Технические средства информационных технологий

Принципы построения компьютера

Основным принципом построения всех современных компьютеров является программное управление. В его основе лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов _ команд. Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, места нахождения (адреса) операндов и ряд служебных признаков. Операнды _ переменные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных. Программы и обрабатываемые ими данные должны совместно храниться в памяти компьютера.

Для доступа к программам, командам и операндам используются их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти компьютера, предназначенных для хранения объектов. Информация (командная и данные: числовая, текстовая, графическая и другая информация) кодируется двоичным кодом (цифрами 0 и 1). Поэтому различные типы информации, размещенные в памяти, практически неразличимы, идентификация их возможна лишь при выполнении программы, согласно ее логике, по контексту.

Выполнение каждой команды программы предполагает многократное обращение к памяти (выборка команд, выборка операндов, отсылка результатов и т.п.). В первых структурах ЭВМ использовалось централизованное управление, при котором одна и та же аппаратура выполняла и основные, и вспомогательные действия. Это было оправдано для первых дорогих машин, но не позволяло выполнять параллельные работы. Эволюция вычислительной техники потребовала децентрализации.

Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие элементы, которые являются общим стандартом структур современных компьютеров:

• модульность построения;
• магистральность;
• иерархия управления.

Модульность построения предполагает выделение в структуре компьютера автономных, функционально, логически и конструктивно законченных устройств: процессор, модуль памяти, накопитель на магнитном диске, дисплей и т.п.

Модульная конструкция компьютера делает его открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию. К нему можно подключать дополнительные устройства, улучшая его 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 качестве основных средств подключения и объединения модулей в систему используются магистрали, или шины. Стандартная система сопряжения (интерфейс) обеспечивает возможность формирования требуемой конфигурации, гибкость структуры и адаптацию к изменяющимся условиям функционирования.

В современных вычислителях принцип децентрализации и параллельной работы распространен как на периферийные устройства, так и на сами компьютеры, их процессоры. Появились вычислительные системы, которые содержат несколько вычислителей, работающих согласованно и параллельно. Внутри самого компьютера 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.

Модульность структуры потребовала 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 способствовало улучшению технических и эксплуатационных характеристик компьютеров, росту технологичности их производства.

Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры компьютера. Главный или центральный модуль системы определяет 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. Подключаемые модули могут, в свою очередь, использовать специальные шины, или магистрали, для обмена управляющими сигналами, адресами и данными.

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

Децентрализация управления и структуры компьютера позволила перейти к более сложным многопрограммным (мультипрограммным) режимам. При этом в компьютере одновременно могут обрабатываться несколько программ пользователей.

Структурные схемы и взаимодействие устройств компьютера

Классическая схема компьютера, отвечающая программному принципу управления, логично вытекает из последовательного характера преобразований, выполняемых человеком по некоторому алгоритму (программе). Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поколений представлена на рис.13.2.

В любом компьютере имеются устройства ввода информации (УВв), с помощью которых пользователи вводят программы решаемых задач и данные. Введенная информация сначала полностью или частично запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации, где преобразуется в специальный информационный объект - файл.

Рис. 13.2. Структурная схема первых компьютеров

При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления.

Устройство управления (УУ) предназначается для автоматического выполнения программ путем принудительной координации всех остальных устройств. Цепи сигналов управления показаны на рис.13.2 штриховыми линиями. Вызываемые из ОЗУ команды дешифрируются устройством управления: определяют код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др. Он каждый раз перестраивается на выполнение очередной операции. Результаты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются в память. Отдельные признаки результатов r ( и др.) устройство управления использует для изменения порядка выполнения команд программы. Результаты, полученные после выполнения всей программы вычислений, передаются на устройство вывода информации (УВыв). В качестве УВыв могут использоваться экран дисплея, принтер, графопостроитель и др.

Классическая структура компьютера представляла собой "удивительно изящное инженерное решение", хорошо отвечающее тогдашнему уровню развития промышленных технологий. Она стала фактическим стандартом (de facto), которому стали следовать производители вычислительной техники.

В персональных компьютерах, относящихся к компьютерам четвертого поколения, произошло дальнейшее изменение структуры (рис.13.3). 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 структуру, сделав ее децентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.

Рис. 13.3. Структура ПК

Ядро ПК образуют процессор, основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), и видеопамять. 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 контроллеры - специальные устройства управления периферийной аппаратурой. Контроллеры в ПК играют роль каналов ввода-вывода. В качестве особых устройств следует выделить таймер - устройство измерения времени, и контроллер прямого доступа к памяти (КПД) - устройство, обеспечивающее доступ к ОП, минуя процессор.

Организацию согласованной работы шин и устройств выполняют микросхемы системной логики, называемые чипсетом (Chipset). Большинство наборов микросхем системной логики имеют ярко выраженную иерархическую структуру построения, отвечающую уровням высокоскоростных и ввода-вывода данных. Уровень высокоскоростных устройств образуют процессоры, видеопамять, оперативная память; уровень низко-скоростных устройств образуют любые внешние устройства.

Компьютерные системы

Полувековая история развития вычислительной техники была связана с совершенствованием классической структуры компьютера, имеющей следующие отличительные признаки:

• ядро компьютера - процессор - единственный вычислитель в структуре, дополненный каналами обмена информацией и памятью;
• линейная организация ячеек всех видов памяти фиксированного размера;
• одноуровневая адресация ячеек памяти, стирающая различия между всеми типами информации;
• внутренний машинный язык низкого уровня, при котором команды содержат элементарные операции преобразования простых операндов;
• последовательное централизованное управление вычислениями;
• достаточно примитивные возможности устройства ввода-вывода.

Классическая структура компьютера уже сослужила добрую службу человечеству. В ходе эволюции она была дополнена целым рядом частных доработок, позволяющих ликвидировать наиболее "узкие места" и обеспечить максимальную производительность в рамках достигнутых технологий. Однако, несмотря на все успехи, классическая структура уже не обеспечивает возможностей дальнейшего наращивания производительности. Теория и практика построения компьютеров подошли к рубежам микроэлектроники, за которыми стоят множество практически неразре-шимых проблем в областях системотехники, дальнейшего наращивания частоты работы микросхем, программирования, компиляции и т.д.

Дальнейшее поступательное развитие вычислительной техники напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям, с идеями построения многопроцессорных систем и сетей, объединяющих большое количество отдельных процессоров и (или) ЭВМ. Здесь появляются огромные возможности совершенствования средств вычислительной техники. Но следует отметить, что при несомненных практических достижениях в области параллельных вычислений до настоящего времени отсутствует их единая теоретическая база.

С появлением в начале нового тысячелетия многоядерных микропроцессоров эра компьютеров классической структуры и связанных с ними последовательных вычислений заканчивается. На смену идут новые параллельные структуры с новыми принципами их построения. Они становятся экономически более выгодными. Будущее вычислительной техники - именно за этими системами.

Под вычислительной (компьютерной) системой (ВС) понимают совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации. Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.

Основные принципы построения, закладываемые при создании ВС:

• возможность работы в разных режимах;
• модульность структуры технических и программных средств, которая позволяет совершенствовать и модернизировать вычислительные системы без коренных их переделок;
• унификация и стандартизация технических и программных решений;
• иерархия в организации управления процессами;
• способность систем к адаптации, самонастройке и самоорганизации;
• обеспечение необходимым сервисом пользователей при выполнении вычислений.

Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы: по целевому назначению и выполняемым функциям, по типам и числу ЭВМ или процессоров, по архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы, степени разобщенности элементов вычислительной системы и др. Однако основными из них являются признаки структурной и функциональной организации вычислительной системы.

Большое разнообразие структур ВС затрудняет их изучение. Поэтому их классифицируют с учетом их обобщенных характеристик. С этой целью вводится понятие "архитектура системы".

Архитектура ВС - совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логическую и структурную организацию системы и затрагивающих в основном уровень параллельно работающих вычислителей. Понятие архитектуры охватывает общие принципы построения и функционирования, наиболее существенные для пользователей, которых больше интересуют возможности систем, а не детали их технического исполнения. Поскольку ВС появились как системы параллельной обработки, рассмотрим классификацию архитектур именно c этой точки зрения.

Классификация архитектур была предложена М. Флинном (M. Flynn) в начале 60-хгг. В ее основу заложено два возможных вида параллелизма: независимость потоков заданий (команд), существующих в системе, и независимость (несвязанность) данных, обрабатываемых в каждом потоке. Классификация до настоящего времени еще не потеряла своего значения. Однако подчеркнем, что, как и любая классификация, она носит временный и условный характер. Своим долголетием она обязана тому, что оказалась справедливой для ВС, в которых вычислительные модули построены на принципах классической структуры ЭВМ. С появлением систем, ориентированных на потоки данных и использование ассоциативной обработки, эта классификация может быть некорректной.

Согласно данной классификации существует четыре основных архитектуры ВС, представленных на рис.13.4:

• одиночный поток команд - одиночный поток данных (ОКОД), в английском варианте Single Instruction Single Data (SISD) - одиночный поток инструкций - одиночный поток данных (рис.13.4a);
• одиночный поток команд - множественный поток данных (ОКМД), или Single Instruction Multiple Data (SIMD) - одиночный поток инструкций - одиночный поток данных (рис.13.4б);
• множественный поток команд - одиночный поток данных (МКОД), или Multiple Instruction Single Data (MISD) - множественный поток инструкций - одиночный поток данных (рис.13.4в);
• множественный поток команд - множественный поток данных (МКМД), или Multiple Instruction Multiple Data (MIMD) - множественный поток инструкций - множественный поток данных (рис.13.4г).

Коротко рассмотрим отличительные особенности каждой из архитектур.

Архитектура ОКОД охватывает все однопроцессорные и одномашинные варианты систем, то есть варианты с одним вычислителем. Все ЭВМ классической структуры попадают в этот класс. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается путем совмещения выполнения операций отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работой устройств ввода-вывода информации и процессора. Закономерности организации вы-числительного процесса в этих структурах достаточно хорошо изучены.

Архитектура ОКМД предполагает создание структур векторной или матричной обработки. Системы этого типа обычно строятся как однородные, т.е. процессорные элементы, входящие в систему, идентичны и все они управляются одной и той же последовательностью команд. Однако каждый процессор обрабатывает свой поток данных. Под эту схему хорошо подходят задачи обработки матриц или векторов (массивов), задачи решения систем линейных и нелинейных, алгебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля и др. В структурах данной архитектуры желательно обеспечивать соединения между процессорами, соответствующие реализуемым математическим зависимостям. Как правило, эти связи напоминают матрицу, в которой каждый процессорный элемент связан с соседними.

Рис. 13.4. Архитектуры вычислительных систем: а) ОКОД (SISD) - архитектура; б) ОКМД (SIMD) - архитектура; в) МКОД (MISD) - архитектура; г) МКМД (MIMD) - архитектура

Эту схему использовали и используют все суперЭВМ без исключения, начиная с таких известных систем, как Cyber-205 и Gray различных модификаций. Узким местом подобных систем является необходимость изменения коммутации между процессорами, когда связь между ними отличается от матричной. Кроме того, задачи, допускающие широкий матричный параллелизм, составляют достаточно узкий класс задач. Структуры ВС этого типа по существу являются структурами специализированных суперЭВМ.

Архитектура МКОД предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке. Выгоды такого вида обработки понятны. Прототипом таких вычислений может служить схема любого производственного конвейера. В современных ЭВМ по этому принципу реализована схема совмещения операций, в которой различные функциональные блоки работают параллельно, и каждый из них делает свою часть в общем цикле обработки команды.

В ВС этого типа конвейер должны образовывать группы процессоров. Однако при переходе на системный уровень очень трудно выявить подобный регулярный характер в универсальных вычислениях. Кроме того, на практике нельзя обеспечить и "большую длину" такого конвейера, при которой достигается наивысший эффект. Вместе с тем конвейерная схема нашла применение в так называемых скалярных процессорах суперЭВМ - они применяются как специальные процессоры для поддержки векторной обработки.

Архитектура МКМД предполагает, что все процессоры системы работают с различными программами и с индивидуальным набором данных. В простейшем случае они могут быть автономны и независимы. Такая схема использования ВС часто применяется во многих крупных вычислительных центрах для увеличения пропускной способности центра.

Наибольший интерес представляет организация согласованной работы процессоров системы, когда каждый элемент делает часть общей программы. Общая теоретическая база такого вида работ пока только создается. Но можно привести примеры большой эффективности этой модели вычислений. Подобные системы могут быть многомашинными и многопроцессорными. Переход на многоядерные микропроцессоры позволяет создавать мощные центры параллельной обработки, имеющие в своем составе тысячи процессоров. Проектировщики компьютерных систем сосредотачивают свои усилия на разработках разноплановых структур ВС (сосредоточенных и распределенных систем) именно в архитектуре МКМД.

Контрольные вопросы

1. Каково содержание понятия "структура компьютера"?
2. По каким техническим характеристикам осуществляется оценка и выбор компьютера?
3. Что представляет собой класс карманных персональных компьютеров?
4. Каковы основные тенденции развития компьютеров?
5. Объясните суть принципа иерархии построения ЭВМ.
6. Перечислите отличительные особенности классической структуры ЭВМ.
7. Каковы отличительные особенности структуры ПК?
8. Объясните многообразие шин, используемых в структуре ПК.
9. Каковы основные предпосылки появления и развития компьютерных систем?
10. Какие принципы положены в основу классификации архитектур компьютерных систем?