Архитектура ЭВМ и вычислительных систем. Максимов Н.В. и др

АРХИТЕКТУРА ЭВМ И СИСТЕМ

конспект лекций

Основные характеристики ЭВМ. Общие принципы построения современных ЭВМ. Общие сведения и классификация устройств памяти. Архитектурная организация процессора ЭВМ. Структура машинной команды. Способы адресации. Особенности архитектур микропроцессоров. Архитектура суперскалярных микропроцессоров. Принципы организации системы прерывания программ. Классификация вычислительных систем.

Источник /file/14319/

Лекция 1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И АРХИТЕКТУРА ЭВМ

1.1. Основные характеристики ЭВМ

Электронная вычислительная машина - комплекс технических и про-граммных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и реше-ния задач пользователей.

Структура - совокупность элементов и их связей. Различают структуры технических, программных и аппаратурно-программных средств.

Архитектура ЭВМ - это многоуровневая иерархия аппаратурно-про-граммных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уров-ней определяет особенности структурного построения ЭВМ.

Одной из важнейших характеристик ЭВМ является ее быстродействие, которое характеризуется числом команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду. Поскольку в состав команд ЭВМ включаются операции, различные по дли-тельности выполнения и по вероятности их использования, то имеет смысл характеризовать его или средним быстродействием ЭВМ, или предельным (для самых «коротких» операций типа «регистр-регистр»). Современные вычислительные машины имеют очень высокие характеристики по быстро-действию, измеряемые сотнями миллионов операций в секунду. Например, новейший микропроцессор Merced, со-вместного производства фирм Intel и Hewlett-Packard, обладает пиковой производительностью более миллиарда операций в секунду.

Другой важнейшей характеристикой ЭВМ является емкость запо-минающих устройств. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти. В настоящее время персональные ЭВМ теоретически могут иметь ем-кость оперативной памяти 768Мбайт (chipset BX). Этот пока-затель очень важен для определения, какие программные пакеты и их прило-жения могут одновременно обрабатываться в машине.

Надежность - это способность ЭВМ при определенных условиях выпол-нять требуемые функции в течение заданного периода времени. Например, у современных HDD среднее время наработки на отказ достигает 500 тыс.ч. (около 60 лет).

Точность - возможность различать почти равные значения. Точность получения результатов обработки в основном оп-ределяется разрядностью ЭВМ, а также используемыми структурными еди-ницами представления информации (байтом, словом, двойным словом). С помощью средств программирования языков высокого уровня этот диапазон может быть увеличен в несколько раз, что позволяет достигать очень высокой точности.

Достоверность - свойство информации быть правильно воспринятой. Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных ре-зультатов. Заданный уровень достоверности обеспечивается аппаратурно-программными средствами контроля самой ЭВМ. Возможны методы контроля достоверности путем решения эталонных задач и повторных расчетов. В особо ответственных случаях проводятся контрольные решения на других ЭВМ и сравнение результатов.

1.2.Классификация средств ЭВТ

Тради-ционно электронную вычислительную технику (ЭВТ) подразделяют на аналоговую и цифровую. Редкие образцы аналоговой ЭВТ используются в основном в проектных и научно-исследовательских учреждениях в составе различных стендов по отработке сложных образцов техники. По своему назначению их можно рассматривать как специализиро-ванные вычислительные машины.

То, что 10-15 лет назад считалось современной большой ЭВМ. в настоя-щее время является устаревшей техникой с очень скромными возможностя-ми. В этих условиях любая предложенная классификация ЭВМ очень быст-ро устаревает и нуждается в корректировке. Например, в классификациях десятилетней давности широко использовались названия мини-, миди- и микроЭВМ, которые почти исчезли из обихода.

Академик В.М. Глушков указывал, что существуют три глобальные сфе-ры деятельности человека, которые требуют использования качественно раз-личных типов ЭВМ.

Первое направление является традиционным - применение ЭВМ для ав-томатизации вычислений.. Отличительной осо-бенностью этого направления является наличие хорошей математической основы, заложенной развитием математических наук и их приложений. Пер-вые, а затем и последующие вычислительные машины классической струк-туры в первую очередь и создавались для автоматизации вычислений.

Вторая сфера применения ЭВМ связана с использованием их в системах управления. Она родилась в 60-е годы, когда ЭВМ стали внедряться в контуры управления автоматических и автоматизирован-ных систем. Математическая база этой сферы была создана в течение последующих 15-20 лет. Новое применение вычислительных машин потребовало видоизменения их структуры. ЭВМ, используемые в управлении, должны были не только обеспечивать вычисления, но и автоматизировать сбор данных и рас-пределение результатов обработки.

Третье направление связано с применением ЭВМ для решения задач ис-кусственного интеллекта. Напомним, что задачи искусственного интеллекта предполагают получение не точною результата, а чаще всего осредненного в статистическом, вероятностном смысле. Примеров подобных задач много: задачи робототехники, доказательства теорем, машинного перевода текстов с одного языка на другой, планирования с учетом неполной информации, со-ставления прогнозов, моделирования сложных процессов и явлений и т.д. Это направление все больше набирает силу. Во многих областях науки и тех-ники создаются и совершенствуются базы данных и базы знаний, экспертные системы. Доя технического обеспечения этого направления нужны качествен-но новые структуры ЭВМ с большим количеством вычислителей (ЭВМ или процессорных элементов), обеспечивающих параллелизм в вычислениях. По существу, ЭВМ уступают место сложнейшим вычислительным системам.

Еще один класс наиболее массовых средств ЭВТ - встраиваемые микропроцессоры. Успехи микроэлектроники позволяют создавать миниатюрные вычислительные устройства, вплоть до одно-кристальных ЭВМ. Эти устройства, универсальные по характеру применения, могут встраиваться в отдельные машины, объекты, системы. Они находят все большее применение в бытовой технике (телефонах, телевизорах, электрон-ных часах, микроволновых печах и т.д.), в городском хозяйстве (энерго-, теп-ло- , водоснабжении, регулировке движения транспорта и т.д.), па производ-стве (робототехнике, управлении технологическими процессами). Постепенно они входят в нашу жизнь, все больше изменяя среду обитания человека.

Таким образом, можно предложить следующую классификацию средств вычислительной техники, в основу которой положено их разделение по быс-тродействию,

СуперЭВМ длярешения крупномасштабных вычислительных задач. для обслуживания крупнейших информационных банков данных.

Большие ЭВМ для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров.

Средние ЭВМ широкого назначения для управления сложными техно-логическими производственными процессами. ЭВМ этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой инфор-мации в качестве сетевых серверов.

Персональные и профессиональныеЭВМ, позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня.

Встраиваемые микропроцессоры, осуществляющие автоматизацию уп-равления отдельными устройствами и механизмами.

1.3. Общие принципы построения современных ЭВМ

Основным принципом построения всех современных ЭВМ является про-граммное управление. В основе его лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений. Стандартом для пост-роения практически всех ЭВМ стал способ, описанный Дж. фон Нейманом в 1945 г. при построении еще первых образцов ЭВМ. Суть его заключается в следующем.

Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управля-ющих слов-команд. Каждая команда содержит указания на конкретную вы-полняемую операцию, место нахождения операндов (адреса операндов) и ряд служеб-ных признаков. Операнды - переменные, значения которых участвуют в опе-рациях преобразования данных. Список (массив) всех переменных (входных данных, промежуточных значении и результатов вычислений) является еще одним неотъемлемым элементом любой программы.

Для доступа к программам, командам и операндам используются их ад-реса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ, предназна-ченных для хранения объектов. Различные типы объектов, размещенные в памяти ЭВМ, идентифицируются по контексту.

Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. Например, в каждой команде программы различают поле кода операций, поле адресов операндов. Применительно к числовой инфор-мации выделяют знаковые разряды, поле значащих разрядов чисел, старшие и младшие разряды.

Последовательность, состоящая из определенного принятого для дан-ной ЭВМ числа байтов, называется словом.

Рис. 1.1. Структурная схема ЭВМ первого и второго поколений

В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВв), с помо-щью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и дан-ные к ним. Введенная информация полностью или частично сначала запоми-нается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длитель-ного хранения информации, где преобразуется в файл. При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления (УУ).

Устройство управления предназначается для автоматического выполне-ния программ путем принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ. Цепи сигналов управления показаны на рис. 1.1 штриховыми линия-ми. Вызываемые из ОЗУ команды дешифрируются устройством управления: определяются код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

В зависимости от количества используемых в команде операндов разли-чаются одно-, двух-, трех-, четырех- адресные и безадресные команды. В одноадресных командах указывается, где находится один из двух обрабатываемых операн-дов. Второй операнд должен быть помещен заранее в арифметическое уст-ройство.

Двухадресные команды содержат указания о двух операндах, размещае-мых в памяти (или в регистрах и памяти). После выполнения команды в один из этих адресов засылается результат, а находившийся там операнд теряется.

В трехадресных командах обычно два адреса указывают, где находятся исходные операнды, а третий - куда необходимо поместить результат.

В безадресных командах обычно обрабатывается один операнд, который до и после операции находится на одном из регистров арифметико-логичес-кого устройства (АЛУ). Кроме того, безадресные команды используются для выполнения служебных операций (запрет прерывания, выход из подпрограммы и др.).

Все команды программы выполняются последовательно, команда за ко-мандой, в том порядке, как они записаны в памяти ЭВМ (естественный поря-док следования команд) или если команда четырех- адресная (характерно для первых ЭВМ) адрес следующей команды находится в поле четвертого операнда. Этот порядок характерен для линейных программ, т.е. программ, не содержащих разветвлений. Для организации ветвлений ис-пользуются команды, нарушающие естественный порядок следования команд. Отдельные признаки результатов r (r = 0, r < 0, r > 0 и др.) устройство управ-ления использует для изменения порядка выполнения команд программы.

АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др. Оно каждый раз перенастраивается на выполнение очередной операции. Резуль-таты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего ис-пользования на одном из регистров АЛУ или записываются в память. Ре-зультаты, полученные после выполнения всей программы вычислений, пере-даются на устройства вывода (УВыв) информации. В качестве УВыв могут использоваться экран дисплея, принтер, графопостроитель и др.

Современные ЭВМ имеют достаточно развитые системы машинных опе-раций. Например, ЭВМ типа IBM PC имеют около 200 различных операций (170 - 300 в зависимости от типа микропроцессора). Любая операция в ЭВМ выполняется по определенной микропрограмме, реализуемой в схемах АЛУ со-ответствующей последовательностью сигналов управления (микрокоманд). Каж-дая отдельная микрокоманда - это простейшее элементарное преобразование дан-ных типа алгебраического сложения, сдвига, перезаписи информации и т.п.

Уже в первых ЭВМ для увеличения их производительности широко при-менялось совмещение операций. При этом последовательные фазы выполне-ния отдельных команд программы (формирование адресов операндов, вы-борка операндов, выполнение операции, отсылка результата) выполнялись отдельными функциональными блоками. В своей работе они образовывали конвейер, а их параллельная работа позволяла обрабатывать различные фазы целого блока команд. Этот принцип получил дальнейшее развитие в ЭВМ следующих поколений. Но все же первые ЭВМ имели очень сильную централизацию управления, единые стандарты форматов команд и данных, «жесткое» построение циклов выполнения отдельных операций, что во многом объясняется ограниченными возможностями используемой в них элементной базы. Центральное УУ обслуживало не только вычислительные операции, но и операции ввода-вывода, пересылок данных между ЗУ и др. Все это позволяло в какой-то степени упростить аппаратуру ЭВМ, но сильно сдерживало рост их производительности.

В ЭВМ третьего поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и ее обработки (рис. 1.2).

Сильносвязанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор, г.е. устройство, предназначенное для обработки данных. В схеме ЭВМ по-явились также дополнительные устройства, которые имели названия: процессоры ввода-вывода, устройства управления обменом информацией, кана-лы ввода-вывода (КВВ). Последнее название получило наибольшее распрос-транение применительно к большим ЭВМ. Здесь наметилась тенденция к децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств. что позволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом.

Рис. 1.2. Структурная схема ЭВМ третьего поколения

Среди каналов ввода-вывода выделяли мультиплексные каналы, способ-ные обслуживать большое количество медленно работающих устройств вво-да-вывода (УВВ). и селекторные каналы, обслуживающие в многоканаль-ных режимах скоростные внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

В персональных ЭВМ, относящихся к ЭВМ четвертого поколения, про-изошло дальнейшее изменение структуры (рис. 1.3). Они унаследовали ее от мини-ЭВМ.

Рис. 1.3. Структурная схема ПЭВМ

Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помо-щью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее еще более децентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.

Ядро ПЭВМ образуют процессор и основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). ПЗУ предназначается для постоянного хранения программ первоначального тестирования ПЭВМ (POST) и загрузки ОС. Подключение всех внешних устройств (ВнУ), дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ и других обеспечивается через соответ-ствующие адаптеры - согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств или контроллеры - специальные устройства управления периферийной ап-паратурой. Контроллеры в ПЭВМ играют роль каналов ввода-вывода. В ка-честве особых устройств следует выделить таймер - устройство измерения времени и контроллер прямого доступа к памяти (КПД) - устройство, обес-печивающее доступ к ОП, минуя процессор.

Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие эле-менты, которые являются общим стандартом структур современных ЭВМ:

модульность построения, магистральность, иерархия управления.

Модульность построения предполагает выделение в структуре ЭВМ достаточно автономных, функционально и конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком Mai-нитном диске).

Модульная конструкция ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию. К ЭВМ можно подключать дополнитель-ные устройства, улучшая ее технические и экономические показатели. Появ-ляется возможность увеличения вычислительной мощности, улучшения струк-туры путем замены отдельных устройств на более совершенные, изменения и управления конфигурацией системы, приспособления ее к конкретным усло-виям применения в соответствии с требованиями пользователей.

В современных ЭВМ принцип децентрализации и параллельной работы распространен как на периферийные устройства, так и на сами ЭВМ (про-цессоры). Появились вычислительные системы, содержащие несколько вы-числителей (ЭВМ или процессоры), работающие согласованно и параллель-но. Внутри самой ЭВМ произошло еще более резкое разделение функций между средствами обработки. Появились отдельные специализированные процессоры, например сопроцессоры, выполняющие обработку чисел с пла-вающей точкой, матричные процессоры и др.

Все существующие типы ЭВМ выпускаются семействами, в которых различают старшие и младшие модели. Всегда имеется возможность замены более слабой модели на более мощную. Это обеспечивается информацион-ной, аппаратурной и программной совместимостью. Программная совмес-тимость в семействах устанавливается по принципу снизу-вверх, т.е. про-граммы, разработанные для ранних и младших моделей, могут обрабаты-ваться и на старших, но не обязательно наоборот.

Модульность структуры ЭВМ требует стандартизации и унификации оборудования, номенклатуры технических и программных средств, средств сопряжения - интерфейсов, конструктивных решений, унификации типовых элементов замены, элементной базы и нормативно-технической документа-ции. Все это способствует улучшению технических и эксплуатационных ха-рактеристик ЭВМ, росту технологичности их производства.

Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры ЭВМ. Централизованное управление осуществляет устройство управления главного, или центрального, процессора. Подключаемые к цент-ральному процессору модули (контроллеры и КВВ) могут, в свою очередь, использовать специальные шины или магистрали для обмена управляющи-ми сигналами, адресами и данными. Инициализация работы модулей обес-печивается по командам центральных устройств, после чего они продолжа-ют работу по собственным программам управления. Результаты выполнения требуемых операций представляются ими «вверх по иерархии» для правиль-ной координации всех работ.

По иерархическому принципу строится система памяти ЭВМ. Так, с точки зрения пользователя желательно иметь в ЭВМ оперативную память большой информационной емкости и высокого быстродействия. Од-нако одноуровневое построение памяти не позволяет одновременно удовлет-ворять этим двум противоречивым требованиям. Поэтому память современ-ных ЭВМ строится по многоуровневому, пирамидальному принципу.

В состав процессоров может входить сверхоперативное запоминающее устройство небольшой емкости, образованное несколькими десятками регис-тров с быстрым временем доступа (единицы нс). Здесь обычно хранятся дан-ные, непосредственно используемые в обработке.

Следующий уровень образует кэш-память. Она представляет собой буферное запоминающее устройство, предназначен-ное для хранения активных страниц объемом десятки и сотни Кбайтов. Вре-мя обращения к данным составляет 2-10 нс, при этом может использовать-ся ассоциативная выборка данных. Кэш-память, как более быстродействую-щая ЗУ, предназначается для ускорения выборки команд программы и обрабатываемых данных. Сами же программы пользователей и данные к ним размещаются в оперативном запоминающем устройстве (емкость - милли-оны машинных слов, время выборки 10-70 нс).

Часть машинных программ, обеспечивающих автоматическое управле-ние вычислениями и используемых наиболее часто, может размещаться в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). На более низких уровнях иерар-хии находятся внешние запоминающие устройства на магнитных носителях: на жестких и гибких магнитных дисках, магнитных лентах, магнитоопти-ческих дисках и др. Их отличает более низкое быстродействие и очень боль-шая емкость.

Организация заблаговременного обмена информационными потоками между ЗУ различных уровней при децентрализованном управлении ими по-зволяет рассматривать иерархию памяти как единую абстрактную виртуальную память. Согласованная работа всех уровней обеспечива-ется под управлением программ операционной системы. Пользователь имеет возможность работать с памятью, намного превышающей емкость ОЗУ.

Децентрализация управления и структуры ЭВМ позволила перейти к более сложным многопрограммным (мультипрограммным) режимам. При этом в ЭВМ одновременно может обрабатываться несколько программ пользова-телей.

В ЭВМ, имеющих один процессор, многопрограммная обработка явля-ется кажущейся. Она предполагает параллельную работу отдельных устройств, задействованных в вычислениях по различным задачам пользователей. Например, компьютер может производить распечатку каких-либо докумен-тов и принимать сообщения, поступающие по каналам связи. Процессор при этом может производить обработку данных по третьей программе, а пользователь - вводить данные или программу для новой задачи, слушать музыку и т.п.

В ЭВМ иди вычислительных системах, имеющих несколько процессо-ров обработки, многопрограммная работа может быть более глубокой. Авто-матическое управление вычислениями предполагает усложнение структуры за счет включения в ее состав систем и блоков, разделяющих различные вы-числительные процессы друг от друга, исключающие возможность возник-новения взаимных помех и ошибок (системы прерываний и приоритетов, защиты памяти). Самостоятельного значения в вычислениях они не имеют, но являются необходимым элементом структуры для обеспечения этих вы-числений.

Как видно, полувековая история развития ЭВТ дала не очень широкий спектр основных структур ЭВМ. Все приведенные структуры не выходят за пределы классической структуры фон Неймана. Их объединяют следующие традиционные признаки :

Ядро ЭВМ образует процессор - единственный вычислитель в струк-туре, дополненный каналами обмена информацией и памятью-

Линейная организация ячеек всех видов памяти фиксированного раз-мера;

Одноуровневая адреса11ия ячеек памяти, стирающая различия между всеми типами информации:

Внутренний машинный язык низкого уровня, при котором команды со-держат элементарные операции преобразования простых операндов;

Последовательное централизованное управление вычислениями;

Достаточно примитивные возможности устройств ввода-вывода.

Несмотря на все достигнутые успехи, классическая структура ЭВМ не обеспечивает возможностей дальнейшего увеличения производительности. Наметился кризис, обусловленный рядом существенных недостатков:

Плохо развитые средства обработки нечисловых данных (структуры, символы, предложения, графические образы, звук, очень большие мас-сивы данных и др.);

Несоответствие машинных операций операторам языков высокого уровня;

Примитивная организация памяти ЭВМ;

Низкая эффективность ЭВМ при решении задач, допускающих парал-лельную обработку и т.п.

Все эти недостатки приводят к чрезмерному усложнению комплекса про-граммных средств, используемого для подготовки и решения задач пользова-телей.

В ЭВМ будущих поколений, с использованием в них «встроенного искус-ственного интеллекта», предполагается дальнейшее усложнение структуры. В первую очередь это касается совершенствования процессов общения пользова-телей с ЭВМ (использование аудио-, видеоинформации, систем мультимедиа и др.) , обеспечения доступа к базам данных и базам знаний, организации параллельных вычислений. Несомненно, что этому должны соответствовать новые параллельные структуры с новыми принципами их построения. В каче-стве примера укажем, что самая быстрая ЭВМ фирмы IBM в настоящее время обеспечивает быстродействие 600 MIPS (миллионов команд в секунду), самая же большая гиперкубическая система nCube дает быстродействие 123.10 3 MIPS. Расчеты показывают, что стоимость одной машинной операции в гиперсистеме примерно в тысячу раз меньше. Вероятно, подобными системами будут об-служиваться большие информационные хранилища.

После изучения главы 3 студент должен:

знать

• структурную схему (архитектуру) персонального компьютера;
• назначение и взаимосвязи типичных компонентов, аппаратных и программных средств компьютерных систем;
• принципы фон Неймана построения ЭВМ: программное управление, однородность памяти, адресность;
• назначение отдельных клавиш клавиатуры;
• распространенные виды программных продуктов для компьютеров;

уметь

• пользоваться клавиатурой для набора текста и управления компьютерной системой;
• сопоставлять конфигурации различных компьютеров по их основным параметрам и требуемым задачам обработки информации;

владеть

• навыками перезагрузки компьютера в случае зависания;
• навыками использования клавиш-модификаторов клавиатуры;
• навыками работы с манипулятором мышь, принтером и другими периферийными устройствами.

Архитектура ЭВМ и вычислительных систем

В состав ЭВМ входят центральное устройство и периферийные устройства, взаимодействие и работа которых происходит под управлением программ. Центральное устройство ЭВМ включает центральный процессор (ЦП, англ. Central Processing Unit, CPU) и запоминающее устройство (ЗУ). Периферийные устройства ЭВМ представляют собой устройства ввода/вывода и хранения информации. Сопряжение этих основных составляющих узлов ЭВМ обеспечивается каналами связи (внутримашинным интерфейсом), как показано на рис. 3.1.

Принцип действия, информационные взаимосвязи и соединение этих основных узлов определяют архитектуру ЭВМ, общность которой для разных компьютеров обеспечивает их совместимость для пользователя.

Архитектура – структура компонентов компьютерной системы и система взаимосвязей аппаратных и (или) программных средств, описанная схематически или с подробным указанием параметров.

Термин "архитектура" шире, чем структура, поскольку применяется к системе систем, структуре из структур, а также для сети компьютеров. Архитектура может носить характер рекомендации в отношении модели компьютера, отдельного устройства (архитектура процессора) или операционной системы. Каждая подсистема имеет свою архитектуру, так что термин "архитек тура" зависит от контекста. Например, процессор – сложная система, обладающая собственной архитектурой.

В основе построения большинства ЭВМ лежат три общих принципа, сформулированных Дж. фон Нейманом (1945): программное управление, однородность памяти, адресность.

Принцип программного управления заключается в том, что выполнение программ процессором осуществляется автоматически без вмешательства человека. Реализуется этот принцип за счет того, что программа, состоящая из набора команд, выполняется в строго определенной последовательности. Порядок выполнения команд обеспечивается счетчиком команд, который производит выборку команд из памяти, где они расположены в порядке следования друг за другом.

Принцип однородности памяти заключается в том, что в памяти компьютера хранятся как программы, так и данные. Принцип позволяет создавать более гибкие программы, которые в процессе выполнения могут подвергаться переработке.

Принцип адресности состоит в том, что все ячейки основной памяти компьютера пронумерованы и процессору доступна любая ячейка памяти.

Рис. 3.1.

Классические типы архитектур ЭВМ: звезда, иерархическая и магистральная архитектуры.

Современные компьютеры типа IBM PC построены по принципу магистральной архитектуры: центральный процессор (процессоры), оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) и контроллеры внешних устройств (КВУ) подключены к одной общей магистрали (шине). Системная магистраль (общая шина) представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем (рис. 3.2). В общей шине выделяют отдельные группы: шину адреса, шину данных, шину управления. Открытость архитектуры ЭВМ позволяет выбирать состав внешних устройств и тем самым конфигурировать компьютер.

Вычислительная система (ВС) – совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенная для сбора, хранения, обработки и распределения информации.

Создание вычислительных систем повышает производительность вычислений за счет ускорения процессов обработки данных, повышения надежности и достоверности. Особенностью вычислительной системы является наличие нескольких вычислителей, выполняющих параллельную обработку данных. Параллелизм выполнения операций существенно повышает быстродействие и надежность системы, но значительно усложняет управление вычислительным процессом. К основным архитектурам вычислительных систем относятся многомашинные и многопроцессорные.

Многомашинная ВС включает несколько процессоров, каждый из которых работает со своей оперативной памятью. Каждый компьютер многомашинной системы имеет классическую архитектуру и выполняет свою вычислительную задачу, слабо связанную с вычислительными задачами других компьютеров, входящих в вычислительную систему.

Многопроцессорная архитектура строится на базе нескольких процессоров, параллельно выполняющих вычисления, составляющие одну задачу. В такой вычислительной

Рис. 3.2.

системе можно организовать несколько потоков данных и несколько потоков команд. Архитектура вычислительных систем с параллельной обработкой данных может включать четыре базовых класса, в основе которых лежит понятие потока , т.е. последовательности элементов, команд или данных, обрабатываемых процессором.

С середины 60-х годов существенно изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо независимой разработки аппаратуры и некоторых средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из совокупности аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на первый план выдвинулась концепция их взаимодействия. Так возникло принципиально новое понятие - архитектура ЭВМ.

Подархитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.

Архитектура ЭВМ охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих множество факторов. Среди этих факторов важнейшими являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации, а одним из главных компонентов архитектуры являются аппаратные средства. Основные компоненты архитектуры ЭВМ можно представить в виде схемы, показанной на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Основные компоненты архитектуры ЭВМ

Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки узлы и т. д.) и описывает связи внутри средства во всей их полноте. Архитектура же определяет правила взаимодействия составных частей вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой это необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она регламентирует не все связи, а наиболее важные, которые должны быть известны для более грамотного использования данного средства.

Так, пользователю ЭВМ безразлично, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемно или программно реализуются команды и т. д. Важно другое: как те или иные структурные особенности ЭВМ связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю, какие альтернативы реализованы при создании машины и по каким критериям принимались решения, как связаны между собой характеристики отдельных устройств, входящих в состав ЭВМ, и какое влияние они оказывают на общие характеристики машины. Иными словами, архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, относящихся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.

Только через 100 лет на базе появившихся электронных приборов эта идея была развита американским математиком Джоном фон Нейманом. В основу построения подавляющего большинства ЭВМ положены следующие общие принципы, сформулированные им в 1945 году.

Прежде всего, компьютер должен иметь следующие устройства:

Арифметическо-логическое устройство, выполняющие арифметические и логические операции;

Устройство управления , которое организует процесс выполнения программ;

Запоминающее устройство , илипамять для хранения программ и данных;

Внешние устройства для ввода-вывода информации.

В основе работы компьютера лежат следующие принципы:

Принцип двоичного кодирования . Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.

Принцип программного управления . Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Принцип однородности памяти . Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Принцип адресности . Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Машины, построенные на этих принципах, называются Фон-Неймановскими.

Виды архитектуры ЭВМ (открытая, закрытая, Гарвардская).

Архитектура вычислительной машины - концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения

Архитектуры закрытого типа

Компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имеет возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.

Укрупненная схема такой компьютерной архитектуры приведена на рис. 1. Оперативная память хранит команды и данные исполняемых программ. Канал допускает подключение определенного числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы.

Рис. 1. Архитектура компьютера закрытого типа

Компьютеры такой архитектуры эффективны при решении чисто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализации компьютерных технологий, требующих подключения дополнительных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информацией.

Вычислительные системы с открытой архитектурой

Такая архитектура позволяет свободно подключать любые периферийные устройства, что обеспечивает свободное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполнительных механизмов. Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии со стандартом шины. Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использовании обшей шины, приведена на рис. 2.

Рис. 2. Архитектура компьютера открытого типа

Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Запоминающее устройство хранит исполняемые программы и данные и согласовано уровнями своих сигналов с уровнями сигналов самой шины. Внешние устройства, уровни сигналов которых отличаются от уровней сигналов шины, подключаются к ней через специальное устройство – контроллер. Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора. Процессор имеет специальные линии управления, сигнал на которых определяет, обращается ли процессор к ячейке памяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнего устройства.

Несмотря на преимущества, предоставляемые архитектурой с общей шиной, она имеет и серьезный недостаток, который проявлялся все больше при повышении производительности внешних устройств и возрастании потоков обмена информацией между ними. К общей шине подключены устройства с разными объемами и скоростью обмена, в связи с чем «медленные» устройства задерживали работу «быстрых». Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались «быстрые» устройства. Архитектура компьютера с общей и локальной шинами приведена на рис. 3.

Рис. 3. Архитектура компьютера с общей и локальной шиной

Контроллер шины анализирует адреса портов, передаваемые процессором, и передает их контроллеру, подключенному к общей или локальной шине.

Конструктивно контроллер каждого устройства размещается на общей плате с центральным процессором и запоминающим устройством или, если устройство не является стандартно входящим в состав компьютера, на специальной плате, вставляемой в специальные разъемы на общей плате – слоты расширения. Дальнейшее развитие микроэлектроники позволило размещать несколько функциональных узлов компьютера и контроллеры стандартных устройств в одной микросхеме СБИС. Это сократило количество микросхем на общей плате и дало возможность ввести две дополнительные локальные шины для подключения запоминающего устройства и устройства отображения, которые имеют наибольший объем обмена с центральным процессором и между собой.

Центральный контроллер играет роль коммутатора, распределяющего потоки информации между процессором, памятью, устройством отображения и остальными узлами компьютера.

Функциональный контроллер – это СБИС, которая содержит контроллеры для подключения стандартных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер, модем и т.д. Часто в состав этого контроллера входит такое устройство, как аудиокарта, позволяющая получить на внешних динамиках высококачественный звук при прослушивании музыкальных и речевых файлов.

Гарвардская архитектура

Гарвардская архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете с целью увеличить скорость выполнения вычислительных операций и оптимизировать работу памяти.

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток - высокую стоимость. При разделении каналов передачи адреса и данных на кристалле процессора, последний должен иметь в два раза больше выводов. Способом решения этой проблемы стала идея использовать общую шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой.

Часто требуется выбрать три составляющие - два операнда и инструкцию(в алгоритмах цифровой обработки сигналов это наиболее встречаемая задача в БПФ и КИХ, БИХ фильтрах). Для этого существует кэш-память. В ней может храниться инструкция - обе шины остаются свободными, и появляется возможность передать два операнда одновременно. Использование кэш-памяти вместе с разделёнными шинами получило название «Super Harvard Architecture» («SHARC») - расширенная Гарвардская архитектура.

Примером могут послужить процессоры «Analog Devices»: ADSP-21xx - модифицированная Гарвардская Архитектура, ADSP-21xxx(SHARC) - расширенная Гарвардская Архитектура.

Департамент образования, науки и молодежной политики

ОГОУ СПО «Борисоглебский индустриальный техникум»

Архитектура ЭВМ и вычислительных систем

Методические указания для студентов-заочников

ОГОУ СПО Борисоглебский индустриальный техникум

по специальности 2204 «Технического обслуживания средств

вычислительной техники и компьютерных сетей»

г. Борисоглебск

Методические указания составлены в соответствии с рабочей программой

по дисциплине «Архитектура ЭВМ и вычислительных систем»

по специальности 2204 «Техническое обслуживание средств вычислительной техники и компьютерных сетей»

Составитель: ___________

Одобрена цикловой комиссией
информационных технологий

Председатель ц/к

__________________

1. Введение

Учебная дисциплина основывается на знаниях, полученных учащимися по информатике, информационным технологиям. В процессе преподавания необходимо показывать связь изучаемого материала с профессиональной деятельностью по данной специальности.

Основная цель дисциплины:

Изучение и усвоение студентами устройства персонального компьютера, умение анализировать работу внутренних и внешних устройств ПК.

Преподавание дисциплины имеет практическую направленность, и проводиться в тесной взаимосвязи с общепрофессио­нальными дисциплинами: «Операционные системы и среды», «Электронная техника», «Основы алгоритмизации и программиро­вания», «Микросхемотехника».

При изучении дисциплины необходимо постоянно обращать внимание на соблюдение техники безопасности , значение научной организации труда, связь изучаемого материала с другими предметами которые изучают студенты.

Для закрепления теоретического материала и развития практических навыков в данной программе предусмотрены практические и лабораторные работы .

Перед проведением лабораторных работ обязательным является инструктаж по технике безопасности.

Целью настоящих методических указаний является оказание помощи студентам-заочникам в изучении программного материала по дисциплине «Архитектура ЭВМ и вычислительных систем».

Учебная работа студента-заочника при изучении курса складывается из следующих этапов: самостоятельного изучения курса по рекомендуемым учебникам и учебным пособиям ; посещения установочных, консультационных и обзорных занятий, проводимых преподавателями в период лабораторно-экзаменационных сессий или в межсессионный период; выполнения практических работ ; сдачи зачета по дисциплине.

Основной формой обучения студента-заочника является систематическая самостоятельная работа над учебным материалом.

С целью закрепления теоретических знаний и выработки практических умений программой предусмотрено 10 лабораторных занятий.

Студент – заочник, приступая к самостоятельному изучению предмета, должен подробно ознакомиться с содержанием настоящего пособия и руководствоваться им в работе.

Тема 1 Основные блоки вычислительных систем. Их назначение и принцип работы.

Студент должен

знать

Состав центральных и периферийных устройств ВТ

Назначение и структуру процессора

Понятия: память, регистры, шины

Методические указания . При изучении данной темы студент должен обратить внимание на содержание понятий, определяющих основные блоки компьютера. Необходимо четко знать их назначение.

Вопросы для самоконтроля

Сущность принципов фон Неймана

Устройство процессора

Понятие о регистрах

Тема 2 Представление числовых данных. Коды.

Студент должен

знать

Представление числовых данных;

Основные символьные коды.

уметь

Работать с числами в различных системах счисления

Кодировать данные

Лабораторная работа №1.

Методические указания. Необходимо обратить внимание на типы кодировок числовых данных.

Вопросы для самоконтроля.

Типы данных в ЭВМ

Понятие о системах счисления

Кодировка данных

Тема 3 . Структура и функционирование процессора

Студент должен

знать

Определение процессора, его структуру

Характеристики процессора

Классы процессоров

уметь

Характеризовать принципы выполнения команд в процессорах,

Вопросы для самоконтроля.

Понятие тактовой частоты процессора

Рабочий цикл процессора

Определение основных характеристик процессора

Тема 4. Микропроцессорная память.

Студент должен

знать

Назначение и состав памяти;

Назначение регистров памяти;

Уметь

Характеризовать работу регистров общего назначения,

Вопросы для самоконтроля.

Понятие памяти ПК

Виды памяти ПК

Понятие регистров памяти

Тема 5. Арифметико-логическое устройство (АЛУ)

Студент должен

знать

Назначение и характеристики АЛУ;

Состав АЛУ;

Уметь

Проводить арифметические операции

Лабораторная работа №2.

Лабораторная работа №3.

Вопросы для самоконтроля.

Что такое АЛУ

Структура АЛУ

Выполнение арифметических операций в АЛУ

Тема 6. Память в ЭВМ. Виды и типы памяти. Оперативная память. КЭШ-память.

Студент должен

знать

Классификацию устройств памяти в ЭВМ по различным при­знакам;

Основные характеристики памяти;

Вид и типы памяти

Порядок обмена информацией между отдельными видами па­мяти.

Уметь

Определять порядок обмена информацией между отдельными видами па­мяти.

Вопросы для самоконтроля.

Определение виртуальной памяти ПК

Определение физической памяти ПК

Способы наращивания памяти

Тема 7. Динамическая память.

Студент должен

знать

Виды динамической памяти

Особенности памяти динамического типа;

Вопросы для самоконтроля.

Определение динамической памяти

Виды динамической памяти

Тема 8. Статическая память.

Студент должен

знать

Виды статической памяти

Особенности памяти статического типа;

Лабораторная работа №4.

Вопросы для самоконтроля.

Определение статической памяти

Виды статической памяти

Тема 9. Организация процесса ввода-вывода.

Студент должен

знать

Классификацию шин ПК;

Характеристики шин ПК;

Уметь

Определять логическую структуру ПК с одной или несколькими шинами;

Интерфейс, системная шина. Характеристики системной шины: разрядность, тактовая частота, пропускная способность. Шины рас­ширения. Локальные шины. Периферийные шины.

Вопросы для самоконтроля.

Понятие интерфейса, системной шины

Характеристики системных шин

Виды шин

Тема 10. Подключение основных устройств ввода-вывода к ПК.

Студент должен

знать

Способы подключения периферийных устройств ввода-вывода ПК;

Уметь

Подключать основные устройства ввода-вывода к ПК.

Вопросы для самоконтроля.

- характеристика устройств ввода ПК

Характеристика устройств вывода ПК

Тема 11 . Контроллеры. Прерывания.

Студент должен

знать

Определение контроллер, прерывания

Назначение и способы подключения контроллера.

Уметь

Определять виды прерываний

Вопросы для самоконтроля.

Определение контроллера, прерывания

Виды и обработка прерываний

Тема 12 . Программы-отладчики.

Студент должен

знать

Виды программ-отладчиков

Способы отладки

Уметь

Давать характеристику программам-отладчикам;

Вопросы для самоконтроля.

Характеристика программ - отладчиков

Определение подпрограммы

Компиляция исходного кода в машинный

Тема 13 . Преимущества и недостатки различных типов вычислительных систем.

Студент должен

знать

Типы вычислительных систем

Особенности различных типов ВС

Уметь

Выявлять преимущества и недостатки различных ВС

Лабораторная работа №5.

Вопросы для самоконтроля.

Определение вычислительной системы

Преимущества и недостатки различных вычислительных систем

3. Перечень лабораторных занятий

Вариант 1.

1. Понятие кода. Виды кодов. Характеристики кодов.

2. Мониторы. Принцип действия, характеристики.

3. Перевести данные числа 123,45; 891; 587,45 в двоичную систему счисления

Вариант 2.

1. Кодирование чисел в ЭВМ. Системы счисления. Виды систем счисления.

2. Интерфейсы. Параметры интерфейсов. Магистрально-модульный способ построения ЭВМ.

3. Произвести сложение двоичных чисел 1101 + 111111; + 1111101

Вариант 3.

1. Процессор, его функции. Характеристики процессора.

2. Понятие контроллера. Прямой доступ к памяти.

3. Произвести умножение двоичных чисел 111*11; 101*111

Вариант 4.

1. Классификация процессоров по числу больших интегральных схем.

2. Понятие памяти. Типы памяти в зависимости от возможности записи-перезаписи данных.

3. Перевести данное число 456,78 в двоичную систему счисления

5. Контроль знаний.

Итоговый контроль приводится в форме экзамена (7 семестр).

Перечень примерных вопросов к экзамену:

1. Теоретические основы построения ЭВМ. Машина Тьюринга и автомат Неймана.

2. Кодирование символьной информации в ЭВМ.

3. Двоичное, восьмеричное и шестнадцатеричное представление чисел

4. Арифметико-логическое устройство.

5. Выполнение операций сложения в АЛУ.

6. Выполнение операций вычитания в АЛУ.

7. Выполнение операций умножения в АЛУ.

8. Выполнение операций деления в АЛУ.

9. Структура классической ЭВМ. Назначение узлов.

10. FMD ROM-накопители. Флэш-накопители.

11. Структура процессора. Назначение отдельных устройств.

12. Классификация процессоров.

13. Виртуальная память. Стратегия организации виртуальной памяти.

14. Система команд процессора. Классы процессоров.

15. Устройство и виды динамической памяти.

16. Регистры общего назначения.

17. Устройство управления.

18. ДНК-процессоры. Нейронные процессоры.

19. Устройство и виды статической памяти.

20. Кластерная архитектура.

21. Интерфейсы ПК.

22. Организация основной памяти. Память с расслоением.

23. Связь процессоров в кластерной системе.

24. Кэш-память.

25. Организация системы ввода/вывода.

1. Э. Таненбаум Архитектура компьютера С. Пб, 2003

2. Максимов ЭВМ Москва, Форум 2005 г.

3. М. Гук Энциклопедия Аппаратные средства IBM PC, Питер, 2004 г

 весь период развития средств электронной вычислительной техники (ЭВТ) отмечен доминирующей ролью классической структуры ЭВМ (структуры фон Неймана), основанной на методах последовательных вычислений;

 основным направлением совершенствования ЭВМ является неуклонный рост производительности (быстродействия) и интеллектуальности вычислительных средств;

 совершенствование ЭВМ осуществлялось в комплексе (элементно-конструкторская база, структурно-аппаратурные решения, системно-программный и пользовательский, алгоритмический уровни);

 в настоящее время наметился кризис классической структуры ЭВМ, связанный с исчерпанием всех основных идей последовательного счета. Возможности микроэлектроники также не безграничны, давление пределов ощутимо и здесь.

Дальнейшее поступательное развитие вычислительной техники напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям, с идеями построения многопроцессорных систем и сетей, объединяющих большое количество отдельных процессоров и (или) ЭВМ. Здесь появляются огромные возможности совершенствования средств вычислительной техники. Но следует отметить, что при несомненных практических достижениях в области параллельных вычислений до настоящего времени отсутствует их единая теоретическая база.

Термин вычислительная система появился в начале - середине 60-х гг. при появлении ЭВМ III поколения. Это время знаменовалось переходом на новую элементную базу - интегральные схемы. Следствием этого явилось появление новых технических решений: разделение процессов обработки информации и ее ввода-вывода, множественный доступ и коллективное использование вычислительных ресурсов в пространстве и во времени. Появились сложные режимы работы ЭВМ - многопользовательская и многопрограммная обработка.

Отражая эти новшества, и появился термин “вычислительная система”. Он не имеет единого толкования в литературе, его иногда даже используют применительно к однопроцессорным ЭВМ. Однако общим здесь является подчеркивание возможности построения параллельных ветвей в вычислениях, что не предусматривалось классической структурой ЭВМ.

Под вычислительной системой (ВС) будем понимать совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для подготовки и решения задач пользователей. Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Создание ВС преследует следующие основные цели:

Повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.

Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложняет управление вычислительным процессом, использование технических и программных ресурсов. Эти функции выполняет операционная система ВС.

Самыми важными предпосылками появления и развития вычислительных систем служат экономические факторы. Анализ характеристик ЭВМ различных поколений показал, что в пределах интервала времени, характеризующегося относительной стабильностью элементной базы, связь стоимости и производительности ЭВМ выражается квадратичной зависимостью - “законом Гроша”.

С эвм =К 1 . П 2 эвм

Построение же вычислительных систем позволяет существенно сократить затраты, так как для них существует линейная формула:

С эвм =К 2 . П i

Где Сэвм , Cвс - соответственно стоимость ЭВМ и ВС; К1 и К2 - коэффициенты пропорциональности, зависящие от технического уровня развития вычислительной техники; Пэвм , Пi - производительность ЭВМ и i-roиз n комплектующих вычислителей (ЭВМ или процессоров).

На рис. 10.1 представлены графики изменения стоимости вычислений для ЭВМ и ВС. Для каждого поколения ЭВМ и ВС существует критический порог сложности решаемых задач Пкр , после которого применение автономных ЭВМ становится экономически невыгодным, неэффективным. Критический порог определяется точкой пересечения двух приведенных зависимостей.

Рис. 10.1. Зависимость стоимости Свс и Сэвм от производительности

Кроме выигрыша в стоимости технических средств, следует учитывать и дополнительные преимущества. Наличие нескольких вычислителей в системе позволяет совершенно по-новому решать проблемы надежности, достоверности результатов обработки, резервирования, централизации хранения и обработки данных, децентрализации управления и т.д.

Основные принципы построения, закладываемые при создании ВС:

Возможность работы в разных режимах;

Модульность структуры технических и программных средств, что позволяет совершенствовать и модернизировать вычислительные системы без коренных их переделок;

Унификация и стандартизация технических и программных решений;

Иерархия в организации управления процессами;

Способность систем к адаптации, самонастройке и самоорганизации;

Обеспечение необходимым сервисом пользователей при выполнении вычислений.

В настоящее время накоплен большой практический опыт в разработке и использовании ВС самого разнообразного применения. Эти системы очень сильно отличаются друг от друга своими возможностями и характеристиками. Различия наблюдаются уже на уровне структуры.

^ Структура ВС - это совокупность комплексируемых элементов и их связей. В качестве элементов ВС выступают отдельные ЭВМ и процессоры. В ВС, относящихся к классу больших систем, можно рассматривать структуры технических, программных средств, структуры управления и т.д.

Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы: по целевому назначению и выполняемым функциям, по типам и числу ЭВМ или процессоров, по архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы, степени разобщенности элементов вычислительной системы и др. Однако основными из них являются признаки структурной и функциональной организации вычислительной системы.

^ По назначению вычислительные системы делят на универсальные и специализированные. Универсальные ВС предназначаются для решения самых различных задач. Специализированные системы ориентированы на решение узкого класса задач. Специализация ВС может устанавливаться различными средствами:

Во-первых, сама структура системы (количество параллельно работающих элементов, связи между ними и т.д.) может быть ориентирована на определенные виды обработки информации: матричные вычисления, решение алгебраических, дифференциальных и интегральных уравнений и т.п. Практика разработки ВС типа суперЭВМ показала, чем выше их производительность, тем уже класс эффективно решаемых ими задач;

Во-вторых, специализация ВС может закладываться включением в их состав специального оборудования и специальных пакетов обслуживания техники.

По типу вычислительные системы различаются на многомашинные и многопроцессорные ВС. Многомашинные вычислительные системы (ММС) появились исторически первыми. Уже при использовании ЭВМ первых поколений возникали задачи повышения производительности, надежности и достоверности вычислений. Для этих целей использовали комплекс машин, схематически показанный на рис. 10.2, а.

Положения 1 и 3 электронного ключа (ЭК) обеспечивало режим повышенной надежности. При этом одна из машин выполняла вычисления, а другая находилась в “горячем” или “холодном” резерве, т.е. в готовности заменить основную ЭВМ. Положение 2 электронного ключа соответствовало случаю, когда обе машины обеспечивали параллельный режим вычислений. Здесь возможны две ситуации:

А) обе машины решают одну и ту же задачу и периодически сверяют результаты, решения. Тем самым обеспечивался режим повышенной достоверности, уменьшалась вероятность появления ошибок в результатах вычислений. Примерно по такой же схеме построены управляющие бортовые вычислительные комплексы космических аппаратов, ракет, кораблей. Например, американская космическая система “Шатл” содержала пять вычислительных машин, работающих по такой схеме;

Б) обе машины работают параллельно, но обрабатывают собственные потоки заданий. Возможность обмена информацией между машинами сохраняется. Этот вид работы относится к режиму повышенной производительности. Она широко используется в практике организации работ на крупных вычислительных центрах, оснащенных несколькими ЭВМ высокой производительности.

Схема, представленная на рис. 10.2, a , была неоднократно повторена в различных модификациях при проектировании разнообразных специализированных ММС. Основные различия ММС заключаются, как правило, в организации связи и обмена информацией между ЭВМ комплекса. Каждая из них сохраняет возможность автономной работы и управляется собствен ной ОС. Любая другая подключаемая ЭВМ комплекса рассматривается как специальное периферийное оборудование. В зависимости от территориальной разобщенности ЭВМ и используемых средств сопряжения обеспечивается различная оперативностьих информационного взаимодействия. Характеристика возможных уровней и средств взаимодействия изложена в п.10.3.

Рис. 10.2. Типы ВС: а - многомашинные комплексы; б - многопроцессорные системы

Многопроцессорные вычислительные системы (МПС) строятся при комплексировании нескольких процессоров (рис. 10.2, б). В качестве общего ресурса они имеют общую оперативную память (ООП). Параллельная работа процессоров и использование ООП обеспечиваются под управлением единой общей операционной системы. По сравнению с ММС здесь достигается наивысшая оперативность взаимодействия вычислителей-процессоров. Многие исследователи считают, что использование МПС является основным магистральным путем развития вычислительной техники новых поколений.

Однако МПС имеют и существенные недостатки. Они в первую очередь связаны с использованием ресурсов общей оперативной памяти. При большом количестве комплексируемых процессоров возможно возникновение конфликтных ситуаций, когда несколько процессоров обращаются с операциями типа “чтение” и “запись” к одним и тем же областям памяти. Помимо процессоров к ООП подключаются все каналы (процессоры ввода-вывода), средства измерения времени и т.д. Поэтому вторым серьезным недостатком МПС является проблема коммутации абонентов и доступа их к ООП. От того, насколько удачно решаются эти проблемы, и зависит эффективность применения МПС. Это решение обеспечивается аппаратурно-программными средствами. Процедуры взаимодействия очень сильно усложняют структуру ОС МПС. Накопленный опыт построения подобных систем показал, что они эффективны при небольшом числе комплексируемых процессоров (2,4 до 10). В отечественных системах Эльбрус обеспечивалась возможность работы до десяти процессоров, до 32 модулей памяти, до 4 процессоров ввода-вывода и до 16 процессоров связи. Все связи в системе обеспечивались коммутаторами.

Создание подобных коммутаторов представляет сложную техническую задачу, тем более что они должны быть дополнены буферами для организации очередей запросов. Для разрешения конфликтных ситуаций необходимы схемы приоритетного обслуживания. До настоящего времени в номенклатуре технических средств ЭВТ отсутствуют высокоэффективные коммутаторы общей памяти.

^ По типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения ВС, различают однородные и неоднородные системы. Однородные системы предполагают комплексирование однотипных ЭВМ (процессоров), неоднородные - разнотипных. В однородных системах значительно упрощаются разработка и обслуживание технических и программных (в основном ОС) средств. В них обеспечивается возможность стандартизации и унификации соединений и процедур взаимодействия элементов системы. Упрощается обслуживание систем, облегчаются модернизация и их развитие. Вместе с тем существуют и неоднородные ВС, в которых комплексируемые элементы очень сильно отличаются по своим техническим и функциональным характеристикам. Обычно это связано с необходимостью параллельного выполнения многофункциональной обработки. Так, при построении ММС, обслуживающих каналы связи, целесообразно объединять в комплекс связанные, коммуникационные машины и машины обработки данных. В таких системах коммуникационные ЭВМ выполняют функции связи, контроля получаемой и передаваемой информации, формирования пакетов задач и т.д. ЭВМ обработки данных не занимаются не свойственными им работами по обеспечению взаимодействия в сети, а все их ресурсы переключаются на обработку данных. Неоднородные системы находят применение и в МПС. Многие ЭВМ, в том числе и ПЭВМ, могут использовать сопроцессоры: десятичной арифметики, матричные и т.п.

^ По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ВС делятся на системы совмещенного (сосредоточенного) и распределенного(разобщенного) типов. Обычно такое деление касается только ММС. Многопроцессорные системы относятся к системам совмещенного типа. Более того, учитывая успехи микроэлектроники, это совмещение может быть очень глубоким. При появлении новых СБИС (сверхбольших интегральных схем) появляется возможность иметь в одном кристалле несколько параллельно работающих процессоров.

Совмещенные и распределенные ММС сильно различаются оперативностью взаимодействия в зависимости от удаленности ЭВМ. Время передачи информации между соседними ЭВМ, соединенными простым кабелем, может быть много меньше времени передачи данных по каналам связи. Как правило, все выпускаемые в мире ЭВМ имеют средства прямого взаимодействия и средства подключения к сетям ЭВМ. Для ПЭВМ такими средствами являются нуль-модемы, модемы и сетевые карты как элементы техники связи.

^ По методам управления элементами ВС различают централизованные, децентрализованные и со смешанным управлением. Помимо параллельных вычислений, производимых элементами системы, необходимо выделять ресурсы на обеспечение управления этими вычислениями. В централизованных ВС за это отвечает главная, или диспетчерская, ЭВМ (процессор). Ее задачей являются распределение нагрузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия. Централизованный орган управления в системе может быть жестко фиксирован или эти функции могут передаваться другой ЭВМ (процессору), что способствует повышению надежности системы. Централизованные системы имеют более простые ОС. В децентрализованных системах функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процессор) системы сохраняет известную автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. С развитием ВС и, в частности, сетей ЭВМ интерес к децентрализованным системам постоянно растет.

В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Перераспределение функций осуществляется в ходе вычислительного процесса исходя из сложившейся ситуации.

^ По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жестким и плавающим закреплением функций. В зависимости от типа ВС следует решать задачи статического или динамического размещения программных модулей и массивов данных, обеспечивая необходимую гибкость системы и надежность ее функционирования.

^ По режиму работы ВС различают системы, работающие в оперативном и неоперативном временных режимах. Первые, как правило, используют режим реального масштаба времени. Этот режим характеризуется жесткими ограничениями на время решения задач в системе и предполагает высокую степень автоматизации процедур ввода-вывода и обработки данных.

Наибольший интерес у исследователей всех рангов (проектировщиков, аналитиков и пользователей) вызывают структурные признаки ВС. От того, насколько структура ВС соответствует структуре решаемых на этой системе задач, зависит эффективность применения ЭВМ в целом. Структурные признаки, в свою очередь, отличаются многообразием: топология управляющих и информационных связей между элементами системы, способность системы к перестройке и перераспределению функций, иерархия уровней взаимодействия элементов. В наибольшей степени структурные характеристики определяются архитектурой системы.