Задачі етапу розробки архітектури

Розробка архітектури комп’ютера в основному зводиться до встановлення межі між окремими рівнями обчислювальною системи з багаторівневою організацією. Після попереднього визначення функцій, які виконуються системою в цілому, задача архітектора комп’ютера – розподілення функцій системи між її окремими рівнями.

Можна сформулювати наступний порядок розробки архітектури комп’ютера.

1. Аналіз вимог, які пред’являються до комп’ютера. На даному етапі визначається загальна архітектура комп’ютера, визначаються фактори, що несуть основне функціональне навантаження: кількість і специфіка мов програмування, характеристики периферійних пристроїв; спосіб і характер взаємодії з оточуючим середовищем (наприклад, режим реального часу, обробка даних, розподіл часу і т.п.); вимоги до операційної системи і т.п.

2. Складання специфікацій. Тут формулюються критерії, що використовуються, і оцінюється їх значимість, визначаються функції комп’ютера у відповідності з прийнятими критеріями. Критерії повинні включати вартість комп’ютера (системи) який проектується, надійність, трудомісткість реалізації, універсальність, здатність до розширення можливостей, швидкодію, простоту програмування і відлагодження програм.

3. Вивчення відомих рішень.

4. Розробка функціональної схеми. Це є основним етапом створення архітектури комп’ютера. На даному етапі встановлюються співвідношення між рівними організації комп’ютера (системи) у відповідності з необхідними функціями і вимогами, які пред’являються до комп’ютера (системи). Розподіляються функції між апаратними засобами і програмним забезпеченням.

5. Розробка структурної схеми. На даному етапі строго визначаються всі елементи архітектури комп’ютера, включаючи визначення типів і форматів команд, способи представлення даних і адресації.

Стосовно до комп’ютерів (комп’ютерних систем) термін “архітектура” визначається як розподілення функцій комп’ютера по окремих його рівнях при точному визначенні границь між даними рівнями. Отже, архітектура комп’ютера (комп’ютерної системи) передбачає існування багаторівневої організації.

Щоб описати комп’ютер (систему), необхідно визначити функцію і структуру комп’ютера (системи).

Функція системи – це правило отримання результатів, які визначаються призначенням системи. Іншими словами, функція системи проявляється в описі процесів, які мають місце в даній системі. Функції системи доцільно описувати в математичній формі. Часто функції систем описують у вигляді (формі) алгоритмів.

Структура системи – це фіксована сукупність елементів і зв’язків між ними. Математично вигідно представляти структуру в формі графу. При цьому вершини графу відповідають елементам, а дуги і ребра – зв’язки між відповідними елементами.

Поняттям більш високого рівня ніж функція і структура є організація. Один і той же принцип організації для різних випадків приводить до систем з різними функціями і структурами. Можна зробити висновок, що функція і структура – це конкретизація принципу організації.

Визначимо термін “ архітектура комп’ютера ” більш вузько у наступній формі.

Архітектура комп’ютера – це абстрактне представлення фізичної системи (апаратних засобів і мікропрограм) з точки зору програміста, який використовує машинно – орієнтовану мову.

Архітектура визначає принципи організації комп’ютера (системи) і функції процесора і не відображає такі проблеми, як керування і передавання даних всередині процесора, особливості систем елементів і технологію виробництва.

 

 

10.4. Архітектурні принципи Джона фон Неймана

 

Великий вклад в розвиток обчислювальної техніки (побудови ЕОМ чи комп’ютерів) вніс відомий фізик і математик Джон фон Нейман. Він брав участь в розробці принципів програмування першого американського комп’ютера ЕНІАК, який був створений в 1945 році. Фон Нейман сформулював основні принципи побудови комп’ютерів, які в подальшому були названі його іменем.

Принципи фон Неймана

1. Принципи програмного керування (управління) роботою комп’ютера. Програма складається з окремих кроків – команд. Послідовність команд є програмою.

2. Принцип умовного переходу. Можливість змінювати послідовність обчислення в залежності від отриманих проміжних результатів.

3. Принцип зберігання програми. Команди представляються в числовій формі і зберігаються в тому ж ОЗП, що і дані для обчислень. Таким чином, команди можна подавати в арифметичний пристрій і перетворювати як звичайні числа. Це дозволяє створювати програми, які здатні в процесі обчислень змінювати самі себе.

4. Використання двійкової системи числення для представлення інформації.

5. Принцип ієрархічності запам’ятовуючого пристрою. Дані, які найбільш часто використовуються, зберігаються в найбільш швидкодіючому ЗП порівняно малої ємкості, а дані, які використовуються досить рідко – в самому повільному, але набагато більшої ємкості.

Більшість комп’ютерів першого покоління будувались на основі даних принципів, тому їх і називають машинами фон Нейманівського типу. Важливо відмітити, що архітектура персональних комп’ютерів повністю базується на принципах фон Неймана і тому вони також є машинами фон Нейманівського типу. На даний час архітектура сучасних комп’ютерів недалеко відійшла від даних принципів. В якості альтернатив цього напрямку слід назвати комп’ютери побудовані на основі напрямку розвитку трансп’ютерних мікропроцесорів, тобто комп’ютерів побудованих на основі трансп’ютерів.

 

10.5. Типи сучасних комп’ютерів

 

Великі успіхи в розвитку обчислювальної техніки, в основі яких лежить досягнення в області мікроелектротехніки, архітектури обчислювальних машин, програмного забезпечення, привели до значного розширення сфери застосування комп’ютерів.

Початково порівняно вузька сфера застосування комп’ютерів, головним чином для наукових і технічних розрахунків, за короткий термін суттєво розширилась і охопила майже усі області науки, техніки, планування й управління технологічними процесами, всі області діяльності людини, які зв’язані з обробкою великих об’ємів інформації.

Різноманіття області й форм використання комп’ютерів породило спектр вимог до характеристик і особливостей організації машин і систем. В результаті на даний час у відповідності з областями застосування визначились основні типи комп’ютерів, які суттєво відрізняються не тільки за кількісними характеристиками, але і за архітектурою, електронно–технологічною базою і периферійними пристроями, які використовуються. Основні засоби сучасної обчислювальної техніки (сучасні комп’ютери) можна класифікувати наступним чином: комп’ютерні системи (суперкомп’ютери), комп’ютери загального призначення, малі (міні–) комп’ютери, мікро– і персональні комп’ютери, мікропроцесори.

На рисунку 10.6 типи комп’ютерів приведені у відповідності до основних областей застосування. Приведені розділення є досить умовними через те, що межі між типами комп’ютерів швидко змінюються під впливом успіхів у розвитку мікроелектроніки й архітектури комп’ютерів.

 

Суперкомп’ютери

До надпродуктивних комп’ютерів (суперкомп’ютерів) на даний час відносять комп’ютери (Cray, Cray 1,2, Cyber 205, Эльбрус, ПС–2000 і т.п.), які при виконані науково–технічних розрахунків досягають продуктивності від 10 до 10³ Мфлоп/с (Мфлоп/с– мільйон операцій із плаваючою крапкою за секунду). Їх колосальна продуктивність досягалася за рахунок унікальних структур апаратного і програмного забезпечення. Ці комп’ютери випускалися в незначних кількостях, як правило, під конкретне замовлення.

Подібні комп’ютери використовуються для рішення особливо складних задач науково–технічного характеру, задач опрацювання великих об’ємів даних в реальному часі, пошуку оптимальних рішень у задачах економічного планування і при автоматизованому проектуванні.

 

 

Рисунок 10.6 – Області застосування основних типів комп’ютерів

 

В таблиці 10.1 приведено класифікацію суперкомп’ютерів за типом архітектури.

 

Таблиця 10.1 – Класифікація суперкомп’ютерів за типом архітектури

Архітектура	Прилади системи
Однопроцесорні системи з декількома функціональними пристроями і функціональними апаратними засобами вторинної обробки	Alliant FX/1; IBM 3090; CDC 7600; FPS 164/264/364; Cray 1; Cray X–MP/1; Cyber 205; NEC SX–1; SX–2; SCS–40/
Процесорні матриці або приєднані процесори з архітектурою ОКМД	Loral MPP; ICL/DAP; FPS 164/MAX; IBM–GF11.
Багатопроцесорні системи з спільною пам’яттю	Cray X-MP/2,4; Cray 2; Cray 3; IBM 3090/400; Univax 1184/ISP.
Багатомашинні системи з розподіленою пам’яттю	iPSC; Ametek 14; CDC Cyberplus; Cullen PSC; Warp.
Ієрархічні системи і системи які реконфігуруються	Cedar; ETA–10; IBM RP3.

 

Комп’ютери загального призначення

Комп’ютери вказаного типу відносяться до універсальних комп’ютерів (середні і великі комп’ютери) і відрізняються, в основному, показниками продуктивності. Сучасні комп’ютери загального призначення універсальні, вони можуть використовуватись як для рішення науково–технічних задач числовими методами, так і в режимі автономного опрацювання даних в АСУ. Такі машини мають високу швидкодію, пам’ять великого об’єму, гнучку систему команд, широкий вибір периферійних пристроїв і способів кодування інформації, що враховує потреби опрацювання даних.

Для ефективного використання технічних засобів необхідна паралельна робота в часі процесора і периферійних пристроїв. Такий режим в машинах загального призначення організовується за допомогою спеціалізованих процесорів введення–виведення (каналів введення–виведення) інформації. Узагальнена структура комп’ютера загального призначення приведена на рисунку 10.7.

Рисунок підкреслює виділення ряду функцій керування операціями введення–виведення в окрему функціональну систему, яка реалізована у вигляді сукупності каналів. Значне вивільнення процесора від керування введенням–виведенням є необхідною умовою для мультипрограмного режиму роботи (необхідною, але недостатньою). Повинна бути забезпечена збалансованість пропускної здатності процесора, пам’яті і систем введення–виведення, при чому в умовах, коли в процесорах нових моделей за рахунок ефективних структурних рішень здійснюється значний ріст швидкодії, зменшується тривалість машинного такту. Це приводить до необхідності підвищувати пропускну здатність каналів і інтерфейсу введення–виведення і збільшення загального числа каналів.

 

 

Рисунок 10.7 – Узагальнена структура комп’ютера загального призначення

 

Байт-мультиплексний канал може одночасно обслуговувати декілька порівняно повільно діючих периферійних пристроїв – друкуючих, введення інформації з перфострічок і перфокарт, виводу інформації на перфострічки й перфокарти, дисплеї і т.д.

Селекторні і блок–мультиплексні канали зв’язують процесор і оперативну пам’ять з периферійними пристроями, що працюють із високою швидкістю обміну інформацією (магнітні, магнітооптичні і оптичні диски, магнітні стрічки і т. д.).

 

Мікрокомп’ютери і мікропроцесори

Розвиток інтегральної технології привів до створення великих мікросхем (ВІС) різного призначення, що вміщують десятки й сотні тисяч простих елементів (транзисторів на кристалі). Процесор комп’ютера, який реалізований на одній або декількох ВІС, отримав назву мікропроцесор (МП). МП за швидкодією й можливостями системи команд наближається до міні–комп’ютерів (малих комп’ютерів). Однак, через обмежену кількість виводів корпуса ВІС (від 18 до 42) не вдається реалізувати інтерфейс МП з зовнішнім обладнанням із високими пропускними можливостями.

Пристрій опрацювання даних, що має у своєму складі один або декілька МП, ВІС постійної й оперативної пам`яті, ВІС керування введенням–виведенням і ін., називається мікрокомп’ютером. Електронна апаратура мікрокомп’ютера може вміщувати декілька десятків ВІС, розміщених на одній або декількох друкованих платах. Мікрокомп’ютери можуть бути виконані і на одній ВІС (наприклад, однокристальні мікрокомп’ютери К1816ВЕ48, К1816ВЕ51 і т.п.).

В основному мікрокомп’ютери використовуються для створення проблемно–орієнтованих і спеціалізованих обчислювальних систем. Один із напрямів розвитку мікрокомп’ютерів є розробка персональних комп’ютерів. Другий важливий напрямок є використання МП і мікрокомп’ютерів у якості нової елементної бази автоматизованих систем, машин, пристроїв. Мікропроцесори і мікрокомп’ютери відкривають принципово нові можливості для високоефективної автоматизації виробничих процесів, науково–дослідних і проектно–конструкторських робіт, опрацювання інформації при плануванні й управлінні виробництвом на підприємствах у всіх галузях народного господарства.

 

Мінікомп’ютери

Це широкий клас машин, що належать до стаціонарних. В порівнянні з мікрокомп’ютерами вони мають більш широкий набір команд, більш високу точність обчислень, значний об’єм пам’яті. В якості елементної бази сучасних мінікомп’ютерів також широко використовується ВІС. Характерною особливістю цього класу машин є розвинута система периферійних пристроїв.

Мінікомп’ютери, в основному, відносяться до проблемно–орієнтованих обчислювальних машин. Основне призначення – керування технологічним обладнанням, первинне опрацювання інформації, організація обміну по лініях зв’язку і т. д. Швидкодія змінюється в широкому діапазоні від 10000 до декількох мільйонів операцій за секунду, в залежності від функціонального призначення.. В той же час мінікомп’ютери достатньо універсальні, щоб вирішувати широке коло науково–технічних задач. На сучасному етапі можливості сучасних міні–машин, наприклад, суперміні–комп’ютери, перекривають можливості середніх і великих комп’ютерів.

Мінікомп’ютери стали прародичами й іншого напрямку розвитку сучасних 32 та 64-розрядних комп’ютерів, які на сьогоднішній день відомі як робочі станції. Початкова орієнтація робочих станцій на професійних користувачів призвела до того, що робочі станції – це добре збалансовані комп’ютерні системи, які характеризуються високою продуктивністю, великою ємністю основної і зовнішньої пам’яті, мають високошвидкісні внутрішні магістралі, високоякісну і швидкодіючу графічну підсистему і різноманітні пристрої введення-виведення.