1.2. Обобщенная структура и принципы построения эвм

Функциональная организация ЭВМ - это абстрактная модель ЭВМ, описывающая функциональные возможности машины и предоставляемые ею услуги. Функциональная организация ЭВМ в значительной степени определяется предъявляемыми к ней требованиями, уровнем подготовки потенциальных пользователей, типом решаемых ими задач, потребностями в развитии компьютера (по емкости ЗУ, разрядности, составу периферийных устройств и др.).

Предусматриваемые абстрактной моделью функции ЭВМ реализуются на основе реальных, физических средств (устройств, блоков, узлов, элементов) в рамках определенной структуры.

Под структурной организацией ЭВМ понимается некоторая физическая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия основных функциональных частей машины. По степени детальности различают структурные схемы, составленные на уровне устройств, блоков, узлов, элементов.

Устройство - наиболее крупная функциональная часть ЭВМ, состоящая из элементов, узлов, блоков и выполняющая глобальные операции над кодированными данными (запоминание, обработку, преобразование).

Блок - функциональный компонент ЭВМ, состоящий из элементов и узлов и выполняющий операции над машинными словами или управляющий такими.

Узел - часть машины, состоящая из нескольких более простых элементов и представляющая собой сборочную единицу.

Элемент - простейшее устройство ЭВМ, выполняющее одну операцию над входными сигналами.

Блоки и устройства часто изготавливаются в виде самостоятельных конструктивных модулей.

Основной тенденцией в развитии структуры ЭВМ является разделение функций системы и максимальная специализация подсистем для выполнения этих функций.

Обобщенная структура ЭВМ приведена на рис. 2.

Обобщенная структура ЭВМ состоит из следующих составных частей:

• обрабатывающей подсистемы;

• подсистемы памяти;

• подсистемы ввода-вывода;

• подсистемы управления и обслуживания.

Перед началом решения задачи в подсистему памяти через подсистему ввода/вывода записываются кодированные данные и программа. В ходе вычислительного процесса по управляющим сигналам устройств управления при выполнении очередной команды программы считывается код команды, по нему определяется местонахождение данных, после чего они извлекаются из соответствующего запоминающего устройства. Обрабатывающая система выполняет над ними указанную в коде команды операцию и записывает результат на хранение в запоминающее устройство. Затем определяется местонахождение кода следующей команды и цикл повторяется.

Рис. 2. Обобщенная структура ЭВМ

В памяти ЭВМ хранятся также вспомогательные и служебные программы, составляющие программное обеспечение (ПО) ЭВМ.

Операционные устройства (АЛУ) выполняют арифметические и логические операции над поступающими двоичными кодами (команд и данных), причем любой процессор в состоянии выполнить ограниченный набор команд, входящий в так называемую систему команд ЭВМ.

Устройство управления под воздействием поступающих данных автоматически координирует работу всех устройств ЭВМ посредством своевременной выдачи на них управляющих сигналов.

В составе ЭВМ выделяется центральная обрабатывающая часть (ядро ЭВМ) и периферия (все подсистемы ввода/вывода и внешняя память).

Периферийное оборудование подключается к центральному ядру через каналы ввода/вывода (КВВ) и шинные интерфейсы. КВВ представляют собой специализированные процессоры, управляющие обменом между устройствами ввода/вывода и выделенной областью памяти.

Основной тенденцией развития обрабатывающей подсистемы является ориентация на разделение функций и повышение специализации составляющих ее устройств. Операционные устройства (АЛУ) обрабатывающей подсистемы, кроме традиционных средств скалярной (суперскалярной) и логической обработки, все шире стали включать специальные средства векторной обработки. При этом время выполнения операций можно сокращать за счет использования арифметического конвейера (одного или нескольких) и за счет сокращения такта работы конвейера.

Подсистема памяти имеет иерархическую структуру, состоящую из нескольких уровней: сверхоперативного уровня (локальная память процессора, кэш-память первого и второго уровня), оперативного уровня (оперативная память, дисковый кэш), внешнего уровня (внешние ЗУ на дисках, лентах и т.д.).

Каждый уровень состоит из запоминающих устройств, обладающих различным быстродействием и емкостью. Чем выше уровень, тем выше быстродействие соответствующей памяти, но меньше её емкость.

Эффективными методами повышения производительности ЭВМ являются использование многоуровневой кэш-памяти, увеличение объема и пропускной способности оперативной памяти, буферизация передачи информации между ОП и внешней памятью. Увеличение пропускной способности оперативной памяти достигается за счет увеличения ее расслоения и секционирования.

В состав подсистемы ввода-вывода входит набор специализированных устройств, между которыми распределены функции ввода-вывода. Основными направлениями развития подсистем ввода-вывода являются канальная технология ввода-вывода, матричная топология коммутации периферийных устройств (ПУ), увеличение количества и пропускной способности каналов.

Подсистема управления и обслуживания - это совокупность аппаратно-программных средств, предназначенных для обеспечения максимальной производительности, заданной надежности, ремонтопригодности, удобства настройки и эксплуатации.

При разработке структуры ЭВМ все подсистемы должны быть сбалансированы между собой. Только оптимальное согласование быстродействия обрабатывающей подсистемы с объемами и скоростью передачи информации подсистемы памяти, с пропускной способностью подсистемы ввода-вывода позволяет добиться максимальной эффективности использования ЭВМ.

К общим принципам построения современных ЭВМ относятся следующие:

• обеспечение максимального удобства в работе пользователей и эффективная эксплуатация оборудования;

• возможность мультипрограммной работы;

• иерархическая организация структуры ЭВМ, ее памяти, программного обеспечения, средств управления вычислительным процессом;

• модульный принцип построения ЭВМ из логически законченных блоков.