Содержание

Введение

     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.

     Архитектура ЭВМ— логическая организация и структура  аппаратных и программных ресурсов вычислительной системы. Архитектура  заключает в себе требования к функциональности и принципы организации основных узлов ЭВМ.

Классификация ЭВМ

     Чтобы судить о возможностях ЭВМ, их принято  разделять на группы по определенным признакам, т. е. классифицировать. Сравнительно недавно классифицировать ЭВМ по различным признакам не составляло большого труда. Важно было только определить признак классификации, например: по назначению, по габаритам, по производительности, по стоимости, по элементной базе и т. д.

     С развитием технологии производства ЭВМ классифицировать их стало все более затруднительно, ибо стирались грани между такими важными характеристиками, как производительность, емкость внутренней и внешней памяти, габариты, вес, энергопотребление и др. Например, персональный компьютер, для размещения которого достаточно стола, имеет практически такие же возможности и технические характеристики, что и достаточно совершенная в недавнем прошлом ЭВМ Единой системы (ЕС), занимающая машинный зал в сотни квадратных метров. Поэтому разделение ЭВМ по названным признакам нельзя воспринимать как классификацию по техническим параметрам. Это, скорее, эвристический подход, где большой вес имеет предполагаемая сфера применения компьютеров.

     С этой точки зрения классификацию вычислительных машин по таким показателям, как габариты и производительность, можно представить следующим образом:

• сверхпроизводительные ЭВМ и системы (супер-ЭВМ);
• большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения);
• средние ЭВМ;
• малые или мини-ЭВМ;
• микро-ЭВМ;
• персональные компьютеры;
• микропроцессоры.

     Отметим, что понятия «большие», «средние» и «малые» для отечественных ЭВМ весьма условны и не соответствуют подобным категориям зарубежных ЭВМ.

Большие ЭВМ

     Исторически первыми появились большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения), элементная база которых прошла путь от электронных ламп до схем со сверхвысокой степенью интеграции.

     Поколение ЭВМ определяется элементной базой (лампы, полупроводники, микросхемы различной степени интеграции), архитектурой и вычислительными возможностями. Большие ЭВМ считаются самыми мощными компьютерами. Их применяют для обслуживания очень крупных организаций и даже целых отраслей народного хозяйства. За рубежом компьютеры этого класса называются мейнфреймами (mainframe). В России за ними закрепился термин большие ЭВМ. Штат обслуживания большой ЭВМ составляет до многих десятков человек. На базе таких суперкомпьютеров создаются вычислительные центры, включающие в себя несколько отделов или групп.

Понятие архитектуры ЭВМ

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

     В современной литературе термин «архитектура»  употребляется в различных контекстах, например для теоретической классификации способа обработки данных (архитектура фон Неймана или параллельная архитектура), для определения принципов организации и функционирования вычислительных систем (архитектура IBM EISA, архитектура DEC AXP и т.п.).

     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.

     Рисунок 1 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.

Описание различных структур построения ЭВМ

     Непосредственное  присоединение различных функциональных элементов (ПУ и ОП) к центральному процессору осуществляется через определенные точки, именуемые точками сопряжения (стык). Совокупность средств, обеспечивающих логические, электрические и конструктивные условия совместимости ЦП и функциональных устройств в точках сопряжения и их взаимодействия, получила название средств сопряжения, или интерфейса.

     В качестве логических условий должны быть заданы виды сигналов (адресные, информационные и управляющие) и их количество, система кодирования и форма передачи данных, функции адресных и управляющих сигналов и т.п.

     В качестве электрических условий  обеспечения совместимости задаются значение напряжений (логических) двоичных сигналов, временные параметры этих сигналов, нагрузочная способность по входу и выходу сопрягаемых цепей и т.д.

     К конструктивным условиям обеспечения  совместимости относятся конструктив  соединения (тип разъема), распределение контактов в разъемном соединении, допустимые типы кабеля и другое.

     В отечественной практике для описания совокупности схемотехнических средств, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов систем обработки  данных (ЭВМ, сетей ЭВМ, систем передачи данных), подсистем периферийного оборудования, используются понятия «интерфейс», «стык» и «протокол».

     Под стандартным интерфейсом понимается совокупность унифицированных, аппаратурных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в автоматизированных системах сбора и обработки информации при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости.

     Стык — место соединения устройств передачи сигналов данных, входящих в систему передачи данных. Это понятие используется вместо понятия интерфейса для описания функций и средств сопряжения элементов средств связи и систем передачи данных (СПД).

     Под протоколом понимается строго заданная процедура или совокупность правил, регламентирующая способ выполнения определенного класса функций. Взаимосвязь понятий интерфейса и протокола не всегда однозначна, так как практически любой интерфейс содержит в большей или меньшей степени элементы протокола, определяемые процедурами и функциональными характеристиками интерфейса.

     Основное  назначение интерфейсов, стыков и протоколов — унификация внутримашинных связей.

     Различают несколько видов интерфейсов:

• системные (внутрисистемные), которые являются базовой частью архитектуры ЭВМ и представляют собой совокупность унифицированной магистрали, электронных схем, управляющих прохождением сигналов по шинам, и т.п.;
• периферийного оборудования, включающие универсальные (параллельный и последовательный) и специализированные интерфейсы (НМЛ, НМД и т.п.);
• программируемых приборов, служащие для подключения нестандартной аппаратуры, измерительных и управляющих систем;
• магистрально-модульных, микропроцессорных систем;
• локальных вычислительных систем и т.п.

     Понятия архитектуры, а также интерфейса связаны со следующими элементами, входящими в состав любой ЭВМ:

• линии интерфейса — электрические цепи, являющиеся составными физическими связями интерфейса;
• шина — совокупность линий, сгруппированных по функциональному назначению (шина адреса, шина команд, шина данных, шина состояния и т.п.);
• магистраль — совокупность всех шин интерфейса.

     Конструктивно (как правило) магистраль — это печатная плата, обеспечивающая соединение контактов разъемов, с помощью которых к магистрали подключаются различные устройства ЭВМ (то есть их интерфейсы).

     С точки зрения шинной организации  можно выделить два типа архитектур ЭВМ: машины с одношинной организацией (UNIBUS), имеющие общую (одну) магистраль для подключения всех устройств ЭВМ, и машины с многошинной организацией (MULTIBUS) и несколькими магистралями, например между ЦП и ОП одна магистраль, а между ПУ и ЦП — другая. Родоначальником промышленного внедрения общей шины является фирма DEC (Digital Eguipment Corporation) и применяется она, как правило, в мини-, микроЭВМ и персональных компьютерах, т.е. недорогих машинах, имеющих невысокую производительность. Такая архитектура очень проста и удобна с точки зрения программирования, так как все устройства ЭВМ напрямую связаны между собой (каждый связан с каждым).

     Многошинная организация применяется в больших  ЭВМ, а также в указанных выше мини- и микроЭВМ повышенной производительности. Разделение магистралей (например, по скоростям — низкоскоростные, высокоскоростные и т.п.), безусловно, усложняет конструкцию и удорожает ее, однако позволяет повысить производительность и эффективность использования ЭВМ и отдельных ее частей.

     Главным стимулом развития архитектуры ЭВМ  является повышение производительности. Один из способов повышения производительности вычислительной техники — специализация (как отдельных элементов ЭВМ, так и создание специализированных вычислительных систем).

     Специализация процессоров началась с 60-х годов, когда центральный процессор  больших ЭВМ был освобожден от выполнения рутинной операции по вводу-выводу информации. Эта функция была передана процессору ввода-вывода, осуществляющему связь с периферийными устройствами.

     Возможны  три способа специализации в  вычислительных машинах:

• расширение системы команд универсальных ЭВМ общего назначения, включение команд вычисления часто встречаемых функций с возможной аппаратной реализацией;
• использование периферийных процессоров, подключаемых к универсальным ЭВМ и реализующих некоторые вычислительные операции независимо от ЦП, например матричные процессоры, графические шины и т.п.;
• специализированные ЭВМ или процессоры, структура  которых ориентирована на решение узкого класса задач большой сложности.

     Дальнейшее  увеличение производительности связано  с многопроцессорной обработкой.

     Поскольку быстродействие однопроцессорных ЭВМ  ограничивается физическими возможностями (скоростью распространения электрических  сигналов), совершенствование ЭВМ связано и с развитием их архитектуры. Важнейшим направлением развития архитектуры является параллельная обработка. При этом используется два принципа. Если очень большое количество данных требует одинаковой обработки, то можно использовать несколько одинаковых процессоров, равномерно распределив между ними поток данных. Другой способ — распараллеливание — так называемая конвейерная обработка. В таком случае процессор должен состоять из нескольких специализированных процессоров, которые (в значительной степени аппаратно) выполняют элементарные функции центрального процессора. Тогда поступающие на вход данные последовательно проходят все виды необходимой обработки (как на конвейере). При этом виде обработки реализуются те же преимущества, что и на обычном конвейере. За каждый машинный такт на выходе процессора имеется результат обработки, соответствующий выполнению нескольких команд. Такие принципы были использованы при разработке суперЭВМ, а в настоящее время они широко внедряются и в машинах меньшей производительности. Таким образом, в зависимости от степени распараллеливания процессов (так называемая классификация Флина (M. Flyne)) можно выделить четыре типа архитектур ЭВМ:

• без использования параллельных вычислений, когда один поток команд обрабатывает поступающий на вход один поток данных (ОКОД или SISD);
• 2) несколько процессоров по одному алгоритму (одной команде) обрабатывают одновременно несколько потоков данных (ОКМД или SIMD);
• 3) конвейерная обработка, когда одновременно на вход поступает один поток данных (одно данное), но он последовательно обрабатывается большим количеством процессоров различного функционального назначения (МКОД или MISD);
• 4) самый сложный случай, когда используется и конвейерная, и параллельная обработки (МКMД или МIМD).

     Развитие  различных уровней запоминающих устройств, таких, как рассмотренные выше кэш-память, канал массовой памяти, электронные диски и т.п., также оказало заметное влияние на эволюцию архитектуры ЭВМ.

Типы  архитектуры

     В настоящее время наибольшее распространение  в ЭВМ получили 2 типа архитектуры: принстонская (фон Неймана) и гарвардская. Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.

     В более подробное описание, определяющее конкретную архитектуру, также входят: структурная схема ЭВМ, средства и способы доступа к элементам этой структурной схемы, организация и разрядность интерфейсов ЭВМ, набор и доступность регистров, организация памяти и способы её адресации, набор и формат машинных команд процессора, способы представления и форматы данных, правила обработки прерываний.

     По  перечисленным признакам и их сочетаниям среди архитектур выделяют:

• По разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-разрядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности);
• По особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW;
• По количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные;
• многопроцессорные по принципу взаимодействия с памятью: симметричные многопроцессорные (SMP), масcивно-параллельные (MPP), распределенные.

Архитектура фон Неймана

     Архитектура фон Неймана (англ. Von Neumann architecture) — широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «Машина фон Неймана», однако, соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.

     Наличие заданного набора исполняемых команд и программ было характерной чертой первых компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют с целью упрощения конструкции вычислительного устройства. Так, настольные калькуляторы, в принципе, являются устройствами с фиксированным набором выполняемых программ. Их можно использовать для математических расчётов, но невозможно применить для обработки текста и компьютерных игр, для просмотра графических изображений или видео. Изменение встроенной программы для такого рода устройств требует практически полной их переделки, и в большинстве случаев невозможно. Впрочем, перепрограммирование ранних компьютерных систем всё-таки выполнялось, однако требовало огромного объёма ручной работы по подготовке новой документации, перекоммутации и перестройки блоков и устройств и т. п.

     Всё изменила идея хранения компьютерных программ в общей памяти. Ко времени  её появления использование архитектур, основанных на наборах исполняемых инструкций, и представление вычислительного процесса как процесса выполнения инструкций, записанных в программе, чрезвычайно увеличило гибкость вычислительных систем в плане обработки данных. Один и тот же подход к рассмотрению данных и инструкций сделал лёгкой задачу изменения самих программ.

Гарвардская архитектура

     Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительным признаком которой является раздельное хранение и обработка команд и данных. Архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете.

История

     В 30-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру компьютера для военно-морской артиллерии. Победила разработка Принстонского университета (более известная как архитектура фон Неймана, названная так по имени разработчика, первым предоставившего отчет об архитектуре), так как она была проще в реализации. Гарвардская архитектура не использовалась вплоть до конца 70-х годов.

Классическая гарвардская архитектура

     Типичные  операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие.

Модифицированная гарвардская архитектура

     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 почти в два раза больше выводов (т.к. шины адреса и данных составляют основную часть выводов микропроцессора). 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.

     Такой подход применяется в современных  сигнальных процессорах. Еще дальше по пути удешевления стоимости пошли  при создании однокристалльных ЭВМ — микроконтроллеров. В них одна шина адреса и данных применяется и внутри кристалла.

     Разделение  шин в модифицированной Гарвардской  структуре осуществляется при помощи раздельных управляющих сигналов: чтения, записи или выбора области памяти.

Расширенная гарвардская архитектура

     Часто требуется выбрать три составляющие : два операнда и инструкцию (в алгоритмах цифровой обработки сигналов это наиболее распространенная задача в БПФ и КИХ, БИХ фильтрах). Для этого существует кэш-память. В ней может храниться инструкция — следовательно, 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 служить процессоры «Analog Devices»: ADSP-21xx — модифицированная Гарвардская Архитектура, ADSP-21xxx(SHARC) — расширенная Гарвардская Архитектура.

Гибридные модификации с архитектурой фон-Неймана

     Существуют  гибридные модификации архитектур, сочетающие достоинства как Гарвардской, так и фон-Неймановской архитектур. Современные CISC-процессоры обладают раздельной кэш-памятью 1-го уровня для инструкций и данных, что позволяет им за один такт получать одновременно как команду, так и данные для её выполнения, то есть процессорное ядро, формально, является гарвардским, но с программной точки зрения выглядит как фон-Неймановское, что упрощает написание программ. Обычно в данных процессорах одна шина используется и для передачи команд, и для передачи данных, что упрощает конструкцию системы. Современные варианты таких процессоров могут иногда содержать встроенные контроллеры сразу нескольких разнотипных шин для работы с различными типами памяти — например, DDR RAM и Flash. Тем не менее, и в этом случае шины, как правило, используются и для передачи команд, и для передачи данных без разделения, что делает данные процессоры еще более близкими к фон-Неймановской архитектуре при сохранении плюсов Гарвардской архитектуры.

Использование

     Первым  компьютером, в котором была использована идея гарвардской архитектуры, был Марк I. Гарвардская архитектура используется в ПЛК и микроконтроллерах, таких, как Atmel AVR, Intel 4004, Intel 8051.

Заключение

     Подводя итог данной работы, нужно отметить , что основное назначение больших  ЭВМ - выполнение работ, связанных с обработкой и хранением больших объемов информации, проведением сложных расчетов и исследований в ходе решения вычислительных и информационно-логических задач. Такими машинами, как правило, оснащаются вычислительные центры, используемые совместно несколькими организациями. Большие машины составляли основу парка вычислительной техники до середины 70-х годов и успешно эксплуатируются поныне. К ним относятся большинство моделей фирмы IBM (семейства 360,370,390) и их отечественные аналоги ЕС ЭВМ.

     В настоящее время высказываются  полярные мнения о перспективах развития больших машин. Согласно одному из них, возможности больших машин полностью перекрываются, с одной стороны, супер-ЭВМ, а с другой — мини-ЭВМ и, выработав свой ресурс, этот класс прекратит свое существование. Другая сторона убеждает в необходимости развития универсальных больших и супер-ЭВМ, которые обладают способностью работать одновременно с большим количеством пользователей, создавать гигантские базы данных и обеспечивать эффективную вычислительную работу. К этому следует добавить, что большие ЭВМ обеспечивают устойчивость вычислительного процесса, безопасность информации и низкую стоимость ее обработки.

     Производительность  больших ЭВМ порой оказывается  недостаточной для ряда приложений, например, таких как прогнозирование  метеообстановки, ядерная энергетика, оборона и т. д. Эти обстоятельства стимулировали создание сверхбольших или суперЭВМ. Такие машины обладают колоссальным быстродействием в миллиарды операций в секунду, основанном на выполнении параллельных вычислений и использовании многоуровневой иерархической структуры ЗУ(запоминающих устройств), требуют для своего размещения специальных помещений и крайне сложны в эксплуатации. Стоимость отдельной ЭВМ такого класса достигает десятков миллионов долларов. Представители этого класса ЭВМ — компьютеры фирм Cray Research, Control Data Corporation (CDC) и отечественные супер-ЭВМ семейства Эльбрус.