ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 25.12.2021
Просмотров: 5238
Скачиваний: 8
Концепция машины с хранимой в памяти программой 39
Введенная информация сначала запоминается в основной памяти, а затем пе-
реносится во
память, для длительного хранения. Чтобы программа
могла выполняться, команды и данные должны располагаться в
основной памяти
(ОП), организованной таким образом, что каждое двоичное слово хранится в от-
дельной ячейке, идентифицируемой адресом, причем соседние ячейки памяти
имеют следующие по порядку адреса. Доступ к любым
запоминающего
устройства (ЗУ) основной памяти может производиться в произвольной последо-
вательности. Такой вид памяти известен как
память с произвольным доступом.
ОП современных ВМ в основном состоит из полупроводниковых
оперативных
запоминающих устройств
(ОЗУ), обеспечивающих как считывание, так и запись
информации. Для таких ЗУ характерна энергозависимость — хранимая информа-
ция теряется при отключении электропитания. Если необходимо, чтобы часть ос-
новной памяти была энергонезависимой, в состав ОП включают
постоянные за-
поминающие устройства
(ПЗУ), также обеспечивающие произвольный доступ.
Хранящаяся в ПЗУ информация может только считываться (но не записываться).
Размер ячейки основной памяти обычно принимается равным 8 двоичным раз-
рядам —
байту.
Для хранения больших чисел используются
или 8 байтов, раз-
мещаемых в ячейках с последовательными адресами. В этом случае за адрес числа
часто принимается адрес его младшего байта. Так, при хранении 32-разрядного
числа в ячейках с адресами 200, 201, 202 и 203 адресом числа будет 200. Такой
прием называют адресацией по младшему байту или методом
(little endian addressing).
Возможен и противоположный подход — по меньшему из
адресов располагается старший байт. Этот способ известен как адресация по стар-
шему байту или метод
(big endian
Адресация
младшему байту характерна для микропроцессоров фирмы Intel и мини-ЭВМ фир-
мы DEC, а по старшему байту — для микропроцессоров фирмы Motorola и уни-
версальных ЭВМ фирмы IBM. В принципе выбор порядка записи байтов
существенен лишь при пересылке данных между ВМ с различными формами их
адресации или при манипуляциях с отдельными байтами числа. В большинстве
ВМ предусмотрены специальные инструкции для перехода от одного способа
к другому.
Для долговременного хранения больших программ и массивов данных в ВМ обыч-
но имеется дополнительная память, известная как
вторичная.
Вторичная память энер-
гонезависима и чаще всего реализуется на базе магнитных дисков. Информация в
ней хранится в виде специальных программно поддерживаемых объектов —
файлов
(согласно стандарту ISO, файл — это «идентифицированная совокупность экземп-
ляров полностью описанного в конкретной программе типа данных, находящихся
вне программы во внешней памяти и доступных программе посредством специ-
альных операций»).
Устройство управления
(УУ) —
часть ВМ, организующая автома-
тическое выполнение программ (путем реализации функций управления) и обес-
печивающая функционирование ВМ как единой системы. Для пояснения функ-
ций УУ ВМ следует рассматривать как совокупность элементов, между которыми
Термины «остроконечники» и «тупоконечники» заимствованы из книги «Путешествия Гулливера»
Дж. Свифта, где упоминается религиозная война между двумя группами, представители одной из
которых разбивали яйцо с острого (little) конца, а их антагонисты — с тупого (big).
40 Глава Становление и эволюция цифровой вычислительной техники
происходит пересылка информации, в ходе которой эта информация может под-
вергаться определенным видам обработки. Пересылка информации между любы-
ми элементами ВМ инициируется своим
сигналом управления
(СУ), то есть управ-
ление вычислительным процессом сводится к выдаче нужного набора СУ в нужной
временной последовательности. Цепи СУ показаны на рис. 1.3 полутоновыми ли-
ниями. Основной функцией УУ является формирование управляющих сигналов,
отвечающих за извлечение команд из памяти в порядке, определяемом програм-
мой, и последующее исполнение этих команд. Кроме того, УУ формирует СУ для
синхронизации и координации внутренних и внешних устройств ВМ.
Еще одной неотъемлемой частью ВМ является
арифметико-логическое устрой-
ство
(АЛУ). АЛУ обеспечивает арифметическую и логическую обработку двух
входных переменных, в результате которой формируется выходная переменная.
Функции АЛУ обычно сводятся к простым арифметическим и логическим опера-
циям, а также операциям сдвига. Помимо результата операции АЛУ формирует
ряд
признаков результата
(флагов), характеризующих полученный результат и со-
бытия, произошедшие в процессе его получения (равенство нулю, знак, четность,
перенос, переполнение и т. д.). Флаги могут анализироваться в УУ с целью приня-
тия решения о дальнейшей последовательности выполнения команд программы.
УУ и АЛУ тесно взаимосвязаны и их обычно рассматривают как единое уст-
ройство, известное как
центральный процессор
(ЦП) или просто
процессор.
Поми-
мо УУ и АЛУ в процессор входит также
регистров общего назначения
(РОН),
служащих для промежуточного хранения информации в процессе ее
Типы структур вычислительных
машин и систем
Достоинства и недостатки архитектуры вычислительных машин и систем изна-
чально зависят от способа соединения компонентов. При самом общем подходе
можно говорить о двух основных типах структур вычислительных машин и двух
типах структур вычислительных систем.
Структуры вычислительных машин .
В настоящее время примерно одинаковое распространение получили два способа
построения вычислительных машин:
с непосредственными связями
и
на основе
шины.
.
Типичным представителем первого способа может служить классическая фон-
неймановская ВМ (см. рис. 1.3). В ней между взаимодействующими устройствами
(процессор, память, устройство ввода/вывода) имеются непосредственные связи.
Особенности связей (число линий в шинах, пропускная способность и т. п.) опре-
деляются видом информации, характером и интенсивностью обмена. Достоинством
архитектуры с непосредственными связями можно считать возможность развязки
«узких мест» путем улучшения структуры и характеристик только определенных
связей, что экономически может быть наиболее выгодным решением. У фон-ней-
мановских ВМ таким «узким местом» является канал пересылки данных между
ЦП и памятью, и «развязать» его достаточно непросто [56]. Кроме того, ВМ с не-
посредственными связями плохо поддаются реконфигурации.
Типы структур вычислительных машин и систем 41
В варианте с общей шиной все устройства
машины подключе-
ны к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд,
данных и управления (рис. 1.4). Наличие общей шины существенно упрощает реа-
лизацию ВМ, позволяет легко менять состав и конфигурацию машины. Благодаря
этим свойствам шинная архитектура получила широкое распространение в мини-
и микроЭВМ. Вместе с тем, именно с шиной связан и основной недостаток архи-
тектуры: 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 па-
мять результатов вычислений. На операции ввода/вывода остается лишь часть
пропускной способности шины. Практика показывает, что даже при достаточно
быстрой шине для 90% приложений этих остаточных ресурсов обычно не хватает,
особенно в случае ввода или вывода больших массивов данных.
В целом следует признать, что при сохранении фон-неймановской концепции
последовательного выполнения команд программы шинная архитектура в чистом
ее виде оказывается недостаточно эффективной. Более распространена
архитек-
тура с иерархией шин,
где помимо магистральной шины имеется еще несколько
дополнительных шин. Они могут обеспечивать непосредственную связь между
устройствами с наиболее интенсивным обменом, например процессором и кэш-
памятью. Другой вариант использования дополнительных шин — объединение
однотипных устройств ввода/вывода с последующим выходом с дополнительной
шины на магистральную.
эти меры позволяют
нагрузку на общую шину
и более эффективно расходовать ее пропускную способность.
Структуры вычислительных систем
Понятие «вычислительная система» предполагает наличие множества процессо-
ров или законченных вычислительных машин, при объединении которых исполь-
зуется один из двух
В вычислительных
системах с
памятью
(рис. 1.5) имеется общая основ-
ная память, совместно используемая всеми процессорами системы. Связь процес-
42 Глава Становление и эволюция цифровой вычислительной техники
соров с памятью обеспечивается с помощью коммуникационной сети, чаще всего
вырождающейся в общую шину. Таким образом, структура ВС с общей памятью
аналогична рассмотренной выше архитектуре с общей шиной, в силу чего ей свой-
ственны те же недостатки. Применительно к вычислительным системам данная
схема имеет дополнительное достоинство: обмен информацией между процессо-
рами не связан с дополнительными операциями и обеспечивается за счет доступа
к общим областям памяти.
Рис
Структура вычислительной системы с общей памятью
Альтернативный вариант организации —
распределенная
система, где общая
память вообще отсутствует, а каждый процессор обладает собственной локальной
памятью (рис. 1.6). Часто такие системы объединяют отдельные ВМ. Обмен ин-
формацией между составляющими системы обеспечивается с помощью коммуни-
кационной сети посредством обмена сообщениями.
Рис
Структура распределенной вычислительной системы
Подобное построение ВС снимает ограничения, свойственные для общей шины,
но приводит к дополнительным издержкам на пересылку сообщений между про-
цессорами или машинами.
совершенствования
архитектуры ВМ и ВС
Совершенствование архитектуры вычислительных машин и систем началось с
момента появления первых ВМ и не прекращается по сей день. Каждое изменение
в архитектуре направлено на абсолютное повышение производительности или, по
крайней мере, на более эффективное решение задач определенного класса. Эволю-
цию архитектур определяют самые различные факторы, главные из которых пока-
заны на рис. 1.7. Не умаляя роли ни одного из них, следует признать, что наиболее
Перспективы совершенствования архитектуры
и ВС 43
очевидные успехи в области средств вычислительной техники все же связаны с
технологическими достижениями. Характер и степень влияния прочих факторов
подробно описаны в [120] и в данном учебнике не рассматриваются.
Технология Предыстория
Стоимость Параллелизм
Рис.
Факторы, определяющие развитие архитектуры вычислительных систем
С каждым новым технологическим успехом многие из архитектурных идей пе-
реходят на уровень практической реализации. Очевидно, что процесс этот будет
продолжаться и в дальнейшем, однако возникает вопрос: «Насколько быстро?»
Косвенный ответ можно получить, проанализировав тенденции совершенствова-
ния технологий, главным образом полупроводниковых.
Тенденции развития больших интегральных схем
На современном уровне вычислительной техники подавляющее большинство ус-
тройств ВМ и ВС реализуется
базе полупроводниковых технологий в виде
сверх-
больших интегральных микросхем
(СБИС). Каждое нововведение в области архи-
тектуры ВМ и ВС, как правило, связано с необходимостью усложнения схемы
процессора или его составляющих и требует размещения на кристалле СБИС все
большего числа логических или запоминающих элементов. Задача может быть ре-
шена двумя путями: увеличением размеров кристалла и уменьшением площади,
занимаемой на кристалле элементарным транзистором, с одновременным повы-
шением плотности упаковки таких транзисторов на кристалле.
Наиболее перспективным представляется увеличение размеров кристалла, од-
нако только на первый взгляд. Кристаллической подложкой микросхемы служит
тонкая пластина, представляющая собой срез цилиндрического бруска полупро-
водникового материала. Полезная площадь подложки ограничена вписанным в
окружность квадратом или прямоугольником. Увеличение диаметра кристалли-
ческой подложки на 10% на практике позволяет получить до 60% прироста числа
транзисторов на кристалле. К сожалению, технологические сложности, связанные
с изготовлением кристаллической подложки большого
без ухудшения
однородности ее свойств по всей поверхности, чрезвычайно велики. Фактические
тенденции в плане увеличения размеров кристаллической подложки СБИС ил-
люстрирует рис. 1.8.
Точки излома на графике соответствуют годам, когда переход на новый раз-
мер кристалла становится повсеместным. Каждому переходу обычно предше-