Лекция 2 Структурная организация вычислительных машин

1. Состав устройств, структура и порядок функционирования электронных вычислительных машин

Состав устройств ЭВМ известен: это устройства типа процессор, запоминающее устройство (ЗУ), устройство ввода (УВв), устройство вывода (УВыв). Почему эти устройства, а не другие включаются в состав ЭВМ? В качестве ответа приведем цепочку очевидных рассуждений.

Известно, что для того, чтобы решить некоторую задачу, сначала необходимо разработать (придумать – интеллектуальная работа) алгоритм ее решения, а затем этот алгоритм выполнить над некоторым набором исходных данных.

Выполнение известного алгоритма – работа механическая (ее, грубо говоря, и дурак может сделать, если знает алгоритм!). Если работа чисто механическая, рутинная, следовательно, ее может выполнить и какое-то техническое устройство. Для этого надо алгоритм представить в терминах машинных команд, т. е. в форме программы (это еще творческая работа), а затем заставить аппаратуру эту программу выполнить. Именно программа описывает путь решения задачи, чтобы ее решить – надо по этому пути пройти. Решение задачи – это процесс, протекающий во времени, в динамике. Отсюда вытекает, что для решения задачи с помощью аппаратуры необходимо в состав ЭВМ, кроме памяти, состоящей из пронумерованных ячеек, ввести устройство, реализующее процесс выполнения программы. Это устройство естественно назвать процессором. Какие функции должен выполнять процессор? Выбирать команды по очереди из памяти и выполнять предписанные командами действия. С этой целью процессор выполняет специальный алгоритм управления вычислительным процессом. Этот алгоритм прост и не зависит от конкретных программ (инвариантен по отношению к конкретным задачам). Он и реализуется аппаратурой ЭВМ. Называется он циклом выполнения команд и сводится к выполнению следующих действий:

выборка очередной команды из памяти машины;

выборка операндов (если необходимо);

выполнение операции, предписанной командой;

запись результата операции в память (если необходимо);

переход к пункту 1.

Подробнее этот алгоритм рассмотрим позже.

Кроме памяти и процессора для автоматизации решения задачи необходимы ещё устройство ввода и устройство вывода. Структура простейшей ЭВМ также является очевидной (рисунок4). Процессор необходимо связать с памятью. Из памяти он извлекает команды и данные и записывает результаты операций. Для ввода в память программ и исходных данных необходимо устройство ввода, для вывода результатов - устройство вывода. Для автоматизации процессов ввода-вывода необходимо управление со стороны процессора. Структура простейшей ЭВМ естественным образом вытекает из принципа программного управления. По сравнению с современной ЭВМ в нет только внешней памяти (ВП).

Порядок функционирования ЭВМ. Современные ЭВМ работают под управлением операционных систем (ОС). Программы ОС обычно хранятся во ВП (на дисках). В момент включения питания в основной оперативной памяти (ОП) пусто. Для нормальной работы в ОП необходимо сначала ввести основную часть ОС (т.н. резидентную часть) из ВП. Обычно это делается под управлением программы начальной загрузки, которая в современных ЭВМ хранится в ПЗУ. По объему это малая часть ОП. Основная часть ОП строится на основе БИС ОЗУ.

После загрузки в ОП ЭВМ операционная система превращается в инструмент, помогающий человеку в автоматическом режиме быстро и без ошибок выполнять машинные программы.

К числу основных относятся: операционные ресурсы, емкость памяти, быстродействие устройств, надежность, стоимость.

Операционные ресурсы – это перечень действий (операций), которые может делать (выполнять) аппаратура ВК в плане обработки информации (исходных данных). В этот перечень прежде всего включается система машинных операций – список F={+,-,*,/,…}. Кроме того, это порождающая ее (систему операций) система машинных команд К={К1, …, КN}. В понятие операционные ресурсы включаются также способы представления информации в ЭВМ, способы представления чисел, текстов, логических значений. Чем шире перечень действий, чем шире многообразие способов представления данных – тем шире операционные ресурсы ЭВМ и, следовательно, возможности ВК в плане обработки информации.

Емкость памяти – очевидная техническая характеристика, которая характеризует вместимость хранилища программ и данных ВК. Единицы измерения – бит, байт В, килобайт КВ = 210В, мегабайт МВ = 220В, гигабайт ГВ = 230В, терабайт ТВ = 240В. Емкость памяти Е обычно кратна степени 2: Е = 2m, m – длина адреса.

Быстродействие – это характеристика, которая отвечает на вопрос, как быстро действует (работает) аппаратура ЭВМ. Эта характеристика определяет потенциальные возможности устройств, указывает на верхнюю границу. Относится к отдельным устройствам, а не ВК в целом. Так, быстродействие АЛУ характеризует скорость, с которой это устройство может выполнять операции: VАЛУ={V+, V-, V*, Vдел, …}. Быстродействие определяется количеством операций в единицу времени и зависит от времени выполнения операции: V=1/t – чем меньше время выполнения операции t, тем выше быстродействие. Быстродействие – это паспортная характеристика, указывается в документе на устройство либо в виде вектора скоростей V, либо в виде набора времен: t+, t-, t*, t/, … Быстродействие процессора определяется временем выполнения команд. Следует отметить, что время выполнения команды tк зависит от многих факторов – быстродействия памяти (т.к. выборка команды и данных осуществляется из памяти, результаты также засылаются в память), от быстродействия АЛУ, а также организации ВК. В простейшем случае tк = tвк + tво + tалу + tзр,

где первое слагаемое определяет время выборки команды из памяти, второе – время выборки операнда(ов), третье – время выполнения операции в АЛУ, четвертое – время засылки результата операции. Быстродействие процессора принято измерять миллионами операций в секунду - MIPS или миллионами операций с плавающей запятой в секунду - MFLPS.

Память ЭВМ предназначена для хранения, записи и чтения информации. Быстродействие памяти принято характеризовать количеством операций чтения/записи в единицу времени. Память ЭВМ строится на базе ЗУ (БИС ОЗУ, ППЗУ). Быстродействие памяти зависит от быстродействия ЗУ и ее внутренней организации.

Итак, быстродействие устройств ВК характеризует потенциальные возможности отдельных устройств ВК. Быстродействие же ВК в целом зависит от многих факторов: от быстродействия устройств, внутренней организации самого комплекса, от операционной системы, под управлением которой работает аппаратура, т.е. от организации вычислительных процессов и др. факторов. Поэтому понятие быстродействие на ВК не распространяется. Вместо него используется понятие производительность ВК. Назначением ЭВМ является обработка информации, т.е. решение различных задач. Поэтому производительность ВК естественно оценивать количеством задач в единицу времени. Но решаемые задачи разные. Как оценить производительность ВК? Ответ на этот вопрос даёт метрическая теория ВС: процессы в ЭВМ (ВК+ПО) описываются в виде некоторой математической модели, исследование которой и дает все ответы. В качестве такой модели, в частности, используется теория массового обслуживания. Она позволяет получить значения разных характеристик ВС: времени решения задач Треш, производительности ВС =1/Треш, загрузки процессора , времени ожидания в очереди и др. Следует отметить, что время решения конкретной задачи можно приближенно оценить по формуле: Треш=N(p1t1+p2t2+…). Здесь N – длина программы (количество команд), p1, p2, …-вероятности (частоты), а t1, t2 …- времена выполнения операций. Было замечено (Гибсоном, в частности), что эти вероятности обладают устойчивостью при решении задач разных классов.

Для сравнения различных ВК по производительности в ВТ обычно используют один и тот же набор программ, который прогоняют на ВК различных типов. Например, т.н. Бенч-Марковские программы и др.

Надежность ВК – это свойство ВК выполнять возложенные на него функции в течение заданного отрезка времени. Надежность ВК отлична от 100% (т. е. от абсолютной). Почему? Дело в том, что элементы, из которых строится ЭВМ, рано или поздно перестают (отказываются) нормально работать. В результате отказа элемента работоспособность ВК нарушается. Отказы аппаратуры – случайные события, частоту которых принято характеризовать интенсивностью отказов , т.е. количеством отказов в единицу времени. Другая характеристика надежности – т. н. наработка на отказ: T=1/ - это промежуток времени между двумя соседними (по времени) отказами. Для увеличения надежности ВК используется резервирование аппаратуры, например, дублирование – двукратное резервирование, если недостаточно, то трехкратное и т. д.

Стоимость ВК – интегральная характеристика, определяется всеми перечисленными характеристиками. Чем лучше характеристика, тем выше стоимость.