Структуры вычислительных систем

Понятие «вычислительная система» предполагает наличие множества процессоров или законченных вычислительных машин, при объединении которых используется один из двух подходов.

В вычислительных системах с общей памятью (рис.1.5) имеется общая основная память, совместно используемая всеми процессорами системы. Связь процессоров с памятью обеспечивается с помощью коммуникационной сети, чаще всего вырождающейся в общую шину. Таким образом, структура ВС с общей памятью аналогична рассмотренной выше архитектуре с общей шиной, в силу чего ей свойственны те же недостатки. Применительно к вычислительным системам данная схема имеет дополнительное достоинство: обмен информацией между процессорами не связан с дополнительными операциями и обеспечивается за счет доступа к общим областям памяти.

меет порядок 100 000.транзисторов на одном кристалле в на кристаллемы большой и.

.

Рис.1.5. Структура вычислительной системы с общей памятью

Альтернативный вариант организации – распределенная система, где общая память вообще отсутствует, а каждый процессор обладает собственной локальной памятью (рис.1.6). Часто такие системы объединяют отдельные ВМ. Обмен информацией между составляющими системы обеспечивается с помощью коммуникационной сети посредством обмена сообщениями.

Рис.1.6 Структура распределенной вычислительной системы

Подобное построение ВС снимает ограничения, свойственные для общей шины, но приводит к дополнительным издержкам на пересылку сообщений между процессорами или машинами.

Процессор. Структурная схема процессора. Понятие о микропрограммном управлении Структурная схема процессора

Процессором называется устройство, непосредственно осуществляющее процесс обработки данных и программное управление этим процессом. Процессор дешифрует и выполняет команды программы, организует обращение к оперативной памяти(ОЗУ), в нужных случаях инициирует работу периферийного устройства(ПУ), воспринимает и обрабатывает запросы прерывания. Процессор занимает центральное место в структуре ЭВМ, так как он осуществляет управление взаимодействием всех устройств, входящих в состав ЭВМ.

Упрощенная структурная схема процессора состоит из: арифметико-логического устройства(АЛУ), блока регистровой памяти, блока связи с ОЗУ, устройства управления (УУ) и блока управляющих регистров(БУР).

АЛУ выполняет все логические и арифметические операции над операндами.

Блок регистровой памяти используется для хранения операндов, а также для хранения индексов и адресов при обращении к стековой или оперативной памяти. Этот блок регистров имеет более высокое, чем ОЗУ быстродействие и предназначен для повышения производительности процессора.

Блок связи с ОЗУ (интерфейс процессора) организует обмен информацией процессора с ОЗУ и защиту ОЗУ от несанкционированного доступа.

УУ выполняет последовательность управляющих сигналов, инициирующих выполнение отдельных команд.

Блок управляющих регистров предназначен для хранения управляющей информации. Он содержит регистры и счетчики, участвующие в управлении вычислительным процессом, в частности в этот блок входят регистры, хранящие информацию о состоянии процессора, регистры запросов прерывания, счетчики тактов, счетчики команд и т д. Например, счетчик команд служит для определения адреса команды, которую в данный момент времени процессор читает из ОЗУ. Для линейных участков программы этот адрес вычисляется в счетчике команд путем сложения адреса предыдущей команды, который находится в счетчике с числом, равным количеству байт предыдущей команды.

Программа

Процессор, как любое цифровое устройство, можно рассматривать состоящим из двух блоков: операционного и управляющего. На структурной схеме управляющий блок выделен обводкой, состоящей из пунктирных линий, а остальные невыделенные блоки входят в состав операционного устройства. Процессор работает под управлением программы, находящейся в ОЗУ, которая, в свою очередь, состоит из команд. Процессор читает из ОЗУ одну команду за другой и последовательно их выполняет. В свою очередь любая команда, выполняемая в операционном блоке процессора, описывается некоторой микропрограммой и реализуется за несколько тактов, в каждом из которых выполняется одна или несколько микроопераций. Интервал времени, отводимый на выполнение микрооперации, называется рабочим тактом процессора. Для реализации команды необходимо на соответствующие управляющие входы операционного блока подать определенным образом распределенную во времени последовательность управляющих сигналов. Каждая микрооперация в АЛУ выполняется под действием своего управляющего сигнала , который поступает в операционный блок в начале соответствующего такта. Управляющий блок как раз и предназначен для выработки этих управляющих сигналов, под действием которых в АЛУ выполняются микрооперации.

Обычно управляющий блок рассматривают как конечный автомат, предназначенный для выработки этих управляющих сигналов , под действием которых в АЛУ выполняются микрооперации.

Существуют два основных типа управляющих автоматов(УА):

1. УА с жесткой логикой. В таком автомате для каждой операции строится набор комбинационных схем, которые вырабатывают нужную последовательность управляющих сигналов .

2. УА с программируемой логикой. В таком автомате каждой выполняемой в операционном блоке операции ставится в соответствие совокупность хранимых в памяти автомата слов, называемых микрокомандами. Каждая микрокоманда содержит информацию о подлежащих выполнению в данном такте микрооперациях и о микрокоманде, которая должна быть выполнена в следующем такте.

Последовательность микрокоманд, выполняющих одну машинную команду, образуют микропрограмму. Обычно микропрограмма хранится в специальной памяти микропрограмм. Метод управления цифровым устройством с помощью микропрограмм называется микропрограммированием, а использующие этот метод управляющие блоки – микропрограммными управляющими устройствами.