Материал: А. Д. Чередов, А. Н. Мальчуков

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»


А.Д. Чередов, А.Н. Мальчуков



ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ И СИСТЕМ
РекомендовановкачествеучебногопособияРедакционно-издательскимсоветомТомскогополитехническогоуниверситета


4-е издание, переработанное и дополненное

Издательство

Томского политехнического университета 2016




УДК 004.38+004.7(075.8)

ББК 32.973+32.973.202я73 Ч–462


Ч–462

Чередов А.Д., Мальчуков А.Н.

Организация ЭВМ и систем: учебное пособие / А.Д. Чередов, А.Н. Мальчуков; Томский политехниче- ский университет. – 4-е изд., перераб. и доп. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2016.

236 с.



В учебном пособии рассматриваются основные вопросы, связанные с организацией ЭВМ и систем: архитектуры, характе- ристики и классификация ЭВМ; функциональная и структурная организация ЭВМ и центрального процессора; принципы органи- зации подсистемы памяти ЭВМ и вычислительных систем; прин- ципы организации подсистемы ввода-вывода; архитектуры и спо- собы организации многопроцессорных вычислительных систем.

Учебное пособие подготовлено на кафедре вычислительной техники ТПУ и предназначено для студентов ИДО, обучающихся по направлению 09.03.01 «Информатика и вычислительная техни- ка».

УДК 004.38+004.7(075.8) ББК 32.973+32.973.202я73

Рецензенты
Кандидат технических наук,

зам. начальник управления информационных технологий ОАО «Востокгазпром»

П.М.Острасть
Кандидат технических наук, доцент кафедры программирования ТГУ

С.А.Останин

© Томский политехнический университет», 2000

© Чередов А.Д., 2005

© Чередов А.Д., 2011

© Оформление. Издательство Томского политехнического университета, 2016
ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

  1. АРХИТЕКТУРЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ 7

    1. Архитектуры ЭВМ 7

      1. Конвейерная обработка команд 9

      2. Cуперскалярная обработка 11

      3. Архитектура SISD 11

      4. SIMD-архитектура 16

      5. Многоядерные структуры процессора и многопотоковая обработка команд 17

    2. Технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ 19

    3. Классификация ЭВМ 23

      1. Классификация ЭВМ по назначению 23

      2. Классификация ЭВМ по функциональным возможностям 24

  2. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ 58

    1. Обобщенная структура ЭВМ и пути её развития 59

    2. Типы данных 62

    3. Структура и форматы команд ЭВМ 70

    4. Способы адресации информации в ЭВМ 73

      1. Абсолютные способы формирования исполнительного адреса75

      2. Относительные способы формирования исполнительных адресов ячеек памяти 77

    5. Примеры форматов команд и способов адресации 82

      1. Форматы команд и способы адресации в интеловских процессорах 82

      2. Форматы команд и способы адресации в RISC-процессорах 94

      3. Особенности системы команд IA-64 94

    6. Принципы организации системы прерывания программ 96

  3. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

ЦЕНТРАЛЬНОГО ПРОЦЕССОРА ЭВМ 107

    1. Назначение и структура центрального процессора 107

    2. Назначение, классификация и организация ЦУУ 109

    3. Регистровые структуры центрального процессора 110

      1. Регистровые структуры процессоров IA-32 110

      2. Регистровые структуры процессоров AMD64 (Intel64) 115

      3. Регистровые структуры процессоров IA-64 116

    4. Структурная организация современных универсальных микропроцессоров 118

      1. Стратегия развития процессоров Intel 119

      2. Микроархитектура Intel Core 120

      3. Микроархитектура Intel Nehalem 124

      4. Семейство процессоров Intel Westmere 133

      5. Микроархитектура Sandy Bridge 135

      6. Микроархитектура Intel Haswell 138

      7. Микроархитектура Skylake 148

      8. Микропроцессоры семейства «Эльбрус» 156

      9. Микропроцессоры IBM POWER8 160

  1. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ПОДСИСТЕМЫ ПАМЯТИ ЭВМ И ВС 162

    1. Иерархическая структура памяти ЭВМ 162

    2. Организация стека регистров 165

    3. Способы организации кэш-памяти 167

      1. Типовая структура кэш-памяти 167

      2. Способы размещения данных в кэш-памяти 168

      3. Методы обновления строк основной памяти и кэша 175

      4. Методы замещения строк кэш-памяти 177

      5. Многоуровневая организация кэша 177

    4. Принципы организации оперативной памяти 179

      1. Общие положения 179

      2. Методы повышения пропускной способности ОП 182

      3. Методы управления памятью 192

      4. Организация виртуальной памяти 198

      5. Методы ускорения процессов обмена между ОП и ВЗУ 207

  2. ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМНОГО ИНТЕРФЕЙСА И

ВВОДА/ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ 209

    1. Общая характеристика и классификация интерфейсов 209

    2. Способы организации передачи данных 213

    3. Системная организация настольных компьютеров на базе

современных чипсетов компании Intel 215

      1. Системная организация компьютеров на базе чипсетов Intel 8-й и 9-й серий 216

      2. Системная организация компьютеров на базе чипсетов Intel 100-

й серии 220

  1. МНОГОПРОЦЕССОРНЫЕ И МНОГОМАШИННЫЕ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ 223

    1. Архитектуры вычислительных систем 223

    2. Сильносвязанные многопроцессорные системы 226

    3. Слабосвязанные многопроцессорные системы 229

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ .231 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 235

ВВЕДЕНИЕ



В последнее десятилетие в России бурно осуществляется информа- тизация и компьютеризация всех сфер человеческой деятельности. Компьютеры или электронные вычислительные машины (ЭВМ), осна- щенные специальным программным обеспечением, являются техниче- ской базой и инструментом для вычислительных, информационных и автоматизированных систем.

При изучении дисциплины «Организация ЭВМ» в процессе подго- товки бакалавров по направлению «Информатика и вычислительная техника» студенты используют знания, умения и навыки, полученные по дисциплинам «Информатика», «Дискретная математика», «Основы теории передачи информации», «Введение в информационные техноло- гии», которые являются пререквизитами данной дисциплины.

Целью дисциплины «Организация ЭВМ» является освоение теоре- тических основ функциональной и структурной организации ЭВМ, включающих архитектуры ЭВМ, технические характеристики, класси- фикации, особенности организации различных типов ЭВМ и ее состав- ных частей (процессора, памяти, ввода-вывода), а также современное состояние и тенденции развития средств вычислительной техники.

В результате изучения этой дисциплины студент должен уметь применять полученные знания для решения практических задач: прово- дить анализ всего многообразия типов ЭВМ, осуществлять анализ па- раметров основных технических средств ЭВМ, выбирать, комплексиро- вать и тестировать аппаратные средства вычислительных систем. Он должен владеть навыками конфигурирования компьютеров различного назначения.

Знания, умения и навыки, полученные при изучении дисциплины

«Организация ЭВМ», необходимы для освоения ряда
других дисци- плин: «Операционные системы», «Периферийные устройства», «Сети и телекоммуникации» и др.

В процессе освоения дисциплины у студентов формируются ком- петенции, дающие им возможность разрабатывать технические задания на оснащение отделов, лабораторий, офисов компьютерным оборудова- нием, осуществлять наладку и обслуживание этого оборудования.

В предлагаемом вниманию читателя учебном пособии рассматри- ваются современные проблемы, связанные с функциональной и струк- турной организацией ЭВМ и её составных частей. Учебное пособие со- стоит из шести глав.

В первой главе даются основные понятия и определения, относя- щиеся к ЭВМ, подробно рассматриваются архитектуры компьютеров (SISD, SIMD, CISC, RISC, VLIW, EPIC, MISD, MIMD), приводятся тех-

нические и эксплуатационные характеристики, классификации ЭВМ с кратким описанием истории развития, современного состояния и функциональных особенностей различных типов компьютеров (мэйн- фреймов, суперЭВМ, рабочих станций, серверов, персональных компь- ютеров и т.д.).

Вторая глава посвящена изложению основ функциональной и структурной организации ЭВМ. В ней содержится описание типов данных, используемых в процессорах интеловской архитектуры (IA-32, IA-64), способов адресации данных, структур и форматов команд CISC- и RISC-процессоров, наборы расширения системы команд x86 (MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSE4 и др.), обобщенной структуры ЭВМ.

В третьей главе излагаются основы функциональной и структурной организации центрального процессора ЭВМ: определяется состав и назначение основных устройств процессора; описываются регистровые
Источник: https://files.student-it.ru/previewfile/151041