Понятие архитектуры и основные виды архитектуры

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Им. В.С. Черномырдина»

Факультет прикладной математики

Кафедра информатики  и информационных технологий.

 

 

 

 

         

Курсовая работа по дисциплине «Теоретические основы информатики».

Тема: «Понятие архитектуры и основные виды архитектуры»

 

 

 

                                                                

 

 

                                                                                                        Выполнил:

Ф-т «Прикладная математика»

1 курс

Специальность 080500.62

Тчанников Даниил Вячеславович

Проверила:

Журавлева Татьяна Вячеславовна

Москва, 2011

   

 

                                                                   

                        

Оглавление

Архитектура ЭВМ 2

Классическая архитектура (Архитектура фон Неймана). 3

Многопроцессорная архитектура. 6

Многомашинная вычислительная система. 8

Параллельные вычислительные системы. 10

 

                                          

                                                                         

 

 

   Архитектура ЭВМ

        

             Что такое архитектура?

Термин «Архитектура» в литературе по электронно-вычислительной технике используется довольно часто. К сожалению, определение этого понятия содержание у разных авторов может очень сильно отличаться. Поэтому в этом вопросе, следует разобраться довольно, тщательнее. Начнем с происхождения с происхождения термина. Слово "архитектура" в своем изначальном смысле используется в градостроении. Будучи достаточно сложной структурой. К примеру, можно рассмотреть современный город, который  состоит из районов, площадей, улиц, домов, расположенных определенным образом. Жителей города обычно мало интересует, как выглядит конкретный дом и из каких материалов он построен. Зато очень важно знать район, где этот дом расположен, улицы, ведущие к нему, и транспорт, пользуясь которым можно сократить время в пути.

Для того чтобы ориентироваться в хитросплетении улиц и площадей, в любом городе существует исторически сложившаяся система названий, а также определенная нумерация домов. Наличие общепринятой адресации позволяет однозначно определить положение любого строения и в случае необходимости быстро отыскать его. Именно на существовании такой адресной системы построена работа почты.

Используя аналогию с градостроительством, можно понимать под архитектурой ЭВМ ту совокупность их характеристик, которая необходима пользователю. Это, прежде всего, основные устройства и  блоки ЭВМ, а также структура  связей между ними. И действительно, если заглянуть, например, в "Толковый словарь по вычислительным системам", мы прочтем там, что термин "архитектура  ЭВМ ... используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного  соединения основных логических узлов  ЭВМ (вследствие чего термин "архитектура" оказывается ближе к обыденному значению этого слова).

Прежде чем приступить к дальнейшему  описанию вопроса, необходимо определить для себя: "Что такое архитектура компьютера?"

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем  уровне,           включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера.

 

 

 

Виды архитектуры:

• Классическая архитектура
• Многопроцессорная архитектура
• Многомашинная вычислительная система
• Архитектура с параллельными процессорами          

  

                       Классическая архитектура (Архитектура фон Неймана).

 

Основы учения об архитектуре  вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Он подключился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 г., когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 г. ученые изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства». С тех пор прошло полвека, но выдвинутые в ней положения сохраняют актуальность и сегодня.

В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы  для представления чисел (нелишне  напомнить, что ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа  в десятичном виде). Авторы убедительно  продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в  ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали  обрабатывать и нечисловые виды информации – текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование  данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.

Еще одной поистине революционной  идеей, значение которой трудно переоценить, является предложенный Нейманом принцип  «хранимой программы». Первоначально  программа задавалась путем установки  перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы машины ENIAC требовалось несколько дней (в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут – выходили из строя лампы). Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.

 

 

            Principles of the logic unit of the COMPUTER.

 
1. A principle of binary coding.  
For data presentation and commands binary notation (figures 0 and 1) is used 
2. A principle of uniformity of memory.  
Both programs (command), and the data concerning programs are stored in the same memory (and are coded in the same notation — more often binary). Over commands it is possible to carry out the same actions, as well as over the data. 
3. A principle адресуемости memories.  
The structurally basic memory consists of the numbered cells; during any moment of time any cell is accessible to the processor; memory internal. 
4. A principle of consecutive programmed control.  
All commands settle down in memory and are carried out consistently, one after end another, in the sequence defined by the program. 
5. A principle of rigidity of architecture.  
Stability in the course of work of topology, architecture, the list of commands. 
Background Neumann not only has put forward basic principles of the logic unit of the COMPUTER, but also has offered its structure which was reproduced during first two generations of the COMPUTER. Mainframes on Neumann are a control mean (УУ) and the arithmetic-logic device (АЛУ) (usually united in the central processor), memory, external memory, the input equipment and a conclusion. The scheme of the device of such COMPUTER is presented on rice (see more low). External memory differs from the input equipment and a conclusion that the data in it is brought in a kind, convenient to the computer, but inaccessible to direct perception by the person. So, the store on magnetic disks concerns external memory, and the keyboard – the input equipment, the display and the press – the output equipment. Рис.  Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана. Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов от процессора к остальным узлам ЭВМ

 

Устройство управления и  арифметико-логическое устройство в  современных компьютерах объединены в один блок – процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей  из памяти и внешних устройств (сюда относятся выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифметических, операций, согласование работы узлов  компьютера). Более детально функции  процессора будут обсуждаться ниже.

Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее устройство у современных компьютеров  «многоярусно» и включает оперативное  запоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер  работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть  необходимых для нее данных, некоторые  управляющие программы), и внешние  запоминающие устройства (ВЗУ) гораздо  большей емкости, чем ОЗУ, но с  существенно более медленным  доступом (и значительно меньшей  стоимостью в расчете на 1 байт хранимой информации). На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается – определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство), и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), и другие подвиды компьютерной памяти.

В построенной по описанной  схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти. из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.

Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько  фундаментальными, что получили в  литературе название «фон-неймановской архитектуры». Подавляющее большинство  вычислительных машин на сегодняшний  день – фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности  систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).

      Многопроцессорная архитектура.

_З

начительное развитие в последнее  время получили многопроцессорные  ЭВМ. Использование таких компьютеров  позволяет решать сложные научно – технические задачи. При этом численные методы являются мощным математическим средством решения научно-технических  проблем. Это связано как с  невозможностью в большинстве случаев  получить аналитическое решение, так  и с развитием вычислительной техники.

Многопроцессорность (мультипроцессорность, многопроцессорная обработка) подразумевает  использование пары или большого количества физических процессоров  в одной компьютерной системе. Термин можно так же отнести к способности  поддержать более чем один процессор  и распределить задачи между ними.

                                               Типы Многопроцессорности:

• Процессорная симметричность.

_В

 многопроцессорной  системе все центральные процессоры  могут быть равными, или некоторые  могут быть зарезервированы для  особых целей. Комбинация конструктивных  соображений программного обеспечения  аппаратной и операционной системы  определяет симметрию (или отсутствие её) в данной системе. Например, аппаратные или программные соображения могут потребовать, чтобы только один центральный процессор отвечал на все аппаратные прерывания, тогда как вся другая работа в системе может быть распределена одинаково среди процессоров; или выполнение кода привилегированного режима может быть ограничено только одним процессором (или определенным процессором, или только один процессор за один раз), тогда как код непривилегированного режима может быть выполнен на любой комбинации процессоров. Часто многопроцессорные системы проще проектировать, если введены такие ограничения, но они имеют тенденцию быть менее эффективными, чем системы, в которых используются все центральные процессоры.

• Потоки команд и данных:

_В

  многопроцессорной обработке процессоры могут использоваться для выполнения одной последовательности команд во множественных контекстах, множественные последовательности команд в единственном контексте, или множественные последовательности команд во множественных контекстах .

 

 

Классификация по Флинн

 

 

 

 

	Одиночный поток команд	Множество потоков команд
Одиночный поток данных	SISD  (ОКОД)	MISD  (МКОД)
Множество потоков данных	SIMD                                (ОКМД)	MIMD  (МКМД)

 

 

 

ОКОД (SISD)	Вычислительная система с одиночным  потоком команд и одиночным потоком  данных. В компьютере с одиночным потоком команд и одиночным потоком данных один процессор последовательно обрабатывает команды; каждая машинная команда обрабатывает один элемент данных. Примером может служить фон-Неймановская архитектура.
ОКМД (SIMD)	Вычислительная система с одиночным  потоком команд и множественным  потоком данных.  Один процессор обрабатывает поток команд, каждая из которых может выполнить параллельные вычисления на множестве данных. система хорошо подходит для параллельной или векторной обработки, в которой большой набор данных может быть разделён на части, которые обрабатываются идентичными, но независимым операциями
МКОД (MISD)	Вычислительная система с множественным  потоком команд и одиночным потоком  данных. Многопроцессорная обработка с множественным потоком команд и одиночным потоком данных. Архитектура MISD позволяет сравнивать результаты вычислений в целях обнаружения отказов. Кроме избыточности и отказоустойчивости у этого типа многопроцессорной обработки немного преимуществ. К тому же он весьма дорог. Он не увеличивает производительность.
МКМД (MIMD)	Вычислительная система с множественным  потоком команд и множественным  потоком данных. является подходящей для большого числа разнообразных задач, в которых реализовано полностью независимое и параллельное выполнение команд, касающихся различных наборов данных. По этой причине и потому что это просто осуществить, MIMD преобладает в многопроцессорной обработке.