khor32

2.3. Понятие об архитектуре ЭВМ

обеспечения контроля и диагностики; и достигнутые технические характе-

ристики в классе тех или иных вычислительных средств.

Учитывая вышесказанное и вспомнив каноническую функциональную структуру ЭВМ дж. фон Heймaнa и модель вычиcлитeля (формулы

(2.1) и (2.2)), дадим еще одно определение: архитектура вычислительного средства — концепция взаимосвязи u фyнкцuoнupoвaнuя его aппapamypныx

(Hardware) u программных (Software) компонентов.

концепция раскрывается через совокупность свойств и характеристик, пpи-

cyщиx вычислительному средству.

2.3.2. SISD-архитектура ЭВМ

Во всех средствах ВТ, безусловно, имеют место информационные потоки потоки команд и данных. Под потоком команд понимается их последовательность, выполняемая вычислительным средством, a под потоком данных последовательность данных (включающая исходные данные,

промежуточные и окончательные результаты), порождаемая, управляемая и обрабатываемая потоком команд.

Классификация архитектур на основе потоков команд и данвых была

предложена в 1966 г. профессором Стенфордского университета (Stenford University, США) M.Д. Флиином (МЭ. Flynn). B соответствии c этой классификацией архитектура ЭВМ относится к классу SISD или ОКОД (SISD Single Instruction stream / Single Data stream; ОКОД один поток команд / одни поток

дат ых). Она предопределяет такое функционирование ЭВМ, когда одиночный поток команд управляет обработкой одиночного потока данных.

Вычислительное средство c архитектурой SISD представлено на рис. 2.2;

поток команд (1) из памяти в процессор (точнее, в АЛУ, см. рис. 2.1) порождаeт потоки данных (2) в процессор (для их обработки) и результатов (3) из процессора (т. e. данных после обработки).

Очевидно (см. рис. 2.1 и 2.2), что известная нам машина дж. фон Ней-

мана имеет SISD-архитектypу. Архитектуру SISD и близкие к ней стали на-

зывать фоннеймановскими (von Neumann Architec-

63

2. Архитектура электронных вычисл:тельных машин

нoвcкaя, a архитектуры ЭВМ второго и третьего поколений — модифициро-

ванные фoннeймaнoвcкиe.

Современные вычислительные средства высокой производительности

9 ...1015 опер./с) имеют нeфoннeймaнoвcкиe архитектуры (non von Neu-(10 mann Architectures). B таких средствах модель организации вычислений принципиально отличается от классической (т. e. от машины Дж. фон Heймaнa и от модели вычиcлитeля). Heфoннeймa нoвcкиe архитектуры oбязa-

тeльнo предопределяют непоследовательные организации выполнения кo-

мaнд. Средства обработки информации c такими архитектурами называют вычислительными системами (также cyпepЭBМ, так как они потенциально обеспечивают рекордную производительность).

2.4. Понятие o семействе ЭВМ

Современные ЭВМ выпускаются семействами или, как еще гово-

рят, рядами. Что представляет собой семейс гво ЭВМ (Computer Family,

Computer Series)?

Если рассматривать этот вопрос c позищ ий различных специалистов в области ВТ или же рассматривать конкретную ЭВМ под различными углами, то в поле зрения окажутся в общем случае различные совокупности архитектурных свойств и характеристик, Т. e. одна и та же ЭВМ воспринимается различным образом. C другой стороны, если смотреть на каждую ЭВМ некоторого множества под одним и тем же у1 лом, то можно увидеть подмножество архитектурно родственных машин. Совокупность архитектурно близких ЭВМ выделенную для фиксированногс уровня развития ВТ и электронной технологии, называют семейством, или рядом, ЭВМ. Пионером методологии семейств ЭВМ является фирма IB М.

Границы семейства ЭВМ устанавливаются чисто условно, строго указать набор архитектурных свойств маши; не представляется возможным: можно говорить об архитектурной близости ЭВМ и понимать последнее на интуитивном уровне. Машины од: -ого семейства могут различаться по техническим характеристикам (например, по производительности) и по конструктивному исполнению. На практике констатация любого семейства достигается путем перечисления марок машин (или, как говорят, моделей), в него входящих. Как травило, название семейства ЭВМ связывают c наименованием фирмы, которая разработала и произ-

водит машины.

Понятие «семейство ЭВМ» всегда ассол иируется c совместимостью машин. Последнее означает, что любая пользо: зательская программа, подготовленная для любой ЭВМ (модели) семейств,дает одни и те же результа-

64

2.4. Понятие o семействе ЭВМ

ты на каждой из остaльных машин (c учетом ограничений на направление совместимости; обычно ЭВМ совместимы «снизу вверх» от «младших» моделей к «старшим)), точнее: от моделей c меньшей к моделям c большей

производительностью). Совместимость позволяет легко наращивать и со-

кращать функциональные возможности ЭВМ (путем изменения состава уст-

ройств) и просто заменять младшую модель на старшую, сохраняет задел в области программного обеспечения, упрощает процесс обучения обслуживающего персонала.

Различают аппаратурную, программную и информaционнyю совместимость ЭВМ в границах семейства. Аппаратурная совместимость обеспечи-

ваeтся единством конструкторских решений, модульностью построения ЭВМ

и стандартизацией связен и процедур управления как на уровне центрального процессора и оперативной памяти, так и на уровне внеплтих устройств маши-

ны. Программная совместимость достигается единством в функциональных (логических) структурах ЭВМ, единством команд, используем в наборах команд машин, единством систем адресации. Набор команд любой модели семейства является подмножеством единой системы команд. Это гарантирует совместимость программ как снизу вверх (программы младших моделей могyт исполняться на старших), так и сверху вниз (на старших моделям могут

генерироваться программы для младших моделей). Информационная совмес-

тимость обеспечивается использованием единых форматов для представления данных, единых способов построения файлов (директорий массивов) данных и применением одинаковы носителей данных.

Следует подчеркнуть, что когда говорят o семействе ЭВМ, то прежде всего подразумевают архитектурное родство его представителен моделей, но не одинаковость их по техническим характеристикам. Все модели, входящие в состав семейства, разнятся между собой векторами значений

технических характеристик, среди которых главными выступают быстро-

..

действие, емкость памяти, разрядность слов, показатели надежности и

стоимости, количественные характеристики функционирования средств взаимодействия ЭВМ c пользователями (внешней средой).

Приведем примеры семейств ЭВМ. Самыми распространенными семействами «больших» машин третьего поколения в мире были ЭВМ S/360 и

IBM S/370, a в Советском Союзе ЕС ЭВМ и АСВТ-Д. Семейство

ЕС ЭВМ включало в свой состав два подсемейства: «Ряд 1» и «Ряд 2». Машины «Pяд 1» были близки по архитектуре к моделям семейства 1ВМ S/360, a машины «Ряд 2» к моделям IВМ S/370. Архитектура ЭВМ «Pяд 2» была

совершеннее, чем y моделей «Ряд 1»:

1) были созданы аппаратурные и аппаратурно-программные средства

для формирования в пределах «Ряд 2» многопроцессорных и многомашин-

ных систем;

2.Архитектура электронных вычислительных машин

2)эффективность ЭВМ «Ряд 2» в 4-5 р а.з была выше, чем для ЭВМ «Ряд 1» (цена операции в 2-3 раза меньше; быстродействие, емкость па-

мяти, надежность выше).

Примерами семейств мини-ЭВМ и микроЭВМ могут служить семей-

ства НР и PDP фирм Hewlett-Packard и DigitE 1 Equipment Corp. соответст-

венно. B СССР аналогами указанных семейств были АСВТ-М и СМ ЭВМ, a также «Электроника».

Впечатляющи успехи в области персона пьных компьютеров (Personal Computers), появившихся как результат эволюционного развития мини- и

микроЭВМ. Персональные компьютеры уже сi.tйчас превосходят суперЭВМ 70-x и 80-x годов ХХ столетия не только по функциональным возможностям, но и по производительности и емкости памяти; кроме того, они выигрывают y суперЭВМ и по цене за 1 опер./c, по габаритным размерам, удобству эксплуатации.

Сейчас самым распространенным являeтся семейство персональных

компьютеров IBM РС. Следует отметить, что в семейство IВМ РС включа-

ются как машины, произведенные фирмой IB., так и совместимые c ними

ЭВМ других фирм.

2.5. Поколения Э: ВМ

Развитие современной ВТ характеризуeтся процессом смены одного поколения промышленных средств обработки информации другим, архитектурно более совершенным. Первые три поко пения это поколения ЭВМ

(Computer Generations), основанных на модели i вычислителя, их архитектура

относилась к классу SISD.

Третье поколение ЭВМ берет начало в .963-1965 гг. Бурное развитие (точнее, совершенствование их прежде всего по техническим парамет-

рам) в последующие годы осуществлялось на фоне достижений в элемент-

ной базе. После появления первых интегральных схем (1959 г.) их возможности каждые 18 месяцев удваивались. В 1970 г. фирмой Intel был создан

первый четырехразрядный микропроцессор Intel 4004. Архитектурные воз-

можности современных микропроцессоров (см. § 1.5) представляются фантастическими, если их соотнести c параметр, жми ЭВМ середины 1960-х го-

дов. Именно архитектура микропроцессора определяет и архитектуру со-

временной ЭВМ.

Интенсивный прогресс в разработке и производстве все более совершенных ЭВМ обусловливает достаточно ком откие периоды времени, которые характеризуются постоянством архитектурных свойств и параметров ЭВМ. Следовательно, после третьего поколения ЭВМ не представляется

66

2.5. Поколения ЭВМ

возможным выделить очередное их поколение. Сейчас не говорят o поколениях ЭВМ вообще, a говорят лишь o генерациях машин в пределах семейств (например, семейства ЭВМ РС).

Следует отметить и то, что на макpоypовне все современные ЭВМ по

архитектypным свойствам близки к машинам третьего поколения. Однако

на микроуровне, т. e. на уровне функциональной структуры микропроцессора, отмечаются революционные решения: современный микропроцессор уже использует параллелизм при обработке информации, конвейеризацию вычислении и т. п.

Вычислительные средства четвертого и последующих поколений базируются на архитектурных решениях, диалектически отрицающих принципы конструирования ЭВМ. Такие средства, в частности, используют массовый параллелизм при обработке информации. Эти средства называются вычислительными системами (ВС), они будут рассмотрены в гл. 3-8.

числительных средств будем характеризовать совокутшоПоколениявы - стью показателей эффективности и архитектурных свойств (табл. 2.1). Для представления эффективности ЭВМ каждого поколения используем вектор

Е = {o, v, , ст},

где со показатель производительности (опер./c) или среднее число операций, выполняемых в секунду ЭВМ (процессором при работе c оперативной памятью); v емкость оперативной памяти (бит); среднее время безоткaзной работы ЭВМ (или средняя наработка до отказа, ч); в <щена операции», определяемая как отношение цены ЭВМ к ее показателю производительности (измеряется в долларах, отнесенных к опер./c). Ниже будем

указывать достигнутый порядок значений компонентов вектора E.

При описании архитектурных свойств ЭВМ будут рассмотрены: способы и режимы обработки информации; конструктивные особенности (составы устройств и структуры); алгоритме управления вычислительными процессами или алгоритмы функционирования машин, т. e. а(р(D)) (см. § 2.2); возмож-

ности программного обеспечения (языки, операционные системы и т. п.); свойства элементной базы, характер проектирования и производства ЭВМ.

Первое поколение ЭВМ. Первое поколение ЭВМ появилось в 19491951 гг. (со =105 опер./c, v = 106 бит, & = 1...10 ч, в = 10 долл./(опер. • с1)).

Машины предназначались для последовательной обработки информации в монопрогpаммном режиме (были рассчитаны на то, что в любой момент времени в ЭВМ могла находиться только одна задача, представленная в виде последовательной программы).

Состав вычислительных устройств и структура ЭВМ первого поколе-

ния канонические (см. рис. 2.1); разнообразие ЭВМ варианты теxниче-

2.5. Поколения ЭВМ

ской реализации концептуальной ЭВМ дж. фон Неймана. Алгоритм управления вычислительными процессами а(р(D)) был универсальным и после-

довательным, и был адаптирован под фиксирован ую структуру ЭВМ. Этот алгоритм закладывался в аппаратуру машины при ее конструировании и оставался неизменным в течение всего периода существования ЭВМ. Следовательно, изменения алгоритма работы ЭВМ ни в процессе решения задачи, ни перед ее решением были не допустимы.

Возможности программного обеспечения ЭВМ первого поколения примитивны: использовались, как правило, машинные языки (двоичные ко-

ды) для записи алгоритмов обработки информации и стандартные подпро-

гpаммы (например, для вычисления элементарных функций).

Элементнyю базу ЭВМ первого поколения составляли электронные лампы. Проектировали машины вручную, производство было индивидуaльным.

Второе поколение ЭВМ. Годы формирования: 1955-1960 (о) =

= 106 опер./c, v = 107 бит, з = 102 ч, в = 10° долл./(опер. • с1)). Способ обработки информации в ЭВМ оставался последовательным; однако допуска-

Мультипрограммирование такой

режим обработки данных, при котором ресурсы ЭВМ одновременно использyются более чем одной программой. Особенностью мультипрограммирования для второго поколения ЭВМ являлось то, что реализация размещенного в машине набора (пакета) последовательных программ решения задач оставалась последовательной. Это было следствием того, что процессор (вычислитель) мог в любой момент времени выполнять только одну командy. Вместе c этим допускалась параллельная работа внешних устройств, они могли одновременно c процессором выполнять команды, принадлежавшие нескольким программам набора. Такой мультипрограммный режим обработки информации позволял повысить производительность ЭВМ (точнее, снизить простои процессора) за счет устранения несоответствия между быстродействием процессора и скоростью работы внешних устройств (прежде

всего устройств ввода и вывода информации).

Состав устройств и структура ЭВМ второго поколения не претерпели

существен модификаций. Однако по сравнетпио c первым поколением в процессор были введены структурные решен-поя, ускорившие процесс реализащш арифметических операций, a также схемы прерь я, обеспечившие работу ЭВМ в реальном масштабе времени (при управлешш объектами, технологическими процессами, научными экспериментами и т. п.). Кроме того, в структуру ЭВМ закладытвалась возможность подключения каналов связи ддя

обеспечения пользователям теледосгупа. Структура ЭВМ оставалась фиксиро-

ватяои, но при этом универсальный алгоритм управления вычислительными

б9

2. Архитектура электронных вычисл ,тельных машин

процессами а(р(D)) стал последовательно-парагшельным (т. e. допускал некоторые совмещения операций, например ввода и вывода c другими).

Программное обеспечение ЭВМ второго поколения приобрело многие

ф ункции, связанные c рациональным использованием машинных ресурсов и

сервисом для пользователя. Появились диспетчеры простейшие версии операционных систем; средства автоматизации программирования: языки

для записи алгоритмов обработки информации (в частности, алгоритмичес-

кие языки, например ALGOL 60, FORTRAN) и соответствующие транслято-

ры программы для автоматического перевода c языка высокого уровня на машинный, сервисные программы, облегчаюш ие редактирование и отладку пользовательских программ, и т. п.

Основы элементной и логико-конструктиЕ.ной баз ЭВМ второго поколения составляли соответственно полупроводниковые приборы и вентили. При разработке ЭВМ использовалось моделированиЕ ; и внедрялись элементы автоматизиpoвaнного проектирования (например, т гри создании печатных плат). Производство машин было мелкосерийным, частично механизированным.

Способ обработки информации в ЭВМ и первого, и второго поколений был последовательным и процедурным. Ilроцедурная обработка основывается на фиксированной системе команд обладающей полнотой (для обеспечения универсальности ЭВМ), и заклюй мается в представлении любого алгоритма преобразования информации в виде программы

последовательности команд ЭВМ. Следовательно, процедурный способ обработки данных характеризуется тем, что F ремя выполнения программы

существенно зависит от адекватности систeмы команд ЭВМ решаемой задаче, a каждый акт преобразования данных сопровождается накладными расходами на выборку команды из памяти и ее расшифровку.

Третье поколение ЭВМ. Годы зарождения: 1963-1965; показатели эффек-

тивности: со = 107 опер./c, v = 108 бит, а =103 ч, а = 10-1 долл./ (опер. • с-1 ). При сохранении в основном последовательнс го способа обработки информации в архитектуру ЭВМ стали внедрять иiультипрограммные режимы: пакетная обработка и разделение времени. П акетная обработка (как и во втором поколении ЭВМ) заключалась в такой реализации набора последовательных программ, когда пользователь оказывался пассивным, лишенным возможности активно вмешиваться в вычислительные процессы. Режим

разделения времени давал возможность неск эльким пользователям осуще-

ствлять в интерактивном (или оперативном, on-line) режиме реализацию

своих последовательных программ.

Режим разделения времени предоста влял каждому пользователю вполне определенный квант процессорного в ремени в соответствии c принятыми (и обычно детерминированными) прaвилами. Машина одновременно эксплуатировалась несколькими пользователями (хотя и c распределени-

7о

2.5. Поколения ЭВМ

ем времени процессора между ними). При этом создавалось представление, что каждый пользователь постоянно имел в своем распоряжении ЭВМ c вполне определенной архитектурой и техническими характеристиками (конечно, не превосходившими того, что было в реальной машине). Последнее обосновывало целесообразность употребления понятия «виртуальная машина» применительно к вычислительным ресурсам ЭВМ, выделенным пользователю. Режим разделения времени позволял повысить производительность ЭВМ (в частности, уменьшить простои процессора) путем устранения несоотвeтствия между быстpодействием процессора и скоростью работы пользователей ЭВМ.

Состав вычислительных устройств в машинах третьего поколения был дополнен спецпроцессорами, оптическими устройствами ввода-вывода информации, накопителями (на магнитных лентах и дисках) большой емкости и другими устройствами. Конструктивное оформление устройств выполня-

лось в виде модулей. Модули, одинаковые по функциональному назначению, могли отличаться друг от друга по техническим характеристикам.

Структурной особенностью ЭВМ третьего поколения являлось то, что они имели единый ресурс, через который осуществлялись взаимодействия

между (центральным) процессором и остальными устройствами модуля-

.. .,

ми: спецпроцессорами, внешней памятью, устройствами ввода-вывода информации и др. B качестве такого ресурса выступали селекторный и

мультиплексный каналы, общая шина и т. п.

B пределах любого семейства допускалось ручное формирование таких конфигураций ЭВМ, которые по своей архитектуре, структуре и составу

были наиболее адекватны области применения (структурам и характеристи-

кам алгоритмов решаемых задач).

B ЭВМ третьего поколения наряду c процедурным способом вычис-

лений начали внедряться элементы структурного способа. Суть этого способа в общем случае заключается в возможности автоматической настройки таких структурных схем из устройств ЭВМ, которые были бы aдекватны реализуемым алгоритмам обработки информации. B третьем поколении допускaлись модификации системы команд ЭВМ путем замены одной модели

центрального процессора на другую модель, кроме того, и за счет микро-

программирования. Последнее основывается на представлении любой опе-

рации ЭВМ в виде микропрограммы и на введении в структуру ЭВМ мик-

ропрограммного управляющего запоминающего устройства. Модификация системы команд требует введения новых интерпретирующих микропрограмм и сводится к перепрограммированию управляющего ЗУ.

Для третьего поколения был характерен последовательно-параллельный

алгоритм a (р (D )) управления вычислительными процессами, он обладал воз-

можнocтью адаптатии под конфигурации ЭВМ, порождавшиеся вручную.

71

2. Архитектура электронных вычисл,пельных машин

Программное обеспечение машин этого г околения было представлено спектром операционных систем и систем автоматизации программирования. Операционные системы обеспечивали функционирование ЭВМ в основных режимах обработки информации (среди которых: пакетнaя обработка, разделение времени, работа в реальном масштабе времени). Системы программирования включали универсальные и проблеN но-ориентированные языки и соответствующие трансляторы (компиляторы, интерпретаторы), средства отладки и редактирования программ и другие , трограммные средства сервиса. B состав программного обеспечения включался и комплекс средств технического обслуживания ЭВМ (наладочные, контрольные и диагностические тест-программы).

Элементная база ЭВМ третьего поколения опиралась на интегральную технологию. Комплекты интегральных схем (ьключавшие микропроцессорные БИС) позволили существенно упростить проектирование ЭВМ; широкое применение получили системы автоматизированного проектирования (САПР). Производство ЭВМ стало серийным и автоматизированным. Машины третьего поколения выпускаются в виде семейств (например, IВМ, ЕС ЭВМ, НР, DEC, СМ ЭВМ, «Электроника»).

Таким образом, любая ЭВМ c первого п о третье поколение представлялась как комплекс аппаратурно-программных средств. Распределение стоимости между компонентами ЭВМ отражеi-:о на рис. 2.3.

Наблюдались относительный рост стоим мсти системного (программно-

го) обеспечения и, следовательно, относительное уменьшение стоимости оборудования в пределах стоимости ЭВМ в целом. При этом имело место и абсолютное увеличение объемов ПО ЭВМ от поколения к поколению; для первого, второго, третьего поколений ЭВМ объемы соответственно были равны

4.10 4 , б • 105, 6.106 K байт. Для ЭВМ третьего поколения затраты труда на

Поколения ЭВМ

Рис. 2.3. Распределение стоимости между компонентами ЭВМ:

П&ОП - процессор и оперативная память; Вв&Выв -- устройство ввода-вывода информации; ПО - программное обеспечение

72