Раздел 2. Основы информационных технологий
Глава 6. Аппаратное обеспечение вычислительных систем
6.1. Понятие архитектуры и принципы устройства вычислительных систем
Архитектура – один из основных терминов, используемых в области вычислительной техники (ВТ). Архитектуру вычислительной системы (ВС) можно определить как абстрактное представление или описание физической системы, ее устройства с точки зрения пользователя этой ВС.
Возможности, предоставляемые ВС в распоряжение пользователя, определяются как «железом», так и программным обеспечением. Все свойства ВС определяются ее аппаратурой и установленным на ней программным обеспечением. Поэтому современные ВС всегда рассматриваются как комплекс, совокупность двух взаимодействующих компонентов: аппаратуры и программного обеспечения.
Аппаратные средства (hardware) – это все физические (механические, электронные и т.п.) элементы, из которых построена машина, а программное обеспечение (software, ПО) – это комплекс программ, ассоциирующихся с данной ВС (установленных на ВС, доступных для использования), кроме того, к ПО относится программная документация, инструкции, руководства и т.п.
Архитектура определяет логическую схему организации ВС, описывающую состав и взаимодействие основных компонентов ВС в ходе вычислительного процесса.
Принципы организации ВС с традиционной архитектурой были сформулированы Дж. фон Нейманом. Можно выделить следующие основные положения:
– Принцип программного управления: процесс обработки информации в ЭВМ (вычислительный процесс) осуществляется в соответствии с заранее составленной программой, руководствуясь естественным порядком следования команд (одна за другой, пока не встретится команда остановки).
– Наличие единого вычислительного устройства, включающего процессор, средства передачи информации (шину) и память (упрощенная структура ВС показана на рис. 2.1). Процессор – это устройство, способное автоматически выполнять действия в соответствии с программой, записанной в памяти, непосредственно доступной этому устройству. Таким образом, непосредственную обработку данных осуществляет процессор, а память играет в машинах с традиционной архитектурой пассивную роль хранилища данных и программ. Эти устройства ВС являются центральными устройствами. Кроме того, в состав ВС включаются периферийные устройства (ПУ), или внешние устройства (внешние запоминающие устройства (ВЗУ), устройства ввода/вывода (УВВ) и т.п.). Принципы организации и функционирования этих устройств описаны ниже.
– Принцип хранимой в памяти программы является следствием из описанной выше организации вычислительного устройства и распределения функций между его компонентами. Программа на время выполнения записывается в память ЭВМ (оперативную, непосредственно доступную процессору память – ОП), там же хранятся и данные, обрабатываемые этой программой в текущий момент.
– Принцип использования двоичной системы для кодирования данных и команд программы. Ранее все вычислительные машины хранили числа в десятичном виде. Дж. фон Нейман доказал преимущества двоичного кодирования для технической реализации, простоту выполнения арифметических и логических операций в двоичной системе счисления. Однако по двоичному коду команды программы невозможно отличить от данных, обрабатываемых этой программой, одни типы данных не – от других: все данные кодируются как цепочки нулей и единиц, что затрудняет разработку программ, выявление ошибок в них.
Как уже было сказано, команды программ и данные, которые этими программами используются, на время выполнения программ записываются в специальное запоминающее устройство (ЗУ) компьютера – память, которую называют оперативной памятью. Команды и данные помещаются в ячейки памяти, доступ к которым осуществляется по адресу (номеру ячейки).
В компьютерах с традиционной архитектурой реализуется линейная последовательная организация памяти. Это означает, что вся память представляет собой линейный массив ячеек определенного размера, последовательно пронумерованных. Номер ячейки считается ее адресом. В большинстве современных ЭВМ минимально адресуемой единицей памяти является байт (8‑разрядная ячейка).
Процессор – это центральное устройство, выполняющее действия по программам, размещенным в оперативной памяти, управляющее работой других устройств. В компьютерах с традиционной архитектурой фон Неймана реализован принцип централизованного последовательного управления вычислительным процессом. Этот принцип означает, что инструкции программы выполняются по одной, строго последовательно, в порядке, определяемом программой. Процессор переходит к выполнению следующей команды только после полного завершения выполнения предыдущей команды и сохранения ее результатов. Центральный процессор управляет работой всех остальных устройств компьютера.
Выполнение процессором каждой инструкции, включенной в программу, состоит в циклическом исполнении двух шагов: подготовительного (шага выборки команды) и основного (шага исполнения). На шаге исполнения процессор распознает команду, определяет местоположение ее операндов (вычисляет, если нужно, их адреса), считывает их и запоминает результаты (если это необходимо).
Шина представляет собой совокупность линий, предназначенных для передачи единицы информации (команды или данных, адреса, управляющих сигналов) между устройствами компьютера.
Одним из революционных достижений в области вычислительной техники явилось создание персональных компьютеров. Большие ЭВМ были отделены от массового пользователя, с ними работали только специалисты (электронщики, программисты, операторы). Создание персонального компьютера позволило сделать вычислительные машины массовым инструментом.
Одно из направлений усовершенствования архитектур – расширение системы команд, включение в нее инструкций, ориентированных на обработку данных со сложной организацией. В соответствии с этим направлением разрабатываются компьютеры с архитектурой CISC (Complex Instruction Set Computer – компьютеры со сложным набором команд). К такому типу относятся персональные компьютеры с процессорами семейства Intel, компьютеры Macintosh на процессорах Motorola и др.
Другое направление – сокращение времени, затрачиваемого на выполнение процессором каждой инструкции за счет упрощения команд, их форматов, сокращения времени на их расшифровку и подготовку к выполнению. Тогда за единицу времени можно выполнить большее количество команд, ускорив, следовательно, и выполнение всей программы. Процессоры, имеющие упрощенную систему команд, относят к процессорам с RISC-архитектурой (Reduced/Restricted Instruction Set Computer). Примерами таких систем являются IBM SP2, SGI POWER CHALLENGE, DEC AlphaServer 8200/8400 и др.
Основное направление усовершенствований архитектуры ВС – реализация параллелизма вычислений на различных уровнях: разработка суперЭВМ с векторно-конвейерной архитектурой, систем с массовым параллелизмом (MPP), ВС с симметричной многопроцессорной архитектурой (SMP), вычислительных сетей и кластеризация вычислений и т.д.