Введение. 1. Вспомните и воспроизведите определение популяции

Введение

Данное издание предназначено для использования в качестве учебника по дисциплине "Организация ЭВМ и систем" при подготовке дипломированных специалистов по направлению 230100 "Информатика и вычислительная техника" в рамках специальностей:

230100 – Вычислительные машины, комплексы, системы и сети;

230200 – Автоматизированные системы обработки информации и управления;

230300 – Системы автоматизированного проектирования;

230400 – Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем.

Квалификация выпускника – инженер.

По этому ГОСу дисциплина ОПД.Ф.08 "Организация ЭВМ и систем" является дисциплиной, в рамках которой происходит знакомство студентов с организацией, структурой и функционированием ЭВМ, и должна содержать следующие темы:

· основные характеристики, области применения ЭВМ различных классов;

· функциональная и структурная организация процессора;

· основные стадии выполнения команды, организация прерываний в ЭВМ;

· организация ввода-вывода;

· периферийные устройства;

· архитектурные особенности организации ЭВМ различных классов;

· параллельные системы;

· понятие о многомашинных и многопроцессорных вычислительных системах (ВС).

Все эти темы отражаются в настоящем издании. Изложение учебного материала предполагает предварительное (или параллельное) знакомство обучаемых с основными темами дисциплин:

· ЕН.Ф. 01. 03 "Дискретная математика",

· ЕН.Ф. 01. 04 "Математическая логика и теория алгоритмов",

· ЕН.Ф. 01. 05 "Вычислительная математика",

· ЕН.Ф. 02. "Информатика",

· ОПД.Ф.06 " Программирование на языке высокого уровня".

При работе процессора в современных ЭВМ производится выполнение множества процедур. Часть из них выполняется программно (по командам процессора с использованием аппаратных средств). Состав и структура команд, адресация памяти и других программно-видимых объектов образуют программную модель процессора, видимую и управляемую программистом.

Вторая часть составляет физическую структуру (модель) процессора, видимую инженером-электронщиком. Это аппаратные средства реализации команд и аппаратных процедур, часть из которых могут быть событиями, например, сигналами прерывания.

Такое разделение структур оправдывается независимостью развития элементной базы (аппаратных средств) и систем программного обеспечения. Развитие современных технологий микроэлектроники позволяет каждые полтора-два года удваивать количество электронных вентилей (элементарных электронных схем) на кристалле микропроцессора, а это дает возможность непрерывно реализовывать новые аппаратные решения вместо программных.

Развитие программных средств более консервативно. Это следствие большей себестоимости разработки программных средств и, в какой-то мере, результат требования совместимости программных продуктов в пределах семейств процессоров одной архитектуры.

В настоящее издание входит учебный материал по изучению программных моделей процессоров, а также аппаратных и аппаратно-программных средств ЭВМ и вычислительных систем.

В качестве основных программных моделей процессоров для изучения в данном издании выбраны программные модели семейства МП Intel (16- и 32-разрядные).

Это одни из самых сложных по программным моделям и в то же время одни из самых популярных семейств процессоров.

В парке ЭВМ, изначально ориентированных на управление объектами, а впоследствии и на вычисления, широко применяются процессоры, в программных моделях которых получили развитие идеи программных моделей мини-ЭВМ серии PDP-11. В настоящее время это 64-разрядные ЭВМ, используемые как серверы. Для облегчения самостоятельного изучения программных моделей этих фирм в данное пособие включены учебные материалы, дающие первое представление о программных моделях МП корпорации DEC. Это МП PDP-11 и VAX-11 (СМ 1700), причем знакомство с программной моделью VAX-11 дается для "добровольного" изучения и не включено в систему тестирования.

Остальные разделы пособия, такие, как организация оперативной и внешней памяти, операции ввода/вывода и другие, рассматриваются безотносительно к программным моделям процессора. Для иллюстрации программного управления периферийными устройствами (например, по организации программного ввода/вывода) в издании использована мнемоника команд процессора PDP-11.

Эволюция средств вычислительной техники в настоящее время настолько стремительна, что за время обучения (даже на бакалавра), многие конкретные знания, полученные в институте, безнадежно устаревают. Это в первую очередь относится к физической структуре процессора.

В этих условиях важно дать студентам ключ к пониманию вектора эволюции средств вычислительной техники и подготовить их к необходимости непрерывного освоения новаций в области средств вычислительной техники.

Для этого в материалах пособия рассматривается развитие структуры процессора от простейшей до современной. При этом большое значение придается анализу причины появления таких новшеств, как прерывания, виртуальная память, кэш-память и т.д.

Каждый раздел пособия оканчивается списком вопросов для самопроверки, которые затрагивают основные темы раздела. Часть из этих вопросов может применяться в этапных тестированиях.

Для текста учебного материала используются шрифты двух размеров. Крупный шрифт используется для основного учебного материала, мелкий – для дополнительных пояснений.

Основными направлениями эволюции аппаратных средств процессора в настоящее время является параллельность обработки на уровне команд и программ.

При обучении игнорировать факт эволюции физической модели уже стало невозможным. Дело в том, что знание и учет особенностей физической структуры процессора при программировании значительно влияет на производительность процессора. Это использование процедур планирования вычислений на уровне программных кодов (программ ассемблера). Здесь возможно использование оптимизации программ:

· на уровне ассемблера (технология VLIW),

· на уровне аппаратных средств (процессоры Pentium Pr0 – Pentium IV с динамическим выполнением программ),

· с использованием комбинации аппаратно-программных средств (технология EPIC).

В данное пособие включен ряд разделов c кратким изложением сущности этих технологий.

Каждый раздел пособия оканчивается списком вопросов для самопроверки, которые затрагивают основные темы раздела. Часть из этих вопросов может применяться в этапных тестированиях.

Для текста учебного материала используются шрифты двух размеров. Крупный шрифт используется для основного учебного материала, мелкий – для дополнительных пояснений.

Глава 1. Основные понятия

1.1. Система программно-аппаратных средств обработки информации

ЭВМ (компьютеры) в настоящее время являются основными средствами реализации информационных технологий. При помощи ЭВМ осуществляют сбор, обработку, хранение и передачу информации, представленной в дискретной форме. Очень часто информационные технологии, ориентированные на обработку данных в дискретной форме, называют компьютерными технологиями.

Последовательности обработки данных на ЭВМ задаются пользовательскими программами. Программы этого типа были единственными для первых ЭВМ. Но развитие ЭВМ и опыт их эксплуатации выявили полезность применения программ другого типа, предназначенных для повышения "интеллектуальных" способностей ЭВМ и упрощающих управление устройствами ЭВМ. Этосистемные программы, поставляемые изготовителями как компоненты ЭВМ.

Структурно ЭВМ представляет собой взаимодействующую совокупность двух компонентов: системы аппаратных средств (hardware) и системы программного обеспечения (software). Указанные системы в определенных рамках независимы, так что в ЭВМ можно по отдельности модернизировать (с некоторыми ограничениями) как аппаратные средства, так и программное обеспечение.

Для предусмотренного функционирования ЭВМ в ней должны протекать определенные процессы. Управление этими процессами может быть реализовано как аппаратными, так и программными средствами.

Как правило, для управления ЭВМ используется иерархическая система аппаратно-программных решений. При этом на самом нижнем уровне управления используются аппаратные средства, на верхних уровнях – программные.

Основой системы программного обеспечения является операционная система (ОС). ОС может наращиваться программными инструментальными средствами, сервисными программами (утилитами) и другими системными программами.

Аппаратные решения, как правило, приводят к уменьшению временных затрат, но программные решения более динамичны в реализации. Поэтому в эволюции современных ЭВМ развитие программных средств опережает развитие аппаратных, и суммарная доля стоимости разработки программных средств значительно превосходит долю стоимости разработки аппаратных средств.

Развитие программных средств требует непрерывного увеличения объема памяти ЭВМ и существенного увеличения быстродействия как памяти, так и процессора, стимулируя непрерывное совершенствование аппаратных средств.

Для уменьшения временных затрат часть программных решений заменяется на аппаратные, поэтому граница "полномочий" программных и аппаратных средств в разных моделях ЭВМ может не совпадать.

Развитие аппаратных средств происходит чаще путем увеличения быстродействия элементной базы, реализации идей по распараллеливанию процедур управления процессором и памятью, реже – путем аппаратных реализаций процедур программного обеспечения.