Ершов С.С. Архитектура и организация ЭВМ

Подождите немного. Документ загружается.

а)

б)

в)

Pг1

Pг2

Pг3

Упр

МП

СЛ

Рис. 1.3. Способы организации связей: индивидуально-радиальный (а);

магистрально-шинный (б); структура магистрали (в)

сов. Если не считать малых задержек в магистральных МП и СЛ, можно полагать,

что быстродействие магистрали не хуже, чем в индивидуально-радиальной систе-

ме.

Производительность оценивается двояко: во-первых, как среднее количество

микроопераций, выполняемых (совместимых) в одном такте, во-вторых, как об-

щее время выполнения микропрограммы (которое, конечно, зависит от количества

тактов, т.е. от "производительности 1"). В магистрали выполняться одновременно

может только одна микрооперация передачи (как на рис. 1.3 в). Правда, в принци-

пе можно допустить вариант одного источника и нескольких приемников. В ра-

диальной системе ограничений на совместимость микроопераций передачи вооб-

ще нет. Таким образом, главный недостаток магистрали (и вообще — централиза-

ции-обобществления оборудования) — низкая производительность.

Что же касается затрат оборудования (экономичности)

— здесь, наоборот, все

преимущества у магистрали.

Наконец, степень универсальности, или простота расширения конфигурации,

— это, конечно, также характерная черта магистрали. Достаточно просто иметь на

магистрали дополнительное гнездо (нишу, куда можно установить новое устрой-

ство, например тот же регистр, рис. 1.3 б).

Обобщенная структура ЭВМ (рис. 1.4), или архитектура фон Неймана

в чистом виде

соответствует представлению ЭВМ первого-второго поколения. На

современном уровне произошли изменения в терминологии (обозначениях уст-

ройств), отдельные устройства "расщепились" и т.д. Однако в любом случае в но-

вой структуре можно отыскать все черты, присущие фон-неймановской архитек-

туре.

Рис. 1.4. Обобщенная структура ЭВМ

Сокращения на рис. 1.4: Инж — инженер; Оп — оператор; ЦПУ — централь-

ный пульт управления (и сигнализации); ЦУУ — центральное устройство управ-

ления; ПР — признак результата; КОп — код операции; АЛУ — арифметическо-

логическое устройство; * — коды операций для ВЗУ и УВВ; Опнд — операнды;

Рез — результаты; А — адреса; Км — команда; ОЗУ — оперативное запоминаю-

щее устройство; {ВЗУ} — внешние запоминающие

устройства (множественное

число); Пр, Д — программа, данные; {УВВ} — устройства ввода-вывода; ИП —

источники питания; {ВспУ} — вспомогательные устройства.

Как видно из рис. 1.4, программа и данные вводятся в ОЗУ. Затем каждая ко-

манда (Км) программы, начиная с первой, передается в ЦУУ, где "препарируется":

код операции (КОп) направляется, например, в АЛУ, адреса операндов

и результа-

та — в ОЗУ. АЛУ выполняет операцию, указанную в коде команды, для операн-

дов, принятых из ОЗУ, и направляет туда результат операции.

Принцип образования кибернетического устройства (автомата) требует нали-

чия обратной связи (ОС). И она в схеме рис. 1.4 есть — это связь от АЛУ к ЦУУ,

где передается признак результата (ПР

). Например, при выполнении операции

сложения при нулевом результате ПР = 0, при положительном результате ПР = 1,

при отрицательном — ПР = 2, при переполнении ПР = 3 (тогда для позиционного

кодирования ПР достаточно всего 2 двоичных разрядов — 00, 01, 10, 11).

В архитектуре любой ЭВМ можно выделить такие четыре иерархии, т.е. сис-

темы соподчиненных уровней: структуры, памяти, управления, интерфейсов. По-

следняя иерархия,

правда, в схемах машин первого-второго поколений в явном ви-

де не присутствует.

Иерархия структуры означает наличие центральных устройств (на рис. 1.4

это выделенные двойными рамками АЛУ, ЦУУ, ОЗУ) и периферийных уст-

ройств, к которым относятся все остальные устройства (ИП, ВспУ — это особый

вид устройств, они с остальными устройствами машины явным образом

не связа-

ны). Кстати, начиная с машин 3-го поколения АЛУ и ЦУУ становятся основными

компонентами процессора.

Иерархия управления также представлена двумя уровнями — центральное

УУ и местные УУ, иначе называемые контроллерами соответствующих устройств

и на рис. 1.4 явно не показанные. По-другому — это управляющие автоматы.

Кстати, и для пультов управления существует аналогичная

иерархия: ЦПУ

и местные пульты управления, на рис. 1.4 опять же не показанные (но они есть).

Иерархия памяти на рис. 1.4 представлена ОЗУ и ВЗУ. Дело в том, что основ-

ные требования к памяти — быстродействие и емкость — противоречивы. Внеш-

ние ЗУ (накопители на магнитных лентах, барабанах, дисках — были даже на

магнитных картах) имеют

практически неограниченную емкость (в отличие от

ОЗУ), но невысокое быстродействие (опять же, в отличие от ОЗУ). Поэтому имеет

смысл показанный на рис. 1.4 двусторонний обмен между ОЗУ и множеством ВЗУ.

Есть и еще один уровень в иерархии памяти — это сверхоперативные ЗУ

(СОЗУ). Они бывают разных типов, входят в состав АЛУ, ЦУУ

и на рис. 1.4 не по-

казаны.

Развитие структуры связывается с ЭВМ промежуточного поколения 2,5 («два

с половиной»). Это транзисторные машины, но с вполне современным программ-

ным обеспечением (ОС и т.д.). Среди отечественных машин яркими представите-

лями этого поколения являются БЭСМ-6, М-222 и «Минск-32». Здесь появляются

прообразы каналов ввода-вывода (КВВ) — так называемые «направления» (мед-

ленные и

быстрые), алфавитно-цифровые (не графические еще) дисплеи и специ-

фические периферийные устройства (графопостроители, дисковые накопители

НМД и др.). В последнем случае ВЗУ и УВВ поставлены «на одну доску» (так

и было в ЭВМ Единой системы, например, — это просто «внешние устройства»,

ВУ).

1.3. Функциональная и структурная организация ЭВМ общего

назначения третьего, четвертого и пятого поколений

ЭВМ 3-го поколения появились в 60-е/70-е годы прошлого века (IBM 360, IBM

370 в США, ЕС ЭВМ — в СССР). Это машины общего назначения («большие»

машины, мэйнфреймы). В базовой структуре машин 3-го поколения (рис. 1.5)

можно выделить пять уровней функциональных устройств: процессор (Пц); опе-

ративная память (ОпП); каналы ввода-вывода (КВВ); устройства управления

внешними устройствами

(УВУ); внешние устройства (ВУ) [9, 10, 12, 16].

Другие сокращения на рис. 1.5: БУП — блок управления памятью (контроллер

оперативной памяти); ПР — признак результата, вырабатываемый при выполне-

нии команды ввода-вывода (КмВВ); Прер — сигналы запросов на вводо-выводное

прерывание; ИФОпП — интерфейс оперативной памяти; ИФВВ — интерфейс

ввода-вывода (каждый канал имеет собственный ИФВВ); МК — мультиплексный

канал; СК —

селекторный канал; ИФ Пц-ВВ — интерфейс «Процессор — каналы

ВВ»; МИФВВ — малый интерфейс ввода-вывода.

Четвертая иерархия — интерфейсная — представлена на рис. 1.5 четырьмя

уровнями. При этом интерфейсы 1 и 2 совместно образуют так называемый сис-

темообразующий (системный) интерфейс.

Развитие ЭВМ 3-го поколения общего назначения (мэйнфреймов) привело

к изменению в составе КВВ (табл. 1.2).

Сокращения в табл

. 1.2: МПР — мультиплексный режим (частое переключе-

ние, канал работает поочередно с множеством относительно медленных уст-

ройств); БлМПР — блок-мультиплексный режим (здесь в отличие от МПР за сеанс

передаются не один или несколько байтов, а блок); МнПР — монопольный ре-

жим (переключения нет, обмен данными производится до конца); СР — селектор-

ный режим; МК —

мультиплексный канал (его основной режим МПР отмечен

двумя звездочками); БтМК — байт-мультиплексный канал (в отличие от БлМК);

БлМК — блок-мультиплексный канал (вытеснил-заменил селекторный канал).

Рис. 1.5. Базовая структура ЭВМ третьего поколения

Таблица 1.2

Каналы ВВ и их режимы

Режим

Канал ВВ

МПР БлМПР МнПР (СР)

МК (БтМК)

** *

СК

БлМК

** *

Селекторные, а позднее блок-мультиплексные, каналы ВВ обслуживают отно-

сительно быстрые ВУ (ленточные, дисковые накопители и т.п.).

Понятия математического и программного обеспечения не тождественны. Ма-

тематическое обеспечение можно определить как совокупность алгоритмов,

реализуемых на всех уровнях: аппаратном, микропрограммном и программном

(табл. 1.3). Так что для программного обеспечения остается только последняя

составляющая математического обеспечения. Само программное обеспечение

(ПО) делится на общее (ОПО) и специальное (СпецПО).

Другие сокращения в табл. 1.3: ОС — операционная система; Упр — система

(подсистема) управления; СВ — супервизор; Пр — система программирования; Тс

— трансляторы; О — система обслуживания; Библ — библиотекарь; Ред — редак-

тор; Т — система тестирования; Диагн — диагностика; ППП — пакеты приклад-

ных

программ; ФАП — фонд алгоритмов и программ.

Организации ЭВМ третьего поколения свойственны специфические прин-

ципы, т.е. отсутствовавшие в ЭВМ первого и второго поколений.

Таблица 1.3

Структура программного обеспечения

ОПО (ОС) СпецПО

Упр

(СВ)

Пр

(Тс)

(Библ, Ред, …)

(Диагн, …)

ППП

(ФАП, …)

1. Многообразие форматов данных и команд

В старых машинах данные и команды укладывались в один формат (иногда

в два), например 20, 37, 40, 48, 50 двоичных разрядов. Как видно, разрядность

ЭВМ определялась каждым разработчиком по-разному (как будто — произволь-

но). В машинах 3-го поколения все форматы кратны одному байту (8 двоич-

ных разрядов). При этом 2

байтам соответствовало полуслово (в современных

мини- и микроЭВМ это до сих пор слово), 4 байтам — слово, 8 байтам —

двойное слово, 16 байтам — счетверенное слово.

Многообразие форматов данных связывалось с разными формами представле-

ния чисел (без знака, целые, с плавающей запятой, десятичные, …). Отсюда —

даже условное деление системы команд на стандартную (целые числа), науч-

ную (

числа с плавающей запятой) и экономическую (десятичные числа) под-

системы. Естественно, такое множество форматов данных соответствовало и мно-

гообразию достигаемых значений точности и диапазонов представления данных.

Форматы команд также многообразны, хотя все они, по преимуществу, были 2-

адресные. Например, в ЕС ЭВМ (IBM 360, IBM 370) — это форматы RR, RX, RS,

SI (S), SS. Здесь R — указатель на регистровый адрес; X, S — на память; I —

на

непосредственный операнд.

2. Гибкое микропрограммное управление

По-другому это — «управление по хранимым микропрограммам», «управле-

ние с программируемой логикой», «управление с использованием П-

управляющего автомата (П-УпрА)».

Ранее были только управляющие автоматы «с жесткой логикой» (Ж-УпрА).

В 1953г. появляются автоматы Уилкса-Стринджера на программируемых

логических матрицах (ПЛМ). Это еще

«структурно» Ж-УпрА, но «идейно» — уже

провозвестники П-автоматов. Кстати, автоматы с жесткой логикой до сих пор со-

хранились, но занимают «десятые» места (управление интерфейсами, например),

причем используются неканонические структуры УКС (унитарное кодирование

состояний) и РС (распределение сигналов).

Переход на П-уровень микропрограммного управления обеспечивает 3 таких

эффекта:

— независимая (и параллельная) работа проектировщиков УпрА — схемо-

техников («железо», hard) и микропрограммистов («функции», soft);

— микропрограммная эмуляция системы команд старой машины (на-

пример, «Минск-32»; это базовая, в прошлом, машина АСУ) на новой машине

(например, ЕС-1035);

— универсальность, гибкость системы команд. Достаточно хотя бы

часть микропрограммной памяти (МПП) сделать перезагружаемой (не постоян-

ной, а

оперативной). Конечно, речь не идет о каждодневной смене системы ко-

манд. Обычно, это обновление касается прогрессирующих средств диагностики.

Кроме того, достаточно консервативные компоненты ОС желательно представить

не на языке высокого уровня (например, Си), а на уровне микрокода. Это способ-

ствует повышению эффективности ЭВМ. В последнее время рассматривается да-

же вопрос

о загрузке адекватной конфигурации процессора, т.е. наиболее

соответствующей текущей обстановке. С этой целью привлекаются устройства,

например, флэш-памяти.

В конце концов, здесь можно усмотреть опять принцип косвенности, достав-

ляющий эту самую гибкость

-универсальность.

3. Совмещение команд и параллельная работа устройств

В старых машинах совмещения (перекрытия) команд не было: до окончания

текущей следующая не начиналась. Совмещение команд (а также, возможно, мик-

рокоманд, программ и даже операционных систем) приводит к некоторому ухуд-

шению индивидуальных характеристик (время выполнения отдельной команды

несколько увеличивается из-за так

называемых издержек диспетчеризации),

но в целом получается весьма существенный положительный эффект — резко со-

кращается общее время выполнения программы (микропрограммы, …).

4. Страничная организация памяти

Оперативная, а также внешняя память, разбивается на страницы фиксирован-

ной емкости (например, 2Кбайт = 2048 байтов или 4Кбайт = 4096 байтов). Обмен

между оперативной и внешней памятью производится с точностью

до страницы,

т.е. страница — это единица такого обмена. Естественно, есть и минус — недоис-

пользование отдельных страниц.

5. Динамическое распределение памяти

В старых машинах распределение памяти было статическое. Сам програм-

мист распределял всю имевшуюся в его распоряжении оперативную память, и это

распределение сохранялось до полного окончания выполнения программы.

В связи

с наблюдающимся (до сих пор) дефицитом емкости оперативной памя-

ти и разделением этого ресурса множеством программ (или отдельных фаз одной

и той же программы) характерным стало использование не сплошных массивов,

а разбросанных по разным областям памяти «заплат». При этом картина распре-

деления памяти приобрела переменный вид («Карта памяти»), появились специ-

альные компоненты ОС — планировщики памяти, причем даже — оптими-

зирующие.

6. Виртуальная память

Виртуальная память (virtual — фиктивный, кажущийся) — это условно расши

ренная оперативная память (с присоединением части дисковой, например, памя-

ти). Дело в том, что адрес, указываемый в команде («логический», «математиче-

ский»), ориентирован на емкость такой виртуальной, относительно большой па-

мяти, в то время как реальная оперативная память соответствует адресу «реально-

му», «физическому». Например, в ЭВМ Единой системы (ряд 1 и 2) логический

адрес был 24-разрядным, а реальный (физический) — 20-разрядным (емкость

оперативной памяти всего 1

байт, по тем временам — не очень малая). Таким

образом, недостающие 15

Μ байтов размещались в дисковой внешней памяти,

и требовался специальный механизм преобразования («динамическая переадреса-

ция») логического адреса в реальный. При этом не исключалась и «подкачка»

страниц из внешней памяти в оперативную (swaping). В СМ ЭВМ, правда, ситуа-

ция была обратная: логический адрес был 16-разрядный (рассчитанный на адрес-

ное пространство оперативной памяти 64 Кбайт), а

реальный мог достигать и 22

разрядов (4

Μ байт оперативной памяти в последних моделях).

Дефицит оперативной памяти приводил к необходимости так называемых

оверлейных программ с резидентной корневой фазой и загружаемыми-

выгружаемыми остальными фазами. Виртуальная память позволяет освободиться

от такой зависимой программной структуры (пример режима SVS в системе

ОС-360).

7. Мультипрограммирование

Мультипрограммный режим работы означает выполнение программ

с совмещением (перекрытием

) их. Ситуация аналогична совмещению команд

(микрокоманд, ОС и т.п.).

Различают два вида мультипрограммирования: пакетная обработка задач (ПОЗ)

и оперативная обработка (ОО). В последнем случае говорят еще «Диалог» (ОД)

и «Запрос-Ответ» (ОЗО). Отличие ОЗО от ОД только в более медленной реакции

на запрос пользователя (может быть, это минуты, если

имеется в виду какая-то

справочная система и т.п.).

Коэффициент мультипрограммирования m, уровень мультипрограмми-

рования М, количество параллельно используемых устройств N входят в сложное

неравенство:

1 ≤ m ≤ M ≤ N .

M — это количество программ, загруженных в память ЭВМ для обработки

с совмещением их, а m — количество активных (инициированных) программ. m=1

соответствует работе без совмещения программ (однопрограммный режим).

В машинах ЕС ЭВМ было m ≤ 15 для мультипрограммных режимов MFT (фикси-

рованное число задач-программ) и MVT (переменное число задач-программ).

В режиме SVS (система с виртуальной памятью) m не

ограничивалось (значением

15).

Для пакетной обработки задач инверсный (минимизируемый) критерий эффек-

тивности — функция штрафов (c

) за простои устройств (τ

.cK

ii1

∑

τ=

— это весовые коэффициенты.

Для оперативной обработки инверсный критерий учитывает еще и штрафы (c

)

за простои задач (τ

) :

∑

τ+=

jj12

cKK

8. Защита памяти

Защита памяти — это подпринцип по отношению к принципу мультипрограм-

мирования, совершенно обязательный, необходимый.

Речь идет о разделенной общей оперативной памяти между несколькими (m)

программами. При этом необходимо исключить так называемый несанкциониро-

ванный доступ (к «чужой» области памяти). Кроме того, есть и побочный эффект

— обнаружение ошибки программирования (

неумышленный несанкционирован-

ный доступ).

9. Прерывания

Как и защита памяти — это подпринцип принципа мультипрограммирования.

Речь идет о переходе от одной программы (прерываемой) к другой программе

(прерывающей). Частным случаем прерываний можно считать переключение за-

дач (мультизадачность).

10. Модульность

Построение из модулей (блоков, секций, ...) характерно, например, для опера-

тивной памяти. Хотя можно рассматривать модули процессоров и т.п. С этим свя-

зано и понятие конфигурируемость-масштабируемость, когда можно от-

носительно просто изменять (увеличивать, уменьшать) количество используемых

однотипных устройств — при сохранения алгоритма (программы).

Свойство модульности позволяет легко производить

замену модулей (в случае

ремонта). Модульность означает регулярность, однородность (однородные вы-

числительные среды и т.п.).

11. Модельность

Здесь имеется в виду деление семейства машин: младшие модели — средние

модели — старшие модели. При переходе от младших моделей к средним и т. д.

сохраняется программная совместимость и повышается производительность.

Иногда говорят о

«Принципе ЗМ» — модульность (10), магистральность

и микропрограммируемость (2). Магистральность — это магистральный (шин-

ный) способ организации межустройстной связи, в отличие от индивидуального

(радиального) способа.

Рассмотренные выше 11 специфических принципов построения ЭВМ 3-го по-

коления получили дальнейшее развитие в следующих представителях тех же се-

мейств ЭВМ (например, IBM 370 / ЕС ЭВМ — ряд 2, ряд 3): режим расширенного

управления, повышенная

точность, перезагружаемая микропрограммная память

и т. п.

Функциональная и структурная организация ЭВМ 4-го поколения

Главная черта-признак ЭВМ 4-го поколения — многопроцессорность (факти-

чески это уже суперЭВМ, или вычислительная система).

В схеме отечественного МПВК (многопроцессорного вычислительного ком-

плекса) «Эльбрус» (модели 1,2,3, …), имеющего в качестве зарубежного прототи-

па ЭВМ семейства СДС, — 10

модулей центральных процессоров (ЦП на рис.

1.6), 8 секций оперативной памяти (ОпП) по 4 модуля в каждой, матрица перекре-

стной коммутации (МПК) 14х8, 4 процессора ввода-вывода (ПцВВ), управляющих

местными периферийными устройствами (ПфУ) и через 16 процессоров передачи

данных (ППД) — удаленными ПфУ, а также массовая память на магнитных лентах

(НМЛ), барабанах (НМБ) и дисках (НМД

) с включением специальных оптимиза-

торов.

Матрица перекрестной коммутации (МПК) представляет собою самый затрат-

ный способ организации связей между элементами системы (14 процессоров и 8

секций оперативной памяти). Фактически в представленной на рис. 1.6 модели