Лекция 4. Основные понятия и определения курса «Архитектура ЭВМ». 1

Лекция 5. Концепция машины с хранимой в памяти программой 3

Лекция 4. Основные понятия и определения курса «Архитектура эвм».

Рассмотрим наиболее распространенные определения основных терминов в области ЭВМ и вычислительных систем (ВС).

Согласно ГОСТ 15971-90 введем следующие понятия:

В ычислительная машина (ВМ) — совокупность технических средств, создающая возможность проведения обработки информации (данных) и получение результата в необходимой форме.

Под техническими средствами понимают все оборудование, предназначенное для автоматизированной обработки данных. Как правило, в состав ВМ входит и системное программное обеспечение (ПО).

Электронной вычислительной машиной (ЭВМ) называют вычислительную машину (ВМ), основные функциональные устройства которой выполнены на электронных компонентах.

Вычислительную систему (ВС) стандарт ISO/IEC 2382/1-93 определяет как одну или несколько вычислительных машин, периферийное оборудование и программное обеспечение, которые выполняют обработку данных.

ISO - Международная организация стандартов.

Электронно-вычислительная машина (ЭВМ, Electronic Computer) — программируемое функциональное устройство, состоящее из одного или нескольких взаимосвязанных центральных процессоров, периферийных устройств, управление которыми осуществляется посредством программ, располагающихся в оперативной памяти. Эта машина может производить большой объем вычислений, содержащих большое количество арифметических, логических и других операций без вмешательства пользователя в течение периода выполнения (стандарт ISO 2382/1-84).

Многопроцессорная вычислительная система (Multiprocessor computer system) — система, в состав которой входят два или несколько процессоров.

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.

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.

К настоящему времени среди ЭВМ последовательного типа наибольшее распространение получили два типа архитектур:

• принстонская архитектура;

• гарвардская архитектура.

К онцепция вычислительной машины, изложенная в статье фон Неймана, предполагает единую память для хранения команд и данных. Такой подход был принят в вычислительных машинах, создававшихся в Принстонском университете, из-за чего и получил название принстонской архитектуры.

Практически одновременно в Гарвардском университете предложили иную модель, в которой ВМ имела отдельную память команд и отдельную память данных. Этот вид архитектуры называют гарвардской архитектурой.

Долгие годы преобладающей была и остается принстонская архитектура, хотя она порождает проблемы пропускной способности тракта «процессор-память». В последнее время, в связи с широким использованием кэш-памяти, разработчики ВМ все чаще обращаются к гарвардской архитектуре.

Вычислительная сеть (или сеть ЭВМ, от англ. Computer Network) — территориально рассредоточенная многомашинная система, состоящая из взаимодействующих ЭВМ, связанных между собой каналами передачи данных.

Система взаимодействует с внешним миром через набор интерфейсов.

Интерфейс (Interface) — совокупность средств и правил, обеспечивающих взаимодействие устройств ЭВМ или ВС, программ, а также пользователей (ГОСТ 15971-90).

П римечание: Интерфейсы могут разграничивать определенные уровни внутри программного обеспечения. Например, уровень управления логическими ресурсами может включать реализацию таких функций, как управление базой данных, файлами, виртуальной памятью, сетевой телеобработкой.

К уровню управления физическими ресурсами относятся функции управления внешней и оперативной памятью, управления процессами, выполняющимися в системе.

Следующий уровень отражает основную линию разграничения системы, а именно границу между системным программным обеспечением и аппаратурой. Эту идею можно развить и дальше и говорить о распределении функций между отдельными частями физической системы.

Например, некоторый интерфейс определяет, какие функции реализуют центральные процессоры, а какие — контроллеры системных шин и магистралей передачи данных.

Интерфейс следующего уровня определяет разграничение функции между контроллерами системных шин и контроллерами внешних устройств.

В свою очередь, можно разграничить функции, реализуемые контроллерами и самими устройствами ввода-вывода (терминалами, модемами, накопителями на магнитных и оптических дисках, сетевыми адаптерами). Архитектура таких уровней часто называется архитектурой физического ввода-вывода.

В соответствии с ГОСТ 15971-84 под архитектурой ВС (Computing Architecture) понимается логическая организация цифровой вычислительной системы, определяющая процесс обработки данных в конкретной ВС и включающая методы кодирования данных, состав, назначение, принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения. В повседневной практике под архитектурой ВС понимают ее состав и схему функциональных и управляющих связей между ее элементами.