Функциональная и структурная организация ЭВМ

Лекция 3

 

Функциональная и структурная организация ЭВМ

Связь между функциональной и структурной организацией ЭВМ

Существуют два взгляда на построение и функционирование ЭВМ. Первый - взгляд пользователя, не интересующегося технической реализацией ЭВМ и озабоченного только получением некоторого набора функций и услуг, обеспечивающих эффективное решение его задач; второй - разработчика ЭВМ, усилия которого направлены на рациональную техническую реализацию необходимых пользователю функций. С учетом этого обстоятельства и вводятся понятия "функциональная и структурная организация" компьютера.

Функциональная организация ЭВМ - это абстрактная модель ЭВМ, описывающая функциональные возможности машины и предоставляемые ею услуги. Функциональная организация ЭВМ в значительной степени определяется предъявляемыми к ней требованиями, уровнем подготовки потенциальных пользователей, типом решаемых ими задач, потребностями в развитии компьютера (по емкости ЗУ, разрядности, составу периферийных устройств и др.).

Предусматриваемые абстрактной моделью функции ЭВМ реализуются на основе реальных, физических средств (устройств, блоков, узлов, элементов) в рамках определенной структуры. В общем случае под структурной организацией ЭВМ понимается некоторая физическая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия основных функциональных частей машины (без излишних деталей их технической реализации).

По степени детальности различают структурные схемы, составленные на уровне

¨ устройств,

¨ блоков,

¨ узлов,

¨ элементов.

Устройство - наиболее крупная функциональная часть ЭВМ, состоящая из элементов, узлов, блоков и выполняющая глобальные операции над кодированными данными (запоминание, обработку, преобразование).

Блок - функциональный компонент ЭВМ, состоящий из элементов и узлов и выполняющий операции над машинными словами или управляющий такими операциями (пример: сумматор, блок регистров).

Узел - часть машины, состоящая из нескольких более простых элементов и представляющая собой сборочную единицу (логическая схема).

Элемент, простейшее устройство ЭВМ, выполняющее одну операцию над входными сигналами. (пример – логический элемент).

Блоки и устройства часто изготавливаются в виде самостоятельных конструктивных модулей.

Функциональная организация ЭВМ играет ведущую роль и в значительной степени определяет структурную организацию машины, хотя и не дает жестких ограничений на конечную техническую реализацию структурных элементов. Одна и та же функция может быть реализована на совершенно разных технических средствах.

 

 

Обобщенная структура ЭВМ и пути её развития

Развитие архитектуры неизбежно ведет к развитию структуры ЭВМ. Реализация принципов интеллектуализации, которые все больше определяют развитие архитектуры ЭВМ, возможна при совершенствовании структурной организации, обеспечивающей повышение эффективности вычислительного процесса и, как следствие этого, рост производительности ЭВМ. В конечном счете, условием и критерием развития структуры является рост производительности ЭВМ.

Основной тенденцией в развитии структуры ЭВМ является разделение функций системы и максимальная специализация подсистем для выполнения этих функций.

Обобщенная структура ЭВМ приведена на рис.1.2.

Обобщенная структура ЭВМ состоит из следующих составных частей:

¨ обрабатывающей подсистемы;

¨ подсистемы памяти;

¨ подсистемы ввода-вывода;

¨ подсистемы управления и обслуживания.

Для каждой подсистемы выделены основные направления их развития.

 

 

Обрабатывающая подсистема

Развитие обрабатывающей подсистемы в большей степени, чем всех остальных подсистем, идет по пути разделения функций и повышения специализации составляющих ее устройств. Создаются специальные средства, которые осуществляют функции управления системой, освобождая от этих функций средства обработки. Такое распределение функций сокращает эффективное время обработки информации и повышает производительность ЭВМ. В то же время средства управления, как и средства обработки, становятся более специализированными. Устройство управления памятью реализует эффективные методы передачи данных между средствами обработки и подсистемой памяти. Меняются функции центрального устройства управления. С одной стороны, ряд функций передается в другие подсистемы (например, функции ввода-вывода), с другой - развиваются средства организации параллельной обработки нескольких команд (суперскалярная обработка) с одновременным повышением темпа исполнения последовательности команд. Для повышения темпа выполнения последовательности команд применяются методы конвейерной обработки наряду с совершенствованием алгоритмов диспетчеризации и исполнения команд. Бурно развивается управление межпроцессорным обменом как эффективное средство передачи информации между несколькими центральными процессорами, входящими в состав вычислительной системы или комплекса.

Операционные устройства (АЛУ) обрабатывающей подсистемы, кроме традиционных средств скалярной (суперскалярной) и логической обработки, все шире стали включать специальные средства векторной обработки. При этом время выполнения операций можно резко сократить как за счет использования арифметического конвейера (одного или нескольких), так и за счет сокращения такта работы конвейера. Возможности задач к распараллеливанию алгоритма счета снимают принципиальные ограничения к организации параллельной обработки информации и использованию структур с глубокой конвейеризацией. В устройствах скалярной обработки все шире появляются специальные операционные блоки, оптимизированные на эффективное выполнение отдельных операций.

 

 

Подсистема памяти

Подсистема памяти современных компьютеров имеет иерархическую структуру, состоящую из нескольких уровней:

¨ сверхоперативный уровень (локальная память процессора, кэш-память первого и второго уровня);

¨ оперативный уровень (оперативная память, дисковый кэш);

¨ внешний уровень (внешние ЗУ на дисках, лентах и т.д.).

Каждый уровень состоит из запоминающих устройств, обладающих различным быстродействием и емкостью. Чем выше уровень, тем выше быстродействие соответствующей памяти, но меньше её емкость.

Эффективными методами повышения производительности ЭВМ являются увеличение количества регистров общего назначения процессора, использование многоуровневой кэш-памяти, увеличение объема и пропускной способности оперативной памяти, буферизация передачи информации между ОП и внешней памятью. Увеличение пропускной способности оперативной памяти достигается за счет увеличения их расслоения и секционирования.

 

 

Подсистема ввода-вывода

В состав подсистемы ввода-вывода входит набор специализированных устройств, между которыми распределены функции ввода-вывода, что позволяет свести к минимуму потери производительности системы при операциях ввода-вывода. Эти устройства можно условно разделить на критичные и некритичные по быстродействию. К критичным по быстродействию устройствам относятся обработчики команд ввода-вывода и контроллеры интерфейсов. Эти устройства определяют пропускную способность подсистемы ввода-вывода. Некритичные по быстродействию устройства управляют распределением линий в подсистеме ввода-вывода.

Основными направлениями развития подсистем ввода-вывода являются канальная технология ввода-вывода, матричная топология коммутации периферийных устройств (ПУ), увеличение количества и пропускной способности каналов.

 

 

Архитектуры ЭВМ

Под архитектурой ЭВМ понимается функциональная и структурная организация машины, определяющая методы кодирования данных, состав, назначение, принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.

Можно выделить следующие важные для пользователя группы характеристик ЭВМ, определяющих её архитектуру:

1) характеристики и состав модулей базовой конфигурации ЭВМ;

2) характеристики машинного языка и системы команд (количество и номенклатура команд, их форматы, системы адресации, наличие программно-доступных регистров в процессоре и т.п.), которые определяют алгоритмические возможности процессора ЭВМ;

3) технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ;

4) состав программного обеспечения ЭВМ и принципы его взаимодействия с техническими средствами ЭВМ.

К наиболее общему принципу классификации ЭВМ и систем по типам архитектуры следует отнести разбиение их на однопроцессорные и многопроцессорные архитектуры (см. рис.2.1).

Исторически первыми появились однопроцессорные архитектуры. Классическим примером однопроцессорной архитектуры является архитектура фон Неймана со строго последовательным выполнением команд: процессор по очереди выбирает команды программы и также по очереди обрабатывает данные (программа и данные хранятся в единственной последовательно адресуемой памяти).

 

Рис. 2.1. Архитектуры ЭВМ

По мере развития вычислительной техники архитектура фон Неймана обогатилась сначала конвейером команд, а затем многофункциональной обработкой, и по таксономии^* М.Флина получила обобщенное название компьютера с одним потоком команд и одним потоком данных.

Поток команд - это последовательность команд, выполняемых ЭВМ (системой), а поток данных - последовательность данных (исходная информация и промежуточные результаты решения задачи), обрабатываемых под управлением потока команд.

 

SISD-компьютеры

 

 

 

Рис. 2.2. SISD- архитектура

 

SISD (Single Instruction Single Data) или ОКОД - один поток команд, один поток данных. SISD компьютеры это обычные, "традиционные" последовательные компьютеры, в которых в каждый момент времени выполняется лишь одна операция над одним элементом данных (числовым или каким-либо другим значением). При работе такой системы в мультипрограммном режиме, когда совместно решаются несколько задач (программы и исходные данные по каждой из них хранятся в оперативной памяти), обеспечивается параллельная работа устройств системы, происходит разделение времени и оборудования между совместно выполняемыми программами. Но в каждый данный момент операционное устройство (АЛУ), поскольку оно является единственным, занимается обработкой информации по какой-то одной команде, т. е. одновременное преобразование информации в АЛУ по нескольким командам, принадлежащим разным участкам одной и той же программы или разным программам, невозможно. Основная масса современных ЭВМ функционирует в соответствии с принципом фон Неймана и имеет архитектуру класса SISD. Данная архитектура породила CISC, RISC и архитектуру с суперскалярной обработкой.

 

 

SIMD-компьютеры

SIMD (Single Instruction Stream - Multiple Data Stream) или ОКМД - один поток команд и множество потоков данных. SIMD компьютеры состоят из одного командного процессора (управляющего модуля), называемого контроллером, и нескольких модулей обработки данных, называемых процессорными элементами.

 

 

Рис. 2.3. SIMD- архитектура

 

Управляющий модуль принимает, анализирует и выполняет команды. Если в команде встречаются данные, контроллер рассылает на все процессорные элементы команду, и эта команда выполняется на нескольких или на всех процессорных элементах.

Все процессорные элементы идентичны и каждый из них представляет собой совокупность управляюще-обрабатывающего органа (быстродействующего процессора) и процессорной памяти небольшой емкости. Процессорные элементы выполняют операции параллельно над разными потоками данных (ПД) под управлением общего потока команд (ПК), вследствие чего такие ЭВМ называются системами с общим потоком команд. В любой момент в каждом процессоре выполняется одна и та же команда, но обрабатываются различные данные. Реализуется синхронный параллельный вычислительный процесс.

Одним из преимуществ данной архитектуры считается то, что в этом случае более эффективно реализована логика вычислений. До половины логических инструкций обычного процессора связано с управлением выполнением машинных команд, а остальная их часть относится к работе с внутренней памятью процессора и выполнению арифметических операций. В SIMD компьютере управление выполняется контроллером, а "арифметика" отдана процессорным элементам. Возможны два способа построения компьютеров этого класса. Это матричная структура ЭВМ и векторно-конвейерная обработка.

 

 

Матричная архитектура

Суть матричной структуры заключается в том, что имеется множество процессорных элементов, исполняющих одну и ту же команду над различными элементами вектора (потоков данных), объединенных коммутатором. Каждый процессорный элемент включает схемы местного управления, операционную часть, схемы связи и собственную оперативную память. Изменение производительности матричной системы достигается за счет изменения числа процессорных элементов.

Основные их преимущества - высокая производительность и экономичность. Недостатки матричных систем, ограничивающие области их применения, заключаются в жесткости синхронного управления матрицей процессорных элементов и сложности программирования обмена данными между процессорными элементами через коммутатор.

Они применяются главным образом для реализации алгоритмов, допускающих параллельную обработку многих потоков данных по одной и той же программе (одномерное и двумерное прямое и обратное преобразования Фурье, решение систем дифференциальных уравнений в частных производных, операций над векторами и матрицами и др.). Матричные системы довольно часто используются совместно с универсальными однопроцессорными ЭВМ. Примером векторных супер-ЭВМ с матричной структурой является знаменитая в свое время система ILLIAC-IV.

 

 

ММХ технология

Еще одним примером SIMD-архитектуры является технология ММХ, которая существенно улучшила архитектуру микропроцессоров фирмы Intel. Технология MMX представляет собой компромиссное решение, объединяющее пути, используемые в классическом процессоре CISC-архитектуры (Pentium), в компьютерах с параллельной SIMD-архитектурой, с добавлением ряда простых (RISC) команд параллельной обработки данных. Она разработана для ускорения выполнения мультимедийных и коммуникационных программ с добавлением новых типов данных и новых инструкций. Технология в полной мере использует параллелизм SIMD-архитектуры и сохраняет полную совместимость с существующими операционными системами и приложениями для SISD.

Точно также, как однопроцессорные компьютеры, представлены архитектурами с одним потоком данных SISD и множеством потоков данных SIMD, так и многопроцессорные системы могут быть представлены двумя базовыми типами архитектур в зависимости от параллелизма данных:

 

 

MISD компьютеры

 

 

Рис.2.4. MISD-архитектура

MISD (Multiple Instruction Stream - Single Data Stream) или МКОД - множество потоков команд и один поток данных. MISD компьютеры представляет собой, как правило, регулярную структуру в виде цепочки последовательно соединенных процессоров П1, П2,..., ПN, образующих процессорный конвейер (рис. 2.4). В такой системе реализуется принцип конвейерной (магистральной) обработки, который основан на разбиении всего процесса на последовательно выполняемые этапы, причем каждый этап выполняется на отдельном процессоре. Одинарный поток исходных данных для решения задачи поступает на вход процессорного конвейера. Каждый процессор решает свою часть задачи, и результаты решения в качестве исходных данных передает на вход последующего процессора. К каждому процессору подводится свой поток команд, т. е. наблюдается множественный поток команд ПК1, ПК2,..., ПКN.

Вычислительных машин такого класса практически нет и трудно привести пример их успешной реализации. Один из немногих - систолический массив процессоров, в котором процессоры находятся в узлах регулярной решетки, роль ребер которой играют межпроцессорные соединения. Все процессорные элементы управляются общим тактовым генератором. В каждом цикле работы каждый процессорный элемент получает данные от своих соседей, выполняет одну команду и передает результат соседям.

В дальнейшем для MISD нашлась ещё одна адекватная организация вычислительной системы - распределенная мультипроцессорная система с общими данными. Наиболее простая и самая распространенная система этого класса - обычная локальная сеть персональных компьютеров, работающая с единой базой данных, когда много процессоров обрабатывают один поток данных. Впрочем, тут есть одна тонкость. Как только в такой сети все пользователи переключаются на обработку собственных данных, недоступных для других абонентов сети, MISD - система превращается в систему с множеством потоков команд и множеством потоков данных, соответствующую MIMD-архитектуре.

 

 

MIMD компьютеры

 

 

Рис. 2.5. MIMD-архитектура

MIMD (Multiple Instruction Stream - Multiple Data Stream) или МКМД - множество потоков команд и множество потоков данных. Эта категория архитектур вычислительных машин наиболее богата, если иметь в виду примеры ее успешных реализаций. В неё попадают симметричные параллельные вычислительные системы, рабочие станции с несколькими процессорами, кластеры рабочих станций и т.д. Уже довольно давно появились компьютеры с несколькими независимыми процессорами, но вначале на таких компьютерах был реализован только параллелизм заданий, то есть на разных процессорах одновременно выполнялись разные и независимые программы.

Так как только MIMD-архитектура включает все уровни параллелизма от конвейера операций до независимых заданий и программ, то любая вычислительная система этого класса в частных приложениях может выступать как SISD и SIMD-система. Например, если многопроцессорный комплекс выполняет одну-единственную программу без каких-либо признаков векторного параллелизма данных, то в этом конкретном случае он функционирует как обычный SISD-компьютер, и весь его потенциал остается невостребованным. Таким образом, употребляя термин «MIMD», надо иметь в виду не только много процессоров, но и множество вычислительных процессов, одновременно выполняемых в системе. MIMD-системы по способу взаимодействия процессоров (рис. 2.5.) делятся на системы с сильной и слабой связью.

 

 

Многомашинные комплексы

Вычислительные системы со слабой связью или распределенные вычислительные системы, как правило, представляются многомашинными комплексами, в которых отдельные компьютеры объединяются либо с помощью сетевых средств, либо с помощью общей внешней памяти (обычно — дисковые накопители большой емкости). Каждая ЭВМ системы имеет свою оперативную память и работает под управлением своей операционной системы. Каждая машина использует другую как канал или устройство ввода-вывода. Обмен информацией между машинами происходит в результате взаимодействия их операционных систем.

ММВС строится из логически независимых компонентов: процессоров, устройств оперативной памяти, каналов ввода-вывода, ВЗУ, устройств управления ВЗУ, устройств ввода-вывода, устройств управления УВВ. Логическая независимость процессоров системы определяется возможностью их независимого функционирования. Для остальных компонентов эта независимость определяется возможностью их подсоединения к одному или к нескольким процессорам ММВС.

Связь между машинами (процессорами) ММВС может осуществляться на уровне любого из его логически независимых компонентов с помощью специальных мультисистемных средств или средств комплексирования. Такая связь должна быть достаточно гибкой и обеспечивать независимость функционирования различных модулей системы и их взаимодействие с различной скоростью, соответствующей скорости обмена информацией между элементами системы. Для этого на разных уровнях комплексирования применяются различные по тактовой частоте, разрядности, пропускной способности шины интерфейсов.

Очевидно, что система со всеми возможными уровнями связей будет наиболее совершенной, гибкой и надежной в функционировании. Но с другой стороны, система с полными связями получается сложной по своей структуре и организации функционирования. В каждом конкретном многомашинном комплексе не обязательно реализуются все уровни комплексирования.

Рассмотрим уровни связи вычислительной системы в порядке возрастания скорости обмена информацией.

Межмашинная связь на уровне внешних устройств используется главным образом для организации общего поля внешней памяти. Такая связь организуется через каналы ввода-вывода этих устройств и шинные интерфейсы. При этом обычно часть ВЗУ остается в индивидуальном пользовании отдельных машин. Преимуществом комплексирования на уровне ВЗУ является значительное увеличение объемов информации (данных и программ), одновременно доступных процессорам ММВС.

Наибольшее распространение получила взаимодействие вычислительных средств на уровне канал-канал через адаптер канал-канал. Адаптер подключается к двум каналам, причем функционально он рассматривается как устройство управления ввода-вывода для каждого из каналов, а каждая из связанных адаптером машин по отношению друг к другу является внешним устройством. В отличие от любого другого устройства управления внешними устройствами адаптер не управляет устройствами ввода-вывода, а только осуществляет связь между каналами и синхронизирует их работу. Адаптер обеспечивает быстрый обмен информацией между каналами, а следовательно, и между ОП взаимодействующих процессоров, если общее поле оперативной памяти не организовано.

Взаимодействие на уровне ОП осуществляется для создания общего поля оперативной памяти, что значительно ускоряет обмен информацией между процессорами и повышает возможности функционирования системы. Наибольшая оперативность обмена информацией достигается при реализации именно такого уровня связи. Построение ММВС с общим полем ОП связано с необходимостью применения многовходовых модулей памяти. При этом существенно усложняются структура и функции устройства управления общей оперативной памятью. С помощью УУ должны решаться такие задачи, как реализация установленной очередности обращения к модулям памяти со стороны процессоров, решение конфликтных ситуаций, возникающих при одновременном обращении к одному и тому же модулю памяти со стороны обоих процессоров, поддержание когерентности памяти. Наибольшие затруднения связаны с созданием программных средств, обеспечивающих функционирование системы с общим полем ОП.

Взаимодействие на уровне процессоров через интерфейс межпроцессорной связи осуществляется с целью синхронизации единого вычислительного процесса путем передачи между процессорами сигналов внешних прерываний и команд прямого управления.

Для оценки эффективности взаимодействия вычислительных средств системы на различных уровнях могут привлекаться такие показатели эффективности ВС, как время реакции системы на запросы с учетом их приоритетов, пропускная способность, время на решение заданного набора задач.

 

ММР архитектура

Другим примером реализации слабосвязанной архитектуры являются системы с массовым параллелизмом (МРР), состоящие из десятков, сотен, а иногда и тысяч процессорных узлов. Строгой границы не существует, однако считается, что при числе процессоров 128 и более система относится к MPP-архитектуре. Большинство MPP-систем имеют как логически так и физически распределенную между процессорами память. Каждый узел такой системы содержит процессор и модуль памяти, в котором хранится процесс - совокупность команд, исходных и промежуточных данных вычислений, а также системные идентификаторы процесса. Узлы массово-параллельной системы объединяются коммутационными сетями самой различной формы - от простейшей двумерной решетки до гиперкуба или трехмерного тора. В отличие от архитектуры фон Неймана, передача данных между узлами коммутационной сети происходит по готовности данных процесса, а не под управлением некоторой программы. Отсюда еще одно название подобных систем - «системы с управлением потоком данных» (иногда просто «потоковые машины»).

К достоинствам данной архитектуры относится то, что она использует стандартные микропроцессоры и обладает неограниченным быстродействием (порядка TFLOPS).

Однако есть и недостатки — программирование коммутаций процессов является слабо автоматизированной и очень сложной процедурой. Так что для коммерческих задач и даже для подавляющего большинства инженерных приложений системы с массовым параллелизмом недоступны.

Многомашинные вычислительные системы создаются и на базе мини- и микро-ЭВМ.

Сравнивая между собой ММВС и МПВС, можно отметить, что в МПВС достигается более высокая скорость обмена информацией между элементами системы и поэтому более высокая производительность, более высокая реакция на возникающие в системе и ее внешней среде нестандартные ситуации, более высокие надежность и живучесть (МПВС сохраняет работоспособность, пока работоспособны хотя бы по одному модулю каждого типа устройств). С другой стороны, построение ММВС из серийно выпускаемых ЭВМ с их стандартными операционными системами значительно проще, чем построение МПВС, требующих преодоления определенных трудностей, связанных главным образом с организацией общего поля оперативной памяти и созданием единой операционной системы. Разница организации MIMD-систем с сильной и слабой связью проявляются ещё и при обработке приложений, отличающихся интенсивностью обменов между взаимодействующими процессами (см. раздел Вычислительные системы).

Вычислительные сети являются дальнейшим развитием вычислительных систем распределенного типа. Они представляют собой новый, более совершенный этап в использовании средств вычислительной техники - переход к коллективному их использованию.

 

* теория классификации и систематизации сложноорганизованных областей действительности, имеющих обычно иерархическое строение ©2001 "Большая Российская энциклопедия"

 

Лекция 3

 

Функциональная и структурная организация ЭВМ