Содержание

Введение

     С середины 60-х годов существенно изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо независимой разработки аппаратуры и некоторых средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из совокупности аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на первый план выдвинулась концепция их взаимодействия. Так возникло принципиально новое понятие — архитектура ЭВМ.

     Архитектура ЭВМ— логическая организация и структура  аппаратных и программных ресурсов вычислительной системы. Архитектура  заключает в себе требования к функциональности и принципы организации основных узлов ЭВМ.

Классификация ЭВМ

     Чтобы судить о возможностях ЭВМ, их принято  разделять на группы по определенным признакам, т. е. классифицировать. Сравнительно недавно классифицировать ЭВМ по различным признакам не составляло большого труда. Важно было только определить признак классификации, например: по назначению, по габаритам, по производительности, по стоимости, по элементной базе и т. д.

     С развитием технологии производства ЭВМ классифицировать их стало все более затруднительно, ибо стирались грани между такими важными характеристиками, как производительность, емкость внутренней и внешней памяти, габариты, вес, энергопотребление и др. Например, персональный компьютер, для размещения которого достаточно стола, имеет практически такие же возможности и технические характеристики, что и достаточно совершенная в недавнем прошлом ЭВМ Единой системы (ЕС), занимающая машинный зал в сотни квадратных метров. Поэтому разделение ЭВМ по названным признакам нельзя воспринимать как классификацию по техническим параметрам. Это, скорее, эвристический подход, где большой вес имеет предполагаемая сфера применения компьютеров.

     С этой точки зрения классификацию вычислительных машин по таким показателям, как габариты и производительность, можно представить следующим образом:

• сверхпроизводительные ЭВМ и системы (супер-ЭВМ);
• большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения);
• средние ЭВМ;
• малые или мини-ЭВМ;
• микро-ЭВМ;
• персональные компьютеры;
• микропроцессоры.

     Отметим, что понятия «большие», «средние» и «малые» для отечественных ЭВМ весьма условны и не соответствуют подобным категориям зарубежных ЭВМ.

Большие ЭВМ

     Исторически первыми появились большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения), элементная база которых прошла путь от электронных ламп до схем со сверхвысокой степенью интеграции.

     Поколение ЭВМ определяется элементной базой (лампы, полупроводники, микросхемы различной степени интеграции), архитектурой и вычислительными возможностями. Большие ЭВМ считаются самыми мощными компьютерами. Их применяют для обслуживания очень крупных организаций и даже целых отраслей народного хозяйства. За рубежом компьютеры этого класса называются мейнфреймами (mainframe). В России за ними закрепился термин большие ЭВМ. Штат обслуживания большой ЭВМ составляет до многих десятков человек. На базе таких суперкомпьютеров создаются вычислительные центры, включающие в себя несколько отделов или групп.

Понятие архитектуры ЭВМ

     Под архитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.

     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.).

     Архитектура ЭВМ охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих множество факторов. Среди этих факторов важнейшими являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации, а одним из главных компонентов архитектуры являются аппаратные средства. Основные компоненты архитектуры ЭВМ можно представить в виде схемы, показанной на рис. 1.

     Рисунок 1 Основные компоненты архитектуры ЭВМ 

     Архитектуру вычислительного средства следует  отличать от его структуры. Структура  вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором  уровне детализации (устройства, блоки  узлы и т. д.) и описывает связи внутри средства во всей их полноте. Архитектура же определяет правила взаимодействия составных частей вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой это необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она регламентирует не все связи, а наиболее важные, которые должны быть известны для более грамотного использования данного средства.

     Так, пользователю ЭВМ безразлично, на каких  элементах выполнены электронные  схемы, схемно или программно реализуются команды и т. д. Важно другое: как те или иные структурные особенности ЭВМ связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю, какие альтернативы реализованы при создании машины и по каким критериям принимались решения, как связаны между собой характеристики отдельных устройств, входящих в состав ЭВМ, и какое влияние они оказывают на общие характеристики машины. Иными словами, архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, относящихся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.

Описание различных структур построения 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: