Принципы организации вычислительных машин и систем

Для программы, состоящей из команд и находящейся в памяти, в соответствии с /6/, возможны следующие альтернативные механизмы её исполнения:

1) Команда выполняется после того, как выполнена предшествующая ей команда последовательности. Этот метод соответствует механизму организации вычислительного процесса под управлением последовательностью команд (data flow computer) и характерному для вычислительных машин с классической фон-неймановской (и подобным ей) структурой. Такая модель вычислений называется традиционной.

2) Команда выполняется, когда становятся доступными её операнды. Этот механизм организации вычислительного процесса известен как управляемый данными (dataflow driven) и реализуется потоковыми вычислительными машинами. Данная модель вычислений называется потоковой.

3) Команда выполняется, когда другим командам требуется результат её выполнения. Этот метод организации вычислительного процесса называется механизмом управления по запросу (demand driven) и реализуется редукционными вычислительными машинами. Модель вычислений также называется редукционной.

Более подробно с архитектурой потоковых и редукционных машин можно ознакомиться в /6/. На практике, в т.ч., и при автоматизации производства, эти вычислительные машины пока применяются крайне редко. В подавляющем большинстве современные вычислительные машины имеют традиционную структуру, базирующуюся на концепции Дж. фон Неймана (1903-1957, венгро- американский математик), выдвинутой им во второй половине 40-х годов 20 века. Поэтому далее будут рассматриваться вычислительные машины и системы, реализующие традиционную модель вычислений.

В соответствии с этой концепцией, определена автономно работающая вычислительная машина, содержащая устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), память и устройства ввода-вывода (УВВ), как показано на рисунке 1.1 /1/:

Рисунок 1.1 – Структура вычислительной машины Дж. фон Неймана

Преобразование данных осуществляется последовательно под централизованным управлением от программы, состоящей из команд. Набор команд составляет машинный язык низкого уровня.

Принципы организации вычислительных машин:

1) Двоичное кодирование информации, разделение её на слова фиксированной разрядности.

2) Линейно-адресная организация памяти (N ячеек по n разрядов). Номер ячейки является её адресом. В командах программы адрес является именем переменной, хранящейся в соответствующей ячейке.

3) Представление алгоритма в виде программы, состоящей из команд. Каждая команда определяет шаг выполнения программы и содержит код операции, адреса операндов и другие служебные коды.

4) Хранение команд и данных в одной памяти.

5) Вычислительный процесс организуется как последовательное выполнение команд в порядке, заданном программой.

6) Жёсткость архитектуры – неизменность в процессе работы вычислительной машины, её структуры, списка команд, методов кодирования данных.

При работе вычислительных машин наиболее интенсивное взаимодействие осуществляется между АЛУ и УУ. С развитием элементной базы эти устройства объединили в один блок и назвали процессором. Процессор считывает и выполняет команды программы, организует об ращение к памяти, инициирует работу УВВ. Выборка команды из памяти и её выполнение циклически повторяются. Цикл включает следующие фазы: выборку, дешифрацию, исполнение.

Устройство ввода преобразует входные сигналы к виду, принятому в вычислительной машине. Устройство вывода преобразует выходные сигналы в форму, удобную для восприятия человеком (тексты, графические образы и т.д.).

Преимущество фон-неймановской структуры вычислительных машин заключается в возможности улучшения характеристик вычислительных машин за счет улучшения структуры и параметров отдельных связей между её компонентами (Рисунок 1.1). Однако до сегодняшнего момента «узким местом» этой структуры является канал передачи данных между процессором и памятью.

В настоящее время наряду с классической фон-неймановской структурой вычислительных машин применяется способ построения вычислительных машин на основе общей шины /6/. В этом случае все устройства вычислительной машины подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных, управления, как показано на рисунке 1.2.

Шинная архитектура получила широкое распространение в мини - и микро-ЭВМ благодаря упрощённой реализации и лёгкой замене компонентов.

Рисунок 1.2 – Структура вычислительной машины на основе общей шины

В каждый момент времени передавать информацию по шине может только одно устройство, что является основным недостатком данного способа построения вычислительных машин.

Конструктивные принципы построения вычислительных машин определяют способы конструктивного исполнения её устройств, организации пространственных механических и электрических связей между устройствами и узлами. Наиболее значимым является принцип «открытой» архитектуры, согласно которому вычислительная машина рассматривается как гибкая, легко расширяемая модульная система, способная к адаптации и совершенствованию.

Рассмотрим конструктивные принципы построения вычислительных машин на примере наиболее распространённого класса настольных моделей персональных компьютеров (ПК). ПК содержит следующие типы связанных в систему конструктивно обособленных устройств: системный блок, монитор, клавиатуру, мышь, принтер.

Системный блок одержит все основные электронные схемы, обеспечивающие запись, хранение и обработку данных, а также жёсткий диск (HDD), дисковод для гибких магнитных дисков (FDD), привод CD (DVD), блок питания. Основным узлом системного блока является материнская плата, на которой расположены процессор, оперативная память, вспомогательные схемы, разъёмы для плат расширения (модемов, сетевых карт, видеокарт, звуковых карт и др.).

Относительно вычислительных систем также можно выделить два способа их организации: вычислительные системы с общей памятью и распределённые вычислительные системы /6/.

В соответствии с первым способом, в вычислительной системе имеется общая основная память, совместно используемая всеми процессорами системы, что иллюстрирует рисунок 1.3.

Рисунок 1.3 – Структура вычислительной системы с общей памятью

Взаимосвязь процессоров с общей памятью обеспечивается с помощью коммуникационной сети, чаще всего представляющей собой общую шину. Таким образом, структура вычислительной системы с общей памятью аналогична рассмотренной выше структуре вычислительной машины с общей шиной. Вследствие этого ей присущи те же недостатки. Дополнительное достоинство таких вычислительных систем заключается в том, что обмен информацией между процессорами обеспечивается только за счёт доступа к общим областям памяти.

В распределённой вычислительной системе каждый процессор обладает собственной локальной памятью, как показано на рисунке 1.4. Обмен информацией между компонентами вычислительной системы обеспечивается с помощью коммуникационной сети посредством обмена сообщениями. Подобная организация вычислительной системы снимает ограничения, свойственные общей шине, но приводит к дополнительным издержкам на передачу сообщений между процессорами.

Рисунок 1.4 – Структура распределённой вычислительной системы

Для уменьшения недостатков традиционной структуры вычислительных машин и систем, применяются различные её модификации /9/, в частности, физическое разделение памяти на память команд и память данных. Более подробно такая структура вычислительных машин будет представлена в лекции, посвященной микроконтроллерам.

Далее рассмотрим характеристики вычислительных машин и систем.