1.2 Организация вычислительной системы. Элементы вычислительного ядра и системы ввода-вывода

Рассмотрим обобщенную структуру некоторой гипотетической вычислительной системы. Под вычислительной системой (ВС) в рамках данного курса понимается комплекс технических средств (аппаратно-программных), предназначенный для автоматизации обработки информации.

Рис. 11. Структура некоторой гипотетической вычислительной системы (ВС)

П – процессор, ОП – оперативная память, КВВ – контроллер ввода – вывода, ПВВ – процессор ввода – вывода, ЛП – локальная память, ВУ – внешнее устройство, Ф, В, С, D – уровни интерфейсов.

Выделенная система на рис. выше (обозначена «1») – простая однопроцессорная система. Ввод/вывод организуется с помощью ЦП программным методом (с помощью программ ввода/вывода). Может быть несколько контроллеров ввода/вывода. Количество внешних устройств, подключаемых к контроллеру ввода/вывода, может быть различным; характерна шинная организация, где присутствует универсальный интерфейс, объединяющий элементы ядра и системы ввода/вывода.

Достоинства: простота, прозрачность, дешевизна.

Недостатки: надежность, время, низкая производительность.

Архитектура простой однопроцессорной системы применялась в первых минимашинах. Сейчас применяется в несложных микроконтроллерах (с 8-разрядными или 16-разрядными ядрами).

Вычислительная система делится на две части:

1. Вычислительное ядро (то оборудование и программные средства,которые непосредственно участвуют в решении заданной задачи).

2. Система ввода-вывода (элементы, обеспечивающие общение вычислительного ядра с внешней средой).

К ядру относятся те элементы, которые непосредственно выполняют вычислительную работу. Поскольку в оперативной памяти обычно хранятся данные, непосредственно использующиеся в вычислительном процессе, этот элемент вычислительной системы («ОП» на рис. выше) однозначно можно отнести к ее ядру. Также к ядру ВС бесспорно относятся центральные процессоры («П» на рис. выше), так как они производят основные вычисления.

Кроме того, к ядру относятся те элементы ВС, которые обеспечивают взаимосвязь процессора и оперативной памяти (кэш-память), специальные процессоры (математический сопроцессор), специализированные блоки, отвечающие за синхронизацию, диспетчеризацию, обеспечивающие безопасность рабочих блоков.

Процессоры ввода-вывода («ПВВ» на рис. выше) занимают пограничное положение, и в одних случаях их целесообразно включить в ядро, а в других – в систему ввода-вывода. Например, если в системе процессор ввода-вывода имеет собственную (локальную) память, из которой он выбирает команды и в которой содержатся промежуточные результаты его вычислений, а с центральным процессором он непосредственно не сопряжен, то такой процессор, безусловно, относится к подсистеме ввода-вывода. В случае, когда процессор ввода-вывода разделяет одну и ту же память с центральным вычислителем, его нельзя однозначно отнести к подсистеме ввода-вывода.

К системе ввода-вывода также обычно относят контроллеры ввода-вывода и внешние устройства, которыми они управляют. Определим понятия, обозначения которых даны на рис. выше.

Процессор и память. Процессор – элемент вычислительной системы, устройство для выборки команд из памяти и выполнения действий, предписанных командами; устройство, осуществляющее процесс обработки информации. В ряде случаев процессором также называют программные средства, предназначенные для обработки информации (например, текстовый процессор, языковой процессор).

Процессоры (в смысле устройств) можно классифицировать по разным критериям, Например, различают:

Универсальные (общего назначения) и специализированные (ПВВ, графические, процессоры обработки сигналов) процессоры. Первые призваны решать различные задачи и имеют широкую область применения, тогда как вторые ориентированы на решение узкого круга задач. Универсальные процессоры характеризуются: способностью обрабатывать большое число команд; системой команд (СК): если система команд позволяет решить любую задачу, то процессор универсальный. Нужно анализировать систему команд на ее сбалансированность, формы данных, способы адресации. Хотя универсальность процессора – вопрос относительный.

Центральные, периферийные и сервисные процессоры. Центральный процессор осуществляет общее управление вычислительной системой, производит основную обработку данных, обмен ими с другими элементами ВС, а также управляет работой элементов ВС.

Периферийный процессор выполняет лишь часть функций вычислительной системы: управляет и обменивается данными с устройствами ввода-вывода (процессор ввода-вывода), может участвовать в вычислительном процессе (обрабатывать часть данных).

Сервисный (обслуживающий) процессор обычно не участвует в основном вычислительном процессе и выполняет функции контроля и обслуживания: выполняет инструментальные функции (доставка и отладка программного обеспечения, настройка оборудования), осуществляет контроль правильности функционирования системы, измерение параметров окружающей среды (температура, влажность), напряжения питания и т.п. В ВС один и тот же процессор может выполнять функции как периферийного, так и сервисного процессора.

Микропроцессор – процессор в интегральном исполнении, реализованный в рамках одной или нескольких интегральных микросхем; программируемый процессор в интегральном исполнении.

Микроконтроллер следует понимать как контроллер, построенный на основе микропроцессорной элементной базы. Микроконтроллеры могут быть однокристальными, программируемыми, логическими, промышленными, универсальными и т.д. Микроконтроллер в одном кристалле содержит микропроцессор и набор периферийных устройств и контроллеров: контроллер прерываний, таймеры, контроллер сети, контроллер последовательного канала, контроллер памяти, контроллер ПДП и т.д.

Память – совокупность устройств, предназначенных для хранения программ, обрабатываемой информации (данных), промежуточных или окончательных результатов вычислений.

Важнейшие характеристики памяти – емкость, быстродействие и стоимость. Емкость ЗУ определяется предельным количеством информации, размещаемым в ЗУ, и исчисляется в кило-, мега- и гигабайтах. Быстродействие ЗУ характеризуется затратами времени на чтение запись информации при обращении к ЗУ. Стоимость ЗУ – это затраты средств в денежном выражении на хранение всего объема информации, определяемого емкостью ЗУ. Для сравнения качества ЗУ различных типов используется характеристика, называемая удельной стоимостью и равная стоимости ЗУ, деленной на емкость ЗУ. Удельная стоимость имеет размерность, например, доллар/МБ.

Контроллер ввода-вывода. Контроллер – устройство, управляющее функционированием отдельных блоков вычислительной системы и внешних устройств, например: вводом- выводом информации, доступом к памяти, к накопителям на магнитных дисках, дисплеям. Контроллеры ввода-вывода (контроллеры периферийных устройств, КВВ) делятся на:

Адаптер является средством сопряжения какого-либо устройства с какой- либо шиной или интерфейсом вычислительной системы.

Контроллер служит тем же целям сопряжения, но при этом подразумевается его некоторая активность – способность к самостоятельным действиям после получения команд от обслуживающей его программы.

Контроллерами ввода-вывода будем называть устройства, не способные самостоятельно избирать команды и для осуществления своих функций, и требующие управления извне.

Процессор ввода-вывода. Процессорами ввода-вывода будем называть только те устройства обработки информации, которые могут самостоятельно выбирать команды из памяти (программируемые устройства, которые могут самостоятельно организовывать вычислительный процесс). Примеры ПВВ: акселераторы 2D- и 3D-графики; элементы внешней памяти; звуковая карта; сетевая карта, контроллер жесткого диска.. Несмотря на то, что в основе современных процессоров могут лежать различные модели вычислений исторически сложилось так, что чаще всего используется модель на базе машины Фон-Неймана.