Языки описания вычислительных устройств.

Иерархия языков формального описания вычислительных устройств.

Формализация в описании - набор определенных правил, с помощью которых можно описать конфигурацию машин любого типа.

Иерархия языков:

1. Словесное описание. (Все уровни ЦВМ).

2. Электронные схемы: дифференциальные уравнения токов, напряжений в цепях электрических схем.

3. Комбинационные и последовательностные: аппарат теории функции алгебры логики.

4. Операционные узлы, элементы памяти, управляющие автоматы: язык микроопераций, язык функционального микропрограммирования (Я - язык).

5. Устройства вычислительных машин: языки MODUS, APL, LOTIS, CDL, Алгоритмик ...

6. Функционирование вычислительной машины: языки машинных команд, ассемблер, язык граф схем алгоритмов.

7. Описание вычислительных процессов в машинах: алгоритмические языки высокого уровня: C, Pascal, PL…

8. Функционирование вычислительной системы в условиях действия случайных процессов: язык моделирования GPSS.

9. Языки широкого использования (для 3, 4, 5, 6 - на уровне аппаратуры):

- Verylog (HDL - язык описания аппаратных средств),

- VHDL (VHSIC HDL),

- ABEL,

- MAST.

Такие языки обеспечивают:

а) структурное описание,

б) синтез,

в) поведенческое описание.

В иерархии существуют 2 уровня:

1. Эталонные языки (придумали разработчики языка), т. е. принципы языка не применительно к устройствам.

2. Машинно-ориентированные языки.

Подробнее смотрите в книгах:

Каган Б.М. "ЭВМ и системы", Майоров, новиков "Структурная организация ЦВМ".

Характеристики вычислительных машин и систем.

Характеристики – это качественные показатели, которые определяются составом структурных компонентов, их параметров, организации, влияющие на качество решения задач и использование вычислительных машин.

Характеристики

Внешние характеристики:

1. Быстродействие.

Быстродействие – скоростной параметр. Сейчас особенно остро стоят требования к высокоскоростной обработке информации. Два варианта решения проблемы:

- за более короткий интервал времени решить определенную задачу – это определяет быстродействие системы (компьютера),

- за более короткий интервал времени решить как можно больше задач.

Первый критерий автоматически приводит к выполнению второго, а выполнение второго не означает выполнение первого. Число задач, решаемых за интервал времени, когда интервал стремиться к бесконечности – производительность.

t_i

Частный случай производительности – быстродействие, когда m=1 (число задач), а Т стремится к минимуму. Быстродействие вычисляется как:

1.1 Среднее время выполнения операции системы команд компьютера:

t_i

n-количество операций, V₁ – быстродействие, t_i – время выполнения i – той операциисистемы команд.

1.2 Быстродействие характеризуется выполнением операции типа регистр – регистр.

Rg:=(Rg1)*(Rg2)

*- выполнимая короткая операция (обычно сложение).

Пример: ДВК – 3 быстродействие 300 тыс. операций в секунду.

Все вычислительные машины и системы имеют универсальную систему команд, которая позволяет решить практически любую задачу. С другой стороны все ЭВМ и системы проблемно ориентированы. Их система команд ориентирована на решение задач определенного класса и хуже решает задачи другого класса. Сравнение по быстродействию необходимо производить в некоторой области использования. В связи с этим вводится понятие быстродействие по Гибсону.

1.3 Быстродействие по Гибсону.

Гибсон создал список задач, который определяет:

- набор операций в составе задачи,

- частоту появления этой операции в этой задаче.

Сравнение быстродействия производиться для определенного класса задач из списка Гибсона.

t_i

m - количество операций в данном наборе, p_i – частота появления операции в задаче, t_{i –} время выполнения i – той операции.

Необходимо отличать номинальное (предельное) быстродействие от реального (эффективного). Разработчики вычисляют номинальное быстродействие.

Современные компьютеры IV,V поколений одновременно решают комплекс задач:

- обработка числа с фиксированной точкой,

- обработка числа с плавающей точкой,

- обработка графическую информацию,

- обработка изображения,

- обработка звука.

Фирма Intel предложила для оценки процессоров тест, получивший название i COMP. При его определении учитываются 4 главных аспекта производительности (без обработки звука). Данные имеют 16 и 32-х разрядное представление. В результате получают 8 параметров, каждый из которых при вычислении усредненного соотношения используется со своим весовым коэффициентом. Эти тесты представлены в виде таблиц. По индексу i COMP Pentium 100 имеет коэффициент 810, Pentium 133 – 1000. Эти тесты постоянно совершенствуются.

2. Эксплуатационные характеристики.

2.1 Время наработки на отказ.

2.2 Время восстановления (ремонта).

2.3 Оценка стоимости решения задачи (автор Глушков).

3. Точность.

Точность – способность компьютера различать почти равные значения. Требования к формату данных: ISO-2382/2-76.

4. Надежность.

Стандарт надежности ISO – 2382/14-78. У восстанавливаемых компьютеров надежность определяется средним временем безотказной работы, у неремонтируемых – наработкой на отказ. Для повышения надежности систем используются резервирование (три вычислителя одновременно решают одну задачу, а результаты сравниваются); используется тройной просчет и сравнение результатов.

Для оценки надежности используются параметры: Т_сбоя , Т_{отказа.}

5. Память.

Имеются в виду такие параметры, как: объем памяти, быстродействие, режимы доступа, тип ОП, КЭШ память (наличие, объем, способ организации), внешние ЗУ (жесткий диск: объем, скорость обмена между ОП и жестким диском), CDROM, FLASH, и т.д.

6. Шины.

ISA, EISA, MCA, PCI, AGP, SCSI (тактовая частота, разрядность шины).

Процессоры ЭВМ.

Процессор – устройство, предназначенное для автоматического выполнения аппаратно – микропрограммным способом набора операций, составляющих его систему команд.

Система команд:

F={f_{1 ,} f_{2 ,} …f_n},

где f_i ,i =1..n выполнимая микрооперация аппаратно – микропрограммным способом.

Все операции, входящие в в систему команд условно деляться на следующие группы:

1. Команды пересылки

- внутри микропроцессора (move)

- команды ввода/вывода (in, out)

2. Арифметические операции (*, /, -, +)

3. Логические операции

4. Операции передачи управления

- безусловная передача управления

- условная передача управления

5. Команды передачи управления

6. Команды управления (задача супервизора, выполнить асинхронные вычисления и т.д.)

7. Специальные команды (работа со списками, с цепочками данных, умножение со сложением, умножение с вычитанием)

Цикл работы процессора – действия процессора по исполнению одной команды. Он включает в себя:

1. Выборку фрагмента программы из ОП, распаковку команды и размещение ее в регистре команд.

2. Формирование исполнительного адреса операндов и проверка адреса на корректность.

3. Выбор операндов из ОП или регистровой памяти.

4. Выполнение операции указанной в операционной части команды (КОП).

5. Обработка прерывания.

6. Запись результата.

Действия по выполнению цикла работы процессора выполняются каждым процессором, но отличаются друг от друга, в зависимости от структуры и архитектуры компьютера. В отдельных процессорах составляющие цикла работы совмещены во времени.

1. Выбор команды:

зависит от длины слова ОП (L _ОП) и длины команды (L_К).

А) L _ОП = L_{К ,} то за одно обращение выбирается одна команды (машины спец. назначения).

Б) L _ОП < L_К, то необходимы несколько обращений к ОП.

В) L _ОП > L_К, выбирается за одно обращение фрагмент программы. Необходимо одно или два обращения для выборки одной команды, что снижает быстродействие. Чтобы сократить количество обращений к ОП в процессорах используют:

- буферные регистры,

- выравнивают адреса команд по целочисленной границе байтов,

- КЭШ команды. В КЭШ расположен фрагмент программы. Обращение идет не к ОП, а к КЭШ, что увеличивает быстродействие (Pentium II – 16 КБ Кэш данных, 16 КБ – КЭШ команд),

- симулятивное использование команд. Это опережающий просмотр программы, глубина просмотра Pentium – 128 команд, Pentium II – 1024 команды. Просматриваются результаты выполнения этих команд определяются условия перехода, в регистр очереди команд загружается та ветвь программы, которая подлежит исполнению с учетом результатов команд переходов условных и безусловных.

2. Формирование исполнительного адреса:

Исполнительный адрес формируется с учетом всех возможных способов адресации процессора.

В III поколении процессоров исполнительный адрес равен физическому.

ЕА:=(Х) + (В) + Д

Х, В – адреса РОНов, где хранятся операнды (Х- индекс, В –база, Д - смещение). Нулевые адреса Х, В означают, что данные компоненты отсутствуют при формировании ЕА – исполнительного адреса.

В IV поколении процессоров имеет место фрагментация памяти.

перемещающий загрузчик.

Для борьбы с фрагментацией:

1. Осуществляется управление памятью через дискрипторные таблицы.

2. Вся ОП делиться на сегменты размером от 16 КБ, после i 486 сегмент переменного размера (от 1 байта то всего размера ОП).

Физический адрес: ЕА формируется, используя все способы адресации микропроцессора (прямая, индексная, коственная и др.) Имея ЕА формируется линейный адрес ЛА:=ЕА + смещение

Процессоры IV поколения работают в 3 – режимах: реальный, защищенный, виртуальный. Для реального и защищенного ЛА= физическому, для виртуального вырабатываются 4 линейных адреса – виртуальные адреса, можно переключаться между 4 –мя областями памяти.

3. Выборка операндов:

Физические адреса всегда указывают только адрес начального байта операнда, с которого выбирается фиксированная единица информации (2, 4, 8, 16 байт). Сколько байтов подлежат выборке определяется полем признака команды. Отчет байтов ведется в машинах III поколения слева направо, в IV - справа налево.

4. Выполнение операции:

Осуществляется по разному.

5. Обработка прерываний:

При выполнении микропрограмм возникают особые случаи: переполнение разрядной сетки, неправильная адресация, неправильная спецификация и т. д. По ним выполнение текущей команды не имеет смысла. Необходимо прервать вычислительный процесс и поскольку организуется мультипрограммная работа необходимо передать управление команде другой программы. Текущее слово состояния ССП (PSW) записывается в ОП, а из ОП выбирается новое ССП. Процесс вычисления продолжается. Сведения по прерыванию выводятся либо на печать, либо на экран монитора. Обычно вдается код прерывания. В ЭВМ IV поколения расписывается, что по этому коду случилось. Прерывания могут остановить процесс выполнения команды, если предусмотрена возможность устранения прерывания на микропрограммном уровне.