2. Функциональная
и структурная организация ЭВМ
Существуют два взгляда на построение и функционирование ЭВМ. Первый – взгляд пользователя, не интересующегося технической реализацией ЭВМ и озабоченного только получением некоторого набора функций и услуг, обеспечивающих эффективное решение его задач; второй – разработчика ЭВМ, усилия которого направлены на рациональную техническую реализацию необходимых пользователю функций. С учетом этого обстоятельства и вводятся понятия «функциональная» и «структурная» организация компьютера.
Действительно, с точки зрения пользователя решение любой задачи на ЭВМ требует поэтапного выполнения некоторой последовательности действий: программирования, кодирования, ввода, обработки, документирования. На каждом из этих этапов учет запросов пользователя может потребовать расширения реализуемых ЭВМ функций и услуг, что решается при проектировании ЭВМ и входит в понятие функциональной организации ЭВМ.
В результате создается абстрактная модель ЭВМ, описывающая функциональные возможности машины и предоставляемые ею услуги. Функциональная организация ЭВМ в значительной степени определяется предъявляемыми к ней требованиями, уровнем подготовки потенциальных пользователей, типом решаемых ими задач, потребностями в развитии компьютера (по емкости памяти, разрядности, составу периферийных устройств и др.).
Предусматриваемые абстрактной моделью функции ЭВМ реализуются на основе реальных физических средств (устройств, блоков, узлов, элементов) в рамках определенной структуры. В общем случае под структурной организацией ЭВМ понимается некоторая физическая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия основных функциональных частей машины (без излишних деталей их технической реализации).
Функциональная организация ЭВМ играет ведущую роль и в значительной степени определяет структурную организацию машины, хотя и не дает жестких ограничений на конечную техническую реализацию структурных элементов. Вместе с тем функции и структура любого элемента находятся в диалектической взаимосвязи и взаимозависимости. С одной стороны, функциональным назначением устройства (блока, узла) ЭВМ определяется необходимый состав материальных объектов (реальных аппаратных и программных средств) и характер их взаимодействия. С другой стороны, одна и та же функция может быть реализована на совершенно разных технических средствах, а изменение состава или связей между элементами, изменение пропорций между аппаратными и программными средствами может сохранить неизменной функцию системы, сообщив ей новые свойства.
2.1. Обобщенная структура ЭВМ и пути её развития
Развитие архитектуры неизбежно ведет к развитию структуры ЭВМ. Реализация принципов интеллектуализации, которые все больше определяют развитие архитектуры ЭВМ, возможна при совершенствовании структурной организации, обеспечивающей повышение эффективности вычислительного процесса и, как следствие этого, рост производительности ЭВМ. В конечном счёте условием и критерием развития структуры является рост производительности ЭВМ.
Основной тенденцией в развитии структуры ЭВМ является разделение функций системы и максимальная специализация подсистем для выполнения этих функций.
Обобщенная структура ЭВМ приведена на рис. 2.1. Она состоит из следующих составных частей:
обрабатывающей подсистемы;
подсистемы памяти;
подсистемы ввода/вывода;
подсистемы управления и обслуживания.
Для каждой подсистемы выделены основные направления их развития.
Обрабатывающая подсистема
Развитие обрабатывающей подсистемы в большей степени, чем всех остальных подсистем, идет по пути разделения функций и повышения специализации составляющих ее устройств. Создаются специальные средства, которые осуществляют функции управления системой, освобождая от этих функций средства обработки. Такое распределение функций сокращает эффективное время обработки информации и повышает производительность ЭВМ. В то же время, средства управления, как и средства обработки, становятся более специализированными. Устройство управления памятью реализует эффективные методы передачи данных между средствами обработки и подсистемой памяти. Меняются функции центрального устройства управления.
С одной стороны, ряд функций передается в другие подсистемы (например, функции ввода/вывода), с другой – развиваются средства организации параллельной обработки нескольких команд (суперскалярная обработка, конвейерная технология выполнения команд, многоядерные структуры, многопотоковая обработка команд, динамическое изменение последовательности команд, предварительная выборка данных, предсказание направления ветвлений и т.д.). Бурно развивается управление межпроцессорным обменом как эффективное средство передачи информации между несколькими центральными процессорами, входящими в состав вычислительной системы или комплекса.
Операционные устройства обрабатывающей подсистемы, кроме традиционных средств скалярной (суперскалярной) и логической обработки, все шире стали включать специальные средства векторной обработки. При этом время выполнения операций можно резко сократить за счет увеличения частоты работы операционных устройств.
В устройствах скалярной обработки все шире появляются специальные операционные блоки, оптимизированные на эффективное выполнение отдельных операций, разрядность обрабатываемых слов возрастает.
Подсистема памяти
Подсистема памяти современных компьютеров имеет иерархическую структуру, состоящую из нескольких уровней:
сверхоперативный уровень (память процессора, кэш-память);
оперативный уровень (оперативная память);
внешний уровень (внешние ЗУ на дисках, лентах и т.д.).
Эффективными методами повышения производительности ЭВМ являются увеличение количества регистров общего назначения процессора, использование многоуровневой кэш-памяти, увеличение объема и пропускной способности оперативной памяти (ОП), буферизация передачи информации между ОП и внешней памятью.
Подсистема ввода/вывода
В состав подсистемы ввода/вывода входит набор специализированных устройств, между которыми распределены функции ввода/вывода, что позволяет свести к минимуму потери производительности системы при операциях ввода/вывода. Эти устройства определяют пропускную способность подсистемы ввода/вывода.
Основными направлениями развития подсистем ввода/вывода являются совершенствование системных контроллеров и контроллеров ввода/вывода, увеличение частоты и пропускной способности интерфейсов, совершенствование шинной архитектуры.
Подсистема управления и обслуживания
Подсистема управления и обслуживания – это совокупность аппаратно-программных средств, предназначенных для обеспечения максимальной производительности, заданной надежности, ремонтопригодности, удобства настройки и эксплуатации. Она обеспечивает проблемную ориентацию и заданное время наработки на отказ, подготовку и накопление статистических сведений о загрузке и прохождении вычислительного процесса, выполняет функции «интеллектуального» интерфейса с различными категориями обслуживающего персонала, осуществляет инициализацию, тестирование и отладку. Подсистема управления и обслуживания позволяет поднять на качественно новый уровень эксплуатацию современных ЭВМ.
При разработке структуры ЭВМ все подсистемы должны быть сбалансированы между собой. Только оптимальное согласование быстродействия обрабатывающей подсистемы с объемами и скоростью передачи информации подсистемой памяти, с пропускной способностью подсистемы ввода/вывода позволяет добиться максимальной эффективности использования ЭВМ.
Важнейшими факторами, определяющими функциональную
и структурную организацию ЭВМ, являются выбор системы и форматов команд, типов данных и способов адресации.
|
