Структуры вычислительных систем

Структуры вычислительных машин

При самом общем подходе можно говорят о двух типах структур вычислительных машин (ВМ) и двух типах структур вычислительных систем.

В настоящее время распространено два способа построения вычислительных машин: с непосредственными связями и на основе шины.

Представителем первого способа служит фон-неймановская ВМ (см. рис).

Большинство ЭВМ по своей структуре отвечают принципу программного управления и содержат: память, устройство управ­ления, арифметико-логическое устройство и устройство ввода/вывода.

Сущность фон-неймановской концепции вычислительной машины сводится к четырем принципам:

- двоичного кодирования;

- программного управления;

- однородности памяти;

- адресности.

Принцип двоичного кодирования

Согласно этому принципу, вся информация, как данные, так и команды, кодиру­ются двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат. Последовательность битов в фор­мате, имеет определенный смысл и называется полем. В числовой информации обычно выделяют поле знака и поле значащих разрядов. В формате команды можно выделить два поля (рис.): поле кода операции (КОП) и поле адресов (адресную часть — АЧ).

Код операции представляет собой указание, какая операция должна быть вы­полнена, и задается с помощью r-разрядной двоичной комбинации.

Вид адресной части и число составляющих ее адресов зависят от типа команды: в командах преобразования данных АЧ содержит адреса объектов обработки (опе­рандов) и результата; в командах изменения порядка вычислений — адрес следую­щей команды программы; в командах ввода/вывода — номер устройства ввода/ вывода. Адресная часть также представляется двоичной последовательностью, длину которой обозначим через р. Таким образом, команда в вычислительной ма­шине имеет вид (r+p)-разрядной двоичной комбинации.

Принцип программного управления

Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть пред­ставлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов — команд. Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти вычислительной машины и выполняются в естественной последовательности, то есть в порядке их положения в программе.

Принцип однородности памяти

Команды и данные хранятся в одной и той же памяти. Циклически изменяя адресную часть команды обеспечивается обращение к последовательным элементам массива данных. Такой прием носит название модификации команд. Другой подход – принцип однородности, когда команды одной программы могут быть получены как результат исполнения другой программы. Эта возможность лежит в основе трансляции — перевода текста программы с языка высокого уровня на язык конк­ретной ВМ.

Принцип адресности

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причем процес­сору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих яче­ек — адреса.

Команды и данные должны располагаться в основной памяти (ОП), организованной так, что каждое двоичное слово хранится в от­дельной ячейке, определяемой адресом, причем соседние ячейки памяти имеют следующие по порядку адреса. Доступ к любым ячейкам запоминающего устройства (ЗУ) основной памяти может производиться в произвольной последо­вательности. Такой вид памяти известен как память с произвольным доступом. При необходимости, в состав ОП включают постоянные за­поминающие устройства (ПЗУ), также обеспечивающие произвольный доступ.

Устройство управления (УУ) — важнейшая часть ВМ, организующая автома­тическое выполнение программ (путем реализации функций управления) и обес­печивающая функционирование ВМ как единой системы. Для пояснения функ­ций УУ ВМ следует рассматривать как совокупность элементов, между которыми происходит пересылка информации, в ходе которой эта информация может под­вергаться определенным видам обработки. Пересылка информации между любы­ми элементами ВМ инициируется своим сигналом управления (СУ), то есть управ­ление вычислительным процессом сводится к выдаче нужного набора СУ в нужной временной последовательности. Основной функцией УУ является формирование управляющих сигналов, отвечающих за извлечение команд из памяти в порядке, определяемом програм­мой, и последующее исполнение этих команд. Кроме того, УУ формирует СУ для синхронизации и координации внутренних и внешних устройств ВМ.

Еще одной частью ВМ является арифметико-логическое устрой­ство (АЛУ). АЛУ обеспечивает арифметическую и логическую обработку двух входных переменных, в результате чего формируется выходная переменная. Функции АЛУ обычно сводятся к простым арифметическим и логическим опера­циям, а также операциям сдвига. Помимо результата операции, АЛУ формирует ряд признаков результата (флагов), характеризующих полученный результат и со­бытия, произошедшие в процессе его получения (равенство нулю, знак, четность, перенос, переполнение и т. д.). Флаги могут анализироваться в УУ с целью приня­тия решения о дальнейшей последовательности выполнения команд программы.

УУ и АЛУ обычно рассматривают как единое уст­ройство, известное как центральный процессор (ЦП) или просто процессор. Поми­мо УУ и АЛУ в процессор входит также набор регистров общего назначения (РОН).

Второй способ организации носит название организации с общей шиной. Здесь все устройства вычислительной машины подключе­ны к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных и управления (рис).

Наличие общей шины упрощает реа­лизацию ВМ, позволяет легко менять состав и конфигурацию машины. Благодаря этим свойствам шинная архитектура получила широкое распространение в мини и микроЭВМ. С шиной связан и основной недостаток архи­тектуры: в каждый момент передавать информацию по шине может только одно устройство. Основную нагрузку на шину создают обмены между процессором и памятью, связанные с извлечением из памяти команд и данных и записью в па­мять результатов вычислений. На операции ввода/вывода остается лишь часть пропускной способности шины.

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) 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 архитектуре с общей шиной. 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.

Альтернативный вариант организации — распределенная система, где общая память отсутствует, а каждый процессор обладает собственной локальной памятью (рис).

Часто такие системы объединяют отдельные ВМ. Обмен ин­формацией между составляющими системы обеспечивается с помощью коммуни­кационной сети посредством обмена сообщениями.

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