МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «лэти» им.В.И.Ульянова (Ленина)» (сПбГэту)

Кафедра математического обеспечение и применения ЭВМ

В. А. КИРЬЯНЧИКОВ

Доцент кафедры МОЭВМ

Архитектура компьютера

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2016

Оглавление

1Основные понятия архитектуры и организации компьютеров. 4

1.1. Состав компьютера 4

1.2. Виды (классы) компьютеров 4

1.3. Принцип программного управления и машина фон Неймана 5

1.4. Понятия архитектуры, организации и реализации компьютера 5

1.5. Многоуровневая организация компьютера 6

1.6. Понятие семантического разрыва между уровнями 6

1.7. Организация аппаратных средств ВМ 7

2Представление и обработка данных в ВМ 9

2.1. Целые числа 9

2.2.Представление и обработка вещественных чисел. 11

2.3. Логические операции над битовыми наборами 12

2.4. Представление и обработка символов. 12

2.5. Представление видеоинформации и аудиоинформации. 12

3Организация процессора и основной памяти ВМ 13

3.1. Типовая структура процессора и основной памяти 13

3.2. Основной цикл работы процессора 14

3.3. Организация процессора и памяти в архитекуре Intel X86. 15

3.3.1. Программно доступные регистры процессора 15

3.3.2. Организация стека в архитектуре Intel Х86 16

3.3.3. Организация выполняемых программ в MS DOS 16

3.3.4. Режимы адресации памяти в архитектуре Intel Х86 17

3.3.5. Краткая характеристика системы команд процессоров Intel Х86 19

3.3.6 .Арифметическая обработка чисел с использованием математического сопроцессора 20

3.3.7.Организация прерываний в процессорах Intel X86 21

3.3.8.Эволюция микроархитектуры Intel X86 24

4.Управление выполнением команд в компьютерах. 25

4.1. Аппаратный способ формирования управляющих сигналов 27

4.2.Микропрограммный способ формирования управляющих сигналов 28

5.Компьютеры с сокращенным набором команд 31

6.Организация памяти в компьютере 35

6.1. Назначение и основные характеристики памяти 35

6.2. Основные среды хранения информации 35

6.3. Методы доступа к данным. 36

6.4. Память с произвольным доступом (ППД) 36

6.5. Блочная организация основной памяти. 37

6.6. Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ - ROM) 38

6.7. Ассоциативные запоминающие устройства (АЗУ) 38

6.8. Иерархическая система памяти 39

6.9. Организация кэш-памяти. 40

6.10. Организация виртуальной памяти 43

6.11. Организация виртуальной памяти в Intel 80386 и более старших моделях. 45

6.12. Защита памяти в процессоре Intel 80386 48

7.Организация работы с внешней памятью 48

7.1. Типы, виды, свойства дисковых накопителей информации. 48

7.2. Магнитные дисковые накопители. 49

7.3. Основные физические и логические параметры ЖМД 49

7.4. Контроллеры жестких дисков 50

7.5. Логическое хранение и кодирование информации 50

7.6.Интерфейсы жестких дисков 52

7.7. Работа накопителя 53

7.8.Внешняя память на CD и DVD дисках. 53

8.Принципы организации RAID массивов 55

8.1. Основные принципы построения RAID массивов 56

8.2.Одиночные уровни RAID 56

8.3. Составные уровни RAID массивов 60

8.4.Сравнительные результаты 62

9.Системные и локальные шины 63

9.1. Общие положения и требования к шинам 63

9.2. Основные виды, характеристики и параметры шин 64

9.3. Стандарты шин 66

10. Организация системы ввода-вывода в ВМ 70

10.1. Назначение и основные требования к системе ввода-вывода ВМ 70

10.2. Архитектура систем ввода-вывода 71

10.3. Способы выполнения операции передачи данных 72

10.4. Структуры контроллеров ВУ для различных режимов передачи данных 74

11.Программные средства управления вводом-выводом (ПС УВВ) 77

11.1. Состав ПС УВВ 77

11.2. Основные компоненты процедуры управления ввода-вывода общего вида 77

11.3 Состав и реализация устанавливаемого драйвера символьного типа 77

Список литературы 81

ПРИЛОЖЕНИЯ 82

1. Основные понятия архитектуры и организации компьютеров.

1.1. Состав компьютера

Компьютер или вычислительная машина (ВМ) – это совокупность аппаратных и программных средств, предназначенных для обработки информации. ВМ обычно содержит один основной процессор и, возможно, несколько сопроцессоров, имеет фиксированный состав и универсальное применение. Вычислительные системы (ВС), в отличие от ВМ, содержат несколько процессоров, имеют переменный состав и являются проблемно-ориентированными (специализированными). Состав аппаратных и программных средств компьютера можно пояснить с помощью рис. 1.1.

Процессор – основное устройство управления и обработки данных. Память – набор устройств для хранения информации, используемой в процессе работы машины. Внешние устройства обеспечивают взаимодействие машины с внешней средой (в том числе с пользователями). Шины связи и протоколы взаимодействия реализуют физическую среду и алгоритмы обмена данными между различными устройствами.

Операционные системы - являются основными средствами управления выполнением программ и распределения ресурсов машины между процессами. Инструментальные ПС (программные среды) включают все средства, необходимые для разработки программ: редакторы, компиляторы, отладчики и др. Системы промежуточного ПО (Middleware) – ИТС (инструментальные технологические среды) – позволяют реализовать определенную технологию разработки программных средств: COM, DCOM, CORBA, RMI и др. Проблемно-ориентированные ПС предназначены для решения задач определенной области применения: MathLab (научные вычисления), AutoCAD (конструирование), PhotoShop (графический редактор), 3D Studio (машинная графика) и др. Утилиты – сервисные средства, облегчающие взаимодействия пользователя с компьютером: архиваторы, программы форматирования, антивирусные программы и др.

1.2. Виды (классы) компьютеров

В настоящее время распространены следующие классы компьютеров:

- микрокомпьютеры – встраиваемые микропроцессоры со специальным ПО, используемые как программируемые контроллеры для промышленного оборудования (Embedded Computer); с середины 1990-х г.г. широкое распространение получили процессоры архитектуры ARM (Advanced RISC Machines), используемые в смартфонах,  интернет-планшетах и других мобильных и энергоэффективных устройствах;

- персональные компьютеры (на основе процессоров Pentium, многоядерных процессоров Core Duo, Core i3, i5 и i7) – ВМ, предназначенные для работы одного пользователя;

- рабочие станции (Sun Work Stations) – ВМ большей производительности, чем ПК; имеют проблемную ориентацию или управляют несколькими ПК, объединенными в простую (локальную) сеть;

- средние и большие машины (Host computers) – вычислительные системы из нескольких процессоров (CDC6600, HP9000, Series800, SGI); это системы, которые предназначены для решения сложных задач обработки данных или управления большим числом ПК, объединенных в глобальную сеть;

- суперкомпьютеры – системы с параллельной архитектурой векторно-матричного типа ( Illiac IV, VP-2000, Эльбрус ), имеющие сверхвысокую производительность обработки данных.

1.3. Принцип программного управления и машина фон Неймана

Фон Нейман впервые предложил в 40-х годах XX века концепцию хранимой программы, основные принципы которой заключаются в следующем:

1. Двоичное кодирование: вся информация (как команды, так и данные) кодируется двоичными цифрами 0 и 1, поскольку двоичное кодирование по теории информации близко к оптимальному, а кроме того, легче реализовать элементы с двумя устойчивыми состояниями (магнитные сердечники, триггеры).

2. Программное управление: команды программы, так же как и данные, хранятся в памяти машины; хранимая программа позволяет выполнять команды в естественном порядке следования либо осуществлять произвольный переход от одной команды к другой.

3. Однородность памяти: Вид хранимой информации (команды или данные непосредственно в памяти) неразличим, а зависит от последующего использования; команды могут обрабатываться так же, как и числовые данные (модификация команд – сейчас не поощряется), либо порождать в процессе обработки другие команды (трансляция – широко применяется).

4. Адресность: в команде указываются не сами данные, а адреса их размещения в памяти.

Основные особенности первых машин, построенных по изложенным принципам и называемых сейчас машинами фон неймановского типа, состоят в следующем:

1. наличие единого вычислительного устройства, включающего один процессор, память и некоторые внешние устройства;

2. использование линейной структуры адресации памяти со словами фиксированной длины;

3. централизованный принцип управления выполнением программы по последовательному алгоритму;

4. низкий уровень машинных команд, позволяющих выполнять только элементарные операции.

Для таких машин «узким» местом», ограничивающим производительность, является память и каналы связи: как данные, так и команды должны последовательно выбираться из памяти и передаваться между устройствами. Для повышения производительности в фон неймановских машинах применяются:

- увеличение разрядности обработки данных (16 бит32 и 64 бит);

- активное использование конвейеризации при выборке и обработке команд;

- активное использование кэш-памяти (Cache – тайник, скрытый), т.е. модулей памяти, которые являются буферными между процессором и оперативной памятью.

Кроме того, наряду с Принстонской архитектурой, подразумевающей хранение команд и данных в общей памяти, распространяется Гарвардская архитектура, использующая раздельное хранение команд и данных.

1.4. Понятия архитектуры, организации и реализации компьютера

Архитектура – это множество ресурсов ВМ, доступных пользователю на логическом уровне, без детализации способов взаимодействия процессоров, устройств памяти, внешних устройств и программных средств. При изучении архитектуры рассматривают:

- состав и характеристики процессоров, включая системы команд;

- состав и характеристики устройств памяти и ВУ;

- состав программных средств разработки ПО;

- вид ОС и режимы обработки данных.

Организация – это способы распределения функций, установления связи и взаимодействия процессоров, устройств памяти и внешних устройств, используемые для реализации возможностей, заложенных в архитектуре. При изучении организации рассматривают:

- представление и форматы данных;

- уровни памяти и их взаимодействие;

- состав и форматы машинных команд;

- систему прерываний;

- способы обмена данными.

Реализация – способы технического исполнения конкретных устройств, линий или шин связи и протоколов взаимодействия между ними.

Обычно на уровнях организации и реализации происходит перераспределение функций между аппаратными и программными средствами. Это порождает семейство машин одной архитектуры, но разной производительности и стоимости.