Глава 5 Организация систем ввода-вывода.

5.1. Назначение и состав системы ввода-вывода.. . . . . . . . . . . 70

5.2. Структуры систем ввода-вывода . . . . . . . . . . . . . . . 74

5.3 Основные режимы ввода-вывода . . . . . . . . . . . . . . 76

5.4 Основные принципы организации передачи информации в вычислительных системах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

Глава 6 Параллельные вычислительные системы

6.1. Классификация параллельных ВС . . . . . . . . . . . . . . 80

6.2 Параллельные вычислительные системы типа SIMD.

Векторные ВС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

6.3 Понятие о систолических структурах и алгоритмах . . . . . . 86

6.4 Масштабируемые параллельные системы МКМД . . . . . . . 88

6.5 Потоковые вычислительные системы . . . . . . . . . . . 91

Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Введение

В настоящее время основой развития всех сфер жизни общества – материального производства, образования, науки и культуры – стало получение информации, её обработка и эффективное использование.

Доминирование компьютерных технологий стало возможным благодаря совершенствованию технологий создания и эксплуатации электронных вычислительных средств (ЭВС), построенных на основе высокопроизводительных ЭВМ. Применение компьютеров в самых различных сферах человеческой деятельности обуславливает необходимость изучения основ построения средств вычислительной техники (ВТ) специалистами, работающими в промышленности, научных и коммерческих организациях и структурах.

В настоящем пособии изложены принципы построения современных ЭВМ и систем, их классификация и области применения. Рассмотрены и проиллюстрированы примерами вопросы организации систем памяти, процессоров и систем ввода-вывода в ЭВМ, даны арифметические и логические основы их построения и приведена классификация и понятия о параллельных вычислительных системах. Пособие предназначено для студентов Института информатики и вычислительной техники Пензенского государственного университета и соответствует государственному образовательному стандарту, а также программам обучения по дисциплинам «Организация ЭВМ и систем» и «Вычислительные машины и системы».

1 Принципы организации эвм.

1.1 Факторы, определяющие принципы организации эвм

Определяющее влияние на внутреннюю организацию ЭВМ оказывают два фактора - назначение ЭВМ и элементная база.

Влияние элементной базы. В ЭВМ используется исключительно двоично-кодированная форма представления информации. Пример: двоичная и десятичная арифметика – отличаются как небо и земля в смысле сложности алгоритмов операций и, как следствие, сложности устройств, реализующих эти операции. Более простой пример: триггер как элемент хранения двоичной цифры и элемент с десятью устойчивыми состояниями как элемент хранения десятичной цифры (существенно сложнее и дороже триггера). При использовании двоично-кодированной формы существенно возрастает надёжность элементов и ЭВМ в целом.

Второй фактор назначение ЭВМ. Из определения ЭВМ (автоматизация обработки информации на основе алгоритмов) следует, что принципы организации ЭВМ неизбежно должны зависеть от свойств алгоритмов. Наиболее существенное влияние на организацию ЭВМ оказывают следующие три свойства алгоритмов.

1. Детерминированность (однозначность) вычислительных процессов, порождаемых алгоритмами.

2. При описании алгоритмов используется конечный набор элементарных операций. Примеры из начальной школы: правила умножения, деления и т.д.

3. Дискретное представление информации, с которой оперируют алгоритмы

Детерминированность процессов – это основное свойство алгоритмов, которое позволило Джону фон Нейману использовать алгоритм как основу, источник управления процессом вычислений, процессом обработки информации в ЭВМ. А именно: алгоритм представляется в форме программы, вводится в память машины и используется для управления вычислительным процессом (отсюда, кстати, потребность в “армии” программистов).

Конечный набор элементарных операций – отсюда вытекает, что и аппаратура ЭBM (т.е. ВК) должна выполнять конечный набор сравнительно простых операций: сложение, вычитание, умножение, деление и др. Следовательно, F={+,,,/,...} - список машинных операций конечен и сравнительно прост.

Дискретное представление информации, с которой оперируют алгоритмы. Из этого свойства следует, что информация в ЭВМ представляется исключительно в дискретной форме — числовой, символьной, в форме логических значений. Причём, с учётом фактора элементной базы – не просто числовой, символьной и т.д., а ещё и в двоично-кодированной форме.

Анализируя сказанное, можно сформулировать принципы построения и функционирования современных ЭВМ в виде нескольких основных тезисов. Впервые их сформулировал Джон фон Нейман в 1945 году под названием “Принципы программного управления ЭВМ”. В популярном изложении их можно сформулировать следующим образом:

1. Информация, подлежащая обработке с помощью ЭВМ, кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы информации - слова. Слово - это совокупность двоичных элементов a₁, a_2, ..., a_k, где a_i {0,1}, k=8,16,32,64, k=const.

2. Перед обработкой слова информации (исходные данные) размещаются в ячейках памяти ЭВМ. Ячейка памяти - это место хранения одного слова информации. Ячейки памяти нумеруются. Номер ячейки памяти называют адресом.

3. Алгоритм обработки информации представляется в виде последовательности управляющих слов - т.н. команд. Каждая команда задаёт, предписывает аппаратуре ЭВМ тип выполняемой операции (указывает одну операцию из списка F), т.е. указывает аппаратуре что делать. Кроме того, команда, в случае необходимости, указывает и местоположение операндов в памяти машины путём указания номера ячейки, т.е. указывает аппаратуре, где взять данные для обработки. Алгоритм, представленный в терминах команд, называют программой.

4. Команды, как и данные, кодируются в двоичной форме и располагаются в ячейках памяти ЭВМ.

5. Выполнение операций, предписанных программой, сводится к поочерёдному выбору команд из памяти и их выполнению (интерпретации) аппаратурой ЭВМ. Порядок, в котором команды извлекаются из памяти, задаётся алгоритмом решения задачи и зависит от исходных данных.

Основная особенность ЭВМ, работающих по принципу программного управления, - универсальность. Универсальность ЭВМ вытекает из анализа сформулированных фон Нейманом принципов программного управления: функция ЭВМ задаётся программой, введённой в память ЭВМ, а не аппаратурой ЭВМ. Аппаратура ЭВМ может выполнять только операции из списка машинных операций F. Именно программа задаёт тот порядок, в котором операции должны выполняться для решения задачи (именно программа обеспечивает аранжировку операций). Таким образом, замена программы в памяти легко приводит к изменению функций ЭВМ, реализуемых аппаратурой ЭВМ. Универсальность – это, несомненно, основное достоинство ЭВМ.

Недостатки фон Неймановских машин. Свойство универсальности является и основным недостатком! Почему? Дело в том, что для решения задачи алгоритм разрабатывается человеком и в форме программы загружается в память ЭВМ. Именно программа и несёт в себе всю необходимую для решения задачи информацию. Если человек допустил ошибку, то решение будет неверным. Аппаратура ЭВМ лишь быстро и надёжно (т.е. без собственных ошибок) реализует ее. Следовательно, аппаратура ЭВМ не обладает интеллектом и не может быть помощником человеку при решении интеллектуальных задач, например – при разработке новых алгоритмов. Следовательно, ЭВМ - это просто автоматизированный калькулятор.

В связи с этим недостатком уже много лет актуальной является задача пересмотра классических принципов построения ЭВМ и поиск более рациональных. Переход к новым принципам организации ЭВМ специалисты связывают с появлением машин пятого поколения.

К настоящему времени сменилось четыре поколения машин. Все они фон Неймановские по принципу построения: первое поколение – ламповые ЭВМ, второе – ЭВМ на основе полупроводниковых дискретных элементов - транзисторов и интегральных схем (ИС) малой и средней степени интеграции, третье поколение – ЭВМ на основе ИС, четвертое поколение – ЭВМ на основе микропроцессорных больших ИС (БИС).