Лекція 1ОБЧИСЛЮВАЛЬНІ ТА МІКРОПРОЦЕСОРНІ СИСТЕМИ

План1. Основні визначення.2. Архітектура обчислювальних систем.3. Принципи побудови та

функціонування обчислювальних систем.

4. Функціонування обчислювального пристрою.

2

Основні визначенняОбчислювальна техніка (ОТ) (computer science, computing machinery) – це:- систематизована сукупність наукових дисциплін і галузей техніки, що досліджує обчислювальні машини, принципи їхньої побудови і використання; - займається розробленням і тестуванням апаратних засобів для оброблення і зберігання інформації; - архітектури обчислювальних систем; - різні аспекти програмування, в тому числі питання розроблення і створення будь-якого програмного забезпечення; інформаційні структури; - мови програмування тощо. Електронна обчислювальна машина (ЕОМ), комп’ютер – комплекс технічних засобів, призначених для автоматизованого оброблення інформації в процесі розв’язання обчислювальних та інформаційних задач. Під обчислювальним пристроєм зазвичай розуміють будь-який пристрій оброблення цифрової інформації: електронна обчислювальна машина (ЕОМ), мікропроцесор, персональний комп’ютер (ПК), мікропроцесорна система тощо.

3

Основні визначенняОбчислювальна система (ОС) – це сукупність програм та технічних засобів, призначених для оброблення інформації. Архітектура обчислювальної системи – це загальна логічна організація обчислювальної системи, яка визначає процес оброблення даних у ній та поєднує методи кодування даних, структуру, призначення, принципи взаємодії технічних засобів і програмного забезпечення. Процесор – це функціональний пристрій, що забезпечує конкретне застосування сукупності команд. Мікропроцесор (МП) – це оброблювальний та керувальний цифровий пристрій, виконаний за технологією великих інтегральних схем (ВІС), який під програмним керуванням здатний виконувати оброблення інформації, а саме арифметичні та логічні операції, введення-виведення та зберігання інформації, а також приймати рішення.

4

Типи мікропроцесорів

За типом архітектури

МП з гарвардською архітектурою

МП з фоннейманівсь

кою архітектурою

5

За типом побудови мови програмування

CISC-процесори (Complete Instruction

Set Computing)

RISC-процесори (Reduced Instruction

Set Computing)

Мікропроцесорна системаМікропроцесорна система (МПС) – це багатофункціональна програмно-керована система обробки інформації, яка складається з підсистеми центрального процесора, підсистеми пам’яті та підсистеми введення-виведення, об’єднаних інформаційними каналами. Мікропроцесорні системи будують на мікропроцесорних комплектах і поділяють на:• керуючі МПС; • обчислювальні МПС; • контрольно-вимірювальні МПС; • МПС збирання даних.

6

Мікропроцесорна системаРізниця між обчислювальною системою та мікропроцесорною системою є тільки у масштабах розв’язуваних задач, кількості та складності обладнання. Класичним варіантом ОС є багатокомп’ютерний або багатопроцесорний комплекс.

7

Архітектура обчислювальних систем

За типом архітектури

Однорідні обчислювальн

і системиНеоднорідні

обчислювальні системи

8

За режимом роботи

Оперативні

Неоперативні

Багатопроцесорні обчислювальні системи

За способом організації обробки даних

Конвеєрні (магістральні) Векторні Матричні

9

Конвеєрні обчислювальні системи У конвеєрних багатопроцесорних системах кожен процесор одночасно виконує різні операції над послідовним потоком оброблюваних даних. За прийнятою класифікацією такі системи є системами з множинним потоком команд та поодиноким потоком даних (МКПД) – Multiple Instruction Single Data, MISD.

10

Векторні обчислювальні системи У векторних багатопроцесорних системах усі процесори одночасно виконують одну команду над різними даними – поодинокий потік команд з множинним потоком даних (ПКМД) – Single Instruction Multiple Data, SIMD.

11

Матричні обчислювальні системи У матричних багатопроцесорних системах кожний мікропроцесор одночасно виконує різні операції над послідовними потоками оброблюваних даних – множинний потік команд з множинним потоком даних (МКМД) – Multiple Instruction Multiple Data, MIMD.

12

Однопроцесорні системи У однопроцесорних системах мікропроцесор почергово виконує одну операції над одним набором оброблюваних даних – поодинока команда з поодиноким набором даних (ПКПД) – Single Instruction Single Data, SISD.

13

Принципи побудови та функціонування МПСМПС будується за принципами “трьох М” – модульності, магістральності та мікропрограмованості. Модулем називається функціонально, електрично та конструктивно завершений цифровий пристрій, який призначено для виконання задач певного типу: процесорний модуль, модуль пам’яті тощо.Модульний підхід спрощує процес проектування МПС.Магістральність забезпечує регулярність структури МПС, можливість масштабування, змінення конфігурації, мінімізує кількість зв’язків між окремими пристроями. Мікропрограмне керування може забезпечити найбільшу гнучкість у застосуванні МПС, але частіше використовують командний рівень керування через складність мікропрограмування.

14

Д1…Дm – блок датчиків, К1...Кp – блок керування.

15

Функціонування обчислювального пристроюУ 60-х роках минулого століття академік В. М. Глушков довів, що у будь-якому пристрої обробки цифрової інформації можна виділити операційний та керувальний блоки, що це є принцип декомпозиції обчислювального пристрою.

16

Операційний блок складається з регістрів, суматорів та інших пристроїв, які приймають із запам’ятовувального пристрою, зберігають операнди, виконують над ними операції та видають результати операції у запам’ятовувальний пристрій. У керувальний блок з операційного блоку надходять відомості про знак та інші особливості результату, наприклад, чи дорівнює він нулю тощо. Такі відомості називаються ознаки або прапорці F (від Flags) результату.

Функціонування обчислювального пристрою

17

Елементарна функціональна операція, що виконується за один такт, називається мікрооперацією. У деякі такти з керувального блоку можуть надходити кілька керувальних сигналів, які ініціюють виконання мікрокоманд у різних вузлах обчислювального пристрою. Сукупність мікрооперацій, які виконуються одночасно називається мікрокомандою.Послідовність мікрокоманд, які забезпечують виконання операції, називається мікропрограмою даної операції.Функціонування обчислювального пристрою може описуватись сукупністю мікропрограм, які в ньому реалізуються.

Функціональна схема обчислювального пристрою

18

Обчислювальний пристрій складається з п’яти блоків: арифметично-логічного пристрою А(ЛП) з надоперативним запам’ятовувальним пристроєм (НОЗП), який складається з регістрів, керувального пристрою (КП), підсистеми пам’яті (ЗП) та підсистеми введення-виведення (ПВВ-ПВИВ) і побудована за апаратно-програмним принципом. Апаратна частина виконує обмежений набір простих операцій під керуванням програмного забезпечення. Обмін інформацією між підсистемами здійснюється за допомогою шини даних (ШД), шини адреси (ША) та шини керування (ШК).

Функціональна схема обчислювального пристрою

19

Обчислювальний пристрій складається з п’яти блоків: арифметико-логічного пристрою А(ЛП) з надоперативним запам’ятовуючим пристроєм (НОЗП), який складається з регістрів, керувального пристрою (КП), підсистеми пам’яті (ЗП) та підсистеми введення-виведення (ПВВ-ПВИВ) і побудована за апаратно-програмним принципом. Апаратна частина виконує обмежений набір простих операцій під керуванням програмного забезпечення. Обмін інформацією між підсистемами здійснюється за допомогою шини даних (ШД), шини адреси (ША) та шини керування (ШК).

20