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
РецензентыКандидат
технических
наук,
зам. начальник управления информационных технологий
ОАО
«Востокгазпром»
П.М.ОстрастьКандидат 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 -
АРХИТЕКТУРЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ 7
-
Архитектуры ЭВМ 7
-
Конвейерная обработка команд 9
-
Cуперскалярная обработка 11
-
Архитектура SISD 11
-
SIMD-архитектура 16
-
Многоядерные структуры процессора и многопотоковая обработка команд 17
-
Технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ 19
-
Классификация ЭВМ 23
-
Классификация ЭВМ по назначению 23
-
Классификация ЭВМ по функциональным возможностям 24
-
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ 58
-
Обобщенная структура ЭВМ и пути её развития 59
-
Типы данных 62
-
Структура и форматы команд ЭВМ 70
-
Способы адресации информации в ЭВМ 73
-
Абсолютные способы формирования исполнительного адреса75
-
Относительные способы формирования исполнительных адресов ячеек памяти 77
-
Примеры форматов команд и способов адресации 82
-
Форматы команд и способы адресации в интеловских процессорах 82
-
Форматы команд и способы адресации в RISC-процессорах 94
-
Особенности системы команд IA-64 94
-
Принципы организации системы прерывания программ 96
-
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ
ЦЕНТРАЛЬНОГО ПРОЦЕССОРА ЭВМ 107 -
Назначение и структура центрального процессора 107
-
Назначение, классификация и организация ЦУУ 109
-
Регистровые структуры центрального процессора 110
-
Регистровые структуры процессоров IA-32 110
-
Регистровые структуры процессоров AMD64 (Intel64) 115
-
Регистровые структуры процессоров IA-64 116
-
Структурная организация современных универсальных микропроцессоров 118
-
Стратегия развития процессоров Intel 119
-
Микроархитектура Intel Core 120
-
Микроархитектура Intel Nehalem 124
-
Семейство процессоров Intel Westmere 133
-
Микроархитектура Sandy Bridge 135
-
Микроархитектура Intel Haswell 138
-
Микроархитектура Skylake 148
-
Микропроцессоры семейства «Эльбрус» 156
-
Микропроцессоры IBM POWER8 160
-
ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ПОДСИСТЕМЫ ПАМЯТИ ЭВМ И ВС 162
-
Иерархическая структура памяти ЭВМ 162
-
Организация стека регистров 165
-
Способы организации кэш-памяти 167
-
Типовая структура кэш-памяти 167
-
Способы размещения данных в кэш-памяти 168
-
Методы обновления строк основной памяти и кэша 175
-
Методы замещения строк кэш-памяти 177
-
Многоуровневая организация кэша 177
-
Принципы организации оперативной памяти 179
-
Общие положения 179
-
Методы повышения пропускной способности ОП 182
-
Методы управления памятью 192
-
Организация виртуальной памяти 198
-
Методы ускорения процессов обмена между ОП и ВЗУ 207
-
ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМНОГО ИНТЕРФЕЙСА И
ВВОДА/ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ 209 -
Общая характеристика и классификация интерфейсов 209
-
Способы организации передачи данных 213
-
Системная организация настольных компьютеров на базе
современных чипсетов компании Intel 215 -
Системная организация компьютеров на базе чипсетов Intel 8-й и 9-й серий 216
-
Системная организация компьютеров на базе чипсетов Intel 100-
й
серии 220
-
МНОГОПРОЦЕССОРНЫЕ И МНОГОМАШИННЫЕ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ 223 -
Архитектуры вычислительных систем 223
-
Сильносвязанные многопроцессорные системы 226
-
Слабосвязанные многопроцессорные системы 229
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ .231 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 235
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