Архитектура ВМ с выделенным доступом к памяти

В архитектуре с выделенным доступом к памяти обращение к основной памяти возможно только с помощью двух специальных команд - load и store. В английской транскрипции данную архитектуру называют Load/Store architecture. Команда load (загрузка) обеспечивает считывание значения из основной памяти и занесение его в регистр процессора (в команде обычно указывается адрес ячейки памяти и номер регистра). Пересылка информации в противоположном направлении производится командой store (сохранение). Операнды во всех командах обработки информации могут находиться только в регистрах процессора (чаще всего в регистрах общего назначения). Результат операции также заносится в регистр. В архитектуре отсутствуют команды обработки, допускающие прямое обращение к основной памяти. Допускается наличие в АСК ограниченного числа команд, где операнд является частью кода команды.

Состав и информационные тракты ВМ с выделенным доступом к памяти показаны на рис. 27. Две из трех шин, расположенных между массивом РОН и АЛУ, обеспечивают передачу в арифметико-логическое устройство операндов, хранящихся в двух регистрах общего назначения. Третья служит для занесения результата в выделенный для этого регистр. Эти же шины позволяют загрузить в регистры содержимое ячеек основной памяти и сохранить в ОП информацию, находящуюся в РОН.

Рис. 27. Архитектура вычислительной машины с выделенным доступом к памяти

 

АСК с выделенным доступом к памяти характерна для всех вычислительных машин с RISC-архитектурой. Команды в таких ВМ, как правило, имеют длину 32 бита и трехадресный формат. В качестве примеров вычислительных машин с выделенным доступом к памяти можно отметить HP PA-RISC, IBM RS/6000, Sun SPARC, MIPS R4000, DEC Alpha и т. д. К достоинствам АСК следует отнести простоту декодирования и исполнения команды.

 

 

7.Поколения ЭВМ

Ключевая роль в современной инфраструктуре информатизации принадлежит системам коммуникаций и вычислительным сетям, в которых сосредоточены новейшие средства вычислительной техни­ки, информатики, связи, а также самые прогрессивные информацион­ные технологии. Именно они обеспечивают пользователям широкий набор информационно-вычислительных услуг с доступом к локаль­ным и удаленным машинным ресурсам, технологиям и базам данных.

На пути развития электронной вычислительной техники (начиная с середины 40-х годов) можно выделить четыре поколения больших ЭВМ, отличающихся элементной базой, функционально-логической органи­зацией, конструктивно-технологическим исполнением, программным обеспечением, техническими и эксплуатационными характеристика­ми, степенью доступа к ЭВМ со стороны пользователей. Смене поколений сопутствовало изменение основных технико-эксплуатационных и технико-экономических показателей ЭВМ, и в первую очередь та­ких, как быстродействие, емкость памяти, надежность и стоимость. При этом одной из основных тенденций развития было и остается стремле­ние уменьшить трудоемкость подготовки программ решаемых задач, облегчить связь операторов с машинами, повысить эффективность ис­пользования ЭВМ. Это диктовалось и диктуется постоянным ро­стом сложности и трудоемкости задач, решение которых возлагается, на ЭВМ в различных сферах применения.

Возможности улучшения технико-эксплуатационных показателей ЭВМ в значительной степени зависят от элементов, используемых для построения их электронных схем. Поэтому при рассмотрении этапов развития ЭВМ каждое поколение обычно в первую очередь характе­ризуется используемой элементной базой.

Машины первого поколения имели внушительные размеры (десятки квадратных метров площади, систему охлаждения и по­требляли большую мощность). При этом они имели сравнительно малое быстродей­ствие, малую емкость оперативной памяти, невысокую надежность работы и недостаточно развитое программное обеспечение. Но в ЭВМ этого поколения были заложены основы логического построения машин и продемонстрированы возможности цифровой вычислитель­ной техники.

Основным активным элементом ЭВМ первого поколенияявлялась электронная лампа, остальные компоненты электронной аппарату­ры — это обычные резисторы, конденсаторы, трансформаторы. Для построения оперативной памяти ЭВМ уже с середины 50-х годов начали применяться специально разработанные для этой цели эле­менты — ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистере­зиса. В качестве устройства ввода-вывода сначала использовалась стандартная телеграфная аппаратура (телетайпы, ленточные перфо­раторы, трансмиттеры, аппаратура счетно-перфорационных машин), а затем специально для ЭВМ были разработаны электромеханичес­кие запоминающие устройства на магнитных лентах, барабанах, дисках и быстродействующие печатающие устройства.

В машинах второго поколения (в конце 50-х годов) на смену лампам пришли транзисторы. В отличие от ламповых ЭВМ транзис­торные машины обладали большим быстродействием, емкостью опе­ративной памяти и надежностью. Существенно уменьшились разме­ры, масса и потребляемая мощность. Значительным достижением явилось применение печатного монтажа. Повысилась надежность электромеханических устройств ввода-вывода, их удельный вес в общей структуре ЭВМ увеличился. Машины второго поколения обладали большими вычислительными и логическими возможностями.

Особенность машин второго поколения — их дифференциация по применению. Появились машины для решения научно-технических и экономических задач, для управления производственными процесса­ми и различными объектами (управляющие машины).

Наряду с техническим совершенствованием ЭВМ развиваются ме­тоды и приемы программирования вычислений, высшей ступенью ко­торых является появление автоматического программирования, требующее ми­нимальных затрат труда математиков-программистов. Большое раз­витие и применение получили алгоритмические языки, существенно упрощающие процесс подготовки задач к решению на ЭВМ. С появ­лением алгоритмических языков резко сократились штаты «чистых» программистов, поскольку составление программ на этих языках стало под силу самим пользователям.

В период развития и совершенствования машин второго поколе­ния наравне с однопрограммными появились многопрограммные (муль­типрограммные) ЭВМ. В отличие от однопрограммных машин, в которых программы выполняются только поочередно(развернуто во времени), в многопрог­раммных ЭВМ возможна совместная реализация нескольких программ за счет организации параллельной работы основных устройств ма­шины.

Третье поколение ЭВМ (в конце 60-х — начале 70-х годов) харак­теризуется широким применением интегральных схем. Интегральная схема представляет собой законченный логический функциональный блок, соответствующий достаточно сложной транзисторной схеме. Благодаря использованию интегральных схем удалось существенно улучшить технические и эксплуатационные характеристики машин. Этому способствовало также применение многослойного печатного монтажа.

В машинах третьего поколения значительно расширился набор раз­личных электромеханических устройств для ввода и вывода инфор­мации. Развитие этих устройств носит эволюционный характер, но их характеристики совершенствуются гораздо медленнее, чем характе­ристики электронного оборудования.

Программное обеспечение машин третьего поколения получило дальнейшее развитие, особенно это касается операционных систем. Развитые операционные системы многопрограммных машин, снабжен­ных периферийными устройствами ввода-вывода с автономными пультами абонентов, обеспечивают управление работой ЭВМ в раз­личных режимах: пакетной обработки, разделения времени, запрос-ответ и др.

Например, в режиме разделения времени многим абонентам пре­доставляется возможность одновременного, непосредственного и опе­ративного доступа к ЭВМ. Вследствие большого различия инерцион­ности человека и машины у каждого из одновременно работающих абонентов складывается впечатление, будто ему одному предостав­лено машинное время.

При разработке машин третьего поколения получили развитие системы автоматизации проектирования (САПР). Основной объем доку­ментации, необходимой для монтажа, разрабатывается с помощью ЭВМ.В дальнейшем эти методы будут играть важнейшую роль в развитии ЭВМ.

Для машин четвертого поколения (конец 70-х годов) характерно применение больших интегральных схем (БИС). Высокая степень ин­теграции способствует увеличению плотности компоновки электрон­ной аппаратуры, повышению ее надежности и быстродействия, сни­жению стоимости. Это, в свою очередь, оказывает существенное воз­действие на логическую структуру ЭВМ и ее программное обеспече­ние. Более тесной становится связь структуры машины и ее программ­ного обеспечения, особенно операционной системы.

Отчетливо проявляется тенденция к унификации ЭВМ, созданию машин, представляющих собой единую систему. Ярким выражением этой тенденции является создание и развитие ЕС ЭВМ — Единой сис­темы электронных вычислительных машин.

Промышленный выпуск первых моделей ЕС ЭВМ был начат в 1972 г., при их создании были использованы все современные достиже­ния в области электронной вычислительной техники, технологии и кон­струирования ЭВМ, в области построения систем программного обес­печения. Объединение знаний и производственных мощностей стран-разработчиков позволило в довольно сжатые сроки решить сложную комплексную научно-техническую проблему. ЕС ЭВМ представляла собой непрерывно развивающуюся систему, в которой улучшались технико-эксплуатационные показатели машин, совершенствовалось периферийное оборудование и расширялась, его номенклатура.

Кроме указанных выше больших ЭВМ, со второй половины 50-х годов начали развиваться мини-ЭВМ, отличающиеся меньшими фун­кциональными возможностями главным образом из-за ограниченного набора команд и меньшей разрядности чисел.

С появлением в США микропроцессоров (1971 г.) начал развивать­ся новый класс вычислительных машин — микроЭВМ. За короткое время микропроцессоры прошли большой путь развития: от первого поколения 4- и 8-разрядных микропроцессоров, выполненных по канальной МОП-технологии, до четвертого поколения 32- и 64-разряд­ных микропроцессоров.

В настоящее время реализуется программа по разработке в бли­жайшие 8—10 лет новых типов компьютеров:

• многопроцессорных компьютеров с высокой степенью параллелиз­ма обработки информации;

• компьютеров с нейронными сетями;

• компьютеров, в которых для передачи информации используется свет.

Появление персональных компьютеров — это наиболее яркое и динамично развивающееся направление в области вычислительной техники. С внедрением персональных компьютеров решение задач информа­тизации общества поставлено на реальную основу. Кроме того, по­требовался новый подход к организации систем обработки данных, к созданию новых информационных технологий. Возникла необходи­мость перехода от систем централизованной обработки данных к системам распределенной обработки данных, т.е. к компьютерным (вычислительным) сетям различных уровней — от локальных до гло­бальных. Появились качественно новые возможности как в развитии ЭВМ, так и их применении.

 

8.Функциональная организация фон-Неймановской ВМ. Организация работы УУ

Функциональная организация

Фон - Неймановской ВМ

Чтобы получить более детальное представление о структуре и функциях устройствВМ, обратимся к схеме гипотетической машины с аккумуляторной архитектурой (рис. 28). Для упрощения изложения приняты следующие харак­теристики машины:

· Одноадресные команды. Адресная часть команды содержит только один ад­рес. При выполнении операций с двумя операндами предполагается, что дру­гой операнд находится в специальном регистре АЛ У - аккумуляторе, а резуль­тат также остается в аккумуляторе.

· Единство форматов. Длина команд и данных совпадает с разрядностью ячеек памяти, то есть любая команда или операнд занимают только одну ячейку па­мяти. Таким образом, адрес очередной команды в памяти может быть получек путем прибавления единицы к адресу текущей команды, а для извлечения из памяти любой команды или любого операнда достаточно одного обращения памяти.

На функциональной схеме (см. рис. 28) показаны типовые узлы каждого из основных устройств ВМ, а также сигналы, инициирующие выполнение отдель­ных операций по пересылке информации и ее обработке, необходимых для функ­ционирования машины.

Устройство управления

 

Назначение устройства управления (УУ) было определено ранее при рассмотре­нии структурной схемы ВМ, где отмечалось, что эта часть ВМ организует автома­тическое выполнение программ и функционирование ВМ как единой системы. Теперь остановимся на описании узлов, реализующих целевую функцию

Рис.28. Схема гипотетической машины с аккумуляторной архитектурой

Счетчик команд (СК) — неотъемлемый элемент устройства управления любой ВМ, построенной в соответствии с фон-неймановским принципом программного уп­равления. Согласно этому принципу соседние команды программы располагаются в ячейках памяти со следующими по порядку адресами и выполняются преиму­щественно в той же очередности, в какой они размещены в памяти ВМ. Таким образом, адрес очередной команды может быть получен путем увеличения адреса ячейки, из которой была считана текущая команда, на длину выполняемой команды, представленную числом занимаемых ею ячеек. Реализацию такого режима и при з ван обеспечивать счетчик команд — двоичный счетчик, вкотором хранится и мо­дифицируется адрес очередной команды программы. Перед началом вычислений в СК заносится адрес ячейки основной памяти, где хранится команда, которая дол­жна быть выполнена первой. В процессе выполнения каждой команды путем уве­личения содержимого СК на длину выполняемой команды в счетчике формирует­ся адрес следующей подлежащей выполнению команды. В рассматриваемой ВМ любая команда занимает одну ячейку, поэтому содержимое СК увеличивается па единицу, что обеспечивается подачей сигнала управления +1СК. По завершении текущей команды адрес следующейкоманды программы всегдаберется из счетчи­ка команд. Для изменения естественного порядка вычислений (перехода в иную точку программы) достаточно занести в СК адрес точки перехода.

Хотя термин «счетчик команд» считается общепринятым, его нельзя признать вполне удачным из-за того, что он создает неверное впечатление о задачах данного узла. По этой причине разработчики ВМ используют иные названия, в частности программный счетчик (PC, Program Counter) или указатель команды (IP, Instruction Pointer). Последнее определение представляется наиболее удачным, поскольку точнее отражает назначение рассматриваемого узла УУ.

В заключение добавим, что в ряде ВМ счетчик команд реализуется в виде обыч­ного регистра, а увеличение его содержимого производится внешней схемой (схе­мой инкремента/декремента).

Регистр команды (РК).Счетчик команд определяет лишь местоположение команды в памяти, но не содержит информации о том, что это за команда. Чтобы приступить к выполнению команды, ее необходимо извлечь из памяти и разместить в регистре команды. Этот этап носит название выборки команды. Только с момента загрузки команды вРК она становится «видимой» для процессора. В РК команда хранится в течение всего времени ее выполнения. Как уже отмечалось ранее, любая команда содержит два ноля: поле кода операции и поле адресной части. Учитывая это обстоя­тельство, регистр команды иногда рассматривают как совокупность двух регист­ров - регистра кода операции (РКОп) и регистра адреса (РА), в которых хранятся соответствующие составляющие команды.

Если команда занимает несколько последовательных ячеек, то код операции всегданаходится в том слове команды, которое извлекается из памяти первым. Это позволяет по коду операции определить, требуются ли считывание из памяти изагрузка в РК остальных слов команды. Собственно выполнение команды начинается только после занесения в РК ее полного кода.

Указатель стека (УС) — это регистр, где хранится адрес вершины стека. В реаль­ных вычислительных машинах стек реализуется в виде участка основной памяти, обычно расположенного в области наибольших адресов. Заполнение стека проис­ходит в сторону уменьшения адресов, при этом вершина стека — это ячейка, куда была произведена последняя по времени запись. Для храпения адреса такой ячей­ки и предназначен УС. При выполнении операции push (занесение в стек) содержимое УС с помощью сигнала -1УС сначала уменьшается на единицу, после чего используется в качестве адреса, по которому производится запись. Соответствую­щая ячейка становится новой вершиной стека. Считывание из стека (операция pop ) происходит из ячейки, на которую указывает текущий адрес в УС, после чего со­держимое указателя стека сигналом +1УС увеличивается на единицу. Таким обра­зом, вершина стека опускается, а считанное слово считается удаленным из стека. Хотя физически считанное слово и осталось в ячейке памяти, при следующей за­писи в стек оно будет заменено новой информацией.

Регистр адреса памяти (РАП) предназначен для храпения адреса ячейки основ­ной памяти вплоть до завершения операции (считывание или запись) с этой ячей­кой. Наличие РАП позволяет компенсировать различия в быстродействии ОП и прочих устройств машины.

Регистр данных памяти (РДП) призван компенсировать разницу в быстродействии запоминающих устройств и устройств, выступающих в роли источников и потре­бителей хранимой информации. В РДП при чтении заносится содержимое ячейки ОП, а при записи — помещается информация, подлежащая сохранению в ячейке ОП. Собственно момент считывания и записи в ячейку определяется сигналами ЧтЗУ и ЗпЗУ соответственно.

Дешифратор кода операции (ДКОп) преобразует код операции в форму, требуе­мую для работы микропрограммного автомата (МПА). Информация после деко­дирования определяет последующие действия МПА, а ее вид зависит от организа­ции МПА. В рассматриваемой ВМ — это унитарный код УнитК. Часто код операции преобразуется в адрес первой команды микропрограммы, реализующей указанную в команде операцию. С этих позиций ДКОп правильнее было бы назвать не де­шифратором, а преобразователем кодов.

Микропрограммный автомат (МПА) правомочно считать центральным узлом ус­тройства управления. Именно МПА формирует последовательность сигналов уп­равления, в соответствии с которыми производятся все действия, необходимые для выборки из памяти и выполнения команд. Исходной информацией для МПА слу­жат: декодированный код операции, состояние признаков (флагов), характеризу­ющих результат предшествующих вычислений, а также внешние запросы на пре­рывание текущей программы и переход на программу обслуживания прерывания.

 

 

9.Принципы построения современных ЭВМ. Принцип программного управления