Иерархическое описание ЭВМ

Классическая архитектура ЭВМ

Варианты классификации ЭВМ

За свою полувековую историю ЭВМ из единичных экземпляров инструментов ученых превратились в предмет массового потребления. Спектр применения ЭВМ в современном обществе чрезвычайно широк, причем именно область применения накладывает основной отпечаток на характеристики ЭВМ. Поэтому в большинстве подходов к классификации ЭВМ именно область применения является основным параметром классификации.

Изделия современной техники, особенно вычислительной, традиционно принято делить на поколения (табл. 1.1), причем основным признаком поколения ЭВМ считается ее элементная база. Следует помнить, что любая классификация не является абсолютной. Всегда можно отыскать объект классификации, который по одним параметрам относится к одному классу, а по другим — к другому. Это в большой степени относится и к классификации поколений ЭВМ: некоторые авторы выделяют три поколения ЭВМ (дальнейшее развитие ЭВМ идет как бы вне поколений), другие насчитывают целых шесть.

В рамках первого поколения ЭВМ не возникала необходимость в классификации, т. к. машин были считанные единицы и использовались они, как правило, для выполнения научно-технических расчетов. Отдельные машины характеризовались быстродействием (числом выполняемых операций в секунду), объемом памяти, стоимостью, надежностью (наработка на отказ), габаритно-весовыми характеристиками, потребляемой мощностью и другими параметрами.

(Страница16)

Таблица 1.1. Поколения ЭВМ

Поколение	Элементная база	Годы существования	Области применения
Первое	Электронные лампы	50 — 60	Научно-технические расчеты
Второе	Транзисторы, ферритовые сердечники	60 — 70	Научно-технические расчеты, планово-экономические расчеты
Третье	Интегральные схемы	70 — 80	Научно-технические расчеты, планово-экономические расчеты, системы управления
Четвертое	СИС, БИС, СБИС и т. д.	80 и по сей день	Все сферы деятельности

Использование транзисторов в качестве элементной базы второго поколения привело к улучшению примерно на порядок каждого из основных параметров ЭВМ. Это, в свою очередь, резко расширило сферу применения ЭВМ, причем в разных областях применения к ЭВМ предъявлялись различные требования. Так называемые "научно-технические расчеты" характеризовались относительно небольшим объемом входной и выходной информации, но очень большим числом сложных операций с высокой точностью над входной информацией, а "планово-экономические расчеты" (Здесь используется терминология, принятая в годы существования второго поколения ЭВМ) — наоборот, простейшими операциями (сложение, сравнение) над огромными объемами информации.

Соответственно в рамках второго поколения ЭВМ выделялись:

□ ЭВМ для научно-технических расчетов, характеризующиеся мощным быстродействующим процессором с развитой системой команд (в т. ч. реализующей арифметику с плавающей запятой) и относительно небольшой внешней памятью и номенклатурой устройств ввода/вывода;

□ ЭВМ для планово-экономических расчетов, характеризующиеся, прежде всего, большой многоуровневой памятью, развитой номенклатурой устройств ввода/вывода (УВВ), но относительно простым и дешевым процессором, система команд которого включает простые арифметические команды (сложение, вычитание) с фиксированной запятой.

Характерно, что и языки программирования "второго поколения" так же разделялись на "математические" (FORTRAN) и "экономические" (COBOL).

Однако по мере расширения сферы применения ЭВМ, улучшения их основных характеристик, появления новых задач, границы между выделенными классами стали размываться. Уже в рамках второго поколения стали выделять т. н. ЭВМ общего назначения, одинаково хорошо приспособленные для решения разнообразных задач. Такие машины объединяли в себе достоинства "научно-технических" и "планово-экономических" ЭВМ: мощный процессор, большую память, широкую номенклатуру УВВ (в то время это уже можно было себе позволить). Такие машины могли решать задачи, недоступные предыдущим моделям. Но для решения более простых задач их ресурсы являлись избыточными и, следовательно, решение этих задач — экономически не оправдано. Поэтому ЭВМ общего назначения (универсальные ЭВМ) стали выпускать различной вычислительной мощности (и, следовательно, стоимости): большие, средние и малые.

В рамках ЭВМ третьего поколения стал усиленно развиваться новый класс — управляющие ЭВМ. К ЭВМ, работающим в контуре управления объектом или технологическим процессом, предъявляются специфические требования: прежде всего, высокая надежность, способность работать в экстремальных внешних условиях (перепады температуры, давления, питающих напряжений, высокий уровень электромагнитных помех и т. п.), быстрая реакция на изменения состояния внешней среды, малые габариты и вес, простота обслуживания. В то же время к таким характеристикам, как быстродействие процессора, мощность системы команд, объем памяти, часто не предъявлялись слишком высоких требований, зато решающим становился фактор стоимости. Эти особенности привели к появлению класса т. н. мини-ЭВМ, а затем и микроЭВМ, хотя в дальнейшем и мини- и микроЭВМ использовались не только в качестве управляющих. Иногда эти классы объединяли понятием проблемно-ориентированные ЭВМ.

Наряду с упомянутыми классами ЭВМ широкого применения всегда выпускались машины, которые можно было считать специализированными. Это, во-первых, т. н. суперЭВМ, выпускаемые в единичных экземплярах и предназначенные для решения задач, недоступных для серийной вычислительной техники. Для ряда применений создавались специализированные ЭВМ, архитектура и структура которых оптимизировалась под решение конкретной задачи. Ту же задачу можно было решить и на универсальной ЭВМ подходящего класса, но со значительно более низкими показателями качества. В то же время решение других задач на специализированной ЭВМ было либо невозможно, либо крайне неэффективно. Одна из возможных классификаций ЭВМ на рубеже 3 — 4 поколений показана на рис. 1.2.

Еще одним важным явлением, проявившимся при развитии третьего поколения ЭВМ, стало появление семейств ЭВМ. В рамках одного семейства, объединенного общими архитектурными, структурными, а иногда — и конструктивными решениями, выпускались несколько (иногда — более десятка) классов ЭВМ: малые, средние, "полусредние", большие, очень большие и т. д.

Рис. 1.2. Вариант классификации ЭВМ

Общими для большинства семейств являются:

□ внутренний язык, что позволяет осуществлять совместимость программ на уровне машинных кодов (IBM-360, ЕС ЭВМ) либо системы команд, обладающие совместимостью "снизу вверх" (PDP-11), когда старшие представители семейства реализуют все команды младших моделей плюс еще некоторые команды;

□ форматы данных;

□ форматы записи на внешний носитель;

□ интерфейс, что позволяет иметь единую номенклатуру внешних устройств для всех представителей семейства;

□ преемственность программного обеспечения (как правило, та же совместимость "снизу вверх").

Для решения конкретной задачи пользователь подбирал соответствующий экземпляр семейства, а по мере усложнения задачи осуществлялся переход на более старшие модели семейства, причем уже отлаженные на младших моделях программы, как правило, не требовали доработки.

Наиболее известными примерами семейств ЭВМ могут служить:

□ семейство универсальных ЭВМ третьего поколения IВМ-360 и его советский аналог — ЕС ЭВМ, включающее малые машины ЕС-1010 и ЕС-1020, средние ЕС-1022, ЕС-1030, ЕС-1035 и др., большие ЕС-1050, ЕС-1060, EC-1065;

□ семейство мини-ЭВМ PDP-11 и его советский аналог — СМ ЭВМ (лишь часть представителей семейства — СМ-3, СМ-4, СМ-1420);

□ семейство микроЭВМ LXI-11 (Электроника-60 и ее модификации);

□ семейство микропроцессоров i80x86.

Считается, что основные идеи построения современных ЭВМ в 1945 г. сформулировал американский математик Дж. фон Нейман, определив их как принципы программного управления:

1. Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы — слова.

2. Разнотипные по смыслу слова различаются по способу использования, но не по способу кодирования.

3. Слова информации размещаются в ячейках памяти и идентифицируются номерами ячеек — адресами слов.

4. Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов, называемых командами. - Команда определяет наименование операции и слова информации, участвующие в ней. Алгоритм, записанный в виде последовательности команд, называется программой.

5. Выполнение вычислений, предписанных алгоритмом, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определенном программой.

Поэтому классическую архитектуру современных ЭВМ, представленную на рис. 1.3, часто называют "архитектурой фон Неймана".

Рис. 13. Классическая архитектура ЭВМ

Программа вычислений (обработки информации) составляется в виде последовательности команд и загружается в память машины — запоминающее устройство (ЗУ). Там же хранятся исходные данные и промежуточные результаты обработки. Центральное устройство управления (ЦУУ) последовательно извлекает из памяти команды программы и организует их выполнение. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для реализации операций преобразования информации. Программа и исходные данные вводятся в память машины через устройства ввода (УВв), а результаты обработки предъявляются на устройства вывода (УВыв).

(Страница20)

Характерной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что память представляет собой единое адресное пространство, предназначенное для хранения, как программ, так и данных.

Такой подход, с одной стороны, обеспечивает большую гибкость организации вычислений — возможность перераспределения памяти между программой и данными, возможность самомодификации программы в процессе ее выполнения. С другой стороны, без принятия специальных мер защиты снижается надежность выполнения программы, что особенно недопустимо в управляющих системах.

Действительно, поскольку и команды программы, и данные кодируются в ЭВМ двоичными числами, теоретически возможно как разрушение программы (при обращении в область программы, как к данным), так и попытка "выполнения" области данных как программы (при ошибочных переходах программы в область данных).

Альтернативной фон-неймановской является т. н. гарвардская архитектура. ЭВМ, реализованные по этому принципу, имеют два непересекающихся адресных пространства — для программы и для данных, причем программу нельзя разместить в свободной области памяти данных и наоборот. Гарвардская архитектура применяется главным образом в управляющих ЭВМ.

ЭВМ как сложная система может быть адекватно описана на нескольких уровнях с применением различных языков описания на каждом из уровней. Принципы структурного описания предполагают введение следующих понятий:

□ система — совокупность элементов, объединенных в одно целое для достижения определенных целей. Для полного описания системы следует определить ее функции и структуру;

□ структура системы — фиксированная совокупность элементов системы и связей между ними;

□ элемент — неделимая часть системы, структура которого не рассматривается, а определяются только его функции.

Функции системы стремятся описывать в математической форме, иногда — в словесной (содержательной форме). Структура системы может быть задана в виде графа или эквивалентных ему математических форм (матриц). Инженерной формой задания структуры является схема (отличается от графа только формой). Различным уровням представления систем соответствуют различные виды схем.

(Страница21)

Свойства системы не являются простой суммой свойств входящих в нее элементов; за счет организации связей между элементами приобретается новое качество, отсутствующее в элементах. Например, радиокомпоненты → логические элементы → сумматор.

Для сложных систем характерно, что функция, реализуемая системой, не может быть представлена как композиция функций, реализуемых наименьшими элементами системы (иначе говоря, функцию сложной системы нельзя адекватно описать на одном языке). Действительно, функционирование ЭВМ нельзя описать лишь на языке электрических процессов, в ней происходящих. Функции ЭВМ как системы выявляются лишь при рассмотрении информационных и логических аспектов ее работы.

Поэтому в описании сложных систем используют несколько форм описания (языков) функций и структуры — иерархию функций и структуры. Иерархический подход к описанию сложных систем предполагает, что на высшем уровне иерархии система рассматривается как один элемент, имеющий входы и выходы для связи с внешней средой. В этом случае функция не может быть задана подробно и представляется как отображение состояний входов на состояние выходов системы.

Чтобы раскрыть устройство и порядок функционирования системы, глобальная функция и сама система разделяются на части — функции и структурные элементы следующего более низкого уровня иерархии и т. д. до тех пор, пока функции и структура системы не будут раскрыты полностью, с необходимой степенью детализации.

В этом случае элемент — это, прежде всего, удобное понятие, а не физическое свойство, т. к. один и тот же физический объект может рассматриваться как элемент на одном уровне иерархии и как система — на другом (более низком) уровне. В табл. 1.2 представлены основные уровни ЭВМ и языки описания этих уровней.

Таблица 1.2. Уровни описания ЭВМ

Уровень описания	Объект	Структурный базис	Язык описания
Электрические схемы	Логические и запоминающие элементы	Электронные и радиокомпоненты — транзисторы, резисторы и др.	Соотношения теории электрических цепей

Таблица 1.2 (окончание)

Уровень описания	Объект	Структурный базис	Язык описания
Логические схемы	Операционные элементы (счетчики, сумматоры, дешифраторы, регистры и т. д.) микропрограммные автоматы	Логические и запоминающие элементы	Булева алгебра, теория конечных автоматов
Операционные схемы	Операционные устройства: (арифметико-логическое устройство, устройство управления, запоминающее устройство и др.)	Операционные элементы, микропрограммные автоматы	Языки описания микроопераций
Структурные схемы	ЭВМ и системы	Операционные устройства	Языки машинных команд, микропрограмм
Программный уровень	Операционные системы, вычислительный процесс	Команды и операторы	Алгоритмические языки

ГЛАВА 2

Дата добавления: 2015-04-25