64553

Понятие архитектуры вычислительной системы

Доклад

Информатика, кибернетика и программирование

В общем случае когда говорят об архитектуре фон Неймана подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных. В настоящее время фоннеймановской архитектурой называется организация ЭВМ при которой вычислительная машина состоит из...

Русский

2014-07-08

50.86 KB

29 чел.

Понятие архитектуры вычислительной системы

 Вычислительная машина – это комплекс технических и программных средств, предназначенных для автоматизации подготовки и решения задач пользователя.

 Вычислительная система – это совокупность взаимосвязанных и взаимосоединенных процессоров или вычислительных машин, периферийного оборудования и программного обеспечения для решения задач пользователя.

 Основной отличительной чертой вычислительных систем является наличие в них средств, реализующих параллельную обработку за счет построения параллельных ветвей вычисления, что как правило не предусматривается в вычислительных машинах.

 Очевидно, что различия между вычислительными машинами и вычислительными системами не могут быть точно определены (вычислительные машины даже с одним процессором обладает разными средствами распараллеливания, а вычислительные системы могут состоять из традиционных вычислительных машин или процессоров).

 Архитектура ВС – совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логичную и структурно-организованную систему и затрагивающих в основном уровень параллельно работающих вычислителей. Понятие архитектуры охватывает общие принципы построения и функционирования, наиболее существенные для пользователя.

Архитектура фон Неймана

Архитектура фон Неймана — широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», однако, соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.

Наличие заданного набора исполняемых команд и программ было характерной чертой первых компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют с целью упрощения конструкции вычислительного устройства. Так, настольные калькуляторы, в принципе, являются устройствами с фиксированным набором выполняемых программ. Их можно использовать для математических расчётов, но невозможно применить для обработки текста и компьютерных игр, для просмотра графических изображений или видео. Изменение встроенной программы для такого рода устройств требует практически полной их переделки, и в большинстве случаев невозможно. Впрочем, перепрограммирование ранних компьютерных систем всё-таки выполнялось, однако требовало огромного объёма ручной работы по подготовке новой документации, перекоммутации и перестройки блоков и устройств и т. п. Всё изменила идея хранения компьютерных программ в общей памяти. Ко времени её появления использование архитектур, основанных на наборах исполняемых инструкций, и представление вычислительного процесса как процесса выполнения инструкций, записанных в программе, чрезвычайно увеличило гибкость вычислительных систем в плане обработки данных. Один и тот же подход к рассмотрению данных и инструкций сделал лёгкой задачу изменения самих программ.

В настоящее время фон-неймановской архитектурой называется организация ЭВМ, при которой вычислительная машина состоит из двух основных частей — линейно-адресуемой памяти, слова которой хранят команды и элементы данных, и процессора, выполняющего эти команды. В основе модели вычислений фон Неймана лежат принцип последовательной передачи управления (счётчик команд) и концепция переменной (идентификатор).

Принципы фон Неймана

В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В последствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня.

По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое.

1. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.

2. Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.

3. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.

4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.

5. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.

Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.

Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной установки на жесткий диск.

В основу построения большинства ЭВМ положены принципы, сформулированные в 1945 г. Джоном фон Нейманом:

1. Принцип программного управления (прога состоит из набора команд, кот. выполняются процессором автоматически друг за другом в заданной послед-ти).

2. Принцип однородности памяти (проги и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами м. выполнять такие же действия, как и над данными).

3. Принцип адресности (основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек).

ЭВМ, построенные на этих принципах, имеют классич архитектуру (архитектуру фон Неймана).

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

45439. Управление оперативной памятью (распределение и защита) в многозадачной ОС. Механизм реализации виртуальной памяти 211 KB
  Механизм реализации виртуальной памяти. От выбранных механизмов распределения памяти между выполняющимися процессорами в значительной степени зависит эффективность использования ресурсов системы ее производительность а также возможности которыми могут пользоваться программисты при создании своих программ. С другой стороны поскольку любой процесс имеет потребности в операциях вводавывода и процессор достаточно часто переключается с одной задачи на другую желательно в оперативной памяти расположить достаточное количество активных задач с...
45440. Планирование и диспетчеризация процессов и задач 611 KB
  Долгосрочный планировщик решает какой из процессов находящихся во входной очереди в случае освобождения ресурсов памяти должен быть переведен в очередь процессов готовых к выполнению. Они определяются не только переключениями контекстов задач но и при переключении на потоки другого приложения перемещениями страниц виртуальной памяти а также необходимостью обновления данных в кэше коды и данные одной задачи находящиеся в кэше не нужны другой задаче и будут заменены что приведет к дополнительным задержкам. От выбранных механизмов...
45441. Расчет системы управления автомобилем на базе технологии CAN 277 KB
  Узлы системы Батарея BTTERY Контроллер CONT Контроллер двигателя MOTOR Дисплей панели инструментов DISP Управление водителя DRIVE Тормоза BRKES Управление коробкой передач TRNS Сеть оперирует 32 сообщениями которые делятся на различные группы: Спорадические сигналы.0 BTTERY CONT 2 Ток батареи 8 0.0 BTTERY CONT 3 Температура батареи 8 0.0 BTTERY CONT 4 Параметры батареи 10 1.
45442. Расчет системы «Интеллектуальное здание» на базе технологии EIB 315 KB
  Узлы системы Контроллер CONT Система управления светом LIGHT Система управления теплом HET Система управления вентиляцией VENT Система управления дверью DOOR Охранная система SECUR Пожарная система FIRE Сеть оперирует 30 сообщениями которые делятся на различные группы: Спорадические сигналы. Номер сигнала Описания сигнала Размер в битах Задержка в мсек J Период выполнения T мсек Тип сообщения Крайний срок выполнения Dмсек Источник Приемник 1 Сигнал датчика двери 8 01 50 S 20 DOOR CONT 2 Проверка...
45443. Расчет системы «Управление коммунальной системой (вода, газ, электрическая энергия, отключение функций, формирование квитанций и устранение аварий)» на базе технологии LonWorks 267 KB
  Узлы системы Система управления холодной водой CW Система управления горячей водой HW Система управления газом G Система управления электричеством EL Система экономических расчетов EC Ремонтная служба RS Пользователь USER Сеть оперирует 30 сообщениями которые делятся на различные группы: Спорадические сигналы. Номер сигнала Описания сигнала Размер в битах Задержка в мсек J Период выполнения T мсек Тип сообщения Крайний срок выполнения Dмсек Источник Приемник 1 Включение отключение холодной воды 1 01 50...
45444. Классификация систем реального времени. Средства разработки систем РВ. Понятие систем реального времени. Организация систем РВ. Требования к системам реального времени. Общие характеристики систем РВ 148.5 KB
  Классификация реализации систем реального времени СРВ распределенные системы управления с большим количеством контролируемых параметров. Система ориентирована на автоматизированные системы в которых требуется своевременная адекватная реакция на события. Языки СРВ предназначены для создания СРВ ssembler C d спутниковые системы наблюдения. Предназначены для визуализации работы автоматизированной системы или автоматизированного объекта.
45445. Классификация приложений систем РВ. Надежность в СРВ. Проектирование жестких систем реального времени. Архитектуры жестких систем реального времени 118.5 KB
  Проектирование жестких систем реального времени. Архитектуры жестких систем реального времени. Главной особенностью систем реального времени является обеспечение предсказуемости которая позволяет реализовать приложения. В один из моментов времени задача перейдет в состояние не описанного в системе.
45446. Задачи в СРВ. Планирование задач. Общие принципы планирования задач. Алгоритмы планирования периодических задач. Алгоритмы планирования спорадических и апериодических задач Планировщик заданий 156.5 KB
  Планирование задач. Общие принципы планирования задач. Алгоритмы планирования периодических задач. Алгоритмы планирования спорадических и апериодических задач Планировщик заданий.
45447. Моделирование систем РВ Проблема моделирования сетей при случайном доступе. Применение модели реального времени. Модель реального Мира 123.5 KB
  Моделирование СРВ необходимо для того чтобы оценить разрабатываемую систему по времени функционирования и передачи данных. Σt=tреакции человека tнажатия на педаль тормоза tпередачи для обработки сигнала уз. 1 tпередачи сигнала от уз. механизма t1 время передачи информации от основного контроллера к сетевому t2 время передачи данных сетевым контроллером на шину t3 разброс передачи сообщения в сети возникает в следствии того что используется один сетевой канал t4 время приема данных с шины на сетевой контроллер t5 время...