Терминология в области ЭВМ, ВС и комплексов

По степени территориальной разобщенности основных элементов ВС различают системы совмещенного типа, или локальные, и системы разобщенного типа, или глобальные. Локальными ВС считают такие, в которых время передачи информации от ЭВМ к ЭВМ мало по сравнению со временем выполнения задания на одной из машин. ЭВМ такой системы расположены, как прави-ло, в пределах одного здания.

ВС разобщенного типа, или глобальные, характерны тем, что время передачи информации по каналам связи соизмеримо с временем выполнения задания. ЭВМ такой ВС находятся на зна-чительном удалении друг от друга.

По стоимости и объему внешней памяти ВС можно разделить на сверхбольшие, большие и малые. По элементной базе ВС можно разделить на полупроводниковые, квантовые, молекуляр-ные, оптические и др. К полупроводниковым ВС относят традиционные системы, построенные на полупроводниковых интегральных схемах. Их, в свою очередь, можно классифицировать на более мелкие подсистемы в зависимости от технологии изготовления элементной базы, заложенных физических принципов и др.

В квантовых ВС предпринимается попытка реализации ЭВМ на базе квантовых эффектов. В молекулярных ВС предполагается использовать в качестве элементной базы молекулы с резо-нансной туннельной проводимостью.

Оптические ВС предполагают использование в качестве элементной базы различных ис-точников излучения как в видимой части спектра, так и невидимой.

По архитектуре ВС можно разделить на ВС последовательного типа (обычные ЭВМ) и па-раллельные ВС. Архитектура параллельных ВС настолько разнообразна, что требует отдельной классификации. Учитывая возрастающую важность параллельных ВС, их классификация будет рассмотрена отдельно в соответствующем разделе.

По постоянству структуры системы разделяются на ВС с постоянной и с переменной структурой. ЭВМ в ВС между собою могут связываться по информации (по данным) и по управлению. Система относится к ВС с постоянной структурой, если в процессе ее функционирования состав функциональных и управляющих связей и их ориентация остаются неизменными. В противном случае система называется ВС с переменной структурой.

Одноразовые компьютеры

Отдельно хотелось бы поговорить о так называемых одноразовых компьютерах. Вероятно, наиболее значимым достижением в этой области стало появление микросхем RFID (Radio Frequency Identification — радиочастотная идентификация). Теперь на безбатарейных микросхемах этого типа толщиной меньше 0,5 мм и себестоимостью в несколько центов устанавливаются крошечные приемопередатчики радиосигналов; кроме того, им присваивается уникальный 128-разрядный идентификатор. При получении импульса с внешней антенны они за счет достаточно длинного радиосигнала отправляют ответный импульс со своим номером. В отличие от размера микросхем, спектр их практического применения весьма значителен.

Взять хотя бы снятие штрих-кодов с товаров в магазинах. Уже проводились испытания, в ходе которых производители снабжали все выпускаемые ими товары микросхемами RFID (вместо штрих-кодов). При наличии таких микросхем покупатель может выбрать нужные продукты, положить их в корзину и, минуя кассу, выйти из магазина. По выходе считывающее устройство с антенной отсылает сигнал, заставляющий микросхемы на всех приобретенных товарах «рассказать» о себе, что они и делают путем беспроводной отсылки короткого импульса. Покупатель, в свою очередь, идентифицируется по микросхеме на его банковской/кредитной карточке. В конце каждого месяца магазин выставляет покупателю детализированный счет за все приобретенные за этот период товары. Если действующая банковская/кредитная карта на микросхеме RFID у покупателя не обнаруживается, звучит аварийный сигнал. Такая система не только позволяет избавиться от кассиров и очередей, но и защищает от краж — ведь прятать товары в карманах и сумках становится бессмысленно!

Между прочим, в отличие от штрих-кодов, которые идентифицируют только тип товара, 128-разрядные микросхемы RFID идентифицируют каждый конкретный экземпляр товара. Иными словами, каждая упаковка аспирина в супермаркете снабжается уникальным кодом RFID. Следовательно, если производитель аспирина обнаружит брак в одной из партий уже после ее появления в магазинах, он может оповестить об этом администрацию торговой сети, и каждый раз при покупке упаковки с идентификатором RF1D, входящим в указанный «бракованный» диапазон, считывающее устройство будет генерировать звуковой сигнал.

Как бы то ни было, маркирование упаковок с аспирином, печенья и корма для животных — это лишь первый шаг в заданном направлении. Микросхемой ведь можно снабдить не только пакет собачьего корма, но и саму собаку! Уже сейчас многие собачники просят ветеринаров вживить в своих питомцев микросхемы RFID, чтобы в случае потери или кражи их можно было найти. Фермеры проделывают аналогичные операции с крупным рогатым скотом. Очевидно, на очереди — услуги по имплантации микросхем в детей не в меру боязливых родителей. Можно пойти и дальше, вживляя микросхемы в тела всех новорожденных — чтобы их, не дай бог, не перепутали! Правительства и органы внутренних дел, естественно, найдут тысячи достойных поводов к введению повсеместной «микросхематизации». В целом, все вышеупомянутые примеры, полагаю, достаточно ярко иллюстрируют возможности RFID.

Современные микросхемы RFID предусматривают возможность долговременного хранения. На этом основании Европейский Центробанк принял решение наладить в ближайшие годы выпуск банкнот с вживленными микросхемами. Такие банкноты будут запоминать все «инстанции», через которые они прошли. Поскольку деньги с микросхемами потеряют такое свойство, как анонимность, полиции будет проще отслеживать преступников по движению купюр, которыми они пользуются. В конце концов, зачем вживлять микросхемы в людей, если ими переполнены их кошельки? Правда, когда общественность в полной мере осознает возможности технологии RFID, на эту тему следует ожидать бурных дискуссий.

Технологическая основа RFID стремительно развивается. Наиболее миниатюрные из микросхем этого типа пассивны (не содержат внутреннего источника питания), а их возможности ограничиваются передачей уникальных идентификаторов по внешним запросам. Более крупные микросхемы RFID активны, в них могут быть встроены аккумуляторы и элементарный компьютер, и, соответственно, они способны выполнять определенный набор вычислительных операций. В эту последнюю категорию, помимо прочих, входят смарт-карты, применяемые в финансовых операциях.

Активность/пассивность микросхем RFID не является единственным параметром их классификации. Такие микросхемы также различаются по применяемым радиочастотным диапазонам. Чем ниже частота, тем ниже скорость передачи данных, но в то же время тем больше расстояние от антенны, на котором возможно считывание информации с микросхемы. Соответственно, микросхемы, работающие на высоких частотах, характеризуются высокой скоростью передачи данных и весьма ограниченным радиусом действия.

РАЗДЕЛ 2. АРХИТЕКТУРА ЭВМ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Рассмотрим определения, касающиеся понятия «архитектура». Термин «архитектура системы» часто употребляется как в узком, так и в широком смысле этого слова. В узком смысле под архитектурой понимается архитектура набора команд. Архитектура набора команд служит границей между аппаратурой и программным обеспечением (ПО) и представляет ту часть системы, которая видна программисту или разработчику компиляторов. Следует отметить, что это наиболее частое употребление термина. В широком смысле архитектура охватывает понятие организации системы, включающее такие высокоуровневые аспекты разработки компьютера, как систему памяти, структуру системной шины, организацию ввода-вывода и т. п.

По ГОСТ 15971-90 под архитектурой вычислительной машины (ВМ) понимается концептуальная структура ВМ, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.

Применительно к вычислительным системам термин «архитектура» может быть определен как распределение функций, реализуемых системой, между ее уровнями, точнее — как определение границ между этими уровнями. Таким образом, архитектура вычислительной системы предполагает многоуровневую организацию. В частности, архитектура первого уровня определяет, какие функции по обработке данных выполняются системой в целом, а какие возлагаются на внешний мир (пользователей, операторов, администраторов баз данных и т. д.). Система взаимодействует с внешним миром через набор интерфейсов: языки (язык оператора, языки программирования, языки описания и манипулирования базой данных, язык управления заданиями) и системные программы (программы- утилиты, программы редактирования, сортировки, сохранения и восстановления информации).

Исходя из вышеприведенных определений термина «архитектура» можно предложить следующее обобщающее определение.

Архитектура ЭВМ — абстрактное представление ЭВМ, которое отражает ее структурную, схемотехническую и логическую организацию. Понятие «архитектура ЭВМ» является комплексным и включает в себя целый ряд элементов, основные из них следующие:

1) структурная схема ЭВМ;

2) средства и способы  доступа к элементам структурной  схемы, включая обмен с внешней  средой;

3) организация и разрядность  интерфейсов в ЭВМ;

4) набор и доступность  регистров;

5) организация и способы  адресации памяти;

6) способы представления  и форматы данных ЭВМ;

7) набор машинных команд;

8) форматы машинных команд;

9) обработка нештатных  ситуаций (прерывания, особые ситуации, ловушки и т. д.);

10) топология связи отдельных  устройств и модулей.

Таким образом, при разработке архитектуры ЭВМ условно можно выделить вопросы:

— общей структуры, организации вычислительного процесса и общения с машиной;

— логической организации представления, хранения и преобразования информации;

— логической организации совместной работы различных устройств;

— связанные с аппаратными и программными средствами машин.

Аппаратная архитектура может быть разделена на структурную, схемотехническую и конструкторскую архитектуру. Каждое из этих направлений имеет свою отличительную совокупность показателей, которые могут претендовать на самостоятельное рассмотрение. Структурные показатели позволяют установить наличие функциональных модулей (блоков) и их взаимосвязь в компьютере. Схемотехнические показатели могут касаться характеристик используемого микропроцессорного комплекса. Конструкторские показатели связаны с выявлением особенностей принятых конструкторских решений. Последние могут оказаться решающими для персональных компьютеров (ПК) при реализации требования расширения их возможностей, т.е. построения ПК с открытой архитектурой.

Выделение показателей структурной, схемотехнической и конструкторской архитектуры, на наш взгляд, представляет интерес не только для разработчиков, но и для эксплуатационного персонала, который, пользуясь ими, может принять ряд важных решений по организации эксплуатации ПК.

Программная архитектура рассматривает архитектурные показатели компьютера с точки зрения программиста. Детализация программной архитектуры выделяет архитектурные характеристики центральной части ПК и архитектурные характеристики остальных основных функциональных модулей ПК. При этом рассматриваются структуры данных, система сигналов и команд, способы адресации, программно доступные средства, методы управления и основные режимы работы.

Архитектура и характеристики аппаратных средств определяют характеристики всего компьютера как программно-аппаратного комплекса обработки информации. Рассмотрим коротко историю развития архитектуры аппаратных средств и их классификацию.

Наиболее обобщенный способ классификации архитектур аппаратных средств компьютера базируется на понятиях потока команд / и потока данных D в вычислительной структуре. При этом различают одинарный поток S и множественный поток М. Соответственно этому подходу можно определить четыре класса структур аппаратных средств ЭВМ.

SISD - архитектура с одинарным потоком команд и одинарным потоком данных. Управления осуществляет одинарная последовательность команд, любая из которых обеспечивает выполнения одной операции со своими данными и дальше передает управления следующей команде. В компьютерах этого типа команды выполняются только последовательно во времени на одном процессорном элементе.

MISD - архитектура с множественным  потоком команд и одинарным  потоком данных, которая получила также название конвейера обработки данных. Она составляет цепочку последовательно соединенных процессоров (микропроцессоров), которые управляются параллельным потоком команд. На вход конвейера из памяти подается одинарный поток данных, которые проходят последовательно через все процессоры, любой из которых делает обработку данных под управлением своего потока команд и передает результаты следующему по цепочке процессору, которыйиспользует их как входные данные. Конвейерную архитектуру предложил академик С.А. Лебедев в 1956 году.

SIMD - архитектура ЭВМ с  одинарным потоком команд и множественным потоком данных. Процессор таких машин имеет матричную структуру, в узлах которой включенное большое количество сравнительно простых быстродействующих процессорных элементов, которые могут иметь собственную или общую память данных. Одинарный поток команд вырабатывает одно общее устройство управления. При этом все процессорные элементы выполняют одновременно одну и ту же команду, но над разными операндами, которые доставляются из памяти множественным потоком.

MIMD - архитектура с множественными потоками команд и данных. К таким структурам относятся многопроцессорные и многомашинные вычислительные системы. Они могут отличаться принципом управления (централизованное или распределенное), организацией памяти (общей, распределенная или комбинированная) и структурой связей между компьютерами или процессорами. Гибкость MIMD структур разрешает организовать совместную работу компьютеров, которые входят в них, или процессоров за распараллеленной программой при решении одной сложной задачи, или раздельную работу всех компьютеров при одновременном решении великого множества задач с помощью независимых программ. Низшее приводится более подробное описание некоторых более всего распространенных структур компьютеров.