Архитектура ЭВМ. 10

Архитектура ЭВМ

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

Под архитектурой ЭВМ  принято понимать совокупность общих  принципов организации аппаратно-программных  средств и их основных характеристик, определяющая функциональные возможности  вычислительной машины при решении  соответствующих типов задач.

Архитектура ЭВМ  охватывает значительный круг проблем, связанных с созданием комплекса  аппаратных и программных средств  и учитывающих большое количество определяющих факторов. Среди этих факторов основными являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство в эксплуатации, а одним  из основных компонентов архитектуры  считаются аппаратные средства.

Архитектуру вычислительного  средства необходимо отличать от структуры  ВС. Структура вычислительного средства определяет его текущий состав на определенном уровне детализации и  описывает связи внутри средства. Архитектура же определяет основные правила взаимодействия составных  элементов вычислительного средства, описание которых выполняется в  той мере, в какой необходимо для  формирования правил взаимодействия. Она устанавливает не все связи, а только наиболее необходимые, которые  должны быть известны для более грамотного использования применяемого средства.

Так, пользователю ЭВМ не важно, на каких элементах  выполнены электронные схемы, схемно или программно исполняются команды и тому подобное. Архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, которые относятся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их ПО.

Архитектура ЭВМ  включает в себя как структуру, отражающую состав ПК, так и программно - математическое обеспечение. Структура ЭВМ - совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление.

Архитектура системы – совокупность свойств системы, существенных для пользования.

Архитектурой  компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя. 

Наиболее  распространены следующие архитектурные  решения.

Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа. Это однопроцессорный компьютер.   К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Периферийные  устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами.

Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Архитектуры вычислительных систем сосредоточенной обработки  информации

Современный компьютер состоит из нескольких функциональных узлов: процессор, память, контроллеры устройств и т.д. Каждый узел представляет собой сложное  электронное устройство, в состав которого могут входить миллионы логических элементов, Для лучшего  понимания принципа работы каждого  узла и компьютера в целом вводится понятие уровней представления  компьютера.

Цифровой  логический уровень – уровень  логических схем базовой системы  элементов.

Микроархитектурный  уровень – уровень организации  обработки информации внутри функционального  узла. Сюда относятся регистры различного назначения, устройство обработки поступающих  команд, устройство преобразования данных, устройство управления.

Командный уровень – набор функциональных узлов и связи между ними, система  команд и данных, передаваемых между  устройствами.

Набор блоков, связей между ними, типов данных и операций каждого уровня называется архитектурой уровня.

Архитектура командного уровня называется обычно компьютерной архитектурой или компьютерной организацией.

Архитектуры с фиксированным  набором устройств

Компьютерами  с сосредоточенной обработкой называются такие вычислительные системы, у  которых одно или несколько обрабатывающих устройств (процессоров) расположены  компактно и используют для обмена информацией внутренние шины передачи данных. Компьютеры 1-го и 2-го поколения  имелиархитектуру закрытого типа с ограниченным набором внешнего оборудования. Компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имел возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.

Укрупненная схема такой компьютерной архитектуры  приведена на рис. 1. Оперативная память хранит команды и данные исполняемых программ. АЛУ обеспечивает не только числовую обработку, но и участвует в процессе ввода-вывода информации, осуществляя ее занесение в оперативную память. Канал ввода / вывода представляет собой специализированное устройство, работающее по командам, подаваемым устройством управления. 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

В начале 70-х гг. фирмой DEC (Digital Equipment Corporation) был предложен компьютер совершенно иной архитектуры. Эта архитектура позволяла свободно подключать любые периферийные устройства, что сразу же заинтересовало разработчиков систем управления различными техническими системами, так как обеспечивало свободное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполнительных механизмов. Главным нововведением являлось подключение всех устройств, независимо от их назначения, к общей шине передачи информации. Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии со стандартом шины. Стандарт шины являлся свободно распространяемым документом, что позволяло фирмам – производителям периферийного оборудования разрабатывать контроллер для подключения своих устройств к шинам различных стандартов. 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. Контроллер подключается к шине специальными устройствами –  портами ввода-вывода. Каждый порт имеет  свой номер, и обращение к нему процессора происходит, также как  и к ячейке памяти, по этому номеру. 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. Хотя архитектура компьютера осталась прежней, структура современного персонального компьютера имеет  вид, представленный на рис. 2.12,

Рис. 4. Структура персонального компьютера

Центральный контроллер играет роль коммутатора, распределяющего  потоки информации между процессором, памятью, устройством отображения  и остальными узлами компьютера. Кроме  этого в состав микросхемы центрального контроллера включены устройства, которые  поддерживают работу компьютера. К  ним относятся системный таймер; устройство прямого доступа к  памяти, которое обеспечивает обмен  данными между внешними устройствами и памятью и периоды, когда  это не требуется процессору; устройство обработки прерываний, которое обеспечивает быструю реакцию процессора на запросы  внешних устройств, имеющих данные для передачи.

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.

Для подключения  специфических устройств часть  обшей шины, соединяющая центральный  и функциональный контроллеры, имеет  слоты расширения для установки  плат контроллеров.

Архитектуры многопроцессорных  вычислительных систем

Персональные  компьютеры позволяют реализовать  многие компьютерные технологии, начиная  от работы в Интернете, и кончая построением  анимационных трехмерных сцен. Однако существуют задачи, объем вычислений которых превышает возможности персональною компьютера. Для их решений применяются компьютеры с гораздо более высоким быстродействием. Для получения высокого быстродействия на существующей элементной базе используются архитектуры, в которых процесс обработки распараллеливается и выполняется одновременно на нескольких обрабатывающих устройствах Существует три основных подхода к построению архитектур таких компьютеров: многопроцессорные, магистральные иматричные архитектуры.

Архитектура простых многопроцессорных систем выполняется по схеме с обшей шиной. Два или более процессоров и один или несколько модулей памяти размешены на общей шине. Каждый процессор, для обмена с памятью, проверяет, свободна ли шина, и, если она свободна, он занимает ее. Если шина занята, процессор ждет, пока она освободится. При увеличении числа процессоров производительность системы будет ограничена пропускной способностью шины. Чтобы решить эту проблему, каждый процессор снабжается собственной локальной памятью (рис. 2.13), куда помешаются тексты исполняемых программ и локальные переменные, обрабатываемые данным процессором. Общее запоминающее устройство используется для хранения общих переменных и общего системного программного обеспечения. При такой организации нагрузка на общую шипу значительно снижается.

Рис. 5. Архитектура многопроцессорной вычислительной системы с общей шиной

Один  из процессоров выделяется для управления всей системой. Он распределяет задания на исполнение программ между процессорами и управляет работой общей шины.

Периферийный процессор  осуществляет обслуживание внешних  устройств при вводе и выводе информации из обшей памяти. Он может быть того же типа, что и остальные процессоры, но обычно устанавливается специализированный процессор, предназначенный для выполнении операций управления внешними устройствами.

Магистральный принцип является самым распространенным при построении высокопроизводительных вычислительных систем. Процессор такой системы имеет несколько функциональных обрабатывающих устройств, выполняющих арифметические и логические операции, и быструю регистровую память для хранения обрабатываемых данных. Данные, считанные из памяти, размещаются в регистрах и из них загружаются в обрабатывающие устройства. Результаты вычислений помешаются в регистры и используются как исходные данные для дальнейших вычислений. Таким образом, получается конвейер преобразования данных: регистры – обрабатывающие устройства – регистры – …. Архитектура магистрального суперкомпьютера приведена на рис. 6. Число функциональных устройств равно шести («Сложение», «Умножение» и т.д.), однако в реальных системах их количество может быть иным. Устройство планирования последовательности выполнения команд распределяет данные, хранящиеся в регистрах, на функциональные устройства и производит запись результатов снова в регистры. Конечные результаты вычислений записываются в общее запоминающее устройство.

Рис. 6. Архитектура магистрального суперкомпьютера

В матричной вычислительной системе процессоры объединяются в матрицу процессорных цементов. В качестве процессорных элементов могут использоваться универсальные процессоры, имеющие собственное устройство управления, или вычислители, содержащие только АЛУ и выполняющие команды внешнего устройства управления. Каждый процессорный элемент снабжен локальной памятью, хранящей обрабатываемые процессором данные, но при необходимости процессорный элемент может производить обмен со своими соседями или с общим запоминающим устройством. В первом случае, программы и данные нескольких задач или независимых частей одной задачи загружаются в локальную память процессоров и выполняются параллельно. Во втором варианте все процессорные элементы одновременно выполняют одну и ту же команду, поступающую от устройства обработки команд на все процессорные элементы, но над разными данными, хранящимися в локальной памяти каждого процессорного элемента. Вариант архитектуры с общим управлением показан на рис. 7. Обмен данными с периферийными устройствами выполняется через периферийный процессор, подключенный к общему запоминающему устройству.

Рис. 7. Архитектура матричной вычислительной системы с общим управлением

Классификация компьютеров  по сферам применения

Наиболее часто при  выборе компьютера для той или  иной сферы применения используется такая характеристика, как производительность, под которой понимается время, затрачиваемое  компьютером для решения той  или иной задачи. Понятие «производительность» определяет и некоторые другие характеристики компьютера, такие, например, как объем  оперативной памяти. Вполне естественно, что компьютер с высокой скоростью  обработки должен снабжаться большим  объемом оперативной памяти, так  как иначе его производительность будет ограничена необходимостью подкачки информации из более медленной внешней  памяти. Можно считать, что производительность является некоторой интегрированной  характеристикой, определяющей общую  вычислительную мощность компьютера, и, соответственно, области его применения.

По производительности компьютеры можно условно разбить на три  класса:суперкомпьютеры; мэйнфреймы; микрокомпьютеры.

Суперкомпьютеры – компьютеры с производительностью свыше 100 млн операций в секунду. Применяются для решения таких задач, как моделирование физических процессов, гидрометеорология, космические исследования и других задач, которые требуют огромных объемов вычислений. Выполняются обычно по многопроцессорной архитектуре, имеют большой набор внешних устройств, и, как правило, выпускаются небольшими партиями для конкретной задачи или конкретного заказчика. Обычно важность решаемой задачи такова, что основным параметром суперкомпьютера является его высокая производительность, а такие параметры, как стоимость, размеры или вес, не являются определяющими.

Мэйнфреймы – компьютеры с производительностью от 10 до 100 млн операций и секунду. Они используются для решения таких задач, как хранение, поиск и обработка больших массивов данных, построение трехмерной анимационной графики, создание рекламных роликов, выполняют роль узлов глобальной сети, используемой торговыми или компьютерными фирмами с большим потоком запросов. Выполняются по многопроцессорной архитектуре с обшей шиной и небольшим числом мощных процессоров. Конструктивно выполняются и виде одной стойки или» настольном варианте. Стоимость мэйнфреймом колеблется от тридцати до трехсот тысяч долларов.

Микрокомпьютеры – компактные компьютеры универсального назначения, в том числе и для бытовых целей, имеющие производительность до 10 млн. операций в секунду.

Микрокомпьютеры или персональные компьютеры, можно классифицировать по конструктивным особенностям: стационарные (настольные) и переносные. Переносные компьютеры, и спою очередь, можно  разделить на портативные (laptop), блокноты (notebook) и карманные (Palmtop). Портативные компьютеры по размеру близки к обычному портфелю, они, в настоящее время, уступают место более компактным. Блокноты по размеру близки к книге крупного формата и имеют массуоколо 3 кг. Карманные компьютеры в настоящее время являются самыми маленькими персональными компьютерами. Они не имеют внешней памяти на магнитных дисках, она заменена на энергонезависимую электронную память. Карманный компьютер можно использовать как словарь-переводчик, оганайзер или записную книгу.

Функциональная  организация персонального компьютера

Центральный процессор

Центральный процессор (ЦП) – функционально-законченное программно-управляемое  устройство обработки информации, выполненное  на одной или нескольких СБИС. В  современных персональных компьютерах  разных фирм применяются процессоры двух основных архитектур:

• тина» система команд переменной длины – Complex Instruction Set Computer(CISC);
• сокращенный набор команд фиксированной длины – Reduced Instruction SetComputer (RISC).

Весь ряд процессоров  фирмы Intel, устанавливаемых в персональные компьютеры IBM, имеют архитектуру CISC, а процессоры Motorola, используемые фирмой Apple для своих ПК имеют архитектуру RISC. Обе архитектуры имеют свои преимущества и недостатки. Так CISC-процессоры имеют обширный набор команд (до 400), из которых программист может выбрать команду, наиболее подходящую ему в данном случае. Недостатком этой архитектуры является то, что большой набор команд усложняет внутреннее устройство управлении процессором, увеличивает время исполнения команды на микропрограммном уровне. Команды имеют различную длину и время исполнении.

RISC-архитектура имеет ограниченный набор команд и каждая команда выполняется за один такт работы процессора. Небольшое число команд упрощает устройство управления процессора. К недостаткам RISC-архитектуры можно отнести то, что если требуемой команды в наборе нет, программист вынужден реализовать ее с помощью нескольких команд из имеющегося набора, увеличивая размер программного кода.

Упрощенная схема процессора, отражающая основные особенности архитектуры  микроуровня, приведена на рис. 8. Наиболее сложным функциональным устройством процессора является устройство управления выполнением команд. Оно содержит:

• буфер команд, который хранит одну или несколько очередных команд программы; читает следующие команды из запоминающего устройства, пока выполняется очередная команда, уменьшай время ее выборки из памяти;
• дешифратор команд расшифровывает код операции очередной команды и преобразует его в адрес начала микропрограммы, которая реализует исполнение команды;
• управление выборкой очередной микрокоманды представляет собой небольшой процессор, работающий по принципу фон Неймана, имеет свой счетчик микрокоманд, который автоматически выбирает очередную микрокоманду из ПЗУ микрокоманд;
• постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микрокоманд – это запоминающее устройство, в которое информация записывается однократно и затем может только считываться; отличительной особенностью ПЗУ является то, что записанная в него информация сохраняется сколь угодно долго и не требует постоянного питающего напряжения.

Рис. 8. Архитектура CISC процессора

Поступивший от дешифратора  команд адрес записывается в счетчик  микрокоманд устройства выборки, и  начинается процесс обработки последовательности микрокоманд. Каждый разряд микрокоманды связан с одним управляющим входом какого-либо функционального устройства. Так, например, управляющие входы  регистра хранения «Сброс», «Запись», «Чтение» соединены с соответствующими разрядами микрокоманды. Общее число  разрядов микрокоманды может составлять от нескольких сотен до нескольких тысяч и равно общему числу  управляющих входов всех функциональных устройств процессора. Часть разрядов микрокоманды подается на устройство управления выборкой очередной микрокоманды и используется для организации условных переходов и циклов, так как алгоритмы обработки команд могут быть достаточно сложными.

Выборка очередной микрокоманды осуществляется через определенный интервал времени, который, в свою очередь, зависит от времени выполнения предыдущей микрокоманды. Частота, с которой  осуществляется выборка микрокоманд, называется тактовой частотой процессора. Тактовая частота является важной характеристикой  процессора, так как определяет скорость выполнения процессором команд, и, в  конечном итоге, быстродействие процессора.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функционально  АЛУ состоит из нескольких специальных  регистров, полноразрядного сумматора и схем местного управления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

Внешняя архитектура современного персонального компьютера представляет собой соединение монитора, клавиатуры, мыши и акустической системы к системному блоку.

Внутренняя архитектура  современного персонального компьютера определяется схемой его чипсета, набором микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения набора каких-либо функций. компьютерах Чипсет в компьютере выполняет роль связующего компонента, обеспечивающего совместное функционирование подсистем памяти, ЦПУ, ввода-вывода и других. Выбор типа чипсета зависит от процессора, с которым он работает, и определяет разновидности внешних устройств (видеокарты, винчестера и др.).

Важным направлением развития вычислительных средств пятого и  последующих поколений является интеллектуализация ЭВМ, связанная  с наделением ее элементами интеллекта, интеллектуализацией интерфейса с  пользователем и др. Работа в данном направлении, затрагивая, в первую очередь, программное обеспечение, потребует  и создания ЭВМ определенной архитектуры, используемых в системах управления базами знаний, - компьютеров баз  знаний, а так же других подклассов ЭВМ. При этом ЭВМ должна обладать способностью к обучению, производить ассоциативную обработку информации и вести интеллектуальный диалог при решении конкретных задач.

В заключение отметим, что  ряд названных вопросов реализован в перспективных ЭВМ пятого поколения  либо находится в стадии технической  проработки, другие - в стадии теоретических  исследований и поисков.