Konyukhova_arhitektura

Сеть (компьютерная, информационно-вычислительная) – это информационная система, которая состоит из множества абонентских систем и телекоммуникационной системы для их информационного взаимодействия. Отличительной особенностью сетей являются развитые функции информационного взаимодействия.

Множество операций над данными и порядок выполнения этих операций называется моделью вычислений. В рамках изучения принципов работы ВМ, ВС и сетей подразумевается модель вычислений, заложенная в оборудование и, следовательно, зависящая от их (вычислительных машин) структуры и архитектуры.

Ознакомившись с основными терминами, перейдем к рассмотрению подходов к организации ВМ и ВС, а также их характеристик.

1.2.Принципы организации вычислительных машин и систем

Для программы, состоящей из команд и находящейся в памяти, в соответствии с [3], возможны следующие альтернативные механизмы её исполнения:

1.Команда выполняется после того, как выполнена предшествующая ей команда последовательности. Этот метод соответствует механизму организации вычислительного процесса под управлением последовательностью команд (data flow computer) и характерен для ВМ с классической фон-неймановской (и подобным ей) структурой. Такая модель вычислений называется традиционной.

2.Команда выполняется, когда становятся доступными её операнды. Этот механизм организации вычислительного процесса извес-

тен как управляемый данными (dataflow driven) и реализуется пото-

ковыми ВМ. Данная модель вычислений называется потоковой.

3.Команда выполняется, когда другим командам требуется результат её выполнения. Этот метод организации вычислительного процесса называется механизмом управления по запросу (demand driven) и реализуется редукционными ВМ. Модель вычислений также называется редукционной.

Более подробно с архитектурой потоковых и редукционных машин можно ознакомиться в [3]. На практике эти ВМ пока применяются крайне редко. В подавляющем большинстве современные ВМ

имеют традиционную структуру, базирующуюся на концепции Дж. фон Неймана (1903 – 1957, венгро-американский математик), вы-

10

двинутой им во второй половине 40-х гг. XX века. Поэтому далее будут рассматриваться ВМ и ВС, реализующие традиционную модель вычислений.

В соответствии с этой концепцией определена автономно работающая ВМ, содержащая устройство управления (УУ), арифметикологическое устройство (АЛУ), память и устройства ввода – вывода (УВВ), как показано на рис. 1 [2, 6, 7]:

УУ

Память

Рис. 1. Структура ВМ Дж. фон Неймана:

– линии связи для данных;

– линии связи для команд;

– линии связи для управления

Преобразование данных осуществляется последовательно, под централизованным управлением от программы, состоящей из команд. Набор команд составляет машинный язык низкого уровня.

Далее перечислены принципы организации ВМ:

1.Двоичное кодирование информации, разделение её на слова фиксированной разрядности.

2.Линейно-адресная организация памяти (N ячеек по n разрядов). Номер ячейки является её адресом. В командах программы адрес является именем переменной, хранящейся в соответствующей ячейке.

3.Представление алгоритма в виде программы, состоящей из команд. Каждая команда определяет шаг выполнения программы и содержит код операции, адреса операндов и другие служебные коды.

11

4.Хранение команд и данных в одной памяти.

5.Вычислительный процесс организуется как последовательное выполнение команд в порядке, заданном программой.

6.Жёсткость архитектуры – неизменность в процессе работы ВМ, её структуры, списка команд, методов кодирования данных.

При работе ВМ наиболее интенсивное взаимодействие осуществляется между АЛУ и УУ. С развитием элементной базы эти устройства объединили в один блок и назвали процессором. Процессор счи-

тывает и выполняет команды программы, организует обращение к памяти, инициирует работу УВВ. Выборка команды из памяти и её выполнение циклически повторяются. Цикл включает следующие фазы: выборку, дешифрацию, исполнение.

Устройство ввода преобразует входные сигналы к виду, принятому в вычислительной машине. Устройство вывода преобразует выходные сигналы в форму, удобную для восприятия человеком (тексты, графические образы и т.д.).

Преимущество фон-неймановской структуры ВМ заключается в возможности улучшения характеристик ВМ за счет улучшения структуры и параметров отдельных связей между её компонентами (см. рис. 1). Однако до сегодняшнего момента «узким местом» этой структуры является канал передачи данных между процессором

ипамятью.

Внастоящее время наряду с классической фон-неймановской структурой ВМ применяется способ построения ВМ на основе общей шины [3, 7]. В этом случае все устройства ВМ подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных, управления, как показано на рис. 2.

Шинная архитектура получила широкое распространение в мини-

имикро-ЭВМ благодаря упрощённой реализации и лёгкой замене компонентов.

Вкаждый момент времени передавать информацию по шине может только одно устройство, что является основным недостатком данного способа построения ВМ.

Конструктивные принципы построения ВМ определяют способы конструктивного исполнения её устройств, организации пространственных механических и электрических связей между устройствами

иузлами. Наиболее значимым является принцип «открытой» архитектуры, согласно которому ВМ рассматривается как гибкая, легко расширяемая модульная система, способная к адаптации и совершенствованию.

12

Рассмотрим конструктивные принципы построения ВМ на примере наиболее распространённого класса настольных моделей персональных компьютеров (ПК). ПК содержит следующие типы связанных в систему конструктивно обособленных устройств: системный блок, монитор, клавиатуру, мышь, принтер.

Процессор

УУ

Рис. 2. Структура ВМ на основе общей шины

Системный блок содержит все основные электронные схемы, обеспечивающие запись, хранение и обработку данных, а также жёсткий диск (HDD), дисковод для гибких магнитных дисков (FDD), привод CD (DVD), блок питания. Основным узлом системного блока является материнская плата, на которой расположены процессор, оперативная память, вспомогательные схемы, разъёмы для плат расширения (модемов, сетевых карт, видеокарт, звуковых карт и др.).

Относительно ВС также можно выделить два способа их органи-

зации: вычислительные системы с общей памятью и распределённые вычислительные системы [3, 7].

В соответствии с первым способом, в ВС имеется общая основная память, совместно используемая всеми процессорами системы, что иллюстрирует рис. 3.

Взаимосвязь процессоров с общей памятью обеспечивается с помощью коммуникационной сети, чаще всего представляющей собой общую шину.

13

Таким образом, структура ВС с общей памятью аналогична рассмотренной выше структуре ВМ с общей шиной. Вследствие этого ей присущи те же недостатки. Дополнительное достоинство таких ВС заключается в том, что обмен информацией между процессорами обеспечивается только за счёт доступа к общим областям памяти.

Коммуникационная сеть

Рис. 3. Структура ВС с общей памятью

Коммуникационная сеть

Рис. 4. Структура распределённой ВС

В распределённой ВС каждый процессор обладает собственной локальной памятью, как показано на рис. 4. Обмен информацией между компонентами ВС обеспечивается с помощью коммуникационной сети посредством обмена сообщениями. Подобная организация ВС снимает ограничения, свойственные общей шине, но приводит к дополнительным издержкам на передачу сообщений между процессорами.

Для уменьшения недостатков традиционной структуры ВМ и ВС применяются её различные модификации [2, 3], в частности, физиче-

14

ское разделение памяти на память команд и память данных. Более подробно такая структура ВМ будет представлена в разделе, посвященном микроконтроллерам.

Далее рассмотрим характеристики ВМ и ВС.

1.3.Основные характеристики вычислительных машин и систем

Основными показателями, влияющими на архитектуру ВМ, яв-

ляются стоимость и производительность [2].

Стоимость определяет часть цены, которую, в свою очередь, можно рассчитать по формуле 1:

Цена стоимость _ элементов

стоимость _изготовлен ия

неучтённые _ расходы.

Главная надбавка учитывает стоимость научноисследовательских работ, маркетинга, прибыль.

При установившемся производстве вычислительных машин и стабильной экономике относительные доли приведённых составляющих цены достаточно устойчивы, но различаются для разных классов ВМ [2]. Например, для ПК доля стоимости элементов составляет 31, стоимости изготовления – 10, главной надбавки – 14, неучтённых расходов – 45 %.

Зная стоимость комплектующих элементов на текущий момент времени и относительные доли составляющих цены, можно оценить стоимость ВМ.

Производительность – это объём вычислительной работы, выполняемой ВМ за единицу времени. Для количественных оценок производительности используют понятия номинальной и системной производительности.

Номинальная производительность – это вектор Vн (формула 2):

где vi – быстродействие i-го устройства ВМ (чаще всего – процессора и дисковой памяти).

15

Для характеристики степени использования потенциальных возможностей устройства в составе системы используется показатель загрузки i-го устройства pi (формула 3):

где Ti – время, в течение которого работало i-е устройство за время T работы системы.

Системная производительность Vc учитывает совместную ра-

боту устройств в системе под управлением операционной системы для определённого класса задач (формула 4):

Получение достоверных оценок показателей pi весьма затруднительно, поэтому показатель системной производительности используется редко.

Чаще всего показатель производительности требуется как средство для качественного сопоставления производительности различных типов ВМ и выбора наиболее быстродействующей. Для этого используют упрощённые подходы, подробно изложенные в [2].

Ещё одной характеристикой ВМ, тесно связанной с производительностью, является быстродействие, определяемое как число операций, выполняемых в секунду. Поскольку разные команды выполняются с различной скоростью и вероятности использования каждой команды для разных классов задач различны, то говорят о среднем быстродействии ВМ для каждого класса задач, которое вычисляется по формуле 5:

N

bj

j 1

где P – среднее быстродействие; bj – все команды j-го типа;

tj – среднее время выполнения;

N – число команд для разных классов задач.

Также к основным характеристикам ВМ можно отнести операци-

онные ресурсы и ёмкость памяти [9].

Операционные ресурсы – это перечень действий (операций), которые может выполнять ВМ при обработке информации (исходных данных):

1) система машинных операций F { , ,*,/,...};

16

2) система машинных команд K {K1,K2,...,KN}, порождающая указанную выше систему машинных операций;

3) способы представления информации в ВМ.

Чем шире операционные ресурсы ВМ, тем шире её возможности в плане обработки информации.

Ёмкость памяти – это объём хранилища программ и данных ВМ. Единицы измерения – бит, байт (B), килобайт (KB 210B), мегабайт (MB 220B), гигабайт (ГВ 230В), терабайт (ТВ 240В). Ёмкость памяти (E)обычно кратна 2-м (E 2m, где m – длина адреса).

Дополнительные характеристики ВМ:

1.Надёжность – способность ВМ при определённых условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени

(стандарт ISO 2382/ 14 – 78).

2.Точность – возможность различать почти равные значения (стандарт ISO 2382/ 2 – 76). Точность полученных результатов определяется в основном разрядностью ВМ и величиной единицы информации (байтом, словом и т.д.).

3.Достоверность – свойство информации быть правильно воспринятой. Характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов.

По указанным признакам, а также по ряду других (например, по областям применения, поколениям) ВМ и ВС можно разбить на различные группы, с чем подробно можно ознакомиться в приведённых литературных источниках.

Перейдём к рассмотрению организации вычислительных процессов в ВМ.

1.4. Многоуровневая организация вычислительных процессов

Для описания, проектирования и организации управления в вычислительных системах используется иерархический подход [2]. Уровни организации вычислительных процессов в ВМ, категории специалистов и процессы, реализующие взаимодействие уровней, представлены на рис. 5.

На концептуальном уровне пользователь анализирует задачу, выбирает метод её решения, разрабатывает алгоритм, определяет структуры данных. Затем пишется программа на одном из языков высокого уровня, которая не зависит от архитектуры ВМ и особенностей аппаратного обеспечения. На уровне машинных команд обеспе-

17

чивается связь программных и аппаратных средств: разрабатывается список команд, определяются способы кодирования операций и адресов, а также другие параметры, заложенные в структуру ВМ.

Рис. 5. Уровни организации вычислительных процессов

Связь между языками высокого уровня и машинными командами может осуществляться как методом компиляции, так и методом интерпретации. На уровне регистровых передач осуществляется микрооперации, выполняемые аппаратурой вычислительной машины. Это операции передач, запоминания и преобразования кодов, выполняемые пересылкой сигналов между регистрами через логические схемы. Для построения схем на выполнение требуемой микрооперации формируется набор управляющих сигналов – микрокоманда. Последовательность микрокоманд, соответствующая исполнению машинной команды, называется микропрограммой. На уровне логических вентилей рассматриваются логические схемы, которые выполняют операции над двоичными переменными.

В управлении вычислительным процессом с иерархической организацией участвуют как программные, так и аппаратные средства. По мере развития архитектуры ВМ и технологий их изготовления грань разделения функций, реализуемых аппаратно и программно, смещается в сторону аппаратной реализации.

18

Самые сложные преобразования информации, выполняемые ВМ, в конечном счёте, сводятся к простейшим операциям над логическими переменными «0» и «1». Поэтому дальнейшее изучение состава и функционирования ВМ целесообразно начать с изучения простейших логических элементов и цифровых устройств, постепенно переходя к более сложным функциональным и конструктивным узлам (элементам): процессору, памяти, устройствам ввода – вывода.

Вопросы для самопроверки

1.Дайте определения следующим понятиям: вычислительная машина, вычислительная система, компьютерная сеть, вычислительный комплекс, структура, архитектура, модель вычислений.

2.Что представляют собой функциональная и структурная организации ВМ?

3.Перечислите модели вычислений, связанные с архитектурой

ВМ.

4.Опишите фон-неймановскую структуру ВМ, назовите её преимущества и недостатки.

5.Опишите структуру ВМ на основе общей шины, назовите преимущества и недостатки этой структуры.

6.Какие существуют способы организации ВС? Назовите преимущества и недостатки этих структур.

7.Перечислите основные и дополнительные характеристики ВМ. Как рассчитывается стоимость, производительность, быстродействие ВМ?

8.Какие уровни организации вычислительных процессов можно выделить?

2.ПРОСТЕЙШИЕ ТИПОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН

Как правило, в структуре ВМ выделяют следующие структурные компоненты: элементы, блоки, узлы и устройства. Такая декомпозиция соответствует операциям преобразования информации. Нижний уровень реализуется элементами, каждый из которых предназначается для обработки единичных электрических сигналов, соответствую-

19