Поняття архітектури ЕОМ та шляхи досягнення паралелізму

Принципи побудови та класифікації обчислювальних систем

План:

1. Поняття архітектури ЕОМ та шляхи досягнення паралелізму.

2. Класифікація (таксономія) паралельних обчислювальних систем.

3. Структурно-функціональна таксономія розподілених обчислювальних систем.

4. Характеристика типових схем комунікації в мультіпроцесорних обчислювальних системах.

1.1. Поняття архітектури ЕОМ

Архитектура ЭВМ - это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ.

Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов. Инженеры - схемотехники проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы их сопряжения друг с другом. Системные программисты создают программы управления техническими средствами, информационного взаимодействия между уровнями, организации вычислительного процесса. Программисты разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и необходимый сервис при решении ими своих задач.

Важнейшими характеристиками ЭВМ являются быстродействие и производительность. И хотя эти характеристики тесно связаны, тем не менее, их не следует смешивать. Быстродействие характеризует технические параметры ЭВМ, а производительность - наблюдаемую скоростью выполнения программ. При этом в основном быстродействие определяется характеристиками элементной базы, на которой построены процессор и оперативная память, а производительность - совокупностью структурных и организационных решений процессора.

Архитектура процессора - совокупность научных идей, структурных, организационных и технических решений, определяющих основные принципы функционирования процессора, его наблюдаемые характеристики и области практического применения.

Помимо архитектурных решений на характеристики процессора и ЭВМ в целом влияют также принятые схемные решения, выбранные или разработанные микропрограммные или схемно реализованные алгоритмы выполнения машинных команд и элементная база процессора. Особо следует отметить влияние на наблюдаемые характеристики процессора решение о границе между программными и аппаратными средствами, которая может быть существенно варьируема между элементарными машинными командами и машинными командами, реализующими целые программные фрагменты, например умножение матриц, что схематично показано на рис 1.1.

Программно - аппаратная варьируемость

Рис 1.1

1.2. Основные принципы классической архитектуры:

Большинство вычислительных машин первого, второго и третьего поколений строились на принципах сформулированных Дж. фон - Нейманом в 1949 году. Поэтому термин «фон - Неймановская архитектура» является синонимом термина «классическая архитектура». Эти принципы легли в основу большого количества процессоров, да и в настоящее время влияние классической архитектуры в современных процессорах достаточно велико.

Естественно, что понятие классической архитектуры шире, чем принципы Дж. фон-Неймана, и сегодня под ЭВМ с классической архитектурой понимается вычислительная машина, построенная на следующих принципах:

1. Принцип загружаемой программы. Программа и данные, обрабатываемые этой программой должны быть загружены в оперативную память для обработки их процессором. Это означает, что процессор выбирает очередную команду программы и данные, обрабатываемые этой командой из оперативной памяти ЭВМ. Загрузка в оперативную память с внешних устройств выполняется посредством операций ввода/вывода.

2. Принцип микропрограммного управления. Подразумевает наличие универсального АЛУ и специальной памяти для хранения микропрограмм, которые описывают работу процессора при выполнении команды по тактам;

3. Универсальный набор команд. Процессор с точки зрения программирования обеспечивает разработчиков универсальным по типам и операциям набором машинных команд.

4. Обработка особых ситуаций по прерываниям. Особые ситуации, возникающие при работе процессора (ввод/вывод, таймер) или при выполнении команды (деление на ноль, переполнение порядка) обрабатываются с использованием особого аппаратно-программного механизма, называемого прерыванием. При возникновении особой ситуации происходит аппаратная смена содержимого регистра адреса команды, посредством чего процессор начинает выполнять специальную программу операционной системы - обработчик прерываний;

5. Принцип последовательного выполнения команд. Процессор выбирает очередную команду из оперативной памяти по адресу, расположенному а специальном регистре устройства управления процессором - регистре адреса команды. После выборки команды в регистр команд регистр адреса увеличивается на длину машинной команды. Таким образом, процессор последовательно выполняет команды загруженной программы, до тех пор пока очередная выбранная команда не будет командой перехода по адресу. В этом случае адрес, указанный в команде перехода замещает текущий адрес в регистре адреса команды УУ процессора, и тем самым следующая выбираемая процессором команда - это та, на которую указывала команда перехода.

Этим принципам соответствует структура процессора, показанная на рис 2.1, регистры общего назначения программно адресуемы и предназначены для целей пользовательского программирования.

Общая структура фон - Неймановского процессора

Рис 2.1

Дата добавления: 2014-01-14