Основные понятия и определения

На принятом уровне абстрагирования любой процессор будет состоять из устройств управления и исполнительных устройств, связанных в единое целое потоками команд и данных.

Под устройством управления (УУ) понимается источник потока команд. Каждая команда является неделимым и целостным информационным сообщением, однозначно определяющим некоторую неделимую и целостную последовательность действий приемника (приемников). Команда не может быть выдана и исполнена по частям.

Исполнительное устройство (ИУ) – это источник потока промежуточных (не фиксируемых) данных и конечных (фиксируемых) результатов. ИУ принимает, полностью или частично, поступающий ему поток команд и исполняет его. В процессе исполнения ИУ изменяет состояние процессора и/или порождает поток данных (информационных сообщений). Результатом выполнения команды является наблюдаемое (фиксируемое) изменение состояния процессора и/или изменение окружающей среды.

Исполнение последовательности команд — это последовательный переход процессора из одного наблюдаемого состояния в другое сопровождаемое, как правило, последовательным изменением окружающей среды. При этом, процесс исполнения команды аналогичен переходному процессу. Истинное значение параметр (состояние процессора) принимает тогда, когда переходный процесс закончился.

Все источники независимы, а именно процессы, протекающие в одном, непосредственно не связаны с одновременно протекающими процессами в других источниках. Независимость источников не исключает их согласованных действий. Независимы только внутренние процессы источников, но сами действия, например, моменты их начала или окончания могут согласовываться.

Любой источник формирует только один (одиночный) поток, который может поступать в несколько приемников.

Два и более источников одного типа (УУ или ИУ) образуют множество источников. Формируемое ими множество потоков может использоваться как совокупность одиночных потоков, либо как единое целое – множественный поток. Как и одиночный, он также может поступать в несколько приемников.

Понятие «поток» – ключевое. Под потоком понимается непосредственная информационная связь между источником потока и его приемником, объединяющая их и только их в единое целое. Элементы потока существуют только в процессе передачи. Поступая в приемник, они либо используются им, либо исчезают. Для сохранения и последующего использования элемент потока должен быть отчужден, т.е. изъят из потока и размещен вне источника и приемника в окружающей их общей среде (в данном случае, в памяти). Очевидно, что отчуждение разрывает непосредственную связь (поток) между источником и приемником. Такая связь становится опосредованной.

Следует подчеркнуть информационный характер связи. Данная связь существует тогда и только тогда, когда для приемника принципиально важно содержимое элементов входящего потока. Когда именно содержимое, а не очередность элементов потока, например, определяет выполняемые им действия или их результат.

Опираясь на эти понятия можно дать следующие определения архитектуры процессора и вычислительной системы.

Архитектура процессора – это абстрактная структура, отражающая организацию процессора и представленная в виде ориентированного графа, состоящего из множества вершин, содержащего не менее одного УУ и не менее одного ИУ, а также множества дуг, образованных потоками команд, исходящими из УУ, и потоками данных, исходящими из ИУ, и при этом:

· соответствующий ему неориентированный граф – связный;

· каждый исходящий поток команд является входящим хотя бы для одного ИУ;

· каждое ИУ имеет хотя бы один входящий поток команд.

Архитектура вычислительной системы – это абстрактная структура, отражающая организацию системы и образованная несвязным множеством ориентированных графов, каждый из которых представляет архитектуру процессора.

Следовательно, обмен данными между процессорами в вычислительной системе может осуществляться только через отчуждение элементов потока данных.

Рассмотрим классический фон-неймановский процессор. Графически архитектура данного процессора представлена на рис.1. Она состоит всего из двух вершин (УУ и ИУ), соединенных потоком команд.

Рис. 1. Графическое изображение архитектуры классического фон-неймановского процессора: а) графическое изображение; б) условные обозначения.

Следует отметить, что любая другая непосредственная информационная связь, кроме связи по потоку команд, принципиально нереализуема в рамках фон-неймановской модели процессора, описание и исполнение алгоритмов в которой осуществляется только в виде упорядоченной последовательности операций, изменяющих состояние среды (памяти). Этот способ изначально предполагает отчуждение каждого полученного результата и, соответственно, потоки данных в этой архитектуре отсутствуют.

Расширив нотацию, предложенную М. Флинном, и используя заглавные буквы для описания источников и строчные для указания потоков, данный вид архитектуры можно описать как SISD(si). В скобках, после описания источников, указываются входящие потоки, т.е. потоки от которых зависит формирование исходящего потока. Таким образом, классический фон-неймановский процессор имеет архитектуру с одним источником команд (SI) и одним источником данных (SD), функционирование которого определяется одиночным потоком команд SD(si).