Файл: Архитектура ЭВМ.doc

Современные ЭВМ имеют достаточно развитые системы машинных операций. Например, ЭВМ типа IBM PC имеют около 200 различных операций (170-230 в зависимости от типа микропроцессора) Любая операция в ЭВМ выполняется по определенной микропрограмме, реализуемой в схемах АЛУ соответствующей последовательностью сигналов управления (микрокоманд). Каждая отдельная микрокоманда – это простейшее преобразование данных типа алгебраического сложения, сдвига, перезаписи информации и т.п.

Уже в первых ЭВМ для увеличения их производительности широко применялось совмещение операций. При этом последовательные фазы выполнения отдельных команд программ (формирование адресов операндов, выборка операндов, выполнение операции, отсылка результата) выполнялись отдельными блоками, образуя конвейер, что позволяло параллельно обрабатывать различные фазы целого блока команд. Этот принцип получил дальнейшее развитие в ЭВМ, следующих поколений. Но все же первые ЭВМ имели очень сильную централизацию управления, единые стандарты форматов команд и данных, «жесткое» построение циклов выполнения отдельных операций, что во многом объясняется ограниченными возможностями используемой в них элементной базы. Центральное УУ обслуживало не только вычислительные операции, но и операции ввода-вывода, пересылок данных между ЗУ и др. Все это позволяло в какой-то степени упростить аппаратуру ЭВМ, но значительно сдерживало рост их производительности.

Принцип децентрализации управления

В ЭВМ третьего поколения произошло усложнения структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и процесса ее обработки (рис.2) и как следствие децентрализация управления.

Рис.2. Структурная схема ЭВМ третьего поколения

Сильно связанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор. В структуре ЭВМ появились дополнительные устройства, которые стали называться: процессоры ввода-вывода, устройства управления обмена информацией, каналы ввод - выводы (КВВ). Последние получили наибольшее распространение применительно к большим ЭВМ. Здесь наметилась тенденция к децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств, что позволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом.

Среди каналов ввода-вывода выделяли мультиплексные каналы, способные обслужить большое количество медленно работающих устройств ввода – вывода и селекторные каналы, обслуживающие в монопольных режимах скоростные внешние запоминающиеся устройства (ВЗУ).

В персональных ЭВМ, относящихся к ЭВМ четвёртого поколения, произошло дальнейшее изменение структуры (рис.3). Они унаследовали её от мини-ЭВМ.

,

(

Рис.3.Структурная схема ПЭВМ

Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуры, сделав ее еще более децентрализованной. Все передачи данных по ширине осуществляются под управлением сервисных программ.

Ядро ПЭВМ образуют процессор и основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающегося устройства (ПЗУ). Предназначается для записи и постоянного хранения наиболее часто используемых программ управления. Подключение всех внешних устройств (ВнУ): дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ и др., обеспечивается через соответствующие адаптеры - согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств или контролеры – специальные устройства управления периферийной аппаратурой. Контролеры в ПЭВМ играют роль каналов ввода-вывода. В качестве особых устройств следует выделить таймер - устройство измерения времени и контроллер прямого доступа памяти (КПД) – устройство, обеспечивающее доступ к ОП, минуя процессор.

Способ формирования структуры ПЭВМ является достаточно логичным и естественным стандартом для данного класса ЭВМ.

Децентрализация построения и управления привела к формулированию общих принципов построения ЭВМ, которые являются наиболее общим стандартом структур современных ЭВМ:

• модульность построения;

• магистральность;

• иерархия управления.

Принцип модульности построения

Модульность построения - выделение в структуре ЭВМ автономных, функционально и конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком магнитном диске).

Модульная конструкция ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию. К ЭВМ можно подключать дополнительные устройства, улучшая ее технические и экономические показатели. Появляется возможность наращивания вычислительной мощи, улучшения структуры путем замены отдельных устройств на более совершенные, изменения и управления конфигурацией системы, приспособления ее к конкретным условиям применения в соответствии с требованиями пользователей.

В современных ЭВМ принцип децентрализации и параллельной работы распространен как на периферийные устройства, так и на сами ЭВМ (процессоры). Появились вычислительные системы (ВС), содержащие несколько вычислителей (ЭВМ или процессоров), работающих согласованно и параллельно. Внутри самой ЭВМ произошло еще более резкое разделение функций между средствами обработки. Появились отдельные специализированные процессоры, например сопроцессоры, выполняющие обработку чисел с плавающей точкой, матричные процессоры и др.

Все существующие типы ЭВМ выпускаются семействами, в которых различают старшие и младшие модели. Всегда имеется возможность замены более слабой модели на более мощную. Это обеспечивается информационной, аппаратной и программной совместимостью. Программная совместимость в семействах устанавливается по принципу «снизу вверх», т.е. программы, разработанные для ранних и младших моделей, могут обрабатываться и на старших, но не обязательно наоборот. Это играет важную роль в адаптации новых более современных моделей ЭВМ и систем к конкретным условиям решаемых задач.

Модульность структуры ЭВМ требует стандартизации и унификации оборудования, номенклатуры технических и программных средств, средств сопряжения — интерфейсов, конструктивных решений, унификации типовых элементов замены, элементной базы и нормативно-технической документации. Все это способствует улучшению технических и эксплутационных характеристик ЭВМ, росту технологичности их производства.

Принцип иерархичности построения структуры

Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры ЭВМ. Устройство управления главного, или центрального, процессора определяет лишь последовательность работ подчиненных модулей и их инициализацию, после чего они продолжают работу по собственным программам управления. Результаты выполнения требуемых операций представляются ими «вверх по иерархии» для правильной координации всех работ.

Подчиненные модули (контроллеры, адаптеры, КВВ) могут в свою очередь использовать специальные шины или магистрали для обмена информацией. Стандартизация и унификация привели к появлению иерархии шин и к их специализации. Из-за различий в скоростях работы отдельных устройств и структурах ПК появились:

• системная шина — для взаимодействия основных устройств;

• локальная шина — для ускорения обмена видеоданными;

• периферийная шина — для подключения «медленных» периферий­ных устройств.

Иерархический принцип построения и управления характерен не только для структуры ЭВМ в целом, но и для отдельных ее подсистем. Например, по этому же принципу строится система памяти ЭВМ.

Принцип иерархичности памяти

Пользователю, желательно иметь в ЭВМ оперативную память большой информационной емкости и высокого быстродействия. Однако одноуровневое построение памяти не позволяет одновременно удовлетворять этим двум противоречивым требованиям. Поэтому память современных ЭВМ строится по многоуровневому, пирамидальному принципу.

В составе процессоров может иметься сверхоперативное запоминающее устройство небольшой емкости, образованное несколькими десятками или несколькими сотнями регистров с быстрым временем доступа, составляющим один такт процессора (наносекунды, нс). Здесь обычно хранятся данные, непосредственно используемые в обработке.

Следующий уровень образует кэш-память, или память блокнотного типа, представляющая собой буферное запоминающее устройство для хранения активных страниц объемом десятки и сотни Кбайтов. В современных ПК она в свою очередь делится: на кэш L1 (Е_п= =16—32 Кбайта с временем доступа 1—2 такта процессора); на кэш L2 (Е_п=128—512 Кбайт с временем доступа 3—5 тактов) и даже на кэш L3 (Е_п=2—4 Мбайта с временем доступа 8—10 тактов). Кэш-память, как более быстродействующая, предназначается для ускорения выборки команд программы и обрабатываемых данных. Здесь возможна ассоциативная выборка данных. Основной объем программ пользователей и данных к ним размещается в оперативном запоминающем устройстве (емкость — миллионы машинных слов, время выборки — 10—20 тактов процессора).