Структуры вычислительных машин: с непосредственными связями, на основе шины.
Достоинства и недостатки архитектуры вычислительных машин и систем зависят от способа соединения компонентов. Различают два основных типа структур вычислительных машин:
с непосредственными связями,
на основе шины.
Примером структуры с непосредственными связями является структура фон-Неймановской вычислительной машины. В ней между взаимодействующими устройствами (процессор, память, устройства ввода-вывода) имеются непосредственные связи. Особенности связей (число линий в шинах, пропускная способность и т.д.) определяются видом информации, характером и интенсивностью обмена. Основной недостаток структуры с непосредственными связями – такие ЭВМ плохо поддаются реконфигурации.
В варианте с общей шиной все устройства ЭВМ подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных и управления
Центральный
процессор
Основная память
Внешняя память
Уввода/ вывода
Рисунок – Структура вычислительной машины на базе общей шины
Наличие общей шины упрощает реализацию вычислительной машины, позволяет легко менять ее состав и конфигурацию. Шинная архитектура получила широкое распространение в мини и микроЭВМ. Основной недостаток шинной архитектуры: в каждый момент передавать информацию по шине может только одно устройство. Основную нагрузку на шину создают обмены между процессором и памятью, связанные с извлечением из памяти команд и данных и записью в память результатов вычислений. На операции ввода-вывода остается лишь часть пропускной способности шины.
Более распространена архитектура с иерархией шин, где помимо магистральной шины имеется еще несколько дополнительных шин. Они могут обеспечивать непосредственную связь между устройствами с наиболее интенсивным обменом, например, процессором и кэш-памятью. Другой вариант использования дополнительных шин – объединение однотипных устройств ввода-вывода с последующим выходом с дополнительной шины на магистральную. Все эти меры позволяют снизить нагрузку на общую шину и более эффективно расходовать ее пропускную способность.
Структура взаимосвязей вычислительной машины. Информационные потоки, характерные для основных устройств вычислительной машины. Система шин.
Структура взаимосвязей вычислительной машины должна обеспечивать обмен информацией между:
центральным процессором и памятью,
центральным процессором и модулями ввода-вывода,
памятью и модулями ввода-вывода.
Информационные потоки, характерные для основных устройств вычислительной машины:
Память N
ячеек
Модуль ввода/ вывода М портов
Центральный
процессор
Рисунок – Информационные потоки в вычислительной машине
Взаимосвязь блоков вычислительной машины обеспечивается системой шин. Операции по шине называются транзакциями. Основные виды транзакций – транзакции чтения и транзакции записи. Шинная транзакция включает в себя две части: передача адреса и прием (или передача) данных. В зависимости от назначения различают три типа шин:
шины «процессор-память»,
шины ввода-вывода,
системные шины.
Шина «процессор-память» обеспечивает непосредственную связь между центральным процессором и основной памятью. Роль этой шины иногда выполняет системная шина.
Шина ввода/ вывода служит для соединения процессора (памяти) с устройствами ввода/ вывода.
Системная шина служит для физического и логического объединения всех устройств вычислительной машины. Функционирование системной шины можно описать следующим образом. Если один из модулей хочет передать данные в другой, он должен получить в свое распоряжение шину и передать по ней данные. Если какой-то модуль хочет получить данные от другого модуля, он должен получить доступ к шине и с помощью соответствующих линий управления и адреса передать в другой модуль запрос. Далее он должен ожидать, пока модуль, получивший запрос, передаст данные.