Типовые конфигурации (структуры) однопроцессорных вычислительных комплексов

Наибольшее распространение имеют три основные (типовые) конфигурации (структуры) ВК (ЭВМ). Первая, простейшая, строится на основе единого интерфейса (ОШ) (рисунок 3.7).

ОШ здесь выполнена как двунаправленная асинхронная магистраль. Через нее обмениваются информацией все устройства. Обмен осуществляется по принципу «ведущий – ведомый».

Основная память в этой структуре всегда пассивна. Активным может быть ЦП или КПУ. Для подключения ПУ к ЭВМ (к ОШ) используется контроллер ПУ (КПУ), выполняющий роль устройства управления при обмене информацией с другими устройствами. Для каждого типа ПУ используется свой тип контроллера: контроллер клавиатуры, принтера, монитора и т. п. Ведущее устройство выставляет запрос на обмен, т. е. фактически запрос на захват ОШ. Получив ОШ в свое распоряжение, ведущее устройство выставляет адрес ведомого устройства и управляет обменом информации с ним по ОШ, посылая необходимую адресную и управляющую информацию. Например, при обмене с ОП – адрес ячейки ОП и сигнал чтения/записи. Такую структуру имеют обычно мини – и микро-ЭВМ: РДР/11, СМ ЭВМ. Достоинства: простота структуры и обмена информации по ОШ.

Недостатки: при большом количестве устройств ПУ, в частности, ОШ становится «узким» местом в системе ввиду ее ограниченной пропускной способности. Активные устройства при большой загрузке ОШ достаточно часто (все с большей вероятностью) обнаруживают ОШ занятой обменом с другими устройствами и вынуждены ждать ее освобождения. Ожидание в очереди на обмен ограничивает производительность ВК.

Как быть? Как уменьшить простои устройств и, следовательно, увеличить производительность? Первый способ – увеличить пропускную способность ОШ, если можно. Если нельзя, то применить второй способ – использовать несколько интерфейсов: два, три и т. д.

Второй недостаток: при большом количестве ПУ становятся ощутимыми затраты оборудования на их подключение к ОШ, т. е. суммарные затраты оборудования на реализацию КПУ.

В силу указанных недостатков единый интерфейс находит применение в тех случаях, когда количество ПУ невелико (до 10-15 штук), т. е. в микро-ЭВМ. В тех случаях, когда количество ПУ велико (более 10-15), использование ОШ неэффективно.

Как уменьшить затраты? Можно использовать второй тип конфигурации - с выделенной ОП, в которой ОП отделена от ОШ (рисунок 3.8).

Здесь ОП связана с ОШ (интерфейсом ввода-вывода) через ЦП. При этом ЦП берет на себя функции по управлению обменом ПУ с ОП (т. е. вводом-выводом информации). Т. о. на время обмена ЦП становится КВВ (ПВВ). Что это дает? Функции КПУ в этой структуре упрощаются и затраты оборудования на их реализацию уменьшаются. В этой структуре ЦП берет на себя выполнение функций обмена, общих для ПУ, т. е. не зависящих от специфики ПУ. А именно: адресацию ячеек ОП и ПУ, модификацию адресов А:=А+1, подсчет количества передаваемых байтов (слов) С=С-1, завершение передачи по условию С=0 и др.

Вторая типовая конфигурация вводится с целью экономии оборудования на КПУ путем выделения общих функций и передачи их специальному устройству – каналу ввода-вывода (КВВ). В результате удельные затраты оборудования (в пересчете на одно ПУ) уменьшаются:

Такую структуру, фактически, имеет ПЭВМ типа IBM PC АТ, в которой роль ОШ (интерфейса ввода-вывода) выполняет итерфейс ISA (EISA).

КПУ в первой структуре активны (могут быть ведущими), во второй структуре - всегда пассивны (ведомые устройства - подчиняются воле ведущего устройства - КВВ или ЦП).

Как увеличить производительность ВК, (т. е. уменьшить простои устройств)? Ввести в состав ВК два, три и т. д. интерфейсов. Современные ПЭВМ типа Pentium, как правило, содержат не менее двух интерфейсов: наряду с интерфейсами ISA (EISA) в состав ВК вводится другой интерфейс с более высокой пропускной способностью – локальная шина типа PCI, например. Структура ВК при этом усложняется, производительность возрастает (рисунок 3.9). Пропускная способность локальной шины PCI больше пропускной способности И_вв/выв.

Третья типовая конфигурация основана на использовании нескольких интерфейсов (с целью повышения производительности ВК) и на использовании нескольких КВВ – с целью снижения удельных затрат оборудования. КВВ – новое устройство, отделенное от ЦП и предназначенное для управления обменом информации между ОП и ПУ (рисунок 3.10). В этой структуре применяется три типа интерфейсов: кроме И_вв/выв используется И_ОП, а также И_ЦП - для управления. Здесь КПУ` проще, чем в первой структуре.

На рисунке 3.11 представлена зависимость затрат оборудования от количества КПУ для трех типовых конфигураций.

Увеличение производительности достигается тем, что в этой структуре обеспечивается одновременная (параллельная) работа ЦП и ПУ, работающих под управлением каналов ввода/вывода и КПУ. КВВ выполняют роль одного из средств (третий пункт) мультипрограммирования: они обеспечивают т. н. прямой доступ к памяти (ПДП) для ПУ.

Основные особенности этой конфигурации: наличие КВВ, обеспечивающих ПДП; наличие нескольких интерфейсов различных типов, которые обеспечивают одновременную работу многих ПУ (а не одной пары).

Функции КВВ: 1) запуск адресуемого ПУ по инициативе ЦП; 2) обмен с ОП по адресам А, А+1, …, А+С-1; 3) преобразование форматов данных – упаковка, т. е. формирование слова из байтов при вводе в ОП, распаковка – при выводе; 4) подсчет количества передаваемой информации от ПУ С=С-1 (до С=0); 5) завершение обмена по условию С=0 и прерывание ЦП.

Для организация КВВ применяются два способа:

1) КВВ можно реализовать как специализированный процессор ввода-вывода (ПВВ), для которого пишутся программы ввода-вывода - т. н. канальные программы (IBM 370, ЕС ЭВМ – большие ЭВМ, мэйнфреймы). Однако в мини- и микро-ЭВМ используется

2) КВВ реализуется в виде контроллера ПДП (КПДП). Алгоритм обмена КПДП реализует аппаратными средствами (А=А±1, С=С-1, С=0?). Это общие для всех ПУ функции, независимо от их типа.

Дата добавления: 2014-01-11