Использование отклонения частного показателя от максимального. 1 страница
Издательская программа
300 лучших учебников для высшей школы
в честь 300-летия Санкт-Петербурга
осуществляется при поддержке Министерства образования РФ
ПИТЕР
Москва • Санкт-Петербург - Нижний Новгород • Воронеж • Ростов-на-Дону
Новосибирск • Екатеринбург • Самара • Киев • Харьков • Минск
ББК 32.973.2-02я7
ДК 681.3(075)
Ц60
Рецензенты:
Сергеев М. Б., доктор технических наук, заведующий кафедрой вычислительных систем и сетей
Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения
Яшин А. И., профессор кафедры АСОИУ Санкт-Петербургского государственного
электротехнического университета
Цилькер Б. Я, Орлов С. А.
Ц60 Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов. — СПб.: Питер, 2004. — 668 с: ил.
ISBN 5-94723-759-8
Учебник посвящен систематическому изложению вопросов организации структуры и функционирования вычислительных машин и систем, при этом большое внимание уделяется вопросам эффективности традиционных и перспективных решений в области компьютерной техники. Рассмотрены структура и функционирование классических фон-неймановских машин, принципы организации шин, внутренней и внешней памяти, операционных устройств и устройств управления, систем ввода-вывода. Изложены основные тенденции в архитектуре современных процессоров. Значительная часть материала посвящена идеологии построения и функционирования параллельных и распределенных вычислительных систем самых разнообразных классов. Показаны наиболее перспективные направления в области организации и архитектуры вычислительных машин и систем. В основу работы положен 25-летний университетский опыт преподавания авторами соответствующих дисциплин.
Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Информатика и вычислительная техника».
ББК 32.973.2-02я7
УДК 681.3(075)
Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.
Информация, содержащаяся в данной книге, получена из источников, рассматриваемых издательством как надёжные. Тем не менее, имея в виду возможные человеческие или технические ошибки, издательство никак не может гарантировать абсолютную точность и полноту приводимых сведений и не несёт ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.
ISBN 5-94?23-759-8 © ЗАО Издательский дом «Питер». 2004
Краткое содержание
Введение.................................................................................................................................... 15
Глава 1. Становление и эволюция цифровой вычислительной
техники..................................................................................................................... 19
Глава 2. Архитектура системы команд................................................................................. 52
Глава 3. Функциональная организация
фон-неймановской ВМ........................................................................................ 126
Глава 4. Организация шин................................................................................................... 155
Глава 5. Память.................................................................................................................... 197
Глава 6. Устройства управления........................................................................................ 293
Глава 7. Операционные устройства вычислительных машин....................................... 327
Глава 8. Системы ввода/вывода........................................................................................ 387
Глава 9. Основные направления в архитектуре процессоров......................................... 413
Глава 10. Параллелизм как основа высокопроизводительных
вычислений.......................................................................................................... 477
Глава 11. Организация памяти вычислительных систем................................................ 493
Глава 12. Топологии вычислительных систем.................................................................. 524
Глава 13. Вычислительные системы класса SIMD.......................................................... 552
Глава 14. Вычислительные системы класса MIMD.......................................................... 586
Глава 15. Потоковые и редукционные вычислительные
системы................................................................................................................ 613
Заключение............................................................................................................................. 637
Список литературы................................................................................................................ 638
Алфавитный указатель......................................................................................................... 653
Содержание
Введение................................................................................................................................. .15
Благодарности............................................................................................................................. 18
От издательства........................................................................................................................... 18
Глава 1. Становление и эволюция цифровой
вычислительной техники....................................................................................... 19
Определение понятия «архитектура»....................................................................................... 20
Уровни детализации структуры вычислительной машины........................................................ 21
Эволюция средств автоматизации вычислений......................................................................... 23
Нулевое поколение (1492-1945)................................................................... 25
Первое поколение (1937-1953)..................................................................... 27
Второе поколение (1954-1962) .................................................................... 30
Третье поколение (1963-1972)...................................................................... 31
Четвертое поколение (1972-1984)................................................................ 32
Пятое поколение (1984-1990) ...................................................................... 33
Шестое поколение (1990-)............................................................................ 34
Концепция машины с хранимой в памяти программой ........................................................... 35
Принцип двоичного кодирования ................................................................. 36
Принцип программного управления............................................................. 37
Принцип однородности памяти..................................................................... 37
Принцип адресности...................................................................................... 38
Фон-неймановская архитектура..................................................................... 38
Типы структур вычислительных машин и систем...................................................................... 40
Структуры вычислительных машин .............................................................. 40
Структуры вычислительных систем ............................................................. 41
Перспективы совершенствования архитектуры ВМ и ВС.......................................................... 42
Тенденции развития больших интегральных схем....................................... 43
Перспективные направления исследований в области архитектуры.......... 50
Контрольные вопросы................................................................................................................ 50
Глава 2. Архитектура системы команд................................................................................. 52
Классификация архитектур сислемы команд ............................................................................ 54
Классификация по составу и сложности команд............................................ 54
Классификация по месту хранения операндов ............................................. 56
Регистровая архитектура................................................................................. 61
Архитектура с выделенным доступом к памяти............................................. 63
Типы и форматы операндов....................................................................................................... 64
Числовая информация.................................................................................... 65
Символьная информация ............................................................................... 80
Логические данные.......................................................................................... 83
Строки............................................................................................................... 84
Прочие виды информации.............................................................................. 84
Типы команд ............................................................................................................................... 87
Команды пересылки данных............................................................................ 88
Команды арифметической и логической обработки....................................... 88
SlMD-команды.................................................................................................. 90
Команды для работы со строками................................................................... 92
Команды преобразования ............................................................................... 92
Команды ввода/вывода.................................................................................... 92
Команды управления системой....................................................................... 93
Команды управления потоком команд............................................................ 93
Форматы команд ........................................................................................................................ 96
Длина команды................................................................................................. 96
Разрядность полей команды........................................................................... 97
Количество адресов в команде........................................................................ 98
Выбор адресности команд............................................................................ 100
Способы адресации операндов.................................................................... 102
Способы адресации в командах управления потоком команд.................... 115
Система операций........................................................................................ 116
Контрольные вопросы ............................................................................................................ 123
Глава 3. Функциональная организация
фон-неймановской ВМ ......................................................................................... 126
Функциональная схема фон-неймановской вычислительной машины................................. 126
Устройство управления................................................................................ 127
Арифметико-логическое устройство............................................................ 129
Основная память........................................................................................... 130
Модуль ввода/вывода.................................................................................... 131
Микрооперации и микропрограммы....................................................................................... 131
Способы записи микропрограмм................................................................. 132
Совместимость микроопераций................................................................... 138
Цикл команды........................................................................................................................... 138
....................................................................................................................... Стандартный цикл команды 138
Описание стандартных циклов команды для гипотетической машины ................................ 141
Машинный цикл с косвенной адресацией.................................................... 144
Машинный цикл с прерыванием.................................................................. 144
Диаграмма состояний цикла команды.......................................................... 146
Основные показатели вычислительных машин...................................................................... 148
Быстродействие............................................................................................ 148
Критерии эффективности вычислительных машин................................................................ 150
Способы построения критериев эффективности........................................ 150
Нормализация частных показателей............................................................ 152
Учет приоритета частных показателей......................................................... 153
Контрольные вопросы ............................................................................................................ 153
Глава 4. Организация шин..................................................................................................... 155
Типы шин.................................................................................................................................. 158
Шина «процессор-память»........................................................................... 158
Шина ввода/вывода....................................................................................... 158
Системная шина............................................................................................ 159
Иерархия шин.......................................................................................................................... 160
Вычислительная машина с одной шиной..................................................... 160
Вычислительная машина с двумя видами шин............................................ 160
Вычислительная машина с тремя видами шин............................................ 161
Физическая реализация шин................................................................................................... 161
Механические аспекты.................................................................................. 161
Электрические аспекты................................................................................. 162
Распределение линий шины................................................................................................... 166
Выделенные и мультиплексируемые линии............................................... 170
Арбитраж шин........................................................................................................................... 171
Схемы приоритетов...................................................................................... 171
Схемы арбитража.......................................................................................... 173
Протокол шины........................................................................................................................ 180
Синхронный протокол ................................................................................. 181
Асинхронный протокол................................................................................. 182
Особенности синхронного и асинхронного протоколов............................. 185
Методы повышения эффективности шин............................................................................... 187
Пакетный режим пересылки информации .................................................. 187
Конвейеризация транзакций ........................................................................ 188
Протокол с расщеплением транзакций........................................................ 188
Увеличение полосы пропускания шины...................................................... 189
Ускорение транзакций................................................................................... 190
Повышение эффективности шин с множеством ведущих.......................... 190
Надежность и отказоустойчивость........................................................................................... 191
Стандартизация шин ............................................................................................................... 192
Контрольные вопросы ............................................................................................................ 195
Глава 5. Память...................................................................................................................... 197
Характеристики систем памяти .............................................................................................. 197
Иерархия запоминающих устройств....................................................................................... 199
Основная память...................................................................................................................... 203
Блочная организация основной памяти....................................................... 204
Организация микросхем памяти.................................................................. 207
Синхронные и асинхронные запоминающие устройства............................ 213
Оперативные запоминающие устройства.................................................... 213
Постоянные запоминающие устройства...................................................... 225
Энергонезависимые оперативные запоминающие устройства.................. 229
Специальные типы оперативной памяти..................................................... 230
Обнаружение и исправление ошибок..................................................................................... 236
Стековая память....................................................................................................................... 244
Ассоциативная память............................................................................................................. 245
Кэш-память............................................................................................................................... 249
Емкость кэш-памяти...................................................................................... 251
Размер строки............................................................................................... 252
Способы отображения оперативной памяти на кэш-память....................... 252
Алгоритмы замещения информации в заполненной
кэш-памяти........................................................................................... 257
Алгоритмы согласования содержимого кэш-памяти
и основной памяти .............................................................................. 259
Смешанная и разделенная кэш-память ...................................................... 260
Одноуровневая и многоуровневая кэш-память .......................................... 261
Дисковая кэш-память ................................................................................... 262
Понятие виртуальной памяти ................................................................................................. 263
Страничная организация памяти.................................................................. 264
Сегментно-страничная организация памяти................................................ 268
Организация защиты памяти........................................................................ 269
Внешняя память ...................................................................................................................... 271
Магнитные диски........................................................................................... 271
Массивы магнитных дисков с избыточностью.............................................. 275
Оптическая память........................................................................................ 286
Магнитные ленты.......................................................................................... 290
Контрольные вопросы ............................................................................................................ 291
Глава 6. Устройства управления........................................................................................ 293
Функции центрального устройства управления ..................................................................... 293
Модель устройства управления.............................................................................................. 295
Структура устройства управления........................................................................................... 296
Микропрограммный автомат с жесткой логикой..................................................................... 300
Микропрограммный автомат с программируемой логикой.................................................... 302
Принцип управления по хранимой в памяти микропрограмме................. 303
Кодирование микрокоманд ......................................................................... 304
Обеспечение последовательности выполнения микрокоманд................. 309
Организация памяти микропрограмм......................................................... 315
Пути повышения быстродействия автоматов микропрограммного
управления .......................................................................................... 323
Контрольные вопросы ............................................................................................................ 325
Глава 7. Операционные устройства
вычислительных машин....................................................................................... 327
Структуры операционных устройств....................................................................................... 329
Операционные устройства с жесткой структурой...................................... 329
Операционные устройства с магистральной структурой........................... 331
Базис целочисленных операционных устройств.................................................................... 337
Сложение и вычитание................................................................................ 337
Целочисленное умножение..................................................................................................... 339
Умножение чисел без знака......................................................................... 340
Умножение чисел со знаком........................................................................ 343
Умножение целых чисел и правильных дробей......................................... 345
Ускорение целочисленного умножения................................................................................. 347
Логические методы ускорения умножения ................................................ 347
Аппаратные методы ускорения умножения................................................ 351
Целочисленное деление......................................................................................................... 370
Деление с восстановлением остатка........................................................... 371
Деление без восстановления остатка......................................................... 371
Деление чисел со знаком ........................................................................... 372
Ускорение целочисленного деления...................................................................................... 376
Замена деления умножением на обратную величину............................... 376
Ускорение вычисления частичных остатков............................................... 377
Алгоритм SRT............................................................................................... 377
Деление в избыточных системах счисления ............................................. 380
Операционные устройства с плавающей запятой.................................................................. 380
Подготовительный этап............................................................................... З81
Заключительный этап.................................................................................. 382
Сложение и вычитание................................................................................ 382
Умножение................................................................................................... 383
Деление........................................................................................................ 384
Реализация логических операций........................................................................................... 384
Контрольные вопросы ............................................................................................................ З85
Глава 8. Системы ввода/вывода........................................................................................ 387
Адресное пространство системы ввода/вывода..................................................................... 388
Внешние устройства................................................................................................................ 390
Модули ввода/вывода.............................................................................................................. 392
Функции модуля........................................................................................... 392
Структура модуля........................................................................................ 396
Методы управления вводом/выводом ................................................................................... 398
Программно управляемый ввод/вывод....................................................... 399
Ввод/вывод по прерываниям...................................................................... 400
Прямой доступ к памяти.............................................................................. 403
Каналы и процессоры ввода/вывода ...................................................................................... 407
Канальная подсистема................................................................................ 410
Контрольные вопросы ............................................................................................................ 411
Глава 9. Основные направления в архитектуре
процессоров........................................................................................................... 413
Конвейеризация вычислений.................................................................................................. 413
Синхронные линейные конвейеры............................................................. 414
Метрики эффективности конвейеров......................................................... 415
Нелинейные конвейеры.............................................................................. 416
Конвейер команд.......................................................................................... 417