Типы архитектур
Основные классические типы архитектур, базирующиеся на принципах фон-Неймана можно определить, как «звезда», «иерархическая», « магистральная».
«Звезда» показана на рис.1.1.3
Рис.1.1.3 Архитектура «звезда»
Процессор соединен непосредственно с внешними устройствами и управляет их работой. К этому типу относится процессор фон-Неймана.
«Иерархическая» архитектура показана на рис.1.1.4.
Рис.1.1.4. Иерархическая архитектура
В этой архитектуре центральный процессор соединен с вспомогательными процессорами ВП, управляющими в свою очередь контроллерами, к которым подключены внешние устройства ВУ. К такой архитектуре относятся мини-ЭВМ IBM 360.
Магистральная архитектура (общая шина) показана на рисунке 1.1.5.В этой архитектуре процессор, память и внешние устройства связаны между собой через внутренний канал. К этой архитектуре относятся IBM совместимые ПК.
Рис.1.1.5 Магистральная архитектура
Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные шины адреса, данных и управления.
Все рассмотренные выше архитектуры относятся к классу ЭВМ, управляемых потоками команд. Они придерживаются принципов фон-Неймана. Программа в них начинает выполняться по запросу и вначале из памяти извлекается команда, затем данные.
В последнее время появился новый класс потоковых ЭВМ, не поддерживающих архитектуру фон-Неймана. Они управляются потоками данных. Программа составляется и записывается в память, но каждая команда программы не будет выполняться до тех пор, пока не появятся данные (операнды). Таким образом, сначала должны прочитаться из памяти операнды, а затем выполнена исполнительная команда.
Понятие о вычислительной системе
Вычислительная система (ВС) – совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенная для сбора, хранения, обработки и распределения информации.
Цели создания ВС:
повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных;
повышение надежности и достоверности вычислений;
предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг.
Отличительной особенностью ВС по отношению к классическим ЭВМ является наличие нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку.
Таким образом, весь набор современных средств обработки информации можно разделить на 4 класса: 1) обычные ЭВМ,
2) вычислительные комплексы и системы, в том числе многопроцессорные, 3) суперкомпьютеры, 4) вычислительные сети.
Три последних класса относятся к вычислительным системам.
Главная отличительная черта ВС – параллельная обработка информации. Она дает возможность преодолеть врожденную слабость современных ЭВМ – «бутылочное горло» архитектуры фон-Неймана. В простейшем изложении фон-неймановский процессор состоит из трех частей: процессор, память и соединяющий их канал, служащий для обмена данными между процессором и памятью, причем маленькими порциями, пословно.
Несмотря на прогресс в области технологии, ограниченность фон-неймановской архитектуры, связанная с ограниченной пропускной способностью канала, не исчезает, поскольку скорость работы памяти растет гораздо медленнее, чем производительность процессоров.
Параллелизм выполнения операций существенно повышает быстродействие системы, он также повышает и надежность. Параллелизм выполнения операций усложняет систему управления вычислительным процессом, что сказывается на сложности операционных систем.
Классическим вариантом ВС является многомашинные системы, но ВС может состоять и из одного компьютера, который связан с многофункциональным периферийным оборудованием, или содержит несколько процессоров.
Прежде всего ВС можно классифицировать как многомашинные и многопроцессорные.
Многомашинная ВС – это система нескольких ЭВМ, каждая из которых имеет свою оперативную память и свою операционную систему. Каждый компьютер в многомашинной ВС имеет классическую архитектуру, такие системы применяются достаточно широко,
Многопроцессорные ВС имеют общую память и общую операционную систему и обладают всеми преимуществами параллельной обработки.
В создаваемых ВС стремятся обеспечить несколько путей передачи данных, что повышает надежность, гибкость к условиям работы.
Существуют следующие уровни комплексирования ЭВМ:
прямое управление;
общая оперативная память;
каналы ввода-вывода;
устройства управления внешними устройствами (УВУ);
общие внешние устройства.
Уровень прямого управления служит для передачи коротких однобайтовых приказов-сообщений. Процессор – инициатор обмена по интерфейсу прямого управления подает команду «прямая запись» У другого процессора эта команда вызывает внешнее прерывание и он записывает передаваемый байт в свою память. После завершения передачи, процессоры возвращаются к вычислениям по своим программам.
Уровень общей оперативной памяти является наиболее предпочтительным для оперативного взаимодействия процессоров.
Уровень комплексируемых каналов ввода-вывода предназначен для передачи больших объемов информации между блоками оперативной памяти. Скорость передачи по этому уровню представляет несколько мегабайт в секунду.
Уровень устройств управления внешними устройствами предполагает использование встроенного в УВУ двухканального переключателя и команд «зарезервировать» и «освободить». Двухканальный переключатель позволяет подключать УВУ одной машины к каналам ввода-вывода различных ЭВМ. По команде «зарезервировать» канал – инициатор обмена имеет доступ к любым накопителям на дисках или лентах. Обмен канала с накопителями продолжается до полного завершения работ и команды «освободить».
На четвертом уровне с помощью аппаратуры передачи данных имеется возможность сопряжения с каналами связи. Эта аппаратура позволяет создавать сети ЭВМ.
Пятый уровень предполагает использование общих внешних устройств.
Схема комплексирования ЭВМ в ВС приведена на рис.1.2.1
Рис.1.2.1 Уровни комплексирования машин в вычислительную систему
Эти пять уровней называются логическими, так как они объединяют разнотипную аппаратуру. Они позволяют создавать различные структуры ВС.
Второй уровень позволяет создать многопроцессорную систему. Обычно он дополняется первым уровнем, что позволяет повысить оперативность взаимодействия процессоров.
Уровни 1,3,4,5 обеспечивают построение разнообразных машинных комплексов. Особенно часто используются 3 и 4 уровни. 5 уровень применяется в редких специальных случаях, когда в качестве внешнего объекта используется дорогое уникальное устройство.