Архитектура вычислительной системы

1. Что такое архитектура вычислительной системы

Это совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логическую и структурную организацию системы и затрагивающих в основном уровень параллельно работающих вычислителей. Понятие архитектуры охватывает общие принципы построения и функционирования, наиболее существенные для пользователей, которых больше интересуют возможности систем, а не детали их технического исполнения.

Компоновка основных частей вычислительной системы и связи между ними. Под архитектурой вычислительных систем обычно понимается состав её компонент, принципы их взаимодействия, функции и характеристики (концептуальная структура ВС).

2. Что такое концептуальная структура вычислительной системы?

Сформулировал Джон фон Нейман в 1945 году. Сущность фон-неймановской концепции состоит из четырех принципов: двоичного кодирования, программного управления, однородности памяти (с позиций современного программирования не приветствуется) и адресности.

Под архитектурой вычислительных систем обычно понимается состав её компонент, принципы их взаимодействия, функции и характеристики (концептуальная структура ВС).

3. Перечислите основные «архитектурные» элементы персонального компьютера.

Процессор.

Осуществляет контроль за действиями компьютера, а также выполняет функцию обработки данных. Если в системе есть только один процессор, он часто называется центральным процессором (central processing unit — CPU).

Основная память.
Здесь хранятся данные и программы. Как правило, эта память является временной. Часто ее называют реальной, оперативной или первичной памятью.

Отличия: взаимодействие процессора и памяти

· программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются по одному каналу;

· эти потоки разделяются.

Устройства ввода-вывода.
Служат для передачи данных между компьютером и внешним окружением, состоящим из различных периферийных устройств, в число которых входят вторичная память, коммуникационное оборудование и терминалы.

Системная шина.
Определенные структуры и механизмы, обеспечивающие взаимодействие между процессором, основной памятью и устройствами ввода-вывода:

· Передача данных;

· Адреса;

· Управления.

4. Назовите наиболее распространенные в настоящее время типы архитектур вычислительной системы.

Принстонская(она же фон неймана) и Гарвардская

5. Назовите основные узлы наиболее распространенных архитектур вычислительной системы.

Процессор, память, дешифратор команд, стек, интерфейс между регистрами и памятью.

6. Какова структура памяти: в принстонской архитектуре?

В памяти хранятся и программы, и данные, и стек.

7. Какова структура памяти: в гарвардской архитектуре?

Программы и данные к ним хранятся в разных местах.

8. Опишите расширенную архитектуру вычислительной системы.

Процессор, ОЗУ, видеоподсистема, дисковая система, периферийные устройства и устройства ввода-вывода.
Материнская плата, формирующая основу вычислительной системы современного компьютера общего назначения, содержит две основные большие микросхемы:

северный мост (англ. North Bridge) — контроллер-концентратор памяти (MCH), который обеспечивает работу центрального процессора с оперативной памятью и видеоадаптером;

южный мост (англ. South Bridge) — контроллер-концентратор ввода-вывода (ICH), обеспечивающий работу контроллеров интегрированных в материнскую плату устройств (локальной вычислительной сети ЛВС, звуковой подсистемы, видеоадаптера в отдельном случае), а также взаимодействие с внешними устройствами, посредством организации шинного интерфейса

9. Какие архитектуры вычислительной системы выделяются по разрядности интерфейсов и машинных слов?

8, 16, 32, 64, 86 и 128 битные.

10. Какие архитектуры вычислительной системы выделяются по особенностям состава регистров процессора, формату команд и данных?

CISC, RISC, VLIW, EPIC.

1. CISL – архитектура с полным набором команд.

2. RISC – архитектура на процессорах с сокращенным набором команд. Каждая функция – это отдельный набор команд. Архитектура процессора, в которой быстродействие увеличивается за счет упрощения инструкций, чтобы их декодирование было более простым, а время выполнения — короче.

3. VLIW - архитектура процессоров с несколькими вычислительными устройствами.

4. EPIC - микропроцессорная архитектура с явным параллелизмом команд

11. Какие архитектуры вычислительной системы выделяются по количеству процессоров?

1. однопроцессорные;

2. 2, 4, 6, 8;

3. суперскалярные;

4. многопроцессорные;

5. распределенные.

12. Что такое микроархитектура вычислительной системы?

Это способ, которым данная архитектура набора команд (ISA, АНК) реализована в процессоре.

Описывает модель, топологию и реализацию ISA на микросхеме микропроцессора. На этом уровне определяется:

· конструкция и взаимосвязь основных блоков ЦП,

· структура ядер, исполнительных устройств, АЛУ, а также их взаимодействия,

· блоков предсказания переходов,

· организация конвейеров,

· организация кэш-памяти,

· взаимодействие с внешними устройствами.

13. Назовите особенности суперскалярных процессоров в современной архитектуре вычислительной системы.

Основные особенности этого процессора связаны с использованием принципов суперскалярной обработки, двух восьмипортовых регистровых файлов, десяти независимых исполнительных устройств, больших по объему внутренних кэшей и широких магистралей данных.

Имеет внутреннюю архитектуру ядра, несколько декодеров команд, планирование и выполнение команд осуществляется динамически (ядром). Команды могут выполняться на конвейере, ядро принимает решения. Основные процессоры Itanium. Используется планирование и параллельное выполнение инструкций.

14. Что такое статическое планирование в современных микропроцессорах?

Статические методы предсказания ветвлений являются наиболее простыми. Суть этих методов состоит в том, что различные типы переходов либо выполняются всегда, либо не выполняются никогда. В современных процессорах статические методы используются лишь в том случае, когда невозможно использование динамического предсказания. Примерами статического предсказания могут служить тривиальное предсказание переходов, применявшееся в ранних процессорах архитектуры SPARC и MIPS (предполагается, что условные переходы никогда не выполняются), а также статическое предсказание, использующееся в современных процессорах в качестве «подстраховки» (предполагается, что любой обратный переход, т.е. переход на более младшие адреса, является циклом и выполняется, а любой прямой переход, т.е. на более старшие адреса, не выполняется).

Тип планирования, в котором весь набор одновременно выполняемых задач определен заранее.

Планирование - обеспечение поочередного доступа процессов к одному процессору

15. Поясните современное определение многопроцессорности?

Многопроцессорность (Мультипроцессорность, Многопроцессорная обработка, англ. Multiprocessing) — использование пары или большего количества физических процессоров в одной компьютерной системе. Термин также относится к способности системы поддержать больше чем один процессор и/или способность распределить задачи между ними.

16. Может ли быть вычислительная система и многопроцессорной и мультипрограммированной одновременно?

Система не может быть и многопроцессорной и мультипрограммированной, только одной из двух, или ни той и ни другой.