Конспект

ККонспект по дисциплината
„КОМПЮТЪРНИ АРХИТЕКТУР
И
”

1. Въведение в дисциплина
та
2. Особености в архи„КОМПЮТЪРНИ АРХИТЕКТУРИ”

1. Въ
веде
ние
в д
исциплината
2. Особености в архитектурата на съвременн

11. Въведение в дисциплината
2. Особености в ар
хит
ектурата на съвременните компютри.
CISC и RISCпроцесори. Пара2. Особености в архитектурата на съвременните компютри.
CISC и RISCпроцесори. Паралелизъм в работата на процесора. Шината
ка
то основна среда за трансфер на данни и команд
и.
3. Въведение в паралелната обработка.
НеобходимосCISC и RISCпроцесори. Паралелизъм в работата на процесора. Шината като основна среда за трансфер на данни и команд
и
.
3. Въведение в паралелната обработка.
Необходимост
от п
а
р
алел
н
а обработка. Н
и
в
а
н
а п
аралелност. Модели на мащабируемостта. Класифи
кация на паралелните компютри. Разпределена обработка.
4. Конвейерно изпълнение на командите в п
роцес
о
ра.
Осн
овни

принципи на работата на конвейера. Междукома
ндни зависимости - с
9
.

Архитектура на паметта в паралелните компютри.
Вер
т
и
к
ал
н
а (йерархична) организаци
я
н
а паметта . Хоризонтална организация на паметта. Рабо
та н
а к
еш п
аметта.
10. Архитектура на дисковата памет.
ВъведВертикална (йерархична) организация на паметта . Хоризон
тал
на организация на паметта. Работа н
а кеш паметта.
10. Архитектура на дисковата памет.
Въведение. Характеристики на работното натоварване. Дискови матрици. Масиви от дискове с излишъ
к –
основни положения, нива на RAID. Сравнение ме
жду различните нива. Архитектура на контролерите. Архитектура на дисковата памет в компютрите с разпределена памет.

дисковата памет.
Въведение. Характеристики на работн
ото н
а
т
овар
в
ане. Дискови м
а
т
р
иц
и.
Масиви от дискове с излишък – основниВъведение
. Характеристики на работното натоварване. Дискови матрици. Масиви от дискове с излишък – основн
и пол
о
жения,
нива

на RAID. Сравнение между различните нива. Ар
хитектура на контроле
•

с
истемни програми (програми за редактиране, сортиров
к
а
,
о
б
новяване на информацията
и
д
р.).
Нива 2, 3 и 4 разграничават определени нива вът
ре в
пр
огра
мното осигуряване. Те нямат общоприети наименования. Ето защо те се наричат обобщено “архитектура на прогр
амн
ото осигуряване”. Ниво 2 това са тр
анслаторите; ниво 3 включва реализацията на такива функции като управлението нНива 2, 3 и 4 разграничават определени нива вътре в програмното осигу
ряв
ане. Те нямат общоприети наименования. Ето защ
о те се наричат обобщено “архитектура на програмното осигуряване”. Ниво 2 това са транслаторите; ниво 3 включва реализацията на такива функции като управлението на ба
з
ата данни, файловете, виртуалната памет, мрежовата т
елеоб
р
а
ботк
а
и т.н.; ниво
4

–
у
пра
влението на външната и оперативната памет, вът
решните процеси протичащи в системата и т.н.
на ко
н
венцион
ален

(последователен) компютър.
границата между сист
Н
Н
иво 5 отразява границата между системното програмно

о
с
иг
у
ряване (операционната сис
те
м
а) и апаратното осигуряване. Това ниво позволява да с
е пр
едс
тави
физическата структура на компютъра независимо от способа на реализация.
Разграничаване на функциите, изпъ
лня
вани по-нагоре или по-надолу от тов
а ниво е една от съставните части при разработката на компютърната архитектура.
Ниво 6 представлява интерфейса на микропрограмното управление, пон
еже
функциите на всеки процесор и контролер на въ
ншно устройство могат да бъдат разпределени между микропрограмите и комбинационните схеми, и последователността от логически схеми. Ниво 6 отразява съгласуването на п
о
тока данни и управляващите сигнали с формата на микр
окома
н
д
ите.

Много често ни
в
о

6
и н
иво 8 се наричат архитектура на процесора или
организация на процесора.
Ниво 7 отразява какви функции реализира централния процесор, изпълняв
ащите
Р
азграни
чава
н
е на функциите, изпълнявани по-нагоре или по
-надолу от това ниво
2
2
. Особености в архитектурата на съвременните компют
р
и
.
C
I
SC и RISCпроцесори. Парал
ел
и
зъм в работата на процесора. Шината като основна сред
а за
тр
ансф
ер на данни и команди.: Независимо от голямото разнообразие на компютърни архитектури, всички те се базира
т н
а принципи, предложени от Джон фон
Нойман още в началото на 40 години на миналия век. Тези принципи са:
• принцип на програмното управление;
• принцип на съхраняването на програми
в п
аметта.
Независимо от развитието на технологи
ята на производство и на програмирането през всичките близо 60 години, тези принципи остават същите (разбира се допълнени), и днес продължават да бъдат ръководно нача
л
о.
Основните отличия засягащи архитектурата на съвре
менни
т
е
ком
п
ютри могат да
с
е

ре
зюм
ират по следния начин:
• Широко използване на
процесори с RISC архитектура;
• Масово използване на паралелна обработка на различни нива;
•
Изпол
з
ване на
шин
а
та като основна среда за трансфер на информа
цията в компютъра.
Н
Н
е

във всички RISC – процесори, по една или друга прич
и
н
а
,
с
е реализират и четирите и
зи
с
квания едновременно. Най-често се нарушават изисквани
я а)
и
б).
Изисквания а) и б) позволяват да се изключат ред сложни проблеми, стоящи пред проектантите на апаратната
час
т и на компилатора. Освен това се о
простява управлението на процесора. Като следствие на това площта, която заема управляващото устройство върху кристала намалява значително. Като до
пъл
нително предимство може да се посочи намаляван
ето на времето за разработка на управляващото устройство – средно два пъти.
Възможно е да се използват по сходен начиИзисквания а) и б) позволяват да се изключат ред

сложни проблеми, стоящи пред проектантите на апаратн
ата ч
а
с
т и
н
а компилатора.

О
с
ве
н т
ова се опростява управлението на процесора. Ка
то следствие на това площта, която заема управляващото устройство върху кристала намалява значит
елно.

Като до
пълн
и
телно предимство може да се посочи намаляван
ето на времето за раз
ФигФФиг.2-1. Йерархична организация на шината Бл
а
г
о
да
р
ение на това на екрана на
м
о
нитора може да се изведе пълноцветно изображение с но
рмал
на
скор
ост и висока разделителна Б
Б
л
а
годарение на това на екрана на монитора може да се
и
з
в
ед
е
пълноцветно изображение
с
н
ормална скорост и висока разделителна способност с мн
ожес
тво
про
зорци. Освен това, така се осигурява включването на допълнителни платки, които се конфигурират автоматично
.
В съвременните персонални компютри,
посочената на фиг.2-1 йерархична организация на шината намира практическа реализация чрез чипсета на компютъра и по-специално чрез северния мост к
ъм
който се включват бързо-действащите компоненти
(процесор, памет и графична карта) и южния мост към който се включват останалите компоненти – външната памет, клавиатура, мишка и т.н.
От 2004 г. е въведена усъвърш
е
нстваната реализация на PCI шината, известна като PC
I-Exp
r
e
ss.
3. Въведение
в

п
ар
але
лната обработка. Необходимост от паралелна обр
аботка. Нива на паралелност. Модели на мащабируемостта. Класификация на паралелните компютри. Ра
зпред
е
лена об
рабо
т
ка.:
3.1. Необходимост от паралелна обработ
ка: Исторически погле
•

Н
а ниво програми. Тук паралелизъм е възможно да се р
е
а
л
из
и
ра също на две поднива.
а)

Между частите на програмите (подпрограмите).
б) В гр
аниц
ите
на
оператора за цикъл.
И в двата случай за реализацията е необходимо компютър с няколко процесора, всеки от
кой
то изпълнява свой набор команди. Пр
оцесорите могат да взаимодействуват помежда) Между частите на програмите (подпрограмите).
б) В границите на оператора за цикъл.
И в двата случай
за
реализацията е необходимо компютър с няколко п
роцесора, всеки от който изпълнява свой б) В границите на оператора за цикъл.
И в двата случай за реализацията е необходимо компютър с няколко процесора, всеки от ко
й
то изпълнява свой набор комИ в двата случай за реали
зация
т
а
е н
е
обходимо компю
т
ъ
р
с
ня
колко процесора, всеки от който изпълнява свой
набор команди. Процесорите могат да взаимодействуват помежду си или чрез общо поле на паметта и
ли чр
е
з обмен
съо
б
щения.
• На ниво команди. Това е възможно д
а стане между фазите
Ф
Ф
иг.3-2. Модел на производителността при фиксиран ра
з
м
е
р
н
а задачатаСпоред този м
од
е
л производителността расте основно до степен, която с
е оп
ред
еля
от задачата, по-точно от нейните възможности за паралелно решение, а не от броя използвани процесори.

3.3
.2.
Ограничение наССпоред този модел
производителността расте основно до степен, която се определя от задачата, по-точно от нейните възможности за паралелно решение, а не от броя изпол
зва
ни процесори.

3.3.2. Ограничение на задачата
по време.: През 1987 г. Barsis предлага алтернатива на закона на Amdahl.
При закона на Amdahl се предполага, че tp е независимо от N, което никога не е изпълнено. На

практика програмистът може да варира с броя стъпки п
о вре
м
е
, ст
ъ
пки в мрежата,

т
о
чн
ост
на решението и други параметри, с които да на
строи паралелната програма за изпълнение за предварително определено време. Следователно много п
о-реа
л
истично
е д
а
се приеме, че времето за изпълнение е конст
анта, отколкото разме
А
к
о
отново използваме означенията ts и tp, но дефинира
м
е

ts
+
tp=1 като време за изпълн
ен
и
е на задачата на паралелния компютър, то тогава време
то з
а о
браб
отка на последователния ще бъде ts+Ntp - фиг.3-3 и за S се получава:
нос
тта при фиксирано времеПо такъв н
ачин коефициентът на бързодействие расте с увеличаване на процесорите почти линейно. Например, ако P=1024 и ts=0.01 (както в горният случай), то S=
101
3.77 и Е=0.99.

3.4. Класификация на паралелн
ите компютри: Всяка класиф