khor32

2.1. Каноническая функциональная cmpyкmypa ЭВМ Дж. фон Heймaнa

задает операцию (действие) и указывает на данные, над которыми следует ее провести. Следовательно, в ЭВМ (в ее аппаратной части) должны быть устройства как для реализации операций, так и для хранения программ и данных.

Работа ЭВМ не обходится без так называемых системных программ

(Software программных средств), обеспечивающих, в частности, функ-

ционaльнyю целостность машины, управление ее процессами и ресурсами и выполнение функций сервиса для пользователей.

Таким образом, ЭВМ это аппаратурно-программный комплекс

(Hardware & Software), предназначенный для автоматического выполнения

логико-вычислительной работы: для ввода (сбора), обработки, хранения и вывода (передачи вне) информации.

Конструкция ЭВМ основывается на предложениях, выдвинутых дж. фон Нейманом. Как уже отмечалось в § 1.3, c вычислительной техникой он впервые столкнулся летом 1944 г. K этому времени электронный компь-

ютер ENIAC [1] был почти построен. Во время разработки машины EDVAC,

в середине 1945 г., дж. фон Нейман написал 100-страничный отчет, суммирyющий результаты работ над ЭВМ. Этот отчет стал известен как первый

«набросок» (<"First Draft of a Report on the EDVAC»). Отчет был недописан, в

нем недостает многих ссылок. Однако в своем отчете дж. фон Нейман дос-

таточно ясно изложил принципы работы и функциональную структуру ЭВМ

(<cthe working principles апд functional structure of modern computers»). Глав-

., ное то, что он предложил отказаться от ручных переключателей, используе-

мых при программировании ENIAC, и хранить программу работы ЭВМ в ее

оперативном запоминающем устройстве (памяти) и модифицировать про-

.,

грамму c помощью самой же машины.

Рассмотрим архитектypные принципы построения ЭВМ [7].

1. Программное управление работой ЭВМ. Программы состоят из отдельных шагов команд; команда осуществляет единичный акт преобразования информации. Все разнообразие команд, использующихся в конкретной ЭВМ, составляет язык машины или ее систему команд. Таким образом, программа это последовательность команд, необходимая для реализации алгоритма.

2.Условный переход. Условный переход это возможность перехода

впроцессе вычислении на тот или инок участок программы в зависимости от промежуточных, получаемых в ходе вычислений результатов (oбычно в зависимости от знака результата после завершения арифметической операции или от результата выполнения логической операции). Условный переход позволяет легко осуществлять в программе циклы (c автоматическим выходом из них), итерационные процессы и т. п. Благодаря этомy число команд в программе получается во много раз меньше, чем число выполненных

55

2. Архитектура электронных вычислительных машин

машиной команд при исполнении данной программы (за счет многократного вхождения в работу участков программы).

3. Принцип хранимой программы. Этот принцип предопределяет запоминание программы вместе c исходными дани iми в одной и той же оперативной памяти. При функционировании ЭВМ команды выбираются из памяти в устройство управления, a операнды Е арифметико-логическое устройство. B машине и команда, и число считая отся словами. Если команду направить в АЛУ в качестве операнда, то над ней можно выполнять арифметические операции. Это открывает возможность преобразования программ в ходе их выполнения. Кроме того, пpинцип хранимой программы

обеспечивает одинаковое время выборки команд и операндов из памяти, позволяет быстро менять программы или части их, вводить непрямые системы адресации (которые позволяют работать c памятью произвольно большой емкости), видоизменять программы по определенным правилам.

4. Использование двоичной системы счислений для представления информации в ЭВМ. Этот принцип существенно расширил номенклатуру физических приборов и явлений для применения в ЭВМ. Действительно, в двоичной системе имеются только две цифры: о и 1, поэтому для их представления может быть использована любая система c двумя стабильными состояниями. Например, триод (открытое или закрытое состояния), триггер

c двумя устойчивыми состояниями), участок ферромагнитной поверхности (намагниченный или ненамагничен ный), импульсная схема (наличие или отсутствие электрического импульса) и т. п. K логическим схемам (построенным по двоичной системе счисления) можно применять математический аппарат булевой алгебры. Итак, двоичная система счисления существенно упрощает техническую конструкт;ию ЭВМ.

5. Иерархичность запоминающих устройств (ЗУ). C самого начала развития ЭВМ существовало несоответствие между быстродействиями АУ и оперативной памяти. Путем построен я памяти на тех же элемен-

тах, что и АЛУ, удавалось частично разрешитi это несоответствие, но такая память получалась слишком дорогой и требоi,ала значительного количества электронных компонентов (что снижало нш:дежность ЭВМ). Иерархическое построение ЗУ позволяет иметь быстродействующую оперативную

память сравнительно небольшой емкости (только для операндов и команд,

участвующих в счете в данный момент и в ( лижайшее время). При этом

следующий более низкий уровень представляют внешние ЗУ на магнитных лентах, барабанах и дисках. Внешние ЗУ имеют относительно малую цену,

обладают большой емкостью, но меньшим б ыстродействием, чем оперативная память. Иерархичность ЗУ в ЭВМ явл.ается важным компромиссом между емкостью, быстродействием, относитЕ-льной дешевизной и надежностью.

5б

2.1. Каноническая функциональная структура ЭВМ Дж. фон Неймана

Процессор

УУ

Рис. 2.1. Функциональная структура ЭВМ дж. фон Неймана:

АЛУ — арифмeтико-логическое устройство; ЗУ — запоминающее устройство; УВв — уст -

ройство ввода; УВыв — устройство вывода; УУ — устройство управления; => — операнды и команды; --> — управляющие сигналы

Эти принципы дж. фон Неймана, несмотря на свою простоту и очевидность, являются фундаментальными положениями, определившими на многие годы бурное развитие вычислительной техники и кибернетики.

Каноническую функциональную структуру ЭВМ, представленную на рис. 2.1, связывают теперь c именем дж. фон Неймана. Функциональное назначение устройств ЭВМ: АЛУ служит для выполнения арифметических и логических операций над данными (операндами: числами или словами, в частности, буквенными последовательностями), a также операций условного и безусловного переходов; ЗУ используется для хранения программ и данных; УВв для ввода программ и данных, a УВыв для вывода из

ЭВМ любой информации (в частности, результатов); УУ координирует ра-

ботy всех остальных устройств при выполнении программ.

Композицию из АЛУ, УУ и части ЗУ сейчас называют процессором.

Если процессор имеет интегральное исполнение (т. e. представлен одной или несколькими БИС), то его называют микропроцессором.

Уместно отметить, что во время разработки EDVAC дж. фон Нейман

предпринимал попытки создать (в Институте перспективных исследований США) свою собственную версию машины, известную под именем IAS.

Она имела каноническую функциональную структуру (см. рис. 2.1). Ма-

шина IAS рассчитывалась на двоичную арифметику c фиксированной запятой. Емкость памяти IAS составляла 4096 40-разрядных слов. Внутри АЛУ находился специальный регистр аккумулятор. Он использовался для хранения одного из операндов или результата операции. При этом типичными командами стало прибавление слова из памяти к содержимому аккумулятора или занесение содержимого аккумулятора в ячейку памяти. Ясно, что аккумулятор позволял ограничиться одноадресными командами (см. разд. 1.1.5).

57

2. Архитектура электронных вычислительных машин

2.2. Модель вычислителя

Какова семантика слова «вычислитель» (Computer или Calculator

калькулятор)? (По «Толковому словарю живого великорусского языка» B.И. Дaля «Вычисл(я)итель кто вычисляетъ что-либо. Вычислитель также механическгй снарядъ для вычисления».) Приведенное определение свидетельствует o дуализме понятия «вычислителi ». Рассмотрим это понятие c

позиций ВТ.

В технике «вычислитель» это средствс обработки информации (например, арифмометр, электронный калькулятс р, процессор, ЭВМ), работа которого основывается на примитивной имитации деятельности человека, занятого расчетами. Процесс обработки информации на вычислителе требует участия человека оператора. Чем шире функциональные возможности вычислителя, чем выше уровень или механизации, или автоматизации вычислений, тем ниже частота взаимодействий мЕ жду ним и оператором. Среди вычислителеи как технических средств наи высшей степенью автоматизации счета обладает ЭВМ.

Итак, состав устройств и структура ЭВМ есть результат технической

интерпретации функциональной организации человека вычислителя. Процесс обработки информации (решения зада -1) на ЭВМ, по сути, сводится к имитации вычислительной деятельности че гювека. Следовательно, концептyaльную основу конструкции ЭВМ и ее функционирования (или же основу автоматизации вычислений на ЭВМ) доле кна составить модель вычислителя.

Модель вычислителя есть пара:

где h и a — описания конструкции вычислителя и алгоритма его функционирования при обработке информации (или коротко: h — конструкция алгоритм его работы). вычислителя,a—

Конструкция вычислителя допускает следующее представление:

где U = {и1 } – множество устройств и1 , i Е {1, 2, ..., k} (k = 5 для концептуальной машины дж. фон Неймана); g – описание структуры (или просто структура) сети связей между устройствами и1 . Иначе говоря, структура вычислителя это граф, вершинам которого Сопоставлены устройства и1 , a ребрам линии связей между ними. В основе конструкции вычислителя лежат следующие три принципа:

58

2.2.Модель вычислителя

1)последовательная обработка информации, т. e. последовательное выполнение:

—операций на множестве U устройств и1, взаимодействующих через

связи структуры g;

—микроопераций в пределах устройств и', i =1, k);

2)фиксированность (автоматическая неизменяемость) структуры (и g,

имикроструктуры устройств и' Е U);

3)неоднородность составляющих устройств (и' Е U, i = 1, k) и связей

между ними (структуры g).

Алгоритм функционирования вычислителя обеспечивает согласован-

ную работу всех устройств (множества U) и связей между Ни и (структуры g)

процессе обработки информации или, говоря иначе, при решении задач. Для решения любой задачи вычислитель должен иметь исходные данные D и программу p или запись алгоритма вычислений (на одном из возможных языков). Поэтому алгоритм a допускает представление в виде суперпозиции:

Для заданных D и p алгоритм (2.3) должен приводить к однозначному результату. Степень универсальности алгоритма работы вычислителя oпpeдe-

ляeтcя разнообразием классов решаемых задач.

Итак, на основании (2.1) и (2.2) модель вычислителя

где U множество устройств, обеспечивающих ввод, обработку , хранение

и вывод информации ; g структура связей между устройствами; а алго-

ритм работы вычислителя или алгоритм управления вычислительными процессами при реализации программы p обработки данных D. B модель вычислителя вкладывается каноническая ЭВМ дж. фон Неймана.

Следует отметить, что описанные три при ципа конструирования ЭВМ соответствовали уровню развития ВТ лшль в 50-x годах ХХ столетия, они позволили создать первые технико-эконол ически эффектные электронные ма

последующих ЭВМ, основанных на новой элементной базе, технико-iшшьи.B

экономическая эффективность машин была достигнута уже за счет совмещения

операций во времени их вьшолнения, ручной реконфиг рируемости структур, возможности изменения (иругаде) составов машин. Каждых новый проект ЭВМ характеризовался очередной модификацией при ципов построения, сме-

на поколений ЭВМ сопровождалась все большимцп отходом от трех первона-

чaльныe при щипов. B конце концов создатели средств обработки информации

59

2. Архитектура электронных вычислтельных машин

пришли к необходимости применения диалект: ческих противоположностей названных здесь принципов.

Таким образом, мы можем дать еще однэ определение: средство об-

работки информации, основанное на модели вычислителя, называется ЭВМ. Процесс проектирования ЭВМ включает в себя выбор системы счисления и формы представления данных D; определение средств для написания программ p вычислений; подбор состава U вычислительных устройств и системы операций, реализуемых ими; формир звание структуры g и разработку микроструктуры («логический» синтез) устройств и1 Е U; выбор эле-

ментной базы и конструирование устройств ие Е U; построение такого алгоритма a функционирования вычислителя c, :оторый обеспечивал бы реализацию и программ p, и, в частности, операции как последовательности микрооперации.

допустимы аппаратурные, аппаратypно-r [рограммные и программные

реализации модели вычислителя (2.4). Аппара гурное исполнение вычислителя c предопределяет каноническая ЭВМ дж , фон Неймана; такое исполнение соотносится c первыми ЭВМ (первым поколением ЭВМ). Однако здесь уместно заметить, что даже в этих маши Нах имели место эволюцион-

ные модификации. Так, в машине JONIAC в отличие от EDVAC уже осу-

ществлялась параллельная обработка всех раз рядов слова (что может рассматриваться как «параллельное выполнение микроопераций»). B последyющих разработках ЭВМ закладывалась и возможность совмещения операции.

Аппаратyрно-прогpаммнaя реализация c, включая конструкцию h и

алгоритм a (если учесть микропрограммное у правление), сопоставляется c современными ЭВМ. Имеет место тенденция i: вложению функций системного программного обеспечения в аппаратypу . Последнее поддерживается непрерывным совершенствованием технологии БИС, удешевлением элементной базы (в современных условиях мик.,юпроцессоров).

Программное исполнение c следует воспринимать как машинный имитатор средства обработки информации, основанного на модели вычислителя (2.4). Говоря иначе, при программном исполнении модели вычислителя порождается виртуальная ЭВМ (или машинная модель ЭВМ).

Развитие ВТ по пути создания ЭВМ (кz.к аппаратурных или аппара- турно-программных реализаций модели вычислителя или функциональной структуры машины дж. фон Неймана) может осуществляться в ограниченных пределах, обусловленных, в частности, конечностью скорости распространения сигналов в физических средах (кон , ^чностью скорости света, которая в вакууме равна (299 792 ± 0,4) км/с).

60

2.3.Понятие об архитектуре ЭВМ

2.3.Понятие об архитектуре ЭВМ

Широкое применение средств ВТ сильно укоренило понятие ЭВМ и породило, в свою очередь, понятие «архитектура ЭВМ». Последнее понятие,

несмотря на свою распространенность, воспринимается, как правило, ин-

тyитивноиупотребляетсячащевсегоприсравненииЭВМ.Вчемжезаклю-

чается суть этого понятия?

2.3.1. Определения понятия «архитектура ЭВМ»

Понятие «архитектура ЭВМ» (Computer Architecture), по-видимому,

впервые введено в 60-x годах ХХ столетия при создании машин ММ 360

фирмы International Business Machines. Это понятие было определено как

«полная и детальная спецификация интерфейса <аiользователь ЭВМ». В качестве пользователя понимается все то, что имеет доступ к аппаратур- но-прогpаммным средствам ЭВМ c целью обеспечить переработку на них информации. Например, это могут быть программисты, занятые отладкой и производством прикладных или системных программ на ЭВМ, или специалисты, подключающие технические комплексы к машине, или технические средства «интеллектуальные» терминалы и т. п. Под интерфейсом следует понимать ту часть аппаратурно-программных средств машины, которая обеспечивает (пусть даже через устройства ввода-вывода информации) общение пользователя c ЭВМ. Говоря иначе, интерфейс

прогрaммный посредник между пользователем и ЭВМ. Ясно, что эффективность взаимодействия c ЭВМ, Т. e. эффективность использования аппара- турно-программных средств ЭВМ, определяется возможностями или специ- ф ическими особенностями интерфейса. Итак, при такой трактовке понятия архитектуры ЭВМ главным становится то, что предлагается пользователю, и как воспользоваться сервисом, предоставляемым со стороны машины.

Под архитектурой ЭВМ, как и вообще любых других средств обработки информации, в узком смысле понимают совокупность их свойств и характеристик, призванных удовлетворить потребности пользователей.

Пользователей в первую очередь интересуют такие свойства, которые раскрывают функциональные особенности вычислительного средства, a именно те, которые определяют: классы и сложность задач, доступных для решения; возможности автоматизированного обучения программированию и работе на данном вычислительном средстве; языки программирования; возможности отладчиков и редакторов, используемых при производстве программ; возможности операционной системы и организации различных режимов функционирования (моно - и мультипрогpаммных, разделения времени, реaльного масштаба времени и др.); реализуемость диалогового режима; орга-

61

2. Архитектура электронных вычислiстельных машин

низация работы c файлами; способы обработки информации (последовательный, конвейерный, матричный, распредел енный и др.); возможность реализации надежных (откaзоустойчивых) вычислений; совместимость c другими аппаратypно-программными средства и и т. п.

Большой интерес для пользователей средств ВТ представляют такие технические характеристики, как быстродействие, объем памяти, разрядность для слов, форма представления чисел (с фиксированной и/или плавающей запятой), показатели эффективности внешних устройств, количественные характеристики надежности и живуче сти, технико-экономические показатели (цена вычислительного средства или стоимость машинного времени), показатели безопасности работы и т. п. В меньшей степени пользователей волнует организация технического обслу живания и почти не интересyют такие архитектурные проявления особен ностей средств переработки информации, как организация его функциональной структуры или отдельных его устройств, аппаратypно-программны , решения, являвшиеся как следствие возможностей элементной и технологической баз, конструктивное оформление и т. п.

Понятия «архитектура ЭВМ» и «архитектура вычислительного средства» применяют не только пользователи, но и специалисты создатели аппаратурно-прогpаммных комплексов для переработки информации. Поэтому узкое толкование понятия об архитектуре вычислительных средств для них является явно недостаточным. Учитывая ориентацию данной книги и на разработчиков средств ВТ, и на специалв стов по формированию конфигypаций и по эксплуатации ЭВМ и систем на их основе, дадим общее определение архитектуры средств обработки информации.

Архитектура вычислительного средства совокупность его свойств и характеристик. То, что для пользователей с редств ВТ было мало значимым, становится для создателей этих средств весьма существенным; например функциональная структура и организация вычислительных процессов.

Очевидно, что для разных специалистов одно и то же вычислительное средство выглядит в архитектурном плане различным образом. Каждого узкого специалиста занимают в большей степени свои архитектурные аспекты. Однако для всех профессионалов в област:i переработки информации представляют бесспорно большой интерес и методология разработки вычислительных средств, их аппаратyрных и программных частен; и концептyaльные основы и принципы построения; и схемотехнические решения, основанные на новых способах обработки информации и (или) имеющие лучшие параметры по сравнению c уже известными схемами; и алгоритмы и приемы организации функционирования; и методика экспресс-анализа эф-

фективности (производительности, надежности, живучести, осуществимо-

сти решения задач и технико-экономической эффективности); и методика

б2