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.