Вставская Е.В. Архитектура ЭВМ, систем, сетей, лекции

Подождите немного. Документ загружается.

После возникновения отказа ЭУМ ремонтируют с целью восстановления

её работоспособности. Затраты времени на восстановление складываются из

времени поиска неисправности с точностью до типового элемента замены

(ТЭЗ) (съёмной платы) и времени его замены и характеризуются средним

временем Т

восстановления.

Комплексной характеристикой надежности ЭУМ является коэффициент

готовности K

=Т



/(Т



+Т

), определяющий долю времени, в течение которого

ЭУМ работоспособна, или вероятность того, что в произвольный момент

ЭУМ находится в работоспособном состоянии.

Важнейшей экономической характеристикой ЭУМ является её

стоимость С, естественно, зависящая от основных технических ха-

рактеристик. Простейшим соотношением, связывающим между собой

стоимость и быстродействие ЭУМ, является эмпирически установленный

закон Гроша, в соответствии с которым





ном

Более полно влияние основных технических характеристик ЭУМ на её

стоимость отражает соотношение



 r)E(kC

ном

где 0<

, 

<1, k

, k

- эмпирические коэффициенты, учитывающие

влияние на стоимость используемой элементной базы и технологии

производства оборудования ЭУМ.

Совокупность требуемых характеристик полностью определяет тип

применяемой ЭУМ, её конфигурацию, состав аппаратных средств и

программного обеспечения.

1.4 Типовой состав аппаратных средств ЭУМ

На рис.5 представлена типовая схема вычислительной и управляющей

ЭВМ. Так как различия между двумя типами ЭВМ на этом уровне описания

несущественны, то схема, представленная на рис.5 и считается типовой,

отражающей общие принципы построения всех цифровых ЭВМ.

Процессор

ОУ

БМУ

ШМУ

Схема

синхронизации

начальной

установки

Интерфейс процессора

Шина адреса ( ША )

ПЗУ

ОЗУ

ППА

ПСА

Шина данных ( ШД )

Шина управления ( ШУ )

Интерфейс памяти

Параллельное

УВВ

Последовательное

УВВ

Интерфейс внешних устройств

ОУ - операционное устройство;

БМУ - блок микропрограммного управления;

ШМУ - шина микропрограммного управления;

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство;

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство;

ППА - программируемый параллельный адаптер;

ПСА - программируемый связной (последовательный) адаптер.

Рис.5 Типовая схема ЭВМ

Различные ЭВМ отличаются друг от друга объёмом и характеристиками

ПЗУ и ОЗУ, вычислительной мощностью процессора, составом, количеством

и качеством внешних устройств. Вследствие различия в элементной базе,

количественном и качественном составе блоков ЭВМ их стоимость

отличается в тысячи раз.

1.5 Запоминающие устройства ЭУМ

1.5.1 Классификация ЗУ

На рис.6 представлена классификация запоминающих устройств ЭЦВМ.

Запоминающие устройства

Функциональное

назначение

Способ доступа к

ячейкам памяти

Способ сохранения

информации

Физическая

природа ЗЭ

назначени

СОЗУ

ОЗУ

ПЗУ

ВЗУ

Произ-

вольный

После-

дователь-

ный

Цикли-

ческий

Динами-

ческий

Статиче-

ский

Магнит-

ные

Полупро-

воднико-

вые

Оптиче-

ские

Рис.6 Классификация запоминающих устройств

Классификация ЗУ. Классификация ЗУ позволяет выявить принципы

построения и свойства различных типов ЗУ. Запоминающие устройства (рис.

6) классифицируют по следующим признакам: функциональному

назначению, способу доступа к ячейкам, способу хранения информации и

физической природе запоминающих элементов (ЗЭ).

По функциональному назначению различают сверхоперативное,

оперативное, постоянное и внешнее ЗУ. Сверхоперативное запоминающее

устройство (СОЗУ) входит в структуру центрального процессора и является

его вспомогательным блоком, способствующим повышению

производительности ЦПр за счёт возможности хранения промежуточных

данных в процессе выполнения различных программ и уменьшения числа

обращений к ОЗУ. Сверхоперативное ЗУ строится на тех же элементах, на

которых выполнены все остальные блоки ЦПр, поэтому время записи и

считывания информации СОЗУ соизмеримо со временем переключения

элементов ЦПр. Время выборки нужной ячейки СОЗУ зависит от его

ёмкости. Обычно ёмкость СОЗУ составляет не более 64 ячеек, разрядность

которых принимается равной разрядности других внутренних узлов ЭУС.

Оперативное запоминающее устройство является основным видом ЗУ и

служит для хранения изменяющейся информации о состоянии устройств

коммутационного и управляющего оборудования, а также состояний линий,

подключенных ко входам и выходам узла коммутации. Оперативное ЗУ

имеет сравнительно большую ёмкость и высокое быстродействие, однако

меньшее, чем СОЗУ. Ёмкость ОЗУ обычно составляет несколько десятков

тысяч … десятков миллионов и более ячеек, время обращения - от

наносекунд до единиц микросекунд.

Постоянное запоминающее устройство используется только для

хранения и выдачи не изменяющейся информации (программ, постоянных

данных о структуре коммутационного поля и т. п.). Запись в ПЗУ

осуществляется однократно при его изготовлении или пользователем при

отладке оборудования ЭУС. Время обращения к ПЗУ обычно то же, что и

время обращения к ОЗУ или несколько меньше, так как информация

считывается из ПЗУ без разрушения и затрат времени на регенерацию.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) предназначены и широко

применяются для запоминания, хранения и выдачи больших объёмов

информации, таких как данные о нагрузке и ее изменениях, данные о

повреждениях и т. д., поэтому ВЗУ называют накопителями. В качестве ВЗУ в

настоящее время в основном используют накопители на магнитных лентах и

на магнитных дисках.

По способу доступа к ячейкам различают ЗУ с произвольным,

последовательным и циклическим доступом. При произвольном доступе

обращение к любой ячейке ЗУ осуществляется независимо от её

расположения в ЗУ. К таким ЗУ относятся СОЗУ, ОЗУ и ПЗУ. Данный способ

является наиболее гибким и совершенным по отношению ко всем остальным

способам доступа. Он обеспечивает наименьшее время поиска адреса

требуемой ячейки ЗУ.

При последовательном доступе обращение к заданной ячейке ЗУ

происходит в порядке позиционного расположения адресов ячеек в подобных

ЗУ. Типичным представителем ЗУ с последовательным доступом служит

накопитель на магнитной ленте (НМЛ). При работе с НМЛ для обращения к

заданной ячейке (или заданной области ЗУ) необходимо предварительно

обратиться ко всем ячейкам (областям), лежащим между той, к которой

произошло обращение в данный момент, и требуемой ячейкой (областью).

При последовательном доступе время поиска требуемой ячейки (области)

может иметь довольно значительную величину. В данном случае оно зависит

от местоположения адресуемой ячейки (области) на НМЛ. Если адресуемая

ячейка (область) находится близко к началу ленты, время поиска

относительно невелико; если же адресуемая ячейка (область) расположена

ближе к концу ленты, то время поиска сильно возрастает, поэтому время

поиска в НМЛ оценивают по величине среднего значения.

При циклическом доступе нужная ячейка периодически появляется под

записывающими (считывающими) головками и в момент её появления

осуществляется запись в данную ячейку или считывание из неё. Такой

способ применяется в ВЗУ - накопителях на магнитном диске (НМД). Так

как НМД представляет собой совокупность дорожек, каждая из которых

разделяется на секторы, то время поиска требуемой ячейки складывается из

времени нахождения определенной дорожки и сектора и времени поиска в

последнем нужной ячейки. Это время превышает время поиска

информации при способе с произвольным доступом и значительно меньше,

чем при способе с последовательным доступом.

По способу хранения информации ЗУ подразделяются на статические и

динамические. В статических ЗУ при считывании из ячейки её содержимое

не изменяется, поэтому содержимое одной и той же ячейки можно

многократно считывать. При записи информации в заданную ячейку

прежняя, ранее записанная в неё информация, стирается и в ячейке

размещается новая информация. К статическим ЗУ относятся все типы ВЗУ,

СОЗУ, ПЗУ и отдельные виды ОЗУ. Для динамических ЗУ характерным

является разрушение информации в ячейке через определенный промежуток

времени после её считывания, поэтому в таких ЗУ предусматриваются

специальные функциональные узлы для восстановления (регенерации)

информации, считанной из данной ячейки ЗУ. Очевидно, что в динамических

ЗУ время обращения при считывании информации увеличивается, если

момент обращения попадает на период регенерации информации. К

динамическим ЗУ относятся только ОЗУ.

По физической природе запоминающих элементов все ЗУ разделяются

на магнитные, полупроводниковые и оптические. В основу всех этих ЗУ

положено свойство 3Э иметь два устойчивых состояния.

Магнитные ЗУ строятся на магнитных элементах. Один магнитный

элемент служит для хранения единицы информации (бита). В качестве ЗЭ

используются ферромагнитные материалы (ферриты) или покрытия

(сплошные магнитные пленки), сохраняющие остаточную намагниченность

того или иного знака, один из которых отождествляется со значением 1,

другой - со значением 0. Запись и считывание в магнитных ЗУ

осуществляются изменением напряженности электрического или магнитного

поля. В качестве магнитных ЗУ используются в основном накопители на

магнитных лентах и накопители на магнитных дисках.

Запоминающим элементом полупроводниковых ЗУ является

интегральная схема, представляющая собой обычный триггер, который

может быть установлен в состояние 0 или 1. Если триггер находится в

состоянии 1, то это состояние в нём сохраняется до тех пор, пока не будет

подан сигнал, переводящий его в 0, или не будет выключено питание. Запись

и считывание в полупроводниковых ЗУ производится электрическим путем.

Полупроводниковые ЗУ применяются в ЭУС в качестве внутренних ЗУ.

Весьма надёжными являются оптические ЗУ. Информация в таких ЗУ

хранится в виде рисунка из участков носителя с различными оптическими

характеристиками на гладкой плоской поверхности (например, на карте,

пластинке, диске). Считывание информации производится световым лучом,

проходящим через носитель или отражающимся от него. Прозрачный элемент

поверхности, пропускающий световой луч, соответствует 1, а непрозрачный -

0. При считывании световые сигналы преобразуются в электрические.

Оптические ЗУ используются в качестве ПЗУ или накопителей - ВЗУ.

1.5.2 Иерархическая структура построения ЗУ ЭУМ

При практическом построении запоминающих устройств обеспечение

наилучших характеристик ЗУ невозможно, так как они являются технически

противоречивыми. Например, при увеличении объёма ЗУ обязательно

увеличивается время доступа к запоминающим элементам. Выход из этой

ситуации состоит в иерархическом построении памяти ЭУМ.

Иерархическая структура предполагает разделение всей памяти ЭУС на

несколько уровней и для практически применяемых ЭУС эта структура

памяти представлена на рис.7. Признаком принадлежности ЗУ тому или

иному уровню служат основные характеристики ЗУ: ёмкость Е, время

обращения T

обр

и удельная стоимость С. Изменение значений этих

характеристик показано в правой части рис.7 в виде вертикальных линий,

направление которых указывает на их увеличение.

Все ЗУ распределены по четырем уровням. На первом уровне находится

сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ), на втором - постоянное

запоминающее устройство (ПЗУ), на третьем - оперативное запоминающее

устройство (ОЗУ) и, наконец, на четвертом - внешние запоминающие

устройства (ВЗУ). Обмен информацией между ЗУ разных уровней

обеспечивается через стандартные интерфейсы (И2-И6) и каналы ввода-

вывода (КВВ). Интерфейс И1 показан на рис.7 для связи с периферийными

управляющими устройствами (ПУУ) и цифровым коммутационным полем

(ЦКП). Из рисунка видно, что для СОЗУ не требуется интерфейс при обмене

информацией с Пр, так как СОЗУ входит в состав структуры Пр. Для связи с

ПЗУ и ОЗУ необходимо использование интерфейсов И2 и ИЗ.

УУ и ЦКП

И1

Пр

СОЗУ

Уровни ЗУ

ПЗУ

И2

ОЗУ

И3

И4

КД

КВВ

И5

ИУУ

ВЗУ

ВУ

ГУУ

И6

ВЗУ

Е С Т

обр

Рис.7 Иерархическая структура памяти ЭУМ

Наиболее сложная иерархия взаимосвязи требуется для обмена

информацией между внешними запоминающими устройствами (ВЗУ), ОЗУ и

пр. Эта взаимосвязь осуществляется с помощью трех интерфейсов И4-И6,

коммутатора доступа (КД) и каналов ввода-вывода (КВВ).

В зависимости от типа ВЗУ последние могут иметь индивидуальные

управляющие устройства (ИУУ) или групповые управляющие устройства

(ГУУ). Индивидуальные УУ являются принадлежностью устройства ВЗУ и

не требуют введения специального интерфейса, а для групповых УУ при

связи с ВЗУ необходимо использовать интерфейс (на рис.7 И6). В связи с

применением в ЭУС нескольких типов внешних устройств, обладающих

различными временными характеристиками, для управления обменом

информацией между ВУ и ОЗУ с Пр используются два типа КВВ:

селекторные и мультиплексные.

Селекторный канал (СК) применяется для подключения к ЭУС внешних

ЗУ. При обмене информацией с ВЗУ устройства СК монополизируются

работающими ВЗУ и обращение к другому ВЗУ задерживается до момента

окончания обмена информацией данного ВЗУ с ОЗУ и Пр, поэтому СК

работает в монопольном режиме. Обычно для связи с ВЗУ в ЭУС

используются два СК, к одному из которых подключаются ВЗУ с

относительно малым временем обращения типа НМД, а к другому - ВЗУ со

значительным временем обращения типа НМЛ. К каждому СК в

существующих ЭУС может быть подключено шесть-восемь ВЗУ.

Селекторный канал обеспечивает большую скорость передачи данных при

обмене информацией с ВЗУ и его использование для работы с

низкоскоростными ВУ неэкономично.

С целью эффективного использования быстродействующей аппаратуры

КВВ при работе с низкоскоростными ВУ применяются мультиплексные

каналы (МК). С помощью МК обеспечивается одновременная работа с

несколькими низкоскоростными ВУ с разделением по времени.

Мультиплексный канал работает в режиме временного уплотнения

(мультиплексном режиме). При этом ВУ логически подключается к МК

только на время, необходимое для передачи одного элемента данных,

например, байта. В промежутке времени между передачей двух

последовательных элементов данных ВУ отключается и МК освобождается

для работы с другим ВУ. Циклы передачи данных от различных ВУ

чередуются во времени в порядке поступления из ВУ запросов на