Ершов С.С. Архитектура и организация ЭВМ

Подождите немного. Документ загружается.

сумматоры и т.п.). В ПЭВМ на базе процессоров Pentium в 2-процессорном вари-

анте может быть один процессор — рабочий, второй — проверочный (Check).

В американских «Шаттлах» кратность резервирования — 4. Здесь используется

мажоритарный принцип (голосование).

6. Автоматизация программирования

Программисты эпохи 1-го и 2–го поколений работали на уровне машинных

кодов, т.е. записывали команды и данные

на специальных бланках, используя 8-

ричную систему счисления (все-таки не двоичную!).

Один из первых отечественных трансляторов МЭИ-3 действовал в базисе ал-

голоподобного языка АЛГАМС и был поставлен на машинах второго поколения

семейства «Минск».

В современных вычислительных системах реализуются языки высокого

уровня (типа Pascal, C++ и т.п.). При этом имеется в виду выполнение

«круп-

ных» команд, например, соответствующих целым процедурам, циклам, …

В пределе — так называемый язык постановки задач (близкий к обычно-

му математическому, формульному языку). Кстати, в свое время аналитическое

представление интегралов и пр. было осуществлено в машинах семейства «Мир»

(руководитель проекта акад. В.М. Глушков). Известен также пример языка

УТОПИСТ.

Автоматизация программирования

— немаловажное направление, особенно

если учесть, что относительные затраты на разработку программного обеспечения

уже давно значительно превышают затраты на обеспечение техническое (в 1985г.

это оценивалось 5:1).

7. Автоматизация проектирования

Направление связано с так называемыми САПР — системами автоматизиро-

ванного проектирования.

Здесь нужно отметить двоякую роль ЭВМ: во-первых, это использование для

проектирования «других» объектов (самолеты, автомобили, здания и т.п.), во-

вторых, это САПР для самих ЭВМ. Здесь хорошо поддаются автоматизации ру-

тинные этапы, например, трассировка печатных плат

(система P CAD). Более

серьезные этапы, например, системно-структурное проектирование, во многом

остаются еще прерогативой человека-проектировщика.

8. Микропроцессоры

Первый 4-разрядный микропроцессор появился в 1971г. (изделие фирмы Intel).

Здесь опять проявляется двоякая роль микропроцессоров: с одной стороны,

они используются в составе разнообразных предметов, в частности бытовых (фо-

тоаппараты, видеокамеры, стиральные машины, системы зажигания и даже нави-

гации в автомобилях и т.д. и т.п.), с другой стороны, они же являются элементной

базой самих ЭВМ (например, вычислительных систем — супер ЭВМ). В качестве

примера может служить структура типа «гиперкуб» — в узлах многомерной про-

странственной решетки-среды размещаются процессорные элементы — микро-

процессоры.

Типы представления изучения материала в следующих разделах

можно услов-

но интерпретировать представлением классов и поколений ЭВМ в 3-мерном про-

странстве (рис. В.2).

Разделы

ПФСО

Пц

СВВ

ВКС

II III IV V (VI)

(поколения ЭВМ)

Классы

Микро -(ПЭВМ)

Мини - ЭВМ

Общего назначения

Супер ЭВМ

Рис. В.2. Подход к изучению

Сокращения на рис. В.2: ПФСО — Принципы функциональной и структурной

организации ЭВМ; Пц – Процессоры; СВВ — Средства ввода-вывода; П — Па-

мять ЭВМ; ВКС — Вычислительные комплексы и системы.

1. ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ И СТРУКТУРНОЙ

ОРГАНИЗАЦИИ ЭВМ

1.1. Принцип программного управления

Прежде всего, надо определить главные понятия: функциональная органи-

зация и структурная организация. Здесь все естественно: первая — организа-

ция на уровне функций (логическая), вторая — физическая организация (в «желе-

зе») [10, 16, 21, 22, 30].

Следующие понятия — «алгоритм», «программа», «операция», «команда» со-

ставляют иерархическую систему (табл. 1.1)

Таблица 1.1

№ п.п. Содержание Форма

Алгоритм Программа

Оператор Команда

Микрооперация Микрокоманда

В табл. 1.1 представлены даже 3 уровня иерархии. Итак, программа — это

форма представления алгоритма и т.д.

Неймановский принцип программного управления (Дж. фон Ней-

ман — американец венгерского происхождения, участник проекта «Манхеттен»,

связанного с первой атомной бомбой, 1945г.) содержит 5 подпринципов. Надо от-

метить, в авторской редакции это выглядело несколько иначе.

1. Двоичная

система счисления

2. Единство операндов и команд

Это очень важный принцип (подпринцип). Слова информации (команды, дан-

ные) в памяти неразличимы. Это позволяет использовать команды как операнды

— с целью модификации команд. Обычно такие команды («переменные» ко-

манды) изменяют свои адреса (например, при обработке массивов данных). После

модификации команды попадают на

то же место в оперативной памяти и готовы,

таким образом, к выполнению следующего шага цикла.

В управляющих машинах предусматривалась модификация даже кода опера-

ции (КОп).

Нарушение принципа единства операндов и команд в ненеймановских маши-

нах также может быть полезно —

теперь «несанкционированный» доступ, напри-

мер, к командному массиву будет неизбежно обнаружен со всеми вытекающими

последствиями.

3. Адресность

Слова информации в памяти машины идентифицируются номерами ячеек,

в которых они размещены, т.е. адресами. В самой команде, таким образом, сами

операнды не задаются, задаются их адреса. Это доставляет так называемую ин-

вариантность программы относительно данных: одна и та же программа спо-

собна работать с широким диапазоном значений

данных (и это хорошо!).

Используются обозначения:

(А) = х (содержимое ячейки с номером А);

<х> = А (адрес — номер ячейки, где находится значение х).

Исключением для принципа адресности является использование так называе-

мого непосредственного операнда (НПО). Здесь в команде указывается само зна-

чение НПО. Хранить его в памяти специально не нужно и

тратить время на чтение

из памяти — тоже. Цена —

потеря инвариантности.

4. Операционно-адресная структура команды

Алгоритм представляется в форме программы, состоящей из управляющих

слов — команд. Код команды содержит поле кода операции (КОп) и поля адресов,

определяющих местоположение операндов и результат соответствующей опера-

ции.

5. Последовательная реализация алгоритма

Алгоритм реализуется путем последовательного выполнения команд

в порядке, однозначно определяемом программой

Подпринципы 4 и 5 вместе составляют собственно принцип (подпринцип)

программного управления.

Машинные единицы информации

Различают структурные (физические) и программные (логические) единицы

информации. При этом часто используется одна и та же терминология: «бит»,

«байт», «слово». Но физической единице «том» (катушка магнитной ленты, пакет

дисков, …) сопоставляется программная единица «файл». И тогда получаются

вполне

реальные сочетания «многотомный файл» и «многофайловый том».

К программным единицам относятся также «список», «структура» и т.п.

CISC и RISC-структуры (общая характеристика).

Это две, на текущий момент, самые популярные структуры-архитектуры. CISC

(Complex-Complete Instruction Set Computer) — ЭВМ с «полной» системой команд.

RISC (Reduced-Restricted Instruction Set Computer) — с сокращенной (причем рез-

ко, возможно, — на порядок) системой команд. Т.е., например, 20–30 команд вме-

сто 200

–300. Естественно, остальные команды должны быть все равно реализова-

ны — как подпрограммы. Таким образом, общее время реализации алгоритма

вряд ли существенно уменьшится.

Правда, RISC-структура предопределяет и другие положительные качества:

удобство конвейеризации команд (команда выполняется за 1 машинный такт, ред-

ко — за 2); ускорение вызова подпрограмм (для чего используется передача значе-

ний фактических параметров

не через стек, а через так называемые регистровые

окна, поэтому и регистров много, например, 200–300).

Главное же преимущество RISC-структуры — в наибольшем значении крите-

рия эффективности ЭВМ W/S («производительность / стоимость»). Так получает-

ся в виду большей регулярности-однородности схемы RISC-процессора: большую

часть площади кристалла занимают постоянные ЗУ, где хранятся эти самые под-

программы. Большим

является и процент выхода годных кристаллов. Сокращен-

ные затраты на проектирование и т.п.

К сожалению, отсутствует программная RISC/CISC-совместимость. Не мо-

жет быть использовано накопленное программное CISC-обеспечение, а оно ог-

ромное. Да и производители CISC-ЭВМ «кинулись вдогонку» за производитель-

ностью RISC — появились суперскалярные Pentium.

Эффективность команд с различной адресностью

Наряду с

известным соотношением между разрядностью поля КОп и емкостью

системы команд

Км

КОп

и между разрядностью адреса и емкостью оперативной памяти

ОпП

действует еще значение адресности машины. Это количество адресов в ее

командах:

= 0…4.

В случае Q

=0 речь идет о безадресных командах (обычно при этом имеется

в виду стековый механизм вычислений). Q

=4 требуется в редких случаях, напри-

мер — при целочисленном делении (X — делимое, Y — делитель, Z — частное, R

— последний остаток).

Исследования (имитационные модели) показывают, что наилучшее значение

адресности при научно-технических расчетах составляет 1,2 … 1,4, т.е. Q

=1, при

экономических — 1,8, т.е. Q

=2.

Действительно, при вычислении значения многочлена по схеме Горнера

()

(

)

(

)

n1n10n1n

axa...xaxa...axa...xaxaxf ++++=++++=

−−

−

достаточно всего одного адреса:

1) ЗАГР <а

2) УМН <х>

3) СЛОЖ <а

4) УМН <х>

… … …

Вообще же дефицит адресности требует введения специальных признаков,

модифицирующих операционную и/или адресную часть команды.

Первый из таких признаков — РПД (Использование «результата предыду-

щего действия») означает, что в качестве одного из операндов используется со-

держимое аккумулятора (итогового регистра, …). Это, кстати, соответствует не-

явной адресации операндов.

Второй

признак — ПЗ («Признак записи результата в оперативную па-

мять»). При ПЗ=0 результат сохраняется только в АЛУ (в аккумуляторе, «итого-

вом регистре» и т.п.). Если же ПЗ=1, при дефиците адресности возможно замеще-

ние результатом одного из операндов, что может быть нежелательно. Тогда (ПЗ=0)

для записи результата в оперативную память вводится

дополнительная посылоч-

ная команда, и программа удлиняется.

Наиболее популярное значение адресности — два. Здесь наблюдается некий

компромисс между затратами оборудования (экономичность) и затратами ма-

шинного времени (производительность).

Признаки РПД и ПЗ оказывают влияние и на операционную, и на адресную

функции команды, т.е. модифицируют ее.

Способы адресации в первичном представлении:

—

неявная адресация, т.е. использование в качестве операнда РПД;

—

прямая адресация, в «чистом» виде соответствующая подпринципу ад-

ресности (содержимое ячейки памяти с номером-адресом А обозначается

с использованием круглых скобок, Х=(А); адрес Х обозначается с использованием

угловых скобок, <Х> = А);

—

непосредственная адресация, это нарушение подпринципа адресности, не-

посредственный операнд (НПО) задается в самой команде. Таким образом, эконо-

мится память и время (не надо обращаться к памяти для выборки такого операн-

да). Однако теряется инвариантность программы относительно данных. Обычно

в качестве НПО используется количество разрядов сдвига, шаблон для редактиро-

вания и т.п. Хотя в миниЭВМ семейства «Наири» непосредственно задавались да-

же числа с плавающей запятой;

—

косвенная адресация, представляющая даже общий случай (можно считать

НПО соответствующим уровню косвенной адресации нуль, прямую адресацию —

уровню единица, далее речь идет уже об уровнях косвенной адресации 2, 3, …).

Диалектика косвенной адресации заключается в том, что увеличиваются затраты

памяти и времени, но зато достигается необходимая гибкость (удобство представ-

ления сложных структур данных типа списков

и т.п.). Эволюция косвенной адре-

сации представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Эволюция способов косвенной адресации в мини- и микроЭВМ

На первом этапе развития мини- и микроЭВМ (I) главный обусловливающий

эффект косвенной (точнее — косвенно-регистровой) адресации —

сокращение

длины команды (L). Действительно, в процессорах К580 (i8080) основной фор-

мат команды — всего 1 байт (8 двоичных разрядов). И здесь необходимо размес-

тить хоть какой-нибудь код операции (КОп) и два адреса. Если каждый адрес за-

нимает 3 двоичных разряда, в них можно указать номер одного из 8 регистров

(000 … 111

). Тогда при косвенно-регистровой адресации и длине регистров 16

разрядов получается «полноценный» 16-разрядный косвенный адрес, что и соот-

ветствует тогдашней емкости оперативной памяти (К580/i8080) 2

= 64 Кбайт.

Теперь же (II), когда вопрос об экономии адресной длины фактически снят

(микропроцессоры семейства i86 уже давно имеют 32- и даже 64-разрядные фор-

маты), способы косвенной адресации получили еще больший «расцвет». Новый

замеченный эффект — универсальность (U). Причем можно выделить универ-

сальность первого рода (U1) — удобство отображения структур данных (S), на-

пример типа списков, и универсальность второго

рода (U2) —

мультипрограммность/мультизадачность с использованием общей оперативной

памяти.

В индексировании и базировании адресов можно усмотреть элементы косвен-

ной адресации. В старых «больших» ЭВМ (например, семейства ЕС ЭВМ) испол-

нительный (физический) адрес А оперативной памяти определялся в общем слу-

чае как сумма 3 слагаемых:

А = (В) + (Х) + D.

Здесь В и Х — соответственно номера базового и индексного регистров (на-

пример, 4-разрядные), (В) — базовый адрес (база), (Х) — индекс, D — смещение,

указываемое непосредственно в коде команды (как В и Х).

Совершенно аналогично выглядит формула

для так называемого эффективного

адреса ЕА в процессорах семейства i86:

ЕА = (BX|BP) + (SI|DI) + d8|d16.

Здесь просто меньше выбор базовых и индексных регистров (их по 2),

а смещение — 8 или 16 двоичных разрядов (в «реальном» режиме адресации).

Интересно, что базирование (по-другому — относительная адресация)

в машинах первого поколения присутствовало только в бумажном выражении.

А именно, программирование велось

в так называемых условных адресах.

Программист отводил для команд последовательные ячейки с номерами К+0,

К+1, … , для данных — α+0, α+1, … , для промежуточных результатов — «рабо-

чие» ячейки β+0, β+1, … и т.д. Например, его команда сложения выглядела так:

К+5 ) + α + 2 α + 3 β + 1

На втором этапе, зная распределение (карту) памяти, программист переводил

все

условные адреса в действительные, для чего надо было назначить фактиче-

ски базовые адреса соответствующих массивов. Например, К = 100, α = 1000,

β = 2000 и т.д. Тогда та же команда сложения принимала вид:

105 ) + 1002 1003 2001

(код операции «+» также заменялся числом, например 01).

В машинах второго поколения появляются так называемые интерпретирую-

щие системы (ИС). Их задача

— автоматически переработать адреса в стандарт-

ных программах из библиотеки (БСП). Все такие программы начинались условно

с адреса, например, 7000

, а в теле пользовательской программы (в конце ее) эти

адреса были уже совсем другими и разными.

Другие принципы программного управления реализуются, в частности,

в машинах Поста, Тьюринга и Айлифа. В машине Поста (как и в машине Тьюрин-

га) имеется бесконечная лента с ячейками, в которые можно записать один из сим-

волов внешнего алфавита. Алфавит в машине Поста — двоичный (0, 1). Опера-

ции с ячейками выполняются с помощью универсальной головки «Чтение-

Запись», которая после работы с ячейкой может перемещаться на одну позицию

влево (L), вправо (R) или стоит на месте (Е). При этом алгоритмы для машины

Поста оформляются как программы (всего 6 различных команд), а для машины

Тьюринга как ГСП (Граф состояний и переходов). ГСП далее представляется в ви-

де Таблицы состояний и переходов (ТСП

). В общем машины Тьюринга с точки

зрения алгоритмизации ближе к автоматам (Мили или Мура), нежели к обычным

машинам с системой команд, программой и т.д.

Особый интерес представляет гипотетическая машина Айлифа (1973 г.). Ее от-

личают две особенности. Первая — явное нарушение Принципа единства операн-

дов и команд. В каждую адресуемую ячейку

памяти вводится тег — поле из не-

скольких двоичных разрядов, определяющее тип хранимой информации (команда,

целое число, число с плавающей запятой и т.д.). В связи с этим существенно со-

кращается система команд машины и упрощается программирование: вместо де-

сятка команд разного вида сложений будет всего одна, а как она исполняется —

это

зависит от типа операндов. Ясно, что операционное устройство (процессор)

такой машины значительно усложняется. Кстати, развитие понятия «тег» связано

с дескриптором (описателем).

Вторая особенность машина Айлифа — ее многомерная память. Иначе говоря,

она отражает заданную структуру данных. Память машины Неймана — линейная,

она удобна для представления одномерных массивов данных. В случае, если

размерность

массива 2 и более, приходится вычислять так называемое адресное

выражение, где задействованы текущие и максимальные значения индексов

элементов массива. Очевидно, и вторая особенность способствует упрощению ра-

боты программиста, но при этом существенно увеличиваются затраты оборудова-

ния на реализацию такой гибкой памяти.

Одно время внимание специалистов привлекали так называемые РЕФАЛ —

ЭВМ (1970-е гг

.), использующие алгоритмический язык рекурсивных функций.

Однако, если как следует разобраться, оказывается — перед нами фактически реа-

лизация нормальных алгоритмов Маркова (НАМ), известных в теории

алгоритмов как одна из алгоритмических систем (наряду с системами Поста, Тью-

ринга и др.).

Нетрадиционную архитектуру имеют также цифровые интегрирующие

машины (ЦИМ), используемые для решения систем

обыкновенных дифферен-

циальных уравнений, ассоциативные процессоры (системы) и др.

1.2. Обобщенная структура ЭВМ

Наряду со структурой [9, 10, 16, 21, 22, 26] часто используется понятие ар-

хитектура. Последнее представляется несколько более широким, нечто вроде

«плюс надстройка». Иногда архитектуру определяют как всё, что задается на

уровне машинного языка. Или еще — логическая организация.

В классификации акад. В. М. Глушкова (ныне покойного) предлагается выде-

лять три класса устройств:

— операционные (процессоры, каналы ввода-вывода, контроллеры, ...);

— запоминающие (оперативная память, ...);

— вводо-выводные (принтеры, графопостроители, ...).

Конечно, эта классификация «нечистая». Тот же принтер содержит, возможно,

микропроцессор и буферную память. Т.е. собственно вводо-выводным устройст-

вом является, по

сути, только печатающий механизм.

Кроме указанных трех главных компонентов структуры, особую роль играет

четвертый элемент обобщенной структуры ЭВМ — система связей (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Система связей в структуре ЭВМ

Существуют два основных способа организации связей в ЭВМ:

— индивидуальные (радиальные) связи;

— магистраль (шина).

Для случая связи 3 регистров эти способы показаны на рис. 1.3.

Индивидуально-радиальный способ соответствует по форме полному графу

(3-го порядка на рис. 1.3 а). Здесь обеспечивается связь по принципу «каждый

каждым». Этот же принцип характерен и для магистрали (рис. 1.3 б). Однако,

теперь средства «передвижения» централизованы, обобществлены (на подобие

трассы-шоссе). Структурно магистраль содержит мультиплексор (МП), систему

управляемых шин с общим выходом, и селектор (СЛ), систему управляемых шин

с общим входом. Собственно магистраль (М) — это просто совокупность линий

связи между МП

и СЛ (рис. 1.3 в). И МП и СЛ — комбинационные операци-

онные элементы. В составе МП — только конъюнкторы и дизъюнкторы, в составе

СЛ —

только конъюнкторы. На рис 1.3в показано выполнение единственной одно-

временно возможной микрооперации передачи (Рг2 := Рг1).

Оба способа организации связей сопоставляются по 4 параметрам-

характеристикам:

— быстродействие;

— производительность;

— стоимость;

— степень универсальности.

Быстродействие оценивается длительностью такта, т.е. здесь — от момента

появления управляющих сигналов до полного окончания всех переходных процес