия сигнала выполнение команд прекращается;
"сброс" (C) - устанавливает в исходное состояние отдельные регистры модулей.

Адресуемые и неадресуемые команды генерируются контроллером и воспринимаются модулями. Кроме этого, есть ряд сигналов, генерируемых модулями. К ним относятся:

запрос на обслуживание (L-запрос);
ответ блока (Q-сигнал) (как правило, возникает по выполнению определенной команды);
сигнал занятости линии (В-сигнал);
сигнал "команда принята" (X-сигнал) (указывает на то, что команда принята и правильно декодирована модулем).

Текущее состояние аппаратуры КАМАК отображается соответствующими индикаторами на передней панели крейта. Программное управление и определение состояния аппаратуры осуществляется через регистр управления и состояния - РУС (CSR).

Номер бита	Обозначение	Назначение
	F1	Код операции
	F2	- // -
	F4	- // -
	F8	- // -
	F16	- // -
	I	Управляет сигналом "запрет" - все действия на магистрали запрещены (устанавливается программно)
	Dp	Разрешение прерываний (устанавливается программно). Установка значения "1" разрешает контроллеру генерировать запрос на прерывание при появлении хотя бы одного L-запроса
	D	Устанавливается контроллером и свидетельствует о том, что какой-то из модулей выставил L-запрос

	C	Генерация сигнала "сброс" (устанавливается программно). Установка значения "1" приводит к однократной генерации цикла сброса
	Z	Генерация сигнала "подготовка" (устанавливается программно). Установка значения "1" приводит к однократной генерации цикла подготовки
	Xp	Разрешение генерации запроса на прерывание по X-ответу модуля (т.е. по X=0)
	S	Генерация укороченного цикла магистрали
	I*	Индикация состояния линии запрета (устанавливается контроллером)
	-	-
	X	Отражает состояние линии X (устанавливается контроллером)
	Q	Отражает состояние линии Q (устанавливается контроллером)