Организация вычислительной системы. Элементы вычислительного ядра и системы ввода-вывода
Рассмотрим обобщенную структуру некоторой гипотетической вычислительной системы.
Под вычислительной системой (ВС) в рамках данного курса понимается комплекс технических средств (аппаратно-программных), предназначенный для автоматизации обработки информации.
Рис. 2. Структура некоторой гипотетической вычислительной системы (ВС)
Выделенная система на рис. выше (обозначена «1») – простая однопроцессорная система.
Ввод/вывод организуется с помощью ЦП программным методом (с помощью программ ввода/вывода). Может быть несколько контроллеров ввода/вывода. Количество внешних устройств, подключаемых к контроллеру ввода/вывода, может быть различным; характерна шинная организация, где присутствует универсальный интерфейс, объединяющий элементы ядра и системы ввода/вывода.
Достоинства: простота, прозрачность, дешевизна.
Недостатки: надежность, время, низкая производительность.
Архитектура такой системы (простая однопроцессорная система) применялась в первых минимашинах. Сейчас применяется в несложных микроконтроллерах (с 8-разрядными или 16-разрядными ядрами).
Вычислительная система делится на две части:
Вычислительное ядро (то оборудование и программные средства, которые непосредственно участвуют в решении заданной задачи).
Система ввода-вывода (элементы, обеспечивающие общение вычислительного ядра с внешней средой).
К ядру относятся те элементы, которые непосредственно выполняют вычислительную работу. Поскольку в оперативной памяти обычно хранятся данные, непосредственно использующиеся в вычислительном процессе, этот элемент вычислительной системы («ОП» на рис. выше) однозначно можно отнести к ее ядру. Также к ядру ВС бесспорно относятся центральные процессоры («П» на рис. выше), так как они производят основные вычисления. Кроме того, к ядру относятся те элементы ВС, которые обеспечивают взаимосвязь процессора и оперативной памяти (кэш-память), специальные процессоры (математический сопроцессор), специализированные блоки, отвечающие за синхронизацию, диспетчеризацию, обеспечивающие безопасность рабочих блоков.
Процессоры ввода-вывода («ПВВ» на рис. выше) занимают пограничное положение, и в одних случаях их целесообразно включить в ядро, а в других – в систему ввода-вывода. Например, если в системе процессор ввода-вывода имеет собственную (локальную) память, из которой он выбирает команды и в которой содержатся промежуточные результаты его вычислений, а с центральным процессором он непосредственно не сопряжен, то такой процессор, безусловно, относится к подсистеме ввода-вывода. В случае, когда процессор ввода-вывода разделяет одну и ту же память с центральным вычислителем, его нельзя однозначно отнести к подсистеме ввода-вывода.
К системе ввода-вывода также обычно относят контроллеры ввода-вывода и внешние устройства, которыми они управляют.
Определим понятия, обозначения которых даны на рис. выше.
1.2.1 Процессор и память
Процессор – элемент вычислительной системы, устройство для выборки команд из памяти и выполнения действий, предписанных командами; устройство, осуществляющее процесс обработки информации. В ряде случаев процессором также называют программные средства, предназначенные для обработки информации (например, текстовый процессор, языковой процессор). Процессоры (в смысле устройств) можно классифицировать по разным критериям, например: по способу организации функционирования (конвейерные, матричные), характеру обрабатываемой информации, по назначению и т.д. Например, различают:
Универсальные (общего назначения) и
специализированные (ПВВ, графические,
процессоры обработки сигналов) процессоры.
Первые призваны решать различные задачи
и имеют широкую область применения,
тогда как вторые ориентированы на
решение узкого круга задач. Универсальные
процессоры характеризуются: способностью
обрабатывать большое число команд;
системой команд (СК): если система команд
позволяет решить любую задачу, то
процессор универсальный. Нужно
анализировать систему команд на ее
сбалансированность, формы данных,
способы адресации. Хотя универсальность
процессора – вопрос относительный.
Центральные, периферийные и сервисные процессоры. Центральный процессор осуществляет общее управление вычислительной системой: производит основную обработку данных, обмен ими с другими элементами ВС, а также управляет работой элементов ВС. Периферийный процессор выполняет лишь часть функций вычислительной системы: управляет и обменивается данными с устройствами ввода-вывода (процессор ввода-вывода), может участвовать в вычислительном процессе (обрабатывать часть данных). Сервисный (обслуживающий) процессор обычно не участвует в основном вычислительном процессе и выполняет функции контроля и обслуживания: выполняет инструментальные функции (доставка и отладка программного обеспечения, настройка оборудования), осуществляет контроль правильности функционирования системы, измерение параметров окружающей среды (температура, влажность), напряжения питания и т.п. В ВС один и тот же процессор может выполнять функции как периферийного, так и сервисного процессора.
Программируемость процессора – не обязательное свойство.
Процессоры могут быть:
Непрограммируемые, не программно реализованные.
Программируемые и программно реализованные.
Непрограммируемые, но программно реализованные.
Программируемые, но не программно реализованные.
Программируемый процессор – процессор, у которого есть система команд. Его можно настроить на решение той или иной задачи.
Функции непрограммируемого процессора раз и навсегда зафиксированы.
Процессоры могут строиться как аппаратные блоки или по принципу программно управляемых устройств.
Микропроцессор – процессор в интегральном исполнении, реализованный в рамках одной или нескольких интегральных микросхем; программируемый процессор в интегральном исполнении.
Микроконтроллер следует понимать как контроллер, построенный на основе микропроцессорной элементной базы. Микроконтроллеры могут быть однокристальными, одноплатными, программируемыми, логическими, промышленными, универсальными и т.д. Микроконтроллер в одном кристалле содержит микропроцессор и набор периферийных устройств и контроллеров: контроллер прерываний, таймеры, контроллер сети, контроллер последовательного канала, контроллер памяти, контроллер ПДП и т.д.
Память – совокупность устройств, предназначенных для хранения программ, обрабатываемой информации (данных), промежуточных или окончательных результатов вычислений.
Важнейшие характеристики памяти – емкость, быстродействие и стоимость. Емкость ЗУ определяется предельным количеством информации, размещаемым в ЗУ, и исчисляется в кило-, мега- и гигабайтах. Быстродействие ЗУ характеризуется затратами времени на чтение запись информации при обращении к ЗУ. Стоимость ЗУ – это затраты средств в денежном выражении на хранение всего объема информации, определяемого емкостью ЗУ. Для сравнения качества ЗУ различных типов используется характеристика, называемая удельной стоимостью и равная стоимости ЗУ, деленной на емкость ЗУ. Удельная стоимость имеет размерность, например, доллар/МБ.
В зависимости от назначения и особенностей реализации устройств памяти, по-разному подходят и к вопросам их классификации.
Критерии классификации:
По назначению.
По виду физического носителя (технология производства).
По организации доступа (адресный: произвольный, прямой (циклический), последовательный; ассоциативный доступ).
По возможности записи и перезаписи.
По энергозависимости/энергонезависимости.
По типу интерфейса.
По типу организации адресного пространства.
По удалѐнности и доступности для центрального процессора (первичная, вторичная, третичная память).
Для системы ввода/вывода характерно то, что:
Память проявляется как категория внешних устройств.
В составе обеспечивающих устройств, применяется буферная память, чтобы можно было выравнивать скорость работы различных составов системы ввода/вывода.