Терминология в области ЭВМ, ВС и комплексов

Универсальные компьютеры типа IBM 360/370 используются в режиме мультипрограммной обработки информации для многих пользователей и имеют широкий набор периферийных устройств. Их типовая архитектура изображена на рис. 1.2.

Назначения устройств следующее:

- процессор является центральным элементом компьютера и непосредственно осуществляет преобразования информации под управлением программы. Для этого он имеет арифметико-логическое устройство, устройство центрального управления, устройство управления памятью и устройство контроля и диагностики. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над двоичными и двоично-десятичными числами. Устройство центрального

управления (ЦУ) обеспечивает микропрограммное управление всего процессора, обработку прерываний и отсчет времени. Устройство управления памятью (УУП) обеспечивает связь процессора и каналов ввода- вывода с оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), решения конфликтов при обращении к памяти и буферизацию информации, которая передается. Устройство контроля и диагностики (УКиД) обеспечивает текущий контроль функционирования компьютера при инициализации системы;

- оперативное запоминающее устройство предназначено для сохранности программ и данных;

- мультиплексный канал это специализированный процессор ввода- вывода он обеспечивает ввод/вывод информации из медленно-действующих периферийных устройств (ПУ). Он работает в мультиплексном режиме, то есть после чтения/записи одного машинного слова из одного периферийного устройства происходит переключение на обмен словом с другим устройством, если поступил соответствующий запрос;

- селекторные каналы также являются специализированными процессорами ввода-вывода, но они предназначены для работы с периферийными быстродействующими устройствами, например, с устройствами внешней памяти, накопителями на дисках и лентах. Селекторный канал работает в селекторном режиме, то есть, если начался обмен информацией с одним устройством, то он не может быть прерван другим устройством пока информация не будет полностью передана.

Все периферийные устройства подключаются к каналу через свои устройства управления (УУ), что обеспечивают стандартное подключение разнотипных устройств к каналам.

Отличительной особенностью мини-, микро- и персональных компьютеров является простота и надежность в управлении. Поэтому архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе. Все эти компьютеры имеют магистральную архитектуру, при которой процессор связан со всеми другими блоками компьютера путем единого интерфейса типа общей шины. При такой архитектуре в данный момент времени возможный обмен информацией только между двумя блоками, один из которых есть инициатором (обычно процессор или контроллер прямого доступа к памяти) и управляет процессом передачи информации по общей шине, которая состоит из трех подшин - шины адреса (А), шины данных (Д) и шины управления (У). Общее управление системным интерфейсом выполняет контроллер шины.

Системная шина характеризуется тактовой частотой и разрядностью. Разрядность шины - это количество одновременно передаваемых по шине бит и измеряется в битах (bit). Тактовая частота характеризует число элементарных операций по передаче данных в 1 секунду и измеряется в Герцах.(Hz)

В современных ЭВМ реализован принцип открытой архитектуры, позволяющий пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости её модернизацию. Конфигурацией компьютера называют фактический набор компонентов ЭВМ, которые составляют компьютер. Принцип открытой архитектуры позволяет менять состав устройств ЭВМ. К информационной магистрали могут подключаться дополнительные периферийные устройства, одни устройства могут заменяться другими. Аппаратное подключение периферийного устройства к магистрали на физическом уровне осуществляется через специальный блок - контроллер шины. Для соединения устройства с контроллером шины имеются специальные разъёмы, т .н. слоты расширения.

Управление работой периферийного устройства производится через программу - драйвер, которая является компонентой операционной системы. Так как существует огромное количество разнообразных устройств, которые могут быть установлены в компьютер, то обычно к каждому устройству поставляется драйвер, взаимодействующий непосредственно с этим устройством.

Связь компьютера с внешними устройствами осуществляется через порты – специальные разъёмы на задней панели компьютера. Различают последовательные и параллельные порты. Последовательные (COM – порты) служат для подключения манипуляторов, модема и передают небольшие объёмы информации на большие расстояния. Параллельные (LPT - порты) служат для подключения принтеров, сканеров и передают большие объёмы информации на небольшие расстояния. В последнее время широкое распространение получили последовательные универсальные порты (USB), к которым можно подключать различные устройства. Минимальная конфигурация компьютера включает в себя: системный блок, монитор, клавиатуру и мышь.

Архитектура персональных компьютеров (ПК) берет начало от магистральной архитектуры, но в процессе своего развития архитектура ПК стала базироваться на системы шин, которая включает: локальную шину процессора (L-local bus), шину оперативной памяти (М - Memory bus),

системную шину (S - System bus), которая связывает работу всех модулей компьютера в единое целое, и внешнюю (периферийную) шину {X - external bus), связанную с периферийными модулями.

Из рисунка видно, что взаимодействие шин обеспечивается контроллерами шин (КШ), которые включают шинные формирователи и буферные элементы. Любая из этих шин является магистральной и состоит из составляющих: адреса, данных и управления.

На рис. 1.4 приведен типовой набор модулей ПК. Здесь микропроцессорное ядро (МПЯ) включает модули и узлы, которые определяют работу центрального процессора и подключаются параллельно к его шинам. Непосредственно к системной шине S подключается внешняя периферия через слоты расширения и ее номенклатура может меняться. Периферия, которая подключенная к внешней шине X, и расположенная на материнской плате, обеспечивает минимально-необходимые условия функционирования ПК.

Кроме рассмотренных архитектурных решений к шинной архитектуре надо отнести один из основных ее параметров - ширину шины или количество линий в шине. В настоящее время используются 8-, 16-, 32-, 64- разрядные шины данных, которые обеспечивают параллельную передачу соответствующих слов, и 20-, 24-, 32-, 36-разрядные шины адреса. Следует отметить, что при m-разрядной шине адреса обеспечивают максимально допустимое физическое адресное пространство 2^m (1 Мбайт - 64Гбайт в приведенном случае).

К постнеймановским архитектурным решениям относятся и архитектурные решения, которые используются при. построении высокопроизводительных суперкомпьютеров. Архитектура

высокопроизводительных суперкомпьютеров основывается на следующих принципах распараллеливания процесса обработки информации с использованием мультипроцессорных структур.

Конвейерная обработка. Для организации конвейерной обработки необходима цепочка процессорных элементов, любой из которых выполняем свой набор команд. Все процессорные элементы (цепи конвейера соединенные последовательно в конвейерную структуру таким образом который исходные данные предшествующего звена есть входными данными следующей. Кроме того необходимый поток однотипных элементов обработки, причем обработка каждого элемента выполняется за одним и тем же алгоритмом преобразования информации А -> Z Алгоритм преобразования информации может быть разделен на m {m - число цепей конвейера) одинаковых по трудоемкостью этапов:

 А-> В-> С-> … -> Z.

1 этап 2 этап ... m этап

Любое i-е звено конвейера программируется на выполнение своего i-го этапа и конвейерная обработка выполняется по схеме, изображенной на рис. 1.5.

На изображенной временной диаграмме Тi - такт работы конвейера (равняется продолжительности наиболее трудоемкого этапа). Из диаграммы видно, что первый результат (Z1) появляется в конце m-ro такта на m-м звене, то есть не раньше чем при обычной обработке, но в дальнейшем в каждом следующем такте появляется новый результат.

Если элементами обработки являются команды, а этапами - микрокоманды реализации отдельных фаз выполнения команды, то реализуется конвейер команд (используется в большинстве современных процессоров).

Если элементами являются структуры данных (например элементы массивов), а этапами - фрагменты программы обработки потока данных, то реализуется арифметический конвейер (используется в конвейерных суперкомпьютерах типа CRAY).

Матричная обработка. Для организации матричной обработки необходимая матрица процессорных элементов, любой из которых работает со своей локальной памятью. Кроме того, процессоры могут обмениваться один из одним путем межпроцессорных связей. Процессорные элементы выполняют общий поток команд, то есть параллельно и синхронно обрабатывают информацию, которая сохраняется в локальной памяти. Матричная обработка используется в специализированных матричных суперкомпьютерах (например, ILLIAC-IV) или в специализированных матричных сопроцессорах.

3) Ассоциативная обработка. Организованная аналогично матричной обработке, то есть великое множество синхронно работающих процессорных элементов, но параллельный поток данных организуется при чтении информации из ассоциативной памяти. При ассоциативном чтении выполняется сравнения признаков всех слов памяти с признаками регистра признаков, поэтому возможно параллельное чтение некоторых слов, которые попадают на свои процессорные элементы. Такая обработка применяется в ассоциативных суперкомпьютерах (STARAN), хотя применения ассоциативного чтения информации используется в обычных компьютерах (например, при организации кэш-памяти).

МАШИНЫ С СОКРАЩЕННЫМ НАБОРОМ КОМАНД

Система команд первого и частично второго поколений машин содержали не более пятидесяти команд. Основная проблема, по которой набор команд не расширялся, – это цена аппаратуры (и управляющая, и обрабатывающая части процессора реализовывались аппаратно), а также необходимость программирования в кодах (программист не мог запомнить большое количество команд). С середины 60-х до 80-х годов доминирует микропрограммное управление выполнением команд, что соответствовало основным требованиям к процессорам того времени:

1. Минимизация длины кода  программы 

2. Упрощение реализации  компиляторов за счет снижения  семантического разрыва между ЯВУ и машинными командами.

Это вызвало рост набора команд компьютеров за счет увеличения их сложности и увеличения числа форматов от 50 до 300 команд (рекордсменом был Vaх11/780, у него было 303 команды). Компьютеры с большим набором команд и разнообразием их форматов получили название CISC-компьютеров (Complete Instruction Set Computer – машина с полным набором команд). Для них характерно увеличение сложности и соответственно размеров микропрограммного устройства управления, которое интерпретировало выполнение этих команд.

Набор команд такого центрального процессорного устройства содержит от 90 до 303 команд (супермини-ЭВМ VAX 11/ 780). Компьютеры с сокращенным набором команд (КСНК) – более известные по английской аббревиатуре как RISC-компьютеры (RISC – Reduced Instruction Set Computer) – воплощают направление развития архитектуры ЭВМ, связанное с возвращением к принципам аппаратного управления выполнением команд с целью повышения производительности они содержат 30 - 50 команд в наборе.

Нередко часть «сокращённый набор команд» неверно понимается как минимизация количества инструкций в системе команд. В действительности, инструкций у многих RISC-процессоров больше, чем у CISC-процессоров. Некоторые RISC-процессоры имеют наборы инструкций не меньшие, чем у CISC IBM System/370; и наоборот — CISC-процессор DEC PDP-8 имеет только 8 основных и несколько расширенных инструкций.

На самом деле, термин «сокращённый» в названии описывает тот факт, что сокращён объём (и время) работы, выполняемый каждой отдельной инструкцией — как максимум один цикл доступа к памяти, — тогда как сложные инструкции CISC-процессоров могут требовать сотен циклов доступа к памяти для своего выполнения.

В результате в конце 80-х гг. благодаря развитию технологии производства СБИС и их удешевлению, а также развитию методов и опыта разработки оптимизирующих компиляторов, постепенно сложились основные принципы (или законы) RISC-архитектур:

1. Основной набор команд  не должен интерпретироваться микрокомандами, а должен

выполняться аппаратным обеспечением.

2. Все команды должны  иметь одинаковую длину и минимальное  число форматов (обычно не более 2–3), это упрощает логику управления при выборе и при исполнении команды.

3. Любая команда основного  набора должна выполняться за один машинный цикл, обратно пропорциональный тактовой частоте процессора (стандартом является команда сложения регистра с регистром, занимающая от 3–10 нс); это достигается одновременным (параллельным) выполнением максимально возможного числа команд путем конвейеризации или использования нескольких обрабатывающих узлов

4. Обращение к памяти  производиться только по специально  выделенным командам работы с  памятью типа: Load – загрузка и Store – сохранение, а вся обработка данных должна вестись в регистровом формате; при этом количество регистров должно быть велико (100 и более).

5. Система команд должна  обеспечивать поддержку компиляции с конкретного языка

программирования (компиляторы для RISC на порядок сложнее, чем компиляторы для CISC).

Формат команд процессора RISC–1: