1.4 Многоуровневая организация вычислительных процессов
Для описания, проектирования и организации управления в вычислительных системах используется иерархический подход /2/. Уровни организации вычислительных процессов в ВМ, категории специалистов и процессы, реализующие взаимодействие уровней, представлены на рисунке 1.5.
На концептуальном уровне пользователь анализирует задачу, выбирает метод её решения, разрабатывает алгоритм, определяет структуры данных. Затем пишется программа на одном из языков высокого уровня, которая не зависит от архитектуры ВМ и особенностей аппаратного обеспечения. На уровне машинных команд обеспечивается связь программных и аппаратных средств: разрабатывается список команд, определяются способы кодирования операций и адресов, а также другие параметры, заложенные в структуру ВМ.
Рисунок 1.5 – Уровни организации вычислительных процессов
Связь между языками высокого уровня и машинными командами может осуществляться как методом компиляции, так и методом интерпретации. На уровне регистровых передач осуществляется микрооперации, выполняемые аппаратурой вычислительной машины. Это операции передач, запоминания и преобразования кодов, выполняемые пересылкой сигналов между регистрами через логические схемы. Для построения схем на выполнение требуемой микрооперации формируется набор управляющих сигналов – микрокоманда. Последовательность микрокоманд, соответствующая исполнению машинной команды, называется микропрограммой. На уровне логических вентилей, рассматриваются логические схемы, которые выполняют операции над двоичными переменными.
В управлении вычислительным процессом с иерархической организацией участвуют как программные, так и аппаратные средства. По мере развития архитектуры ВМ и технологий их изготовления грань разделения функций, реализуемых аппаратно и программно, смещается в сторону аппаратной реализации.
Самые сложные преобразования информации, выполняемые ВМ, в конечном счёте, сводятся к простейшим операциям над логическими переменными «0» и «1». Поэтому дальнейшее изучение состава и функционирования ВМ целесообразно начать с изучения простейших логических элементов и цифровых устройств, постепенно переходя к более сложным функциональным и конструктивным узлам (элементам): процессору, памяти, устройствам ввода – вывода.
Простейшие типовые элементы ВМ. Комбинационные схемы.
Как правило, в структуре ВМ выделяют следующие структурные компоненты: элементы, блоки, узлы и устройства. Такая декомпозиция соответствует операциям преобразования информации. Нижний уровень реализуется элементами, каждый из которых предназначается для обработки единичных электрических сигналов, соответствующих битам информации. В основе работы этих элементов лежит двоичная (булева) логика, когда используются только два значения: «истина» (логическая 1) и «ложь» (логический 0). Узлы обеспечивают одновременную обработку групп сигналов - информационных слов. Блоки реализуют некоторую функционально обособленную часть машинных операций по обработке информационных слов (например, блок выборки команд). Устройства предназначаются для выполнения отдельных машинных операций и их последовательностей.
Базовыми элементами являются инверторы (строятся на основе транзистора), вентили (на базе двух транзисторов), триггеры (состоят из двух вентилей).
По своему назначению элементы делятся на следующие классы: формирующие, логические (комбинационного типа) и запоминающие (последовательного типа) /5/. К формирующим элементам относятся различные формирователи, усилители и т.п., которые служат для выработки определённых электрических сигналов, восстановления их параметров (полярности, мощности, амплитуды и т.д.). Элементы комбинационного типа – это цифровые устройства, выполняющие определённую логическую операцию («И», «ИЛИ», «НЕ» и т.д.). Логические элементы являются основой построения комбинационных схем (цепей). Особенностью логических элементов и построенных на их основе комбинационных схем является то, что их выходные сигналы зависят только от входных сигналов (т.е., они не содержат памяти). Элементы последовательного типа используются для построения более сложных цифровых устройств – автоматов с памятью. В них результат обработки информации зависит не только от входных сигналов, но и от внутреннего состояния автомата.
Рассмотрим элементы последних двух классов более подробно.