Ершов С.С. Архитектура и организация ЭВМ

Подождите немного. Документ загружается.

МПВК коммутатор является не централизованным, а распределенным — его обо-

рудование размещено в секциях оперативной памяти.

На рис. 1.6 показан также модуль процессора БЭСМ-6, представляющий сво-

его рода машину-предшественника.

...

110

Секции

Модули

ПцВВ

ОП

БЭСМ-6

Модули ЦП

МПК

...

12 34

28293132

...

Массовая

память

ПфУ

НМЛ

НМБ

НМД

Оптимизаторы

ППД

Рис. 1.6. Структура простейшего МПВК «Эльбрус»

Функциональная организация ЭВМ 5-го (6-го) поколения

Проект ЭВМ 5-го поколения объявлен японскими специалистами еще

в октябре 1981г. Основным признаком таких машин считается реализация искус-

ственного интеллекта.

Для ЭВМ предшествующих поколений (рис. 1.7) три основных процедуры

(«Диалог», «Обработка», «Управление») представлены соответствующими компо-

нентами.

Сокращения на

рис. 1.7:

ИД — «Исходные данные»;

Рез — «Результат»;

ЯУЗ — «Язык управления заданиями», т.е. язык ОС (JCL — Job Control Lan-

guage);

ФОп — файл операторов;

ФПр — файл программ;

ФД — файл данных;

СВВ — система ввода-вывода;

Пц — процессор;

П — память.

В гипотетических ЭВМ поколений 5 (6) происходит расщепление указанных

трех процедур (рис. 1.8). Появляются речевой интерфейс и так называемые «Зна-

ния» вместо «Файлов».

Рис. 1.7. Схема функционирования ЭВМ поколений I…IV

Распознавани

речи

Анализ

предло-

жений

Синтез речи

Синтез

предло-

жений

Понимание

предложени

Генерация

ответа

Анализ

проблемы

Решение

проблемы

Знания

естественного

языка

Знания

универсальны

Знания

проблемы

Знания

специальные

Речевой

интерфейс

У П Р А В Л Е Н И Е

Д И А Л О ГО Б Р А Б О Т К А

Рис. 1.8. Схема функционирования ЭВМ поколения V

Ориентировочные оценки быстродействия и емкости оперативной памяти ма-

шин 5-го поколения находятся на уровне примерно 10

ОПЗ/с и 10

байт. Вооб-

ще-то быстродействие здесь оценивается в логических заключениях в секунду

(ОПЗ/с, или FLOPS). И то, и другое значение в настоящее время вполне техниче-

ски достижимы (1 TFLOPS и 1 Тбайт), однако отсутствие таких машин на види-

мом горизонте, очевидно, обусловлено какими-то другими обстоятельствами. На-

пример, в схеме рис. 1.8 «Понимание предложений

» явно указывает на присут-

ствие семантической (смысловой) составляющей, а это, видимо, не просто обес-

печивается…

1.4. Функциональная и структурная организация ПЭВМ

Основной характерной чертой организации мини- и микроЭВМ (ПЭВМ) явля-

ется магистраль как способ организации межустройстной связи. Собственно го-

воря, именно способ такой связи определяет всё — все остальные характеристики

(стоимость, производительность, …) [1, 3, 4, 5, 7, 8, 12, 23-25].

Противоположный способ организации связей — радиальный (индивидуаль-

ный). Для случая всего 3 устройств оба способа представлены на рис. 1.9. Вооб-

ще-то здесь

рассмотрение «по второму разу» (п.1.2). Но это — очень важный во-

прос.

1 2 3

М SLMP

а) б)

Рис. 1.9. Способ организации связей: индивидуальный

-радиальный (а), маги-

стральный

-шинный (б)

Структурно магистраль (рис. 1.10) представляет собою мультиплексор МР

(система управляемых шин с общим выходом), селектор SL (система управляемых

шин с общим входом) и собственно магистраль М (набор линий связи). На рис.

1.10 показана связь выхода устройства 1 и входа устройства 2, поддерживаемая

соответствующими управляющими сигналами в MP и SL.

Обычно сравнение способов связи проводят

по 4 параметрам (п.1.2):

— быстродействие, характеризующееся длительностью такта Т;

— производительность W (количество одновременно-совместно выполняемых

микроопераций передачи);

— стоимость (затраты оборудования) C;

— степень универсальности (гибкости) U.

Длительность такта Т в обоих способах примерно одинакова. Она несколько

больше в магистрали за счет прохождения данных через МР (И-ИЛИ) и SL (И).

Рис. 1.10. Структура магистрали

А вот производительность магистрали значительно ниже, чем при радиальном

способе. В магистрали одновременно реализуется всего одна микрооперация пе-

редачи (в случае рис. 1.10). В принципе, конечно, можно представить себе ситуа-

цию с одним источником и несколькими приемниками, но это, видимо, редкий ва-

риант. В радиальном же способе ограничений

на количество одновременно реа-

лизуемых микроопераций передачи неограниченно.

Главной причиной использования именно магистрального способа в мини-,

а затем и в микроЭВМ (ПЭВМ) является его дешевизна (экономичность). Обору-

дование магистрали максимально обобществлено («одна ложка в столовой на

всех»).

Наконец, еще одно немаловажное преимущество магистрали — в ее универ-

сальности-гибкости. При добавлении

в систему нового устройства (четвертого

для рис. 1.9) полный орграф 4-го порядка (рис. 1.9а) потребует существенного

увеличения затрат оборудования. В магистрали же (рис. 1.9б) новые устройства

занимают готовую «нишу» (слот расширения).

Одношинная миниЭВМ PDP-11 (СМ ЭВМ), а затем и ранних ЭВМ (рис. 1.11),

ориентирована на использование так называемой Общей шины (ОШ, Unibus).

Три группы линий

в ОШ представляют адресную подшину АB (address bus), под-

шину данных DB (data bus) и подшину управления CB (control bus).

Доступ к шине управляется специальным устройством (АРБ — арбитр шины).

Арбитраж — вообще широко распространенная процедура реализация дисцип-

лины обслуживания (ДО) конфликтующих запросов (с разным уровнем приори-

тета). Так в программируемом контролере прерываний (ПКП) осуществляется ар-

битраж запросов на прерывание,

в контролере ПДП (прямой доступ к памяти) —

арбитраж запросов на ПДП и т.д. Общая шина предоставляется только одному

устройству — выигравшему конкурс-арбитраж. Абонентами ОШ являются про-

цессор (Пц) или даже его отдельные блоки, оперативная память (ОпП), печатаю-

ОШ

Пц

Кнт Кнт

ПчУ

Кнт

НМД

Удаленные

абоненты

ПДП

...

ОпП

Рис. 1.11. Одношинная архитектура

щее устройство (ПчУ, принтер), накопитель на магнитных дисках (НМД), удален-

ные внешние устройства и т.п. Между контроллерами (Кнт; блок местного управ-

ления; управляющий автомат) и самими внешними устройствами действуют во-

обще-то малые интерфейсы ввода вывода (МИФВВ), на рис. 1.11 не показанные.

В группе линий CB сигналы

действуют не только как управляющие (стрелка

вниз), но и как осведомительные (стрелка вверх). В последнем случае речь идет

о передаче информации «Состояние устройства» в процессор. В связи с этим

часто соответствующие регистры в ВУ так и назывались — РСУ («Состояния

и управления»).

Наконец в режиме ПДП (рис. 1.11) функции адресации и управления

устройст-

вами, осуществляющие взаимообмен данными, берет на себя контроллер самого

устройства (НМД на рис. 1.11) или даже выделенное специализированное цен-

трализованное устройство (КПДП). Это — так называемый внепроцессорный

обмен (ввод-вывод, ОпП ↔ ВУ).

В современных ПЭВМ реализуется многошинная архитектура (рис. 1.12).

Удаление от процессора (центральный процессор, ЦП) приводит к снижению так-

товой частоты

шины, но зато к увеличению возможного количества слотов расши-

рения. Кстати, внутренняя частота самого ЦП гораздо выше (в перспективе — до

20 ГГц).

Можно пока отметить, что шина ISA в ранних моделях ПЭВМ была фактиче-

ски единственной, играя роль системной шины.

Следует также отметить, в некоторых источниках используется терминология,

отличная от представленной на

рис. 1.12. Например, название «Локальная шина»,

«Системная шина» меняются местами. Кроме того, шины типа PCI, ISA, … име-

нуются шинами расширения (в них устраиваются гнезда-слоты расширения).

Способов организации связей между устройствами через Общую шину можно

указать четыре:

— процессор — память. Здесь реализуются команды типа L (load, «загру-

зить»), ST (store, «записать»);

— процессор — периферийное устройство (порт ввода-вывода). В режиме

изолированного ввода-вывода (рис. 1.14) выполняются команды IN и OUT, отра-

женного на память — L, ST, MOV;

— память — периферийное устройство (внепроцессорный обмен, ПДП);

— периферийное устройство 1 — периферийное устройство

100МГц, ...

ЦП

Локальная

шина (шина

процессора)

33МГц, ...

Периферийная

шина (ISA, ...)

10МГц

Системная

шина (PCI)

Рис. 1.12. Трехшинная архитектура

Последний способ на практике обычно не используется.

Алгоритм ПДП, например для дискового накопителя (НМД), на уровне графа

состояний и переходов (ГСП), кроме собственно ПДП, имеет состояние «Инициа-

лизация» (программирование, подготовка к ПДП), соответствующее программ-

ному способу ввода-вывода (рис. 1.13).

Сокращения на рис. 1.13: «Ожд» — «Ожидание»; «Инц» — «Инициализация»;

«Прер» — «Прерывание».

Рис. 1.13. ГСП для ПДП

В состояние «Прерывание» контролер НМД переходит в 3 случаях:

— неприемлемая команда (вообще, ошибка при инициализации);

— ошибка во время обмена ПДП;

— окончание ввода

-вывода (для сообщения об этом операционной системе).

Способы организации ввода

-вывода (ВВ) можно условно интерпретировать

трехмерной картиной (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Способы организации ввода-вывода

Сокращения на рис. 1.14: Пц — «Процессор»; Пр — «Программный»; Б/у —

«Безусловный»; Гот — «По готовности»; Прер — «С прерываниями»; Прзрч —

«Прозрачный»; МНПР — «Монопольный режим»; Приост — «Приостановки»;

Отраж — «Отраженный на память»; Изолир — «Изолированный»; А

ВУ

— «Адрес

внешнего (периферийного) устройства».

Безусловный ВВ означает отсутствие анализа состояния ВУ («Готово — Не

готово») и обратной связи («Выполнен ли ВВ?», «Правильно ли выполнен?»). Это

императивный, директивный ВВ. В какой-то степени соответствует синхронному

принципу взаимодействия устройств, участвующих в обмене.

Ввод-вывод по готовности более эффективный способ ВВ, он соответствует

асинхронному

принципу взаимодействия устройств (рис. 1.15).

Ждущая (возвратная) условная вершина «Гот» («Готово») символизирует при-

остановку. В показанном на рис. 1.15 случае — это приостановка обращения.

Вообще-то может быть и приостановка действия, когда ждущая условная вер-

шина размещается после вершины «ВВ» (т.е. движение по графу микропрограммы

задерживается до полного окончания процессов ВВ).

Гот

ВВ

Рис. 1.15. Ввод-вывод по готовности

Ввод-вывод с прерываниями самый медленный, но зато самый популярный.

Дело в том, что процессор до получения от ВУ запроса на прерывание по вводу-

выводу не простаивает, а выполняет некоторую «фоновую» работу. В результате

общая производительность (загрузка) системы оказывается выше, чем в двух дру-

гих

случаях («Б/у» и «Гот»).

Самый простой способ ПДП — это приостановки. Процессор от шины, пере-

водя свои выходы-передатчики в так называемое третье состояние (высокоимпе-

дансное состояние; Z-состояние). Шина «захватывается» устройством, ведущим

ПДП (DMA-устройство; master bus — задатчик ЗДТ, мастер шины).

Монопольный (МНПР), или блочный режим соответствует длительной при-

остановке процессора (заштриховано на

рис. 1.16). При этом передается весь

предназначенный к ВВ объем информации (блок).

а) Приостановки (одиночный ПДП)

ЦП

ПДП

HOLD, HLDA

Циклы шины

б) Монопольный (блочный) ПДП

Рис. 1.16. Способы организации ПДП

Теоретически возможный «прозрачный» ПДП (рис. 1.17) — гармоничный,

сбалансированный способ ВВ, когда отсутствуют простои с обеих сторон (ЦП

и ПДП). Т.е. шина занимается только тем устройством, которому в данный момент

она нужна. При этом необходимы, по крайней мере, две вещи:

— буферизация данных (на случай невозможности немедленного захвата ши-

ны);

— взаимное

слежение за состоянием (и анализ этого состояния).

Профильная ось на рис. 1.14 имеет две отметки. Изолированный ВВ означает

— адресное пространство оперативной памяти отделено от пространства адресов

ВУ. Т.е. есть, например, ячейка оперативной памяти с номером 5, и есть с таким

же номером ВУ (порт ВВ). В системе команд машины имеются и

разные команды:

L, ST для оперативной памяти и IN, OUT для ВУ.

Рис. 1.17. «Прозрачный ПДП»

ВВ, отраженный на память, соответствует общему адресному пространству.

При этом реальная (физическая) емкость оперативной памяти вынужденно сокра-

щается. В области старших адресов действуют порты ВВ. Например, в старых ми-

ниЭВМ типа СМ-4 из всего объема адресного пространства 64 Кбайт для реаль-

ной оперативной памяти отводилось 56 Кбайт, а

старшие 8 Кбайт выделялись для

регистров (портов) ВУ. 8К — это, конечно, излишне (здесь было множество неза-

действованных адресов). Этот способ ВВ позволяет не иметь специальных команд

ВВ (IN, OUT). Обходятся обычными командами типа L, ST.

В «картине» рис. 1.14, таким образом, фактически должны быть показаны не 6,

а 12 точек ВВ.

1.5. Основные характеристики ЭВМ

Основных характеристик можно выделить шесть [7, 26]:

— операционные ресурсы;

— емкость оперативной памяти;

— быстродействие;

— производительность;

— надежность;

— стоимость.

Сразу можно отметить и неосновные характеристики — эксплутационные, на-

пример:

— габариты;

— масса;

— температурный диапазон;

— мощность;

— обслуживающий персонал;

— …

Операционные ресурсы дают ответ на вопрос, что «в принципе» может де-

лать машина. Т.е. не как, с каким качеством-эффективностью, а именно — «что».

В структуре этой характеристики можно выделить 3 группы более

мелких ха-

рактеристик (составляющих):

— способ преобразования информации;

— характеристики системы команд;

— программное обеспечение, режимы работы и т.п.

Первые 2 группы фактически характеризуют внутренний язык машины.

Способ преобразования информации, в свою очередь, можно подразделить:

— структура (форматы) данных (система счисления, разрядность, форма пред-

ставления чисел, диапазон, точность, код для чисел со

знаком, …);

— способ передачи и обработки информации (параллельный, последо-

вательный, смешанный — последовательно-параллельный или параллельно-

последовательный).

Систему команд характеризуют:

— множество кодов операций (КОп);

— адресность (количество адресов в командах);

— признаки результата (флаги);— порядок выполнения команд (естественный,

принудительный).

Естественный порядок выполнения команд означает выполнение их в порядке

размещения в оперативной памяти, за

исключением команд безусловного и услов-

ного переходов. Принудительный порядок требует указания в каждой команде ад-

реса следующей команды. На практике такой порядок встречается только на уров-

не микрокоманд (это называется — принудительная адресация микрокоманд).

Характеристики программного обеспечения крайне разнообразны. То же

относится и к составляющим мультипрограммного и мультипроцессорного режи-

мов работы.

Попутно следует рассмотреть и вопрос о соотношении различных уровней

реализации алгоритмов (аппаратный, микропрограммный и программный,

рис. 1.18).

При чисто аппаратной реализации имеется только комбинационная схема

(КС), фактически — так называемый «черный ящик», многополюсник. На входе

КС действуют двоичные сигналы, соответствующие значениям отдельных разря-

дов всех аргументов-операндов (их может быть очень много —

входных сигна-

лов). По окончании переходного процесса в КС на ее выходе — множество двоич-