24.Отличие в архитек­туре различных типов эвм

Термин «архитектура ЭВМ» был введён в начале 60-х годов одной из групп специалистов в области ЭВМ фирмы IBM. Он предназначался для описания общей программной модели семейства IBM 360 на уровне языка Ассемблер, семейств ЭВМ одинаковой архитектуры с точки зрения данного языка.

В современной литературе термин «архитектура» употребляется в различных контекстах, например для теоретической классификации способа обработки данных (архитектура фон Неймана или параллельная архитектура), для определения принципов организации и функционирования вычислительных систем (архитектура IBM EISA, архитектура DEC AXP и т.п.).

Прежде чем перейти к описанию различных структур построения ЭВМ и динамики развития архитектуры, необходимо отметить, что в любой ЭВМ имеется еще один аппаратурный блок, имеющий непосредственное отноше­ние к структуре ЭВМ.

Непосредственное присоединение различных функциональных элементов (ПУ и ОП) к центральному процессору осуществляется через определенные точки, именуемые точками сопряжения (стык). Совокупность средств, обеспечивающих логические, электрические и конструктивные условия совместимости ЦП и функциональных устройств в точках сопряжения и их взаимодействия, получила название средств сопряжения, или интерфейса.

В качестве логических условий должны быть заданы виды сигналов (адресные, информационные и управляющие) и их количество, система кодирования и форма передачи данных, функции адресных и управляющих сигналов и т.п.

В качестве электрических условий обеспечения совместимости задаются значение напряжений (логических) двоичных сигналов, временные параметры этих сигналов, нагрузочная способность по входу и выходу сопрягаемых цепей и т.д.

К конструктивным условиям обеспечения совместимости относятся конструктив соединения (тип разъема), распределение контактов в разъемном соединении, допустимые типы кабеля и другое.

В отечественной практике для описания совокупности схемотехнических средств, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов систем обработки данных (ЭВМ, сетей ЭВМ, систем передачи данных), подсистем периферийного оборудования, используются понятия «интерфейс», «стык» и «протокол».

Под стандартным интерфейсом понимается совокупность унифицированных, аппаратурных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в автоматизированных системах сбора и обработки информации при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости.

Стык — место соединения устройств передачи сигналов данных, входящих в систему передачи данных. Это понятие используется вместо понятия интерфейса для описания функций и средств сопряжения элементов средств связи и систем передачи данных (СПД).

Под протоколом понимается строго заданная процедура или совокупность правил, регламентирующая способ выполнения определенного класса функций. Взаимосвязь понятий интерфейса и протокола не всегда однозначна, так как практически любой интерфейс содержит в большей или меньшей степени элементы протокола, определяемые процедурами и функциональными характеристиками интерфейса.

Основное назначение интерфейсов, стыков и протоколов — унификация внутримашинных связей.

Различают несколько видов интерфейсов:

системные (внутрисистемные), которые являются базовой частью архитектуры ЭВМ и представляют собой совокупность унифицированной магистрали, электронных схем, управляющих прохождением сигналов по шинам, и т.п.;

периферийного оборудования, включающие универсальные (параллельный и последовательный) и специализированные интерфейсы (НМЛ, НМД и т.п.);

программируемых приборов, служащие для подключения нестандартной аппаратуры, измерительных и управляющих систем;

магистрально-модульных, микропроцессорных систем;

локальных вычислительных систем и т.п.

Понятия архитектуры, а также интерфейса связаны со следующими элементами, входящими в состав любой ЭВМ:

линии интерфейса — электрические цепи, являющиеся составными физическими связями интерфейса;

шина — совокупность линий, сгруппированных по функциональному назначению (шина адреса, шина команд, шина данных, шина состояния и т.п.);

магистраль — совокупность всех шин интерфейса.

Конструктивно (как правило) магистраль — это печатная плата, обеспечивающая соединение контактов разъемов, с помощью которых к магистрали подключаются различные устройства ЭВМ (то есть их интерфейсы).

С точки зрения шинной организации можно выделить два типа архитектур ЭВМ: машины с одношинной организацией (UNIBUS), имеющие общую (одну) магистраль для подключения всех устройств ЭВМ, и машины с многошинной организацией (MULTIBUS) и несколькими магистралями, например между ЦП и ОП одна магистраль, а между ПУ и ЦП — другая. Родоначальником промышленного внедрения общей шины является фирма DEC (Digital Eguipment Corporation) и применяется она, как правило, в мини-, микроЭВМ и персональных компьютерах, т.е. недорогих машинах, имеющих невысокую производительность. Такая архитектура очень проста и удобна с точки зрения программирования, так как все устройства ЭВМ напрямую связаны между собой (каждый связан с каждым).

Многошинная организация применяется в больших ЭВМ, а также в указанных выше мини- и микроЭВМ повышенной производительности. Разделение магистралей (например, по скоростям — низкоскоростные, высокоскоростные и т.п.), безусловно, усложняет конструкцию и удорожает ее, однако позволяет повысить производительность и эффективность использования ЭВМ и отдельных ее частей.

Главным стимулом развития архитектуры ЭВМ является повышение производительности. Один из способов повышения производительности вычислительной техники — специализация (как отдельных элементов ЭВМ, так и создание специализиро­ванных вычислительных систем).

Специализация процессоров началась с 60-х годов, когда центральный процессор больших ЭВМ был освобожден от выполнения рутинной операции по вводу-выводу информации. Эта функция была передана процессору ввода-вывода, осуществляющему связь с периферийными устройствами.

Возможны три способа специализации в вычислительных машинах:

расширение системы команд универсальных ЭВМ общего назначения, включение команд вычисления часто встречаемых функций с возможной аппаратной реализацией;

использование периферийных процессоров, подключаемых к универсальным ЭВМ и реализующих некоторые вычислительные операции независимо от ЦП, например матричные процессоры, графические шины и т.п.;

специализированные ЭВМ или процессоры, структура кото­рых ориентирована на решение узкого класса задач большой сложности.

Дальнейшее увеличение производительности связано с многопроцессорной обработкой.

Поскольку быстродействие однопроцессорных ЭВМ ограничивается физическими возможностями (скоростью распространения электрических сигналов), совершенствование ЭВМ связано и с развитием их архитектуры. Важнейшим направлением развития архитектуры является параллельная обработка. При этом исполь­зу­ется два принципа. Если очень большое количество данных требует одинаковой обработки, то можно использовать несколько одинаковых процессоров, равномерно распределив между ними поток данных. Другой способ — распараллеливание — так называемая конвейерная обработка. В таком случае процессор должен состоять из нескольких специализированных процессоров, которые (в значительной степени аппаратно) выполняют элементарные функ­ции центрального процессора. Тогда поступающие на вход данные последовательно проходят все виды необходимой обработки (как на конвейере). При этом виде обработки реализуются те же преимущества, что и на обычном конвейере. За каждый машинный такт на выходе процессора имеется результат обработки, соответствующий выполнению нескольких команд. Такие принципы были использованы при разработке суперЭВМ, а в настоящее время они широко внедряются и в машинах меньшей производительности. Таким образом, в зависимости от степени распараллеливания процессов (так называемая классификация Флина (M. Flyne)) можно выделить четыре типа архитектур ЭВМ:

1) без использования параллельных вычислений, когда один поток команд обрабатывает поступающий на вход один поток данных (ОКОД или SISD);

2) несколько процессоров по одному алгоритму (одной команде) обрабатывают одновременно несколько потоков данных (ОКМД или SIMD);

3) конвейерная обработка, когда одновременно на вход поступает один поток данных (одно данное), но он последовательно обрабатывается большим количеством процессоров различного функционального назначения (МКОД или MISD);

4) самый сложный случай, когда используется и конвейерная, и параллельная обработки (МКMД или МIМD).

Развитие различных уровней запоминающих устройств, таких, как рассмотренные выше кэш-память, канал массовой памяти, электронные диски и т.п., также оказало заметное влияние на эволюцию архитектуры ЭВМ.