Общие принципы построения и архитектуры вычислительных машин

В основу построения любой ЭВМ положены два принципа – аппаратное и программное управление. Аппаратное управление применяется на «нижнем» уровне, например, для преобразования аналогового сигнала в цифровой или ввода символов с клавиатуры. Это так называемые процессоры с «жесткой логикой». В них имеется строго фиксированный набор команд. Каждая команда – это логическая схема, выполняющая определенную операцию и образующая отдельный узел. Связи между такими узлами устанавливаются при сборке и остаются неизменными, образуя нужную последовательность выполнения каждой операции.

Программное управление используется при решении конкретных задач и функционировании ПО (на «верхнем» уровне). Название свое этот принцип управления получил из-за представления задачи требующей решения в виде некоторой программы вычислений. В основе любой программы лежит алгоритм1.

Алгоритм – конечный набор предписаний, определяющий решений задачи посредством конечного количества операций.

Программа для ЭВМ – упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке (стандарт ISO 2382/1-84) [2].

Архитектура ЭВМ – это понятие, характеризующее принцип действия и конфигурацию входящих в ЭВМ программно-технических средств.

Основные принципы построения и архитектуру первой ЭВМ, предложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Вот эти пять принципов [6]:

  • информация представляется в двоичном коде, ее отдельные элементы называются словами;

  • при обращении к словам разного назначения их различают не по способу кодирования, а по необходимости использования;

  • слова размещаются в памяти и определяются адресами соответствующих ячеек;

  • алгоритм представляется в виде последовательности команд, определяющих наименование операции и адрес слова;

  • команды выполняются в той последовательности, в какой они размещены в памяти.

Эти пять принципов без изменений использовались в первом и втором поколениях ЭВМ, функциональная схема таких ЭВМ в общем виде изображена на рис. 1.1. Обработка информации на ЭВМ выполняется в соответствии с алгоритмом решения задачи, представленном в виде программы, состоящей из последовательности команд. Команда – это управляющее слово (специфика определяется принципом №4). Существует также понятие операнда – это значение переменной используемое командой для преобразования данных.

ПРИМЕЧАНИЕ

По сути, истоком современной ЭВМ явилась опубликованная Д. фон Нейманом совместно с Г. Голдстайном и А. Берксом статья «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства».

1 Программный алгоритм является частным случаем математического алгоритма

 

Рис. 1.1. Функциональная схема цифровой ЭВМ (архитектура фон Неймана)

Главным устройством ЭВМ является процессор, который осуществляет обработку информации, т.е. обрабатывает данные с помощью арифметических и логических операций, записанных в виде программ. Этот этап осуществляется в арифметико-логическом устройстве (АЛУ). Кроме этого процессор управляет выполнением команд с помощью устройства управления (УУ). УУ контролирует строгое соблюдение последовательности выполняемых команд, запрашивает из запоминающего устройства (ЗУ) следующую команду, инициирует выполнение соответствующей этой команде операции, вызывает из внутренней памяти операнды, по окончании выполнения операции помещает результат в ЗУ.

ЗУ сохраняет всю необходимую информацию для работы процессора. В ЗУ хранятся требующие выполнения операции, операнды и результаты выполнения операций, а также их адреса.

Устройства ввода-вывода (УВВ) служат для ввода подлежащей обработке информации (исходных данных и программ их обработки), а также вывода результатов работы ЭВМ в форме удобной пользователю. Например, ввод текстовой информации осуществляется с помощью клавиатуры, видео с использованием различных видео и web-камер, аудио с применением микрофонов. Все устройства ввода осуществляют преобразование информации понятной пользователю в машинный код (двоичный код, представленный электрическими сигналами). Обратное преобразование происходит в устройствах вывода, например, вывод на монитор, принтер и т.д.

Обмен между основными функциональными устройствами ЭВМ заключается в передаче электрических сигналов по соединяющим их проводам. Для увеличения скорости передачи данных и управляющей информации используется множество параллельных проводников. Совокупность проводов (проводников на печатной плате) образует шину. Шины имеют различное назначение и в общем виде их можно условно разделить на три – шины данных (ШД), шины адреса (ША), шины управления (ШУ).

Остановимся подробно на принципе №5. Дело в том, что при переходе от транзисторов к интегральным микросхемам, миниатюризации и расширении функциональных возможностей процессорных устройств ЭВМ, появилась возможность параллельной обработки команд. Это обстоятельство сделало пятый принцип фон Неймана не актуальным и на смену ВМ с управлением потоком команд пришли ЭВМ с управлением потоком данных. Особенность этих ЭВМ заключается в том, что процессор выполняет те команды, для которых готовы исходные данные (имеются все операнды).

ПРИМЕЧАНИЕ

Наряду с фон-Неймановской архитектурой известна также Гарвардская, которая имеет существенной отличие, заключающееся в том, что память данных и память программ разделены

Колоссальный успех ЭВМ различных классов обусловлен, прежде всего, принципом открытой архитектуры. Открытость архитектуры позволяет пользователю улучшать функциональные характеристики своих ЭВМ с помощью установки дополнительных технических и программных средств или замены их на новые. Широкой известности среди пользователей ЭВМ этот принцип обязан компании IBM, выпустившей на рынок персональные компьютеры IBM PC1.

ПРИМЕЧАНИЕ

В тот момент, когда IBM выпустила на рынок свою первую «персоналку», компанией была опубликована книга (стоила она 59$), в которой были приведены принципы работы и устройство IBP PC, схемные реализации отдельных блоков и устройств. Это, по мнению IBM, должно было стимулировать появление сторонних разработчиков устройств расширения для их «детища». Однако вместо этого на свет появилось огромное количество «клонов», что дало сильный толчок бурному развитию производства персональных компьютеров.

Существовавшие во время появления IBM PC компьютеры были выполнены в виде неразъемного устройства (небезызвестный Apple Macintosh компании Стива Джобса), что фактически исключало возможность модернизации (или как мы часто говорим upgrade – «апгрейд») и приводило к быстрому старению устройства. ЭВМ превратилась в некое подобие конструктора, собираемого из различных комплектующих, в том числе сторонних производителей. За несколько лет IBM «вырастила» целую индустрию и колоссальное количество компаний-разработчиков различных устройств расширения. Появилась возможность выпускать компьютеры различных модификаций удовлетворяющих текущие запросы пользователя, продавая вместе с ЭВМ еще и возможность ее модернизации.

ПРИМЕЧАНИЕ

В год рождения автора данной книги, а именно в 1981 году, компания IBM выпустила свой первый персональный компьютер IBM PC на базе микропроцессора Intel 8088, он умел адресовать 1 Мб памяти и работал на частоте 4.77 МГц, под управление операционной системы MS-DOS, производства компании Microsoft

Примерно с этого момента все производители стали выпускать ЭВМ семействами. Внутри семейства существует определенная линейка моделей, от самой младшей до старшей. Внутри семейства обеспечивается программная, информационная и аппаратурная совместимость, обеспечивающая взаимозаменяемость моделей. Очень важным является аспект программной совместимости «снизу-вверх», когда ПО разработанное для ранних и младших моделей семейства выполняется и на старших. Для этого часто реализуется режим эмуляции, позволяющий запускать ПО на младших моделях (говоря проще, ЭВМ «притворяется»).

Для установки нового устройства в ЭВМ требуется размещение во внешней памяти специальной программы, управляющей работой устройства. Эта программа называется драйвером.

Принцип открытой архитектуры реализуется с помощью соблюдения определенных правил, без которых изготовление и нормальное функционирование устройств невозможно, они получили название протоколы.

Принцип открытой архитектуры не отделим от принципа модульного построения, когда внутри ЭВМ выделяют автономное (с определенными допущениями), функционально законченное, конструктивно обособленное устройство. Например, процессор, системная плата, модуль оперативной памяти, внешний накопитель на жестких и гибких магнитных дисках и пр.

И наконец, режим многопрограммности (мультипрограммности), когда в ЭВМ одновременно выполняется несколько программ пользователя. Здесь стоит сделать одну ремарку об однопроцессорных ЭВМ. Персональный компьютер (ПК), установленный у каждого из нас столе еще пару лет назад имел один вычислительный модуль, т.е. процессор (это можно утверждать со стопроцентной уверенностью), в то время как начиная с ОС Windows 95 софтверный гигант кричал на всех углах, что его ОС является многопользовательской и многозадачной. Так вот в этом случае имеет место псевдо многопрограммность. Сидя за ПК и набирая текст реферата по «Вычислительной технике» вы можете слушать музыку и распечатывать на принтере доклад по философии, при этом процессор не выполняет все три задачи одновременно, он просто переключается между их выполнением (переключение производит ОС), однако время переключения так мало, что мы этого не замечаем. Кстати, пресловутые «тормоза» это как раз перегруженность процессора и увеличение времени переключения между задачами, так что в конкретный момент времени он выполняет только одну задачу.

Подробное рассмотрение случая ЭВМ с несколькими процессорами рассматривается в теме 4.

1 International Business Machines (IBM) Personal Computer (PC)

 


Лекция добавлена 28.02.2013 в 00:08:52