К. Хамахер, З. Вранешич, С. Заки - Организация ЭВМ - 5-е издание (2003), страница 4

Но для тех, кто с ней не знаком, приводится довольно обстоятельное приложение. Мы, авторы книги, имеем немалый опыт преподавания, в частности такого предмета, как устройство компьютеров, студентам, обучающимся по специальностям: электротехника, компьютерные науки и компьютерная инженерия, а также специализирующимся в области разработки программного обеспечения.

К вопросам подбора и изложения материала мы всегда подходили с практической точки зрения. Работая над настоящим изданием, мы старались проиллюстрировать важнейшие аспекты устройства компьютеров примерами, взятыми нз документации по реальным коммерческим компьютерным системам. Большая часть примеров иллюстрирует работу вычислительных систем на базе процессоров АКМ, Могого1а 880ХО, 1пЫ1 Репою и Бпп П1ФгаБРАКС. Важно понимать, что процесс разработки компьютерных систем не укладывается в простую схему применения оптимальных алгоритмов. Многие инженерные решения основываются на эвристических предположениях и практическом опыте.

При их принятии учитывается соотношение стоимости и производительности, с одной стороны, а также сложности аппаратного и программного обеспечения — с другой, причем диапазон альтернативных вариантов очень широк. Все эти аспекты и соображения мы хотим донести до читателя. Подробно освещая многие вопросы, казалось бы даже очевидные, мы старались вызвать у студентов интерес к углубленному изучению темы и показать, как много может быть скрыто за простыми, на первый взгляд, положениями. Этой цели как раз и служат предлагаемые нами реальные, подробно документированные примеры.

Одним из наиболее эффективных способов изучения структуры и организации компьютеров традиционно считается рассмотрение блок-схем. Однако если изложение материала будет основано только на общем анализе блок-схем, у читателя сложится чересчур упрощенное представление об обсуждаемых вопросах. Поэтому мы сопровождаем описание каждой блок-схемы подробным рассказом о нескольких альтернативных способах ее реализации.

20 Предисловие Книга рассчитана на изучение предмета в течение одного семестра в сочетании с другими курсами технических и компьютерных наук. Она будет полезна для студентов, изучающих как аппаратную составляющую компьютера, так и программную. И хотя основное внимание уделяется в первую очередь аппаратному обеспечению, мы рассмотрим и многие вопросы программирования. В частности, речь пойдет об основах построения компиляторов и операционных систем, о проблемах, связанных с эффективностью выполнения команд, координированием параллельных операций на системном уровне и работой приложений, функционирующих в реальном масштабе времени. Любому специалисту необходимо понимать принципы взаимодействия аппаратного и программного обеспечения, знать критерии поиска оптимального баланса между двумя составляющими компьютерной системы. Содержание книги Ниже перечислены основные вопросы, затронутые в каждой из глав книги.

Сначала (первые восемь глав) рассматриваются основные устройства и принципы функционирования компьютеров, а также методы и средства оценки их производительности. Четыре последние главы посвящены встраиваемым системам, периферийным устройствам, семействам процессоров и большим компьютерным системам. В главе 1 студенты познакомятся с аппаратным и программным обеспечением компьютеров.

Здесь вводятся те термины, которыми мы будем оперировать и которые будут определены более точно по ходу изложения соответствующей темы. В частности, в данной главе рассматриваются основные функциональные элементы компьютера и рассказывается, как они объединяются в единую систему, а также освещается роль системного программного обеспечения, перечисляются базовые аспекты оценки его эффективности и производительности.

Кроме того, глава содержит краткий экскурс в историю разработки и создания компьютеров. Глава 2 посвящена таким вопросам, как машинные команды, технологии адресации и порядок выполнения команд. Вводится понятие арифметики дополнений до двух, без понимания которого невозможно обсуждение процесса формирования исполнительных адресов. При обсуждении циклов, подпрограмм, принципов элементарного программирования ввода-вывода, сортировки и операций со связными списками используются примеры программ на уровне машинных команд, написанные на универсальном языке ассемблера.

Глава 3 иллюстрирует рассмотренные в главе 2 концепции конкретными примерами их реализации на основе трех коммерческих процессоров: АКМ, Могого1а 68000 и Репс1пщ. В основу процессора АКМ положена архитектура 818С, процессора Могого1а 68000 — архитектура С1ЯС, а в процессоре Репг1шп реализована наиболее успешная в коммерческом отношении архитектура, которая объединяет элементы двух предыдущих архитектур, являющихся базовыми. Материал главы разделен на три независимые части.

В каждой из них содержатся все примеры из главы 2, реализованные в контексте конкретного процессора. Поэтому достаточно прочесть только одну из трех частей. Если курс сопровождается лабораторными Предисловие 21 экспериментами с использованием одного из трех процессоров, параллельно изучению главы 2 можно изучать соответствующую часть главы 3.

Организации ввода-вывода посвящена глава 4. В ней рассматриваются способы синхронизации передаваемых данных и ряд сложных структур ввода-вывода, подробно освещаются механизмы обработки прерываний, в том числе роль программных прерываний в работе операционной системы, и технология прямого доступа к памяти, описываются протоколы и стандарты шин (на примерах шин РС1, 5С51 и 115В) Микросхемы памяти, и в частности 51)ВАМ, ВатЬпз, флэш-память, обсуждаются в главе 5.

Рассматриваются такие способы расширения полосы пропускания основной памяти, как использование кэш-памяти и систем памяти, состоящих более чем из одного модуля. Особенно подробно обсуждается технология кэширования, включая возможности повышения ее эффективности. Кроме того, описываются системы виртуальной памяти, механизмы управления памятью и методы быстрого преобразования адресов. Как отдельные компоненты системы памяти рассматриваются магнитные и оптические диски. В главе 6 речь пойдет об арифметическом устройстве компьютера.

Здесь анализируется логическая архитектура аппаратного обеспечения, выполняющего сложение, вычитание, умножение и деление чисел с фиксированной запятой, описываются операции дополнения до двух. Мы также поговорим о принципах функционирования сумматоров с параллельным переносом и высокоскоростных умножителей, в том числе рассмотрим алгоритм Буга с перекодировкой множителя н алгоритм сложения с сохранением переноса. Представление чисел с плавающей запятой производится в контексте стандарта 1ЕЕЕ, даны примеры выполнения операций с такими числами. Глава 7 начинается с рассмотрения процесса выборки команд и их выполнения процессором на уровне пересылки данных между регистрами.

Далее рассказывается о реализации процессора на уровне аппаратного обеспечения и микро- программирования. В главе 8 подробно рассказывается об использовании технологий конвейерной обработки команд и о применении некоторых исполнительных блоков в архитектуре высокопроизводительных процессоров. Освещается роль компиляторов н связь между конвейерным выполнением и структурой набора команд.

Обсуждаются суперскалярные процессоры, принципы построения которых объясняются на примере процессора 1Лтга5РАКС П от 5ип М1сгозузтешз. В настоящее время существует гораздо больше процессоров для встраиваемых систем, чем процессоров для компьютеров общего назначения. В них на одной микросхеме интегрированы функции процессора, подсистемы ввода-вывода и таймера, необходимые широчайшему диапазону недорогих устройств. Такие процессоры описаны в главе 9. Кроме того, здесь обсуждаются вопросы системной интеграции, межкомпонентных соединений и программного обеспечения, функционирующего в режиме реального времени.

В главе 10 рассматриваются периферийные устройства и способы их подключения к компьютерам. В ней также описываются типичные устройства ввода-вывода и аппаратное обеспечение, необходимое для поддержки компьютерной графики, наиболее распространенные коммуникационные соединения. Основная тема главы 11 — эволюция процессорных семейств АКМ, Могого1а и 1пге1. Здесь освещаются произошедшие в структуре этих процессоров изменения, направленные на повышение их быстродействия, рассматриваются процессоры Ров егРС, БРАКС, А1рЬа и 1пте! 1А-84.

В главе 12 от знакомства с устройством отдельных компьютеров мы перейдем к научению архитектуры больших систем, где задействуется множество одновременно работающих процессоров. В этой связи будут, в частности, рассмотрены сети, используемые для соединения элементов мультипроцессорных устройств, и технологии синхронизации кешей. Описываются архитектуры систем с общей памятью и с передачей сообщений. Изменения в пятом издании При подготовке пятого издания этой книги в ее содержание и структуру был внесен ряд изменений.

Перечислим наиболее существенные из них. + Глава 2 четвертого издания теперь разделена на две части: главы 2 и 3. В главе 2 описываются универсальные команды с примерами типичных задач — как связанных с различного рода вычислениями, так и не требующих каких-либо расчетов. В главе 3 представлены наборы команд процессоров АКМ, Мового!а 68000 и Репглип, демонстрирующие реализацию базовых концепций двух архитектур: К1БС и С1БС. + Более подробно рассматривается роль технологий конвейерной обработки команд и возможность использования нескольких исполнительных блоков в архитектуре процессоров, В качестве примера, демонстрирующего применение этих технологий с целью повышения производительности, представлена архитектура процессора ШггаБРАКС. + Добавлена новая глава о встраиваемых процессорных системах.

В качестве основы для примеров используется обобщенная структура типичной системы. Кроме того, в книгу внесено множество других, менее значительных изменений и дополнений, связанных с самыми последними технологическими и архитектурными нововведениями. Что можно изучить за один семестр Как уже было отмечено, эта книга рекомендуется в качестве учебного пособия для студентов компьютерных специальностей по курсу организации вычислительных систем. Здесь содержится более чем достаточно материала, предназначенного для изучения в течение одного семестра.

Основная информация изложена в главах 1-8. Для тех, кто еще не знаком с методами синтеза логических схем, в приложении А приведен базовый материал по этой теме. Студентам необходимо с ним ознакомиться в начале курса или хотя бы до того, как они приступят к изучению материала главы 4. Главы 9-12 также содержат много полезного материала, из которого преподаватель может выбрать дополнительные темы, если позволит время, Особенно желательно найти время для анализа встраиваемых систем, о которых рассказывается в главе 9, а также для обсуждения рассмотренного в главе 10 аппаратного обеспечения, имеющегося в большинстве современных персональных компьютеров.