Магистрально-модульный принцип организации ЭВМ

Модульность построения предполагает выделение в структуре ЭВМ достаточно автономных, функционально и конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком магнитном диске). Модульная конструкция ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию. К ЭВМ можно подключать дополнительные устройства, улучшая ее технические и экономические показатели. Появляется возможность увеличения вычислительной мощности, улучшения структуры путем замены отдельных устройств на более совершенные, изменения и управления конфигурацией системы, приспособления ее к конкретным условиям применения в соответствии с требованиями пользователей.

Главный принцип построения современных ЭВМ — это программное управление, в основе которого лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений. Стандартом для построения практически всех электронно-вычислительных машин стал способ, описанный Дж. фон Нейманом в 1945 г. при построении первых образцов ЭВМ.

Суть его заключается в следующем.

  • 1. Принцип программного управления, согласно которому программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности.
  • 2. Принцип однородности памяти, согласно которому программы и данные хранятся в одной и той же памяти.
  • 3. Принцип адресности, согласно которому основная память состоит из перенумерованных ячеек и процессору в любой момент времени доступна любая ячейка.

Исходя из этого, были определены основные составные части вычислительной машины:

  • • арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;
  • • устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;
  • • запоминающее устройство (или память) для хранения программ и данных, которое состоит из пронумерованных ячеек, легко доступных для других устройств компьютера;
  • • внешнее устройство для ввода-вывода информации.

Каждый тип информации имеет форматы — структурные единицы информации. Обычно все форматы данных, используемые в ЭВМ, кратны байту, т. е. состоят из целого числа байтов. Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. Например, в каждой команде программы различают поле кода операций, поле адресов операндов. Применительно к числовой информации выделяют знаковые разряды, поле значащих разрядов чисел, старшие и младшие разряды.

Для больших ЭВМ размер слова составляет 4 байта, для персональных электронных вычислительных машин (ПЭВМ) — 2 байта. В качестве структурных элементов информации различают также полуслово, двойное слово и др.

Схема ЭВМ, отвечающая программному принципу управления, определяется исходя из этапов последовательных преобразований, выполняемых человеком по некоторому алгоритму (программе). Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поколений представлена на рис. 2.1.

Результаты

Рис. 2.1. Структурная схема ЭВМ первого и второго поколений

В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВв), с помощью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним. Введенная информация полностью или частично сначала запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации, где преобразуется в специальный программный объект — файл (наименьшая единица хранения данных). Файлы находятся вне программы во внешней памяти и доступны программе посредством специальных операций. При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления (УУ), предназначенное для автоматического выполнения программ путем принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ. Цепи сигналов управления показаны на рис. 2.1 пунктирными линиями. 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 различаются одно-, двух-, трех- и безадресные команды. В одноадресных командах указывается, где находится один из двух обрабатываемых операндов. Другой операнд должен быть помещен заранее в арифметическое устройство (для этого в систему команд вводятся специальные команды пересылки данных между устройствами). Двухадресные команды содержат указания о двух операндах, размещаемых 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, как правило, обрабатывается один операнд, который до и после операции находится на одном из регистров арифметико-логического устройства (АЛУ). Кроме того, безадресные команды используются для выполнения служебных операций (очистить экран, заблокировать клавиатуру, снять блокировку и др.).

Все команды программы выполняются последовательно, команда за командой, в том порядке, как они записаны в памяти ЭВМ (естественный порядок следования команд). Этот порядок характерен для линейных программ, т. е. программ, не содержащих разветвлений. Для организации ветвлений используются команды, нарушающие естественный порядок следования команд. Отдельные признаки результатов г (г = 0, г< 0, г>0 и др.) устройство управления использует для изменения порядка выполнения команд программы.

Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические операции над данными. Основная часть АЛУ — операционный автомат, состоящий из сумматоров, счетчиков, регистров, логических преобразователей, который каждый раз перенастраивается на выполнение очередной операции. Результаты отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются в память. Результаты, полученные после выполнения всей последовательности вычислений, передаются на устройства вывода (УВыв) информации. В качестве УВыв может использоваться экран дисплея, принтер, графопостроитель и др.

Современные ЭВМ обладают достаточно развитыми системами машинных операций. Например, ЭВМ типа 1ВМ РС имеют около 200 различных операций (170—230 в зависимости от типа микропроцессора). Любая операция в ЭВМ выполняется по определенной микропрограмме, реализуемой в схемах АЛУ соответствующей последовательностью сигналов управления (микрокоманд). Каждая микрокоманда — это простейшее преобразование данных типа алгебраического сложения, сдвига, перезаписи информации и т. п.

Уже в первых ЭВМ для увеличения их производительности широко применялось совмещение операций. При этом последовательные фазы выполнения команд программы (формирование адресов операндов, выборка операндов, выполнение операции, отсылка результата) осуществлялись функциональными блоками. Они образовывали своеобразный конвейер, а их параллельная работа позволяла обрабатывать различные фазы целого блока команд. Этот принцип получил развитие в ЭВМ следующих поколений. ЭВМ первого и второго поколений имели очень сильную централизацию управления, единые стандарты форматов команд и данных, жесткое построение циклов выполнения операций, что объясняется ограниченными возможностями 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 сдерживало рост их производительности.

В ЭВМ третьего поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и ее обработки (рис. 2.2). Сильносвязанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор, т. е. устройство, предназначенное

УВВ

УВВ

Структурная схема ЭВМ третьего поколения

Рис. 2.2. Структурная схема ЭВМ третьего поколения

ВЗУ

ВЗУ

для обработки данных. В схеме ЭВМ появились также дополнительные устройства, которые имели названия: процессоры ввода-вывода, устройства управления обменом информацией, каналы ввода-вывода (КВВ).

В больших ЭВМ наметилась тенденция к децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств, что позволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом.

Среди каналов ввода-вывода выделяли мультиплексные каналы, способные обслуживать большое количество медленно работающих УВВ, и селекторные каналы, обслуживающие в многоканальных режимах скоростные ВЗУ.

В персональных ЭВМ (ПЭВМ), относящихся к ЭВМ четвертого поколения, произошло дальнейшее изменение структуры (рис. 2.3).

Структурная схема ПЭВМ

Рис. 2.3. Структурная схема ПЭВМ

Соединение всех устройств в ПЭВМ обеспечивается с помощью 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), которое предназначено для записи и постоянного хранения наиболее часто используемых программ управления. Подключение всех внешних устройств (ВнУ), монитора (дисплея), клавиатуры, ВЗУ обеспечивается через соответствующие адаптеры — согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств или контроллеры — специальные устройства управления периферийной аппаратурой. Контроллеры в ПЭВМ играют роль каналов ввода-вывода. В качестве особых устройств следует выделить таймер — устройство измерения времени и контроллер прямого доступа к памяти (КПД) — устройство, обеспечивающее доступ к ОП, минуя процессор.

Способ формирования структуры ПЭВМ — достаточно логичный и естественный стандарт для данного класса ЭВМ. Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие элементы, которые являются общим стандартом структур современных ЭВМ: модульность построения, магистральность и иерархия управления.

В состав процессоров может входить сверхоперативное запоминающее устройство небольшой емкости, образованное несколькими десятками регистров с быстрым временем доступа. Здесь обычно хранятся данные, непосредственно используемые в обработке.

Кэш-память, или память блокнотного типа, представляет собой буферное запоминающее устройство, предназначенное для хранения активных страниц объемом десятки и сотни килобайт. Время обращения к данным составляет 10—20 нс, и при этом может использоваться ассоциативная выборка данных. Кэш-па-мять, как более быстродействующая ЗУ, предназначается для ускорения выборки команд программы и обрабатываемых данных, сами же программы пользователей и данные к ним размещаются в оперативном запоминающем устройстве.

Согласованная работа всех уровней обеспечивается под управлением программ операционной системы. Пользователь имеет возможность работать с памятью, намного превышающей емкость ОЗУ.

Все приведенные структуры объединяют следующие признаки:

  • • ядро ЭВМ образует процессор — единственный вычислитель в структуре, дополненный каналами обмена информацией и памятью;
  • • линейная организация ячеек всех видов памяти фиксированного размера;
  • • одноуровневая адресация ячеек памяти, стирающая различия между всеми типами информации;
  • • внутренний машинный язык низкого уровня, при котором команды содержат элементарные операции преобразования простых операндов;
  • • последовательное централизованное управление вычислениями;
  • • достаточно примитивные возможности устройств ввода-вывода.

В соответствии с принципами фон Неймана для работы компьютера необходимы следующие устройства:

  • • АЛУ, выполняющее арифметические и логические операции;
  • • УУ, которое организует процесс выполнения программ;
  • • ЗУ, или память, для хранения программ и данных;
  • • УВВ для ввода-вывода информации;
  • • пульт управления (ПУ).

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

  • • плохо развитые средства обработки нечисловых данных (структур, символов, предложений, графических образов, звуков, больших массивов данных и др.);
  • • несоответствие машинных операций операторам языков высокого уровня;
  • • примитивная организация памяти ЭВМ;
  • • низкая эффективность ЭВМ при решении задач, допускающих параллельную обработку, и т. п.

Все эти недостатки приводят к чрезмерному усложнению комплекса программных средств, используемого для подготовки и решения задач пользователей. В ЭВМ будущих поколений, с примененным в них искусственным интеллектом, предполагается дальнейшее усложнение структуры. В первую очередь это совершенствование процессов общения пользователей с ЭВМ (использование аудиовидеоинформации, систем мультимедиа и др.), обеспечение доступа к базам данных и базам знаний, организация параллельных вычислений. Всему этому должны соответствовать новые параллельные структуры с новыми принципами их построения.

Параллельные компьютеры подразделяются на следующие типы (табл. 2.1): массивно-параллельные системы (МРР), симметричные мультипроцессорные системы (8МР), системы с неоднородным доступом к памяти (МиМА) и параллельные векторные системы (РУР).

Таблица 2.1. Классификация паралелльных компьютеров

Тип систем

Описание систем

Примеры

архитектура

масштабируемость

Массивно-параллельные системы (МРР)

Система состоит из однородных вычислительных узлов, включающих:

• один или несколько

центральных процессоров (обычно RISC);

  • • локальную память (прямой доступ к памяти других узлов невозможен);
  • • коммуникационный процессор или сетевой адаптер.

К системе могут быть добавлены специальные узлы ввода-вывода и управляющие узлы, связанные через некоторую коммуникационную среду (высокоскоростную сеть, коммутатор и т. п.)

Общее число процессоров в реальных системах достигает нескольких тысяч (ASCI Red, Blue Mountain)

IBM RS/6000 SP2, Intel PARAGON/ ASCI Red, CRAY T3E, Hitachi SR8000, транспьютерные системы Parsytec

Симметричные мультипроцессорные системы (8МР)

Система состоит из нескольких однородных процессоров и массива общей памяти (обычно из нескольких независимых блоков). Все процессоры имеют доступ к любой точке памяти с одинаковой скоростью. Процессоры подключены к памяти либо с помощью общей шины (базовые 2—4-процессорные SMP-сервсры), либо с помощью crossbar-коммутатора (HP 9000)

Наличие общей

памяти значительно упрощает взаимодействие процессоров между собой, однако накладывает ограничения на их число — не более 32

HP 9000 V-class, N-class;

SMP-серверы и рабочие станции на базе процессоров Intel IBM, HP, Compaq,

Dell, ALR,

Unisys, DG,

Fujitsu

Продолжение табл. 2.1

Тип систем

Описание систем

Примеры

архитектура

масштабируемость

Системы с неоднородным доступом к памяти (1ЧиМА)

Система состоит из однородных базовых модулей (плат), состоящих из небольшого числа процессоров и блока памяти. Модули объединены с помощью высокоскоростного коммутатора. Поддерживается единое адресное пространство, аппаратно поддерживается доступ к удаленной памяти, т. е. к памяти других модулей

Масштабируемость ЫиМА-сис-тем ограничивается объемом адресного пространства,

возможностями

аппаратуры поддержки когерентности кэшей и

возможностями операционной системы по управлению большим числом процессоров. Максимальное число процессоров в ЫиМА-системах составляет 256 (0гщш2000)

HP 9000 V-class в SCA-конфигура-циях, SGI 0rigin2000, Sun НРС 10000, IBM/Sequent NUMA-Q 2000, SNI RM600

Параллельные векторные системы (РУР)

Основной признак РУР-систем — наличие специальных векторно-конвейерных процессоров, в которых предусмотрены команды однотипной обработки векторов независимых данных, эффективно выполняющиеся на конвейерных функциональных устройствах.

Как правило, несколько таких процессоров (1 — 16) работают одновременно над общей памятью (аналогично БМР-системам) в рамках многопроцессорных конфигураций

NEC SX-4/SX-5, линия векторно-конвейерных компьютеров CRAY (CRAY-1, CRAY J90/T90, CRAY SV1,

CRAY XI), серия Fujitsu VPP

Окончание табл. 2.1

Тип систем

Описание систем

Примеры

архитектура

масштабируемость

Кластерные

системы

Набор рабочих станций (или ПК) общего назначения, применяется в качестве варианта массивно-параллельного компьютера. Для связи узлов используется одна из стандартных сетевых технологий (РаБ^СщаЬк ЕШете^ МуппеО на базе шинной архитектуры или коммутатора.

При объединении в кластер компьютеров разной мощности или разной архитектуры говорят о гетерогенных (неоднородных) кластерах. Узлы кластера могут одновременно использоваться в

качестве пользовательских рабочих станций

1ЧТ-кластер в ІМСБА,

Веоши^-кластеры

Основной параметр классификации паралеллъных компьютеров, использующих несколько процессоров в одной вычислительной системе, — наличие общей (БМР) или распределенной памяти (МРР). Нечто среднее между БМР и МРР представляют собой 1МиМА-архитектуры, где память физически распределена, но логически общедоступна.

Кластерные системы — более дешевый вариант МРР. При поддержке команд обработки векторных данных говорят о векторно-конвейерных процессорах, которые, в свою очередь, могут объединяться в РУР-системы с использованием общей или распределенной памяти. Все большую популярность приобретают идеи комбинирования различных архитектур в одной системе и построения неоднородных систем.

Быстродействие современных мощных вычислительных машин исчисляется десятками триллионов операций в секунду над числами с плавающей запятой. Оценка производительности ЭВМ всегда приблизительная, так как при этом ориентируются на некоторые усредненные либо на конкретные виды операций. Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций, поэтому для характеристики ПЭВМ вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины, так как каждая операция требует для выполнения определенного количества тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.

При отсутствии конвейерного выполнения команд тактовый генератор с частотой 33 МГц обеспечивает выполнение 7 млн коротких машинных операций (сложение и вычитание с фиксированной запятой, пересылки информации и др.) в секунду; с частотой 100 МГц — 20 млн коротких операций в секунду.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >