ЭВМ И ПУ

1. Определение понятия «архитектура». Уровни детализации структуры ВМ. Эволюция средств автоматизации вычислений.

Определение понятия «архитектура»

Под архитектурой вычислительной машины обычно понимается логическое построение ВМ, то есть то, какой машина представляется программисту. Впервые термин «архитектура вычислительной машины» (computer architecture) был употреблен фирмой IBM при разработке машин семейства IBM 360 для описания тех средств, которыми может пользоваться программист, составляя программу на уровне машинных команд. Подобную трактовку называют «узкой», и охватывает она перечень и формат команд, формы представления данных, механизмы ввода/вывода, способы адресации памяти и т. п. Из рассмотрения выпадают вопросы физического построения вычислительных средств: состав устройств, число регистров процессора, емкость памяти, наличие специального блока для обработки вещественных чисел, тактовая частота центрального процессора и т. д. Этот круг вопросов принято определять понятием организация или структурная организация.

Архитектура (в узком смысле) и организация — это две стороны описания ВМ и ВС. Поскольку для наших целей, помимо теоретической строгости, такое деление не дает каких-либо преимуществ, то в дальнейшем будем пользоваться термином «архитектура», правда, в «широком» его толковании, объединяющем как архитектуру в узком смысле, так и организацию ВМ. Применительно к вычислительным системам термин «архитектура» дополнительно распространяется на вопросы распределения функций между составляющими ВС и взаимодействия этих составляющих.

Уровни детализации структуры вычислительной машины

Вычислительная машина как законченный объект являет собой плод усилий специалистов в самых различных областях человеческих знаний. Каждый специалист рассматривает вычислительную машину с позиций стоящей перед ним задачи, абстрагируясь от несущественных, по его мнению, деталей. В табл. 1.1 перечислены специалисты, принимающие участие в создании ВМ, и круг вопросов, входящих в их компетенцию.

Таблица 1.1. Распределение функций между разработчиками вычислительной машины

Специалист	Круг вопросов
Производитель полупроводниковых материалов	Материал для интегральных микросхем (легированный кремний, диоксид кремния и т. п.)
Разработчик электронных схем	Электронные схемы узлов ВМ (разработка и анализ)
Разработчик интегральных микросхем	Сверхбольшие интегральные микросхемы (схемы электронных элементов, их размещение на кристалле)
Системный архитектор	Архитектура и организация вычислительной машины (устройства и узлы, система команд и т. п.)
Системный программист	Операционная система, компиляторы
Теоретик	Алгоритмы, абстрактные структуры данных

Круг вопросов, рассматриваемых в данном курсе, по большей части относится к компетенции системного архитектора и охватывает различные степени детализации ВМ и ВС. В принципе таких уровней может быть достаточно много, однако сложившаяся практика ограничивает их число четырьмя уровнями (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Уровни детализации вычислительной машины: а — уровень «черного ящика»;
б — уровень общей архитектуры; в — уровень архитектуры центрального процессора;
г — уровень архитектуры устройства управления

На первом уровне вычислительная машина рассматривается как устройство, способное хранить и обрабатывать информацию, а также обмениваться данными с внешним миром (см. рис. 1.1, а). ВМ представляется «черным ящиком», который может быть подключен к коммуникационной сети и к которому, в свою очередь, могут подсоединяться периферийные устройства.

Уровень общей архитектуры (см. рис. 1.1, б) предполагает представление ВМ в виде четырех составляющих: центрального процессора (ЦП), основной памяти (ОП), устройства ввода/вывода (УВВ) и системы шин.

На третьем уровне детализируется каждое из устройств второго уровня. Для примера взят центральный процессор (см. рис. 1.1, в). В простейшем варианте в нем можно выделить:

· арифметико-логическое устройство (АЛУ), обеспечивающее обработку целых чисел;

· блок обработки чисел в формате с плавающей запятой (БПЗ);

· регистры процессора, использующиеся для краткосрочного хранения команд, данных и адресов;

· устройство управления (УУ), обеспечивающее совместное функционирование устройств ВМ;

· внутренние шины.

На четвертом уровне детализируются элементы третьего уровня. Так, на рис. 1.1, г раскрыта структура устройства управления. УУ представлено в виде четырех составляющих:

· логики программной последовательности — электронных схем, обеспечивающих выполнение команд программы в последовательности, предписываемой программой;

· регистров и дешифраторов устройства управления;

· управляющей памяти;

· логики формирования управления, генерирующей все необходимые управляющие сигналы.

Применительно к параллельным и распределенным многопроцессорным и многомашинным вычислительным системам зачастую вводят понятие «метауровня». На данном этапе метауровень рассматриваться не будет.

Эволюция средств автоматизации вычислений

Попытки облегчить, а в идеале автоматизировать процесс вычислений имеют давнюю историю, насчитывающую более 5000 лет. С развитием науки и технологий средства автоматизации вычислений непрерывно совершенствовались. Современное состояние вычислительной техники (ВТ) являет собой результат многолетней эволюции.

В последнее время вопросы развития ВТ стали предметом особо пристального внимания ученых, свидетельством чего служит активно развивающаяся новая область знаний, получившая название «Теория эволюции компьютеров» (Computer evolution theory). Создатели теории обратили внимание на сходство закономерностей эволюции вычислительной техники и эволюции в биологии. В основу новой науки положены следующие постулаты:

· самозарождение «живых» вычислительных систем из «неживых» элементов (в биологии это явление известно как абиогенез);

· поступательное продвижение по древу эволюции — от протопроцессорных (однопроцессорных) вычислительных машин к полипроцессорным (многопроцессорным) вычислительным системам;

· прогресс в технологии вычислительных систем как следствие полезных мутаций и вариаций;

· отмирание устаревших технологий в результате естественного отбора;

· закон Мура как подтверждение эволюции вычислительных систем.

По мнению специалистов в области теории эволюции компьютеров, изучение закономерностей развития вычислительных машин и систем может, как и в биологии, привести к ощутимым практическим результатам.

В традиционной трактовке эволюцию вычислительной техники представляют как последовательную смену поколений ВТ. Появление термина «поколение» относится к 1964 году, когда фирма IBM выпустила серию компьютеров IBM 360, назвав эту серию «компьютерами третьего поколения». Сам термин имеет разные определения, наиболее популярными из которых являются:

· «Поколения вычислительных машин — это сложившееся в последнее время разбиение вычислительных машин на классы, определяемые элементной базой и производительностью» [30].

· «Поколения компьютеров — нестрогая классификация вычислительных систем по степени развития аппаратных и, в последнее время, программных средств» [37].

При описании эволюции ВТ обычно используют один из двух подходов: хронологический или технологический. В первом случае — это хронология событий, существенно повлиявших на становление ВТ. Для наших целей больший интерес представляет технологический подход, когда развитие вычислительной техники рассматривается в терминах архитектурных решений и технологий. По словам главного конструктора фирмы DEC и одного из изобретателей мини-ЭВМ Белла: — «История компьютерной индустрии почти всегда двигалась технологией».

В качестве узловых моментов, определяющих появление нового поколения ВТ, обычно выбираются революционные идеи или технологические прорывы, кардинально изменяющие дальнейшее развитие средств автоматизации вычислений. Одной из таких идей принято считать концепцию вычислительной машины с хранимой в памяти программой, сформулированную Джоном фон Нейманом. Взяв ее за точку отсчета, историю развития ВТ можно представить в виде трех этапов:

· донеймановского периода;

· эры вычислительных машин и систем с фон-неймановской архитектурой;

· постнеймановской эпохи — эпохи параллельных и распределенных вычислений, где наряду с традиционным подходом все большую роль начинают играть отличные от фон-неймановских принципы организации вычислительного процесса.

Значительно большее распространение, однако, получила привязка поколений к смене технологий. Принято говорить о «механической» эре (нулевое поколение) и последовавших за ней пяти поколениях ВС [210]. Первые четыре поколения традиционно связывают с элементной базой вычислительных систем: электронные лампы, полупроводниковые приборы, интегральные схемы малой степени интеграции (ИМС), большие (БИС), сверхбольшие (СБИС) и ультрабольшие (УБИС) интегральные микросхемы. Пятое поколение в общепринятой интерпретации ассоциируют не столько с новой элементной базой, сколько с интеллектуальными возможностями ВС. Работы по созданию ВС пятого поколения велись в рамках четырех достаточно независимых программ, осуществлявшихся учеными США, Японии, стран Западной Европы и стран Совета экономической взаимопомощи. Ввиду того, что ни одна из программ не привела к ожидаемым результатам, разговоры о ВС пятого поколения понемногу утихают. Трактовка пятого поколения явно выпадает из «технологического» принципа. С другой стороны, причисление всех ВС на базе сверхбольших интегральных схем (СБИС) к четвертому поколению не отражает принципиальных изменений в архитектуре ВС, произошедших за последние годы. Чтобы в какой-то мере проследить роль таких изменений, воспользуемся несколько отличной трактовкой, предлагаемой в [174]. В работе выделяется шесть поколений ВС. Попытаемся кратко охарактеризовать каждое из них, выделяя наиболее значимые события.

2. Концепция машины с хранимой в памяти программой. Фон-неймановская архитектура. Функциональная схема фон-неймановской ВМ: устройство управления; арифметико-логическое устройство; основная память; модуль ввода/вывода.

Вычислительная машина, где определенным образом закодированные команды программы хранятся в памяти называется вычислительной машины с хранимой в памяти программой. Идея создания такой ВМ принадлежит создателям вычислителя ENIAC Эккерту, Мочли и фон Нейману. Относительно авторства существует несколько версий, но поскольку в законченном виде идея впервые была изложена в 1945 году в статье фон Неймана, именно его фамилия фигурирует в обозначении архитектуры подобных машин, составляющих подавляющую часть современного парка ВМ и ВС.

Сущность фон-неймановской концепции вычислительной машины можно свести к четырем принципам:

• двоичного кодирования;

• программного управления;

• однородности памяти;

• адресности.

1. Функциональная схема фон-неймановской ЭВМ Чтобы получить более детальное представление о структуре и функциях устройств ВМ, обратимся к схеме гипотетической машины с аккумуляторной ар­хитектурой (рис. 5.1).