3.2. Особенности архитектуры современной вычислительной машины
3.2.1. Основные понятия
Анализ свойств алгоритмов позволяет выявить некоторые стандартные операции, которые встречаются наиболее часто:
ввод исходных данных;
хранение исходных и промежуточных данных;
ввод и хранение алгоритма обработки информации в виде некоторого набора элементарных операций;
выполнение арифметических и логических операций над данными (операндами);
анализ выполнения некоторых условий;
изменение хода вычислительного процесса в зависимости от результатов анализа.
Устройство обработки информации, реализующее эти операции и работающее в соответствии с «вложенной» в него программой, называется ЭВМ.
Минимальная структура, соответствующая понятию ЭВМ, представлена на рис 3.1.
Рис 3.1
Но такая машина остается вещью в себе — она не имеет связи со внешней средой, хотя и может работать по программе, хранящейся в памяти сколько угодно долго.
Поэтому машина должна дополнительно иметь: центральное управление, обеспечивающее синхронизацию работы всех устройств ЭВМ; технические средства для связи с внешними (по отношению к ЭВМ) объектами; технические устройства для внутренних связей ЭВМ; устройства, необходимые для технического функционирования (питание, вентиляция и т.п.).
Современные вычислительные машины строятся по принципу «трех М» (МММ):
модульность;
магистральность;
микропрограммное управление.
Модульный принцип состоит в том, что ЭВМ изготавливаются в виде набора самостоятельных функциональных модулей, имеющих законченное стандартное конструктивное оформление и алгоритмы (протоколы) обмена информацией.
Это означает, что структура любой реальной ЭВМ может синтезироваться в соответствии с тем классом задач, который предполагается реализовать. Такой подход к построению ЭВМ открывает широчайшие возможности для использования машин, в том числе и для решения задач АСУ ТП. Пользователь может создавать конфигурацию вычислительной системы, наиболее полно удовлетворяющей его потребностям.
Достоинство модульного принципа состоит в том, что пользователь создает набор внешних устройств в соответствии с решаемой задачей либо из стандартных модулей, либо из блоков собственной разработки. Однако такой подход не позволяет разработчику ЭВМ априори предусмотреть все требуемые связи между будущими блоками. Конфликтная ситуация между интересами потребителя и разработчика разрешилась за счет создания некоторого специального устройства (магистрали), предназначенного для организации обмена информацией между любыми произвольными модулями, но по строго стандартным алгоритмам (протоколам) и со стандартным конструктивным подключением.
Под магистралью будем понимать универсальную двунаправленную систему связи, обеспечивающую минимизацию физических линий связи.
В общем случае для связей блоков ЭВМ может использоваться несколько магистралей.
Для приоритетного подключения внешних устройств могут использоваться селекторные каналы. Набор медленно действующих внешних устройств обычно подключается с помощью мультиплексного канала. Говорят, что ЭВМ построена по принципу общей шины, если все блоки машины (внутренние и внешние) связаны между собой единственной магистралью.
Существуют два способа реализации команд - жесткая логика и гибкая логика. В первом случае код команды поступает на некоторый дешифратор, который вырабатывает управляющие сигналы для АЛУ. Естественно, что для каждого кода команды будет существовать единственное состояние АЛУ. Такой подход к реализации системы прост, надежен, но не позволяет выполнять сложные операции по одной команде. Изменение системы команд возможно лишь при условии аппаратурного изменения АЛУ и дешифратора. Такой подход использовался у машин первых поколений.
При разработке микропроцессоров оказалось, что изготовить микропроцессор с широко функциональным набором команд оказывается технологически сложно и экономически не оправдано.
Принцип микропрограммного управления состоит в том, что каждой команде соответствует некоторая программа из набора более простых команд - микропрограмм.
Микрокоманды хранятся в специальном микропрограммном запоминающем устройстве (МПЗУ). Очередная микрокоманда записывается в регистр микрокоманд и расшифровывается блоком управления. Результат расшифровки - набор управляющих сигналов на АЛУ и адрес следующей микрокоманды или команды. Достоинства такого подхода — возможность реализации сложных команд (например, операции умножения) и легкая смена системы команд. Действительно, чтобы сменить систему команд ЭВМ с гибкой логикой, достаточно в МПЗУ вписать новое содержание.
Такой подход имеет название CISC-технология (Complex Instraction Set Computer). Следует отметить, что, несмотря на замену одной команды набором микрокоманд, удается повысить быстродействие процессора с одновременным упрощением его структуры и снижением стоимости.
В современных микропроцессорах, начиная с Intel-486, стали использовать еще более упрощенный набор микрокоманд — RISC (Redjuce Instraction Set Computer) технологию, что, опять же, привело к повышению производительности ЭВМ.