Файл: История развития средств вычислительной техники ( АРХИТЕКТУРА).pdf

Характерной чертой данного периода является резкий подъем развития технологий локальных и глобальных компьютерных сетей, что способствовало изменениям в технологии работы отдельных пользователей. Пользователи начали отдавать предпочтение персональным рабочим станциям, что позволило задействовать индивидуальную машину для решения небольших задач, вместо того, чтобы использовать большие вычислительные мощности суперЭВМ и файл-серверов.

1.2.7. Шестое поколение (с 1990 г.)

Пятое и шестое поколения ЭВМ являются отражением качества, которое стало доступно благодаря накопленным знаниям в области информационных технологий.

Предпосылкой выделения шестого поколения стал прогресс в сфере параллельных вычислений, сопровождавшийся распространением систем с массовым параллелизмом MPP (Massively Parallel Processing). Такие системы представляют собой совокупность большого чиста автономных вычислительных машин, взаимодействующих друг с другом.

Другой характерной чертой шестого поколения стало увеличение роли рабочих станций. Процессоры таких машин совмещают в себе параллельную обработку, конвейеризацию и RISC-архитектуру [12].

2. АРХИТЕКТУРА

2.1. Основные принципы

Архитектура ЭВМ подразумевает собой ее организацию, куда входит обработка данных, аппаратное обеспечение, связи и управление в некоторых объектах, таких как система памяти, звуковая и графическая подсистемы, процессоры, а также система команд, набор шин и организация ввода/вывода [9].

Джон фон Нейман, американский математик, основоположник учения об архитектуре ЭВМ. Именно он был основным автором статьи «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства», где сформулировал основные принципы построения ЭВМ:

• использование двоичной системы счисления – главное преимущество такой системы перед обычной десятичной состоит в том, что устройства на двоичной логике слишком просты с точки зрения конструкции. Помимо этого, в таких устройствах гораздо легче организовать логические и арифметические операции;
• программное управление ЭВМ – работа ЭВМ осуществляется под контролем программы, состоящей в свою очередь из определенного
• набора команд. Такие команды последовательно выполняются одна за другой. Современному программированию положило начало создание машины, с программой, хранимой в памяти;
• память ЭВМ помимо данных хранит и команды, закодированные в двоичной системе счисления. Помимо этого к данным – можно обратиться как к командам, а к командам - как к данным;
• ячейки памяти ЭВМ имеют свои адреса, которые обретают вид последовательной нумерации. К любой ячейке памяти можно обратиться в любой момент времени, если знать ее адрес. Этот принцип положил начало созданию переменных в программировании;
• возможность условного перехода в процессе выполнения программы – существует возможность условного перехода, не смотря на последовательное выполнение команд, на любой другой участок кода, в зависимости от выполнения или невыполнения какого-либо заданного логического условия [8].

Важнейшим следствием этих принципов является то, что теперь программа уже не постоянная часть машины (как например, у калькулятора). Стало возможно изменить программу. В то время как аппаратура, естественно, остается неизменной, и достаточно простой.

Несмотря на то, что программы могут писаться годы, для современных компьютеров, но они работают, после несколько минутной установки на жесткий диск, на миллионах компьютеров. Архитектура, называется Неймановской архитектурой, если она построена по таким принципам (см. рисунок 1).

Рисунок 1 – Архитектура фон Неймана

2.2. Блоки архитектуры

Основные блоки данной архитектуры:

• устройство управления (УУ) – обеспечивает выполнение функции управления ходом процесса вычисления, позволяя командам программы выполняться автоматически. Главные целевые функции устройства управления в процессе типового машинного цикла:
  • выборка и декодирование команды;
  • вычисление исполнительных адресов и выборка операндов;
  • исполнение операции;
  • формирование адреса следующей команды.

Сигналы управления генерируются центральным узлом устройства управления, то есть микропрограммой автоматом (МПА), он определяет микропрограмму как последовательность выполнения микроопераций. Микропрограммы реализации перечисленных целевых функций инициируется УУ. В обобщенной структуре УУ можно выделить две части:

• • управляющую - необходима для управления работой исполнительного оборудования вычислительных машин;
  • адресную - адресная часть устройства управления формирует адреса команды и исполнительные адреса операндов, то есть считается исполнительным оборудованием вычислительных машин;
• арифметико-логическое устройство (АЛУ) - выполняет логические и арифметические операции над данными. В функционально простейшее АЛУ входит два регистра, сумматор и схема управления. Сумматор – схема, осуществляющая сложение двоичных кодов поступающих на её вход. Размерность сумматора – двойное машинное слово. Регистры – быстрые ячейки памяти различной длины.

На рисунке регистр1 обладает разрядностью двойного слова, а регистр2 – слова. Во время операции в регистр1 помещается первое число, определённое в команде, а в регистр2 – второе число. После завершения операции результат помещается в регистр1. Таким образом регистр1 может и принимать и выдавать данные с шин данных, а регистр2 – только принимать (см. рисунок 2);

Рисунок 2 - Регистр

• схемы управления – по шинам управления принимают сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора;
• внешняя память - это такая память, которая реализована в виде внешних (относительно материнской платы) запоминающих устройств (ВЗУ) с различными принципами хранения информации. Внешние запоминающие устройства нужны для долговременного хранения любого типа информации и отличаются большим объемом памяти и достаточно низким в сравнении с ОЗУ быстродействием. Под внешней памятью компьютера понимаются обычно как устройства для записи / чтения информации - накопители, так и такие устройства, где непосредственно хранится информация –  то есть носители информации. Обычно, для каждого носителя информации существует определенный накопитель. А, например, винчестер, совместил в себе и накопитель, и носитель.

Основные типы устройств внешней (долговременной) памяти по способу записи представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 – Типы устройств внешней памяти

К устройствам внешней памяти в персональных компьютерах можно отнести:

• накопители на гибких магнитных дисках, которые предназначены для чтения или записи информации на гибкие диски (дискеты);
• накопители на жестких магнитных дисках(винчестеры);
• дисководы для работы с лазерными (оптическими) дисками;
• стримеры, предназначенные для чтения / записи информации на магнитные ленты;
• магнито-оптические дисководы для работы с магнито-оптическими дисками;
• устройства энергонезависимой памяти (флэш-память).

По типу доступа к информации устройства внешней памяти делятся на два класса:

• устройства прямого (произвольного) доступа. Время обращения к информации, в устройствах прямого (произвольного) доступа, не зависит от места ее расположения на носителе. К примеру, для того чтобы послушать песню, с грампластинки, достаточно просто установить звукосниматель проигрывателя в нужное место на пластинке, туда где записана песня;
• устройства последовательного доступа. В устройствах последовательного доступа существует такая зависимость. К примеру, на аудиокассете время доступа к песне напрямую зависит от местоположения записи. Для того, чтобы ее прослушать, нужно сначала перемотать кассету до того места, где именно записана песня;
• внутренняя память – это запоминающее устройство, предназначенное для хранения данных и выполняемых программ, которые напрямую участвуют в вычислениях, и это устройство напрямую связано с процессором. Обращение к внутренней памяти ПК выполняется с высоким быстродействием, тем не менее она ограничивается объемом, определяемым системой адресации машины. Далее внутренняя память, делится на оперативную (ОЗУ) и постоянную (ПЗУ) память:
• постоянная память обеспечивает хранение и выдачу информации. Постоянная память заполняется при изготовлении ПК и не изменяется в обычных условиях использования. В постоянной памяти содержатся часто используемые (универсальные) данные и программы, программы тестирования оборудования ПК, некоторые программы непосредственно операционной системы и др.;
• оперативная память, или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) составляющая по объему большую часть внутренней памяти, используется для приема, хранения и выдачи информации. Однако, при отключении питания содержимые данные оперативной памяти чаще всего теряются. Такую память принято называть оперативной, потому что это самая быстродействующая запоминающая система компьютера и работает настолько быстро, что процессору даже практически не приходится ожидать при записи данных в память или чтении из нее. 
• устройства ввода/вывода - это составляющая типовой архитектуры компьютера, предоставляющая компьютеру возможность взаимодействовать с пользователем. В соответствии определением, в качестве «сердца» компьютера имеется ввиду память(ОЗУ) и процессор. Все операции, которые не являются внутренними по отношению к этой совокупности, относятся к операциям ввода/вывода.

Устройства ввода — приспособления для занесения каких-либо данных в компьютер. Основным, и главное необходимым, устройством является клавиатура, для ввода текстовых команд и символов в компьютер. Выделим устройства ввода, которые считаются основными:

• • устройства ввода графической информации (графический планшет, сканер, вебкамера и видеокамера, плата видеозахвата, цифровой фотоаппарат);
  • устройства ввода звука(цифровой диктофон, микрофон, модем);
  • устройство ввода текстовой информации(клавиатура);
  • указательные (координатные):

а) устройства с относительным указанием позиции/перемещения (трекбол, мышь, трекпоинт, джойстик, тачпад, видеокамера);

б) устройства с возможностью указания абсолютной позиции (графический планшет, световое перо, аналоговый джойстик);

в) игровые устройства ввода (педаль, джойстик, руль, геймпад, рычаг для управления полётом).

Устройства вывода используют, чтобы извлечь результаты работы компьютера. Из двоичного когда устройство вывода преобразует информацию в вид, доступный к пониманию человека.

Можно выделить такие устройства вывода:

• • устройства для вывода визуальной информации (дисплей, монитор, принтер, проектор, графопостроитель);
  • устройства для вывода звуковой информации (колонки, встроенный динамик, наушники);
  • монитор и дисплей — осуществляют преобразование цифровой и/или аналоговой информации в видеоизображение;
  • принтер — устройство для печати цифровой информации на твёрдый носитель, обычно на бумагу.

2.3. Микроархитектура

Микроархитектура современного одноядерного процессора приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Микроархитектура ЦП

В основе данной организации лежит архитектура фон Неймана, однако, есть и отличия, связанные с конвейерной и параллельной обработкой данных. Основные блоки ЦП:

• предпроцессор;
• постпроцессор;
• исполнительные блоки;
• кэш команд и данных;
• блок записи результатов в память.

Команды программы хранятся в кэш-памяти команд и извлекаются оттуда при помощи предпроцессора. Такая операция называется процедурой выборки. Далее команды декодируются – преобразуются в примитивные микрокоманды, которые уже могут восприниматься функциональными устройствами процессора. После того, как команда извлечена и декодирована, она получает необходимые ей операнды и становится готовой для исполнения – команда помещается в специальную очередь к исполнительным блокам. Исполнительные блоки ЦП реализованы в виде конвейеров, образуя при этом параллельную вычислительную среду. В случае неупорядоченного исполнения команд, они подаются на исполнительные блоки не в порядке следования, а по мере готовности операндов.

После того, как команда поступила в исполнительный блок, она начинает выполняться. По причине того, что скорость выполнения разных команд различна, внутри конвейеров происходит переупорядочение команд и выдача результатов. Задача постпроцессора при этом – следить за готовностью результатов на выходе исполнительных блоков и осуществлять возврат к естественной последовательности команд.

Команда считается выполненной, если выполнены все команды, предшествующие ей [9]. В зависимости от типа команд выделяют следующие группы процессоров:

• CISC (Complex Instrucion Set Comman) – процессоры с полным набором команд;
• RISC – процессоры с сокращенным набором команд;
• VLIW (Very Length Instruction Word) – процессоры со сверхбольшими командными словами;
• MISC (Minimum Instruction Set Command) – процессоры с минимальным набором команд [4].

2.3.1. CISC-процессоры

CISC-процессоры - процессоры со сложным набором команд (см. рисунок 5) [10]. В таких процессорах команды ЦП состоят из несколькольких микрокоманд. Главное достоинство такой заключается в простоте программирования.

Команды CISC-процессоров называются макрокомандами, т.к. приводят к выполнению определенной последовательности элементарных команд.

Создателями CISC-процессоров принято считать разработчиков компании IBM. Свойства, присущие CISC-процессорам:

• запись арифметических операций в виде одной команды;
• переменный размер длины команды;
• относительно небольшое число регистров ЦП;
• большое количество разнообразных команд;
• большое количество методов адресации;
• преобладание двухадресного формата команд [3].

Рисунок 5 – Схема работы CISC-процессора

2.3.2. RISC-процессоры

RISC-процессоры – процессоры с сокращенным набором команд. Любая команда в таких процессорах элементарна и выполняется за один такт (см. рисунок 6).

Рисунок 6 – Схема работы RISC-процессора

Характерной чертой RISC-процессора является фиксированная длина команды – 32 или 64 бита.

Основным преимуществом RISC-процессоров является конвейеризация, которая позволяет наращивать тактовую частоту процессоров.

Яркими примерами таких процессоров служат RISC I, содержащий более 40000 транзисторов, работающий на частоте 4 МГц, способный выполнять 32 инструкции и RISC II, выполняющий 39 инструкций [5].