Основные понятия курса

Предметом рассмотрения будут исключительно цифровые машины и системы, то есть устройства, оперирующие дискретными величинами. Вычислительная машина (ВМ) [1] – это:

1. Устройство, которое принимает данные, обрабатывает их в соответствии с хранимой программой, генерирует результаты и обычно состоит из блоков ввода, вывода, памяти, арифметики, логики и управления.

2. Функциональный блок, способный выполнять реальные вычисления, включающие множественные арифметические и логические операции, без участия человека в процессе этих вычислений.

3. Устройство, способное: хранить программу или программы обработки и, по меньшей мере, информацию, необходимую для выполнения программы; быть свободно перепрограммируемым в соответствии с требованиями пользователя; выполнять арифметические вычисления и логические действия, определяемые пользователем.

По этому определению к ВМ относятся как мейнфреймы, так и настольные ЭВМ и даже встраиваемые вычислительные и цифровые управляющие устройства (микроконтроллеры, цифровые сигнальные процессоры и др.). Программируемые микроконтроллеры на базе одной микросхемы часто и называют однокристальными микро-ЭВМ [2].

Вычислительную систему (ВС) определим как совокупность каким-либо образом взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или вычислительных машин, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для подготовки и решения задач пользователей. Таким образом, формально отличие ВС от ВМ выражается в количестве вычислителей.

Под архитектурой вычислительной машины обычно понимается логическое построение ВМ, то есть то, какой машина представляется программисту. Впервые термин “архитектура вычислительной машины” (computer architecture) был употреблен фирмой IBM при разработке машин семейства IBM-360 для описания тех средств, которыми может пользоваться программист, составляя программу на уровне машинных команд. Подобную трактовку называют “узкой”, и охватывает она перечень и формат команд, формы представления данных, механизмы ввода/вывода, способы адресации памяти и т.п. Из рассмотрения выпадают вопросы физического построения вычислительных средств: состав устройств, число регистров процессора, емкость памяти, наличие специального блока для обработки вещественных чисел, тактовая частота центрального процессора и т.д. Этот круг вопросов принято определять понятием “организация” или “структурная организация”.

“Архитектура” (в узком смысле) и “организация” – это две стороны описания ВМ и ВС. Поскольку помимо теоретической строгости, такое деление не дает каких-либо преимуществ, то в дальнейшем будем пользоваться термином “архитектура”, объединяющем как архитектуру в узком смысле, так и организацию ВМ. Применительно к вычислительным системам термин “архитектура” дополнительно распространяется на вопросы распределения функций между составляющими ВС и взаимодействия этих составляющих.

При описании структуры ВМ можно предложить несколько степеней детализации ее структуры. Например, при представлении ВМ на первом уровне (в форме “черного ящика”) рассматриваются только входы и выходы ВМ. На втором уровне (уровень общей архитектуры) ВМ рассматривается в виде четырех составляющих: центрального процессора (ЦП), основной памяти (ОП), устройств ввода-вывода (УВВ) и системы шин. На третьем уровне детализируется устройство центрального процессора. В нем выделяются: арифметико-логическое устройство (АЛУ), обеспечивающее обработку целых чисел; блок обработки чисел в формате с плавающей точкой (БПЗ); регистры процессора; устройство управления (УУ), обеспечивающее совместное функционирование устройств ВМ; внутренние шины. На четвертом уровне детализируется устройство управления. В нем выделяются: логика программной последовательности – это электронные схемы, обеспечивающие выполнение команд программы в последовательности, предписываемой самой программой; регистров и дешифраторов устройства управления; управляющей памяти; логики формирования управления, генерирующей все необходимые управляющие сигналы. Эта классификация (по уровням детализации) является всего лишь одной из возможных.