1.1 Основные понятия и определения

Введём несколько определений /1-2/.

Система – это совокупность элементов, соединённых между собой для достижения определенной цели. Понятие системы трактуется достаточно широко: практически каждое средство ВТ может рассматриваться как система – ВМ, сети, системы параллельной обработки данных и т.п.

Вычислительная машина (ВМ) – это система, выполняющая заданную, чётко определённую последовательность операций (программу) в соответствии с выбранным алгоритмом обработки информации.

Алгоритм – набор предписаний, однозначно определяющий содержание и последовательность выполнения действий для решения задач.

Операнд – величина (или объект), над которой проводится операция в вычислительной машине.

Результат – совокупность данных, получаемых по завершении операции или программы.

Вычислительная система (ВС)– это совокупность аппаратно-программных средств, предназначенная для параллельной обработки данных или локального управления технологическим оборудованием, настроенная на решение задач конкретной области применения. ВС бывают многопроцессорными (содержат несколько процессоров, между которыми происходит интенсивный обмен информацией; имеют единое управление вычислительными процессами) и микропроцессорными (строятся на базе микропроцессора или микроконтроллера, либо специализированного процессора цифровой обработки сигналов; используются для локального управления технологическим оборудованием в технических и бытовых системах).

Принципы организации и функционирования ВМ и ВС во многом схожи, однако имеются и принципиальные отличия. Во избежание путаницы и излишнего использования обоих понятий при последующем изложении материала, содержащего сведения общие для ВМ и ВС, будет использоваться термин ВМ, а содержащего сведения, характерные только для ВС, будет использоваться термин ВС.

Для наглядного представления ВМ их изображают в виде схем, состоящих из блоков и связей между ними. Такие схемы представляют собой ориентированный граф, вершины которого – блоки.

В функциональной схеме блоки выделяются по функциональному признаку, в структурной схеме блоки соответствуют конструктивным компонентам – устройствам, узлам, интегральным схемам. Отдельные блоки функциональной и структурной схем могут совпадать. С каждым блоком связаны входы, выходы и функция, которая задаёт правила получения выходных последовательностей по входным последовательностям.

Структура – это совокупность элементов и их связей.

Функциональная организация ВМ – это представление её как абстрактной системы в виде функциональной схемы, иллюстрирующей результат функциональной декомпозиции. Для сложных систем, таки как вычислительные машины и сети, часто используется иерархия представлений.

Структурная организация ВМ - это представление её как системы в виде схемы, содержащей реально реализуемые устройства, узлы, элементы.

Функциональные схемы ВС состоят из блоков, каждый из которых является преобразователем информации.

Преобразователь информации – это некоторый блок, имеющий входы для поступления информации и некоторые выходы, на которых представлена выходная информация.

Информация на входах и выходах блоков представлена сигналами. Сигнал - это носитель информации в виде изменяющейся во времени физической величине, обеспечивающей передачу данных. В настоящее время подавляющее большинство преобразователей информации представляют собой электронные схемы, содержащие соединённые определённым образом между собой электронные ключи – вентили. Эти электронные схемы реализуются с использованием технологий современной микроэлектроники в виде интегральных схем. Для представления сигналов приняты два непересекающихся диапазона уровней напряжения. При напряжении 5В: диапазон 0 - 0,4В соответствует значению логического «0» в двоичной системе счисления, диапазон 2,4 – 5В соответствует значению логической «1».

Информация в ВМ представляется в виде двоичных кодов фиксированной длины (машинных слов). Для получения, передачи, хранения и обработки информации используются аппаратные и программные средства, называемые вычислительными ресурсами.

Многоуровневая иерархия аппаратных и программных средств, из которых строится ВМ, называется архитектурой ВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения вычислительных машин.

Несколько ВМ или ВС, информационно связанных между собой, образуют вычислительный комплекс (ВК). При этом каждая машина самостоятельно управляет своими вычислительными процессами, и информационный обмен между вычислительными машинами комплекса не является интенсивным (например, цех, корабль и т.д.).

Сеть (компьютерная, информационно- вычислительная) – это информационная система, которая состоит из множества абонентских систем и телекоммуникационной системы для их информационного взаимодействия. Отличительной особенностью сетей являются развитые функции информационного взаимодействия.

Множество операций над данными и порядок выполнения этих операций называется моделью вычислений. В рамках изучения принципов работы ВМ, ВС и сетей подразумевается модель вычислений, заложенная в оборудование и, следовательно, зависящая от их (вычислительных машин) структуры и архитектуры.

Ознакомившись с основными терминами, перейдем к рассмотрению подходов к организации ВМ и ВС, а также их характеристик.

21. Принципы построения ВМ.

Для программы, состоящей из команд и находящейся в памяти, в соответствии с /3/, возможны следующие альтернативные механизмы её исполнения:

1) Команда выполняется после того, как выполнена предшествующая ей команда последовательности. Этот метод соответствует механизму организации вычислительного процесса под управлением последовательностью команд (data flow computer) и характерному для вычислительных машин с классической фон-неймановской (и подобным ей) структурой. Такая модель вычислений называется традиционной.

2) Команда выполняется, когда становятся доступными её операнды. Этот механизм организации вычислительного процесса известен как управляемый данными (dataflow driven) и реализуется потоковыми вычислительными машинами. Данная модель вычислений называется потоковой.

3) Команда выполняется, когда другим командам требуется результат её выполнения. Этот метод организации вычислительного процесса называется механизмом управления по запросу (demand driven) и реализуется редукционными вычислительными машинами. Модель вычислений также называется редукционной.

Более подробно с архитектурой потоковых и редукционных машин можно ознакомиться в /3/. На практике эти ВМ пока применяются крайне редко. В подавляющем большинстве современные ВМ имеют традиционную структуру, базирующуюся на концепции Дж. фон Неймана (1903-1957, венгро- американский математик), выдвинутой им во второй половине 40-х годов 20 века. Поэтому далее будут рассматриваться ВМ и ВС, реализующие традиционную модель вычислений.

В соответствии с этой концепцией, определена автономно работающая ВМ, содержащая устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), память и устройства ввода-вывода (УВВ), как показано на рисунке 1.1 /2, 6, 7/:

Рисунок 1.1 – Структура ВМ Дж. фон Неймана

Преобразование данных осуществляется последовательно под централизованным управлением от программы, состоящей из команд. Набор команд составляет машинный язык низкого уровня.

Принципы организации вычислительных машин:

1) Двоичное кодирование информации, разделение её на слова фиксированной разрядности.

2) Линейно-адресная организация памяти (N ячеек по n разрядов). Номер ячейки является её адресом. В командах программы адрес является именем переменной, хранящейся в соответствующей ячейке.

3) Представление алгоритма в виде программы, состоящей из команд. Каждая команда определяет шаг выполнения программы и содержит код операции, адреса операндов и другие служебные коды.

4) Хранение команд и данных в одной памяти.

5) Вычислительный процесс организуется как последовательное выполнение команд в порядке, заданном программой.

6) Жёсткость архитектуры – неизменность в процессе работы вычислительной машины, её структуры, списка команд, методов кодирования данных.

При работе вычислительных машин наиболее интенсивное взаимодействие осуществляется между АЛУ и УУ. С развитием элементной базы эти устройства объединили в один блок и назвали процессором. Процессор считывает и выполняет команды программы, организует об ращение к памяти, инициирует работу УВВ. Выборка команды из памяти и её выполнение циклически повторяются. Цикл включает следующие фазы: выборку, дешифрацию, исполнение.

Устройство ввода преобразует входные сигналы к виду, принятому в вычислительной машине. Устройство вывода преобразует выходные сигналы в форму, удобную для восприятия человеком (тексты, графические образы и т.д.).

Преимущество фон-неймановской структуры ВМ заключается в возможности улучшения характеристик ВМ за счет улучшения структуры и параметров отдельных связей между её компонентами (Рисунок 1.1). Однако до сегодняшнего момента «узким местом» этой структуры является канал передачи данных между процессором и памятью.

В настоящее время наряду с классической фон-неймановской структурой ВМ применяется способ построения ВМ на основе общей шины /3, 7/. В этом случае все устройства ВМ подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных, управления, как показано на рисунке 1.2.

Шинная архитектура получила широкое распространение в мини- и микро-ЭВМ благодаря упрощённой реализации и лёгкой замене компонентов.

В каждый момент времени передавать информацию по шине может только одно устройство, что является основным недостатком данного способа построения ВМ.

Конструктивные принципы построения ВМ определяют способы конструктивного исполнения её устройств, организации пространственных механических и электрических связей между устройствами и узлами. Наиболее значимым является принцип «открытой» архитектуры, согласно которому ВМ рассматривается как гибкая, легко расширяемая модульная система, способная к адаптации и совершенствованию.

Рисунок 1.2 – Структура ВМ на основе общей шины

Рассмотрим конструктивные принципы построения вычислительных машин на примере наиболее распространённого класса настольных моделей персональных компьютеров (ПК). ПК содержит следующие типы связанных в систему конструктивно обособленных устройств: системный блок, монитор, клавиатуру, мышь, принтер.

Системный блок одержит все основные электронные схемы, обеспечивающие запись, хранение и обработку данных, а также жёсткий диск (HDD), дисковод для гибких магнитных дисков (FDD), привод CD (DVD), блок питания. Основным узлом системного блока является материнская плата, на которой расположены процессор, оперативная память, вспомогательные схемы, разъёмы для плат расширения (модемов, сетевых карт, видеокарт, звуковых карт и др.).

22. Принципы построения ВС.

Относительно ВС также можно выделить два способа их организации: вычислительные системы с общей памятью и распределённые вычислительные системы /3, 7/.

В соответствии с первым способом, в ВС имеется общая основная память, совместно используемая всеми процессорами системы, что иллюстрирует рисунок 1.3.

Взаимосвязь процессоров с общей памятью обеспечивается с помощью коммуникационной сети, чаще всего представляющей собой общую шину.

Рисунок 1.3 – Структура ВС с общей памятью

Таким образом, структура ВС с общей памятью аналогична рассмотренной выше структуре ВМ с общей шиной. Вследствие этого ей присущи те же недостатки. Дополнительное достоинство таких ВС заключается в том, что обмен информацией между процессорами обеспечивается только за счёт доступа к общим областям памяти.

В распределённой ВС каждый процессор обладает собственной локальной памятью, как показано на рисунке 1.4. Обмен информацией между компонентами ВС обеспечивается с помощью коммуникационной сети посредством обмена сообщениями. Подобная организация ВС снимает ограничения, свойственные общей шине, но приводит к дополнительным издержкам на передачу сообщений между процессорами.

Рисунок 1.4 – Структура распределённой ВС

Для уменьшения недостатков традиционной структуры ВМ и ВС, применяются различные её модификации /2, 3/, в частности, физическое разделение памяти на память команд и память данных. Более подробно такая структура ВМ будет представлена в разделе, посвященном микроконтроллерам.

Далее рассмотрим характеристики ВМ и ВС.

23. Понятие ВМ, ВС, КС, ВК. Структура и архитектура ВМ и систем.

Для программы, состоящей из команд и находящейся в памяти, в соответствии с /3/, возможны следующие альтернативные механизмы её исполнения:

1) Команда выполняется после того, как выполнена предшествующая ей команда последовательности. Этот метод соответствует механизму организации вычислительного процесса под управлением последовательностью команд (data flow computer) и характерному для вычислительных машин с классической фон-неймановской (и подобным ей) структурой. Такая модель вычислений называется традиционной.

2) Команда выполняется, когда становятся доступными её операнды. Этот механизм организации вычислительного процесса известен как управляемый данными (dataflow driven) и реализуется потоковыми вычислительными машинами. Данная модель вычислений называется потоковой.

3) Команда выполняется, когда другим командам требуется результат её выполнения. Этот метод организации вычислительного процесса называется механизмом управления по запросу (demand driven) и реализуется редукционными вычислительными машинами. Модель вычислений также называется редукционной.

Более подробно с архитектурой потоковых и редукционных машин можно ознакомиться в /3/. На практике эти ВМ пока применяются крайне редко. В подавляющем большинстве современные ВМ имеют традиционную структуру, базирующуюся на концепции Дж. фон Неймана (1903-1957, венгро- американский математик), выдвинутой им во второй половине 40-х годов 20 века. Поэтому далее будут рассматриваться ВМ и ВС, реализующие традиционную модель вычислений.

В соответствии с этой концепцией, определена автономно работающая ВМ, содержащая устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), память и устройства ввода-вывода (УВВ), как показано на рисунке 1.1 /2, 6, 7/:

Рисунок 1.1 – Структура ВМ Дж. фон Неймана

Преобразование данных осуществляется последовательно под централизованным управлением от программы, состоящей из команд. Набор команд составляет машинный язык низкого уровня.

Принципы организации вычислительных машин:

1) Двоичное кодирование информации, разделение её на слова фиксированной разрядности.

2) Линейно-адресная организация памяти (N ячеек по n разрядов). Номер ячейки является её адресом. В командах программы адрес является именем переменной, хранящейся в соответствующей ячейке.

3) Представление алгоритма в виде программы, состоящей из команд. Каждая команда определяет шаг выполнения программы и содержит код операции, адреса операндов и другие служебные коды.

4) Хранение команд и данных в одной памяти.

5) Вычислительный процесс организуется как последовательное выполнение команд в порядке, заданном программой.

6) Жёсткость архитектуры – неизменность в процессе работы вычислительной машины, её структуры, списка команд, методов кодирования данных.

При работе вычислительных машин наиболее интенсивное взаимодействие осуществляется между АЛУ и УУ. С развитием элементной базы эти устройства объединили в один блок и назвали процессором. Процессор считывает и выполняет команды программы, организует об ращение к памяти, инициирует работу УВВ. Выборка команды из памяти и её выполнение циклически повторяются. Цикл включает следующие фазы: выборку, дешифрацию, исполнение.

Устройство ввода преобразует входные сигналы к виду, принятому в вычислительной машине. Устройство вывода преобразует выходные сигналы в форму, удобную для восприятия человеком (тексты, графические образы и т.д.).

Преимущество фон-неймановской структуры ВМ заключается в возможности улучшения характеристик ВМ за счет улучшения структуры и параметров отдельных связей между её компонентами (Рисунок 1.1). Однако до сегодняшнего момента «узким местом» этой структуры является канал передачи данных между процессором и памятью.

В настоящее время наряду с классической фон-неймановской структурой ВМ применяется способ построения ВМ на основе общей шины /3, 7/. В этом случае все устройства ВМ подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных, управления, как показано на рисунке 1.2.

Шинная архитектура получила широкое распространение в мини- и микро-ЭВМ благодаря упрощённой реализации и лёгкой замене компонентов.

В каждый момент времени передавать информацию по шине может только одно устройство, что является основным недостатком данного способа построения ВМ.

Конструктивные принципы построения ВМ определяют способы конструктивного исполнения её устройств, организации пространственных механических и электрических связей между устройствами и узлами. Наиболее значимым является принцип «открытой» архитектуры, согласно которому ВМ рассматривается как гибкая, легко расширяемая модульная система, способная к адаптации и совершенствованию.

Рисунок 1.2 – Структура ВМ на основе общей шины

Рассмотрим конструктивные принципы построения вычислительных машин на примере наиболее распространённого класса настольных моделей персональных компьютеров (ПК). ПК содержит следующие типы связанных в систему конструктивно обособленных устройств: системный блок, монитор, клавиатуру, мышь, принтер.

Системный блок одержит все основные электронные схемы, обеспечивающие запись, хранение и обработку данных, а также жёсткий диск (HDD), дисковод для гибких магнитных дисков (FDD), привод CD (DVD), блок питания. Основным узлом системного блока является материнская плата, на которой расположены процессор, оперативная память, вспомогательные схемы, разъёмы для плат расширения (модемов, сетевых карт, видеокарт, звуковых карт и др.).

Относительно ВС также можно выделить два способа их организации: вычислительные системы с общей памятью и распределённые вычислительные системы /3, 7/.

В соответствии с первым способом, в ВС имеется общая основная память, совместно используемая всеми процессорами системы, что иллюстрирует рисунок 1.3.

Взаимосвязь процессоров с общей памятью обеспечивается с помощью коммуникационной сети, чаще всего представляющей собой общую шину.

Рисунок 1.3 – Структура ВС с общей памятью

Таким образом, структура ВС с общей памятью аналогична рассмотренной выше структуре ВМ с общей шиной. Вследствие этого ей присущи те же недостатки. Дополнительное достоинство таких ВС заключается в том, что обмен информацией между процессорами обеспечивается только за счёт доступа к общим областям памяти.

В распределённой ВС каждый процессор обладает собственной локальной памятью, как показано на рисунке 1.4. Обмен информацией между компонентами ВС обеспечивается с помощью коммуникационной сети посредством обмена сообщениями. Подобная организация ВС снимает ограничения, свойственные общей шине, но приводит к дополнительным издержкам на передачу сообщений между процессорами.

Рисунок 1.4 – Структура распределённой ВС

Для уменьшения недостатков традиционной структуры ВМ и ВС, применяются различные её модификации /2, 3/, в частности, физическое разделение памяти на память команд и память данных. Более подробно такая структура ВМ будет представлена в разделе, посвященном микроконтроллерам.

Далее рассмотрим характеристики ВМ и ВС.

24. Понятие ВМ, ВС, КС, ВК. Многоуровневая организация вычислительных процессов.

Основными показателями, влияющими на архитектуру ВМ, являются стоимость и производительность /2/.

Стоимость определяет часть цены, которую, в свою очередь, можно рассчитать по формуле 1.1:

(1.1)

Главная надбавка учитывает стоимость научно- исследовательских работ, маркетинга, прибыль.

При установившемся производстве вычислительных машин и стабильной экономике относительные доли приведённых составляющих цены достаточно устойчивы, но отличаются для разных классов ВМ /2/. Например, для ПК доля стоимости элементов составляет 31%, стоимости изготовления – 10%, главной надбавки – 14%, неучтённых расходов – 45%.

Зная стоимость комплектующих элементов на текущий момент времени и относительные доли составляющих цены, можно оценить стоимость ВМ.

Производительность – это объём вычислительной работы, выполняемой ВМ за единицу времени. Для количественных оценок производительности используют понятия номинальной и системной производительности.

Номинальная производительность – это вектор V_н (Формула 1.2):

(1.2)

где v_i – быстродействие i-го устройства ВМ – чаще всего процессора и дисковой памяти.

Для характеристики степени использования потенциальных возможностей устройства в составе системы используется показатель загрузки i-го устройства p_i (Формула 1.3):

(1.3)

где T_i – время, в течение которого работало i-ое устройство за время T работы системы.

Системная производительность V_c учитывает совместную работу устройств в системе под управлением операционной системы для определённого класса задач (Формула 1.4):

(1.4)

Получение достоверных оценок показателей p_i весьма затруднительно, поэтому показатель системной производительности используется редко.

Чаще всего показатель производительности требуется как средство для качественного сопоставления производительности различных типов ВМ и выбора наиболее быстродействующей. Для этого используют упрощённые подходы, подробно изложенные в /2/.

Ещё одной характеристикой ВМ, тесно связанной с производительностью, является быстродействие, определяемое как число операций, выполняемых в секунду. Поскольку разные команды выполняются с различной скоростью и вероятности использования каждой команды для разных классов задач различны, то говорят о среднем быстродействии ВМ для каждого класса задач, которое вычисляется по формуле 1.5:

(1.5)

где P – среднее быстродействие;

b_j – все команды j-го типа;

t_j – среднее время выполнения;

N – число команд для разных классов задач.

Также к основным характеристикам ВМ можно отнести операционные ресурсы и ёмкость памяти /9/.

Операционные ресурсы – это перечень действий (операций), которые может выполнять ВМ при обработке информации (исходных данных):

1) система машинных операций ;

2) система машинных команд , порождающая указанную выше систему машинных операций;

3) способы представления информации в ВМ.

Чем шире операционные ресурсы ВМ, тем шире её возможности в плане обработки информации.

Ёмкость памяти – объём хранилища программ и данных ВМ. Единицы измерения – бит, байт , килобайт, мегабайт, гигабайт, терабайт. Ёмкость памятиобычно кратна 2 (, где- длина адреса).

Дополнительные характеристики ВМ:

1) Надёжность – способность ВМ при определённых условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени (стандарт ISO 2382/ 14 – 78).

2) Точность – возможность различать почти равные значения (стандарт ISO 2382/ 2 – 76). Точность полученных результатов определяется, в основном, разрядностью ВМ и величиной единицы информации (байтом, словом и т.д.).

3) Достоверность – свойство информации быть правильно воспринятой. Она характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов.

По указанным признакам, а также по ряду других (например, по областям применения, поколениям) ВМ и ВС можно разбить на различные группы, с чем подробно можно ознакомиться в приведённых литературных источниках.

Перейдём к рассмотрению организации вычислительных процессов в ВМ.