МИКРОПРОЦЕССОРЫ ИВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Общие принципы построения современных вычислительных систем

Структура минимальной вычислительной системы

Вычислительная система (ВС) — совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации. Вначале под вычислительной системой понимали не менее двух компьютеров, соединенных между собой. Однако в настоящее время отличительной особенностью вычислительной системы по отношению к ЭВМ является наличие в ней нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку (например, один компьютер с несколькими процессорами).

Самыми важными предпосылками появления и развития вычислительных систем служат экономические факторы. Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т. д.

Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы: по целевому назначению и выполняемым функциям, по типам и числу ЭВМ или процессоров, по архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы, степени разобщенности элементов вычислительной системы и др. Однако основной из них является структура вычислительной системы.

Структура вычислительной системы — это совокупность элементов ВС и их связей.

Структура вычислительной системы состоит из пяти уровней:

  • — аппаратный уровень;
  • — уровень управления физическими ресурсами вычислительной системы;
  • — уровень управления логическими/виртуальными ресурсами вычислительной системы;
  • — уровень систем программирования;
  • — уровень прикладных систем.
  • 1. Аппаратный уровень вычислительной системы определяется наборами аппаратных компонентов и их характеристиками, используемыми вышестоящими уровнями.

Структура аппаратного уровня вычислительной системы представлена на рис. 3.1. Она содержит следующие основные устройства: арифметико-логическое устройство, память, управляющее устройство, устройство ввода данных, устройство вывода из нее результатов расчета.

Структура аппаратного уровня вычислительной системы

Рис. 3.1. Структура аппаратного уровня вычислительной системы

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) производит арифметические и логические преобразования над поступающими в него машинными словами, т. е.

кодами определенной длины, представляющими собой числа или другой вид информации.

Память вычислительной системы в большинстве случаев состоит из двух существенно отличающихся по своим характеристикам частей: быстродействующей оперативной памяти и сравнительно медленно действующей, но способной хранить значительно больший объем информации внешней памяти.

Оперативная память хранит информацию, поступающую в машину из других устройств, и выдает во все другие устройства информацию, необходимую для протекания вычислительного процесса.

Оперативная память содержит некоторое число ячеек, каждая из которых служит для хранения машинного слова или его части. Ячейки нумеруются, номер ячейки называется адресом. Обычно ячейка имеет размер 1 байта.

При считывании слова из ячейки содержимое последней не меняется и при необходимости слово может быть снова взято из той же ячейки. При записи хранившееся в ячейке слово заменяется новым.

Непосредственно в вычислительном процессе участвует только ОП, и лишь после окончания отдельных этапов вычислений из внешней памяти в оперативную память передается информация, необходимая для следующего этапа решения задачи.

Управляющее устройство (УУ) в соответствии с программой автоматически управляет вычислительным процессом, посылая другим устройствам вычислительной системы сигналы на выполнение ими требуемых действий. Т. е. УУ по коду команды определяет, какие устройства должны быть задействованы для выполнения этой команды, и посылает этим устройствам сигналы для их активации.

Автоматическое управление процессом решения задачи достигается на основе принципа программного управления, являющегося основной особенностью современных вычислительных систем.

Другим важнейшим принципом является принцип хранимой в памяти программы. Согласно этому принципу команды программы, закодированные в цифровом виде, хранятся в памяти наравне с числами. В команде указываются не сами участвующие в операциях числа, а адреса ячеек ОП, в которых они находятся, и адрес ячейки, куда помещается результат операции.

Поскольку программа хранится в памяти, одни и те же команды могут нужное число раз извлекаться из памяти и выполняться. Более того, поскольку команды представляются в форме чисел, то вычислительная система может их модифицировать.

Команды выполняются в порядке, соответствующем их расположению в последовательных ячейках памяти, кроме команд безусловного и условного переходов. Условные переходы изменяют последовательный порядок выполнения команд при выполнении некоторого условия (например, равенства нулю, положительности или отрицательности результата предыдущей команды).

Устройство вводя считывает в ОП программу и исходные данные, которые должны быть помещены туда перед решением задачи на ЭВМ. Предварительно эта информация обычно заносится во внешнюю память.

Устройство выводя служит для выдачи результатов расчета, например, путем печатания или отображения на экране дисплея.

Представленная на рис. 3.1 структура аппаратного уровня вычислительной системы, получившая название фон-неймано веной, благодаря ее простоте и большой гибкости доминирует при построении различных ЭВМ. В фон-неймановской машине с общей памятью для данных и команд имеется всего одна шина (магистраль) для передачи из памяти в другие устройства команд и данных, что ведет к снижению скорости работы ЭВМ.

Однако в последние годы конструкторы ЭВМ, стремясь достигнуть повышения их производительности, в ряде случаев отходят от модели фон Неймана, которая предполагала архитектуру микропроцессора с общей памятью (рис. 3.2).

Архитектура с общей памятью (фон Неймана)

Рис. 3.2. Архитектура с общей памятью (фон Неймана)

Так, возможно построение машины с отдельной памятью для команд и данных, допускающей параллельное во времени извлечение их из памяти и передачу по шинам (рис. 3.3). Такая архитектура получила название гарвардской, так как была реализована впервые в 1944 году в Гарвардском университете (США). Достоинством гарвардской архитектуры является применение небольшой по объему памяти данных, что способствует ускорению поиска информации в ней и увеличивает быстродействие МП. Гарвардская архитектура позволяет организовать параллельное выполнение программ: чтение следующей по порядку команды может происходить одновременно с выполнением предыдущей, что также повышает быстродействие МП. Недостатком гарвардской архитектуры является усложнение архитектуры МП. Также необходимо генерировать дополнительные управляющие сигналы для памяти команд и памяти данных.

Гарвардская архитектура с разделяемой памятью

Рис. 3.3. Гарвардская архитектура с разделяемой памятью

2. Уровень управления физическими ресурсами и уровень управления логическими/виртуальными ресурсами вычислительной системы. Уровень управления физическими ресурсами вычислительной системы является первым уровнем системного программного обеспечения. Его назначение — систематиза-1Ц1Я 7/ стандартизация правил программного использования физических ресурсов (устройств). На этом уровне обеспечивается создание программ управления физическими ресурсами — драйверов физического ресурса — программ, основанных на использовании команд управления конкретным физическим устройством, и предназначенных для организации работы с данным устройством.

Драйверы бывают трех типов:

  • — драйверы физических устройств;
  • — драйверы логических/виртуальных устройств (например, отсутствующей сетевой карты для связи двух виртуальных машин, расположенных на одном физическом компьютере);

— драйверы логических/виртуальных устройств, не имеющих аппаратной реализации (т. е. «полностью» виртуальных, например, драйвер файловой системы).

Логическое/виртуальное устройство (ресурс) — устройство, некоторые эксплуатационные характеристики которого (возможно все) реализованы программным образом.

  • 3. Уровень систем программирования. Система программирования— это комплекс программ, обеспечивающий поддержание жизненного цикла программного обеспечения в вычислительной системе.
  • 4. Уровень прикладных систем. Прикладная система — программная система, ориентированная на решение или автоматизацию решения задач из конкретной предметной области. Примерами могут служить программное обеспечение электронного документооборота, графические редакторы и т. д.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >