Архитектурные принципы Фон Неймана

Традиционно архитектура Фон Неймана имеет четыре основные характеристики:

Единое вычислительное устройство, включающее процессор, средства передачи информации и память;

Линейную структуру адресации памяти, включающую слова фиксированной длины (формат команд представляется байтами, сложные команды — несколько байт);

Низкий уровень машинного языка (команды процессора выполняют простые операции, т.е. сложные процедуры выполняются последовательно);

Централизованное последовательное управление (последовательно читаются команды, последовательно выполняются операции).

В гарвардской архитектуре память данных и память команд разделены, т.е. процессор читает команды из памяти команд по шине команд и читает данные из памяти данных по шине данных. Между ними (шинами) может быть связь через мультиплексор.

Как в традиционной, так и гарвардской структуре существует принципиальное явление, ограничивающее производительность процессора — канал связи. Если увеличивать быстродействие процессора, то скорость выполнения начинает ограничиваться задержкой в канале. Эта величина конечна, поэтому ее практически не преодолеть. Если увеличить число процессоров работающих параллельно с общей памятью, то при реальных характеристиках увеличение производительности, возможно, не более чем в 3…4 раза с большим числом процессоров. Основная причина падения производительности на один процессор (снижение эффективности) в мультипроцессорных системах — сама архитектура вычислителя, предусматривающая общую память и последовательный к ней доступ. Поэтому разрабатываются варианты увеличения производительности с применением параллельных процессоров.

14.2. Альтернативные структуры

С ростом требований к производительности, особенно в таких технических приложениях как АСУТП, обработка сигналов, системы слежения возникла необходимость в значительном сокращении времени обработки входной информации. Первым шагом было внедрение конвейера. Операция разбивалась на несколько составляющих. На первом шаге обрабатывалась входная операция — i-я команда над первым словом информации. На втором шаге над тем же словом выполнялась j-я команда и над вторым i-я (i+1). На третьем шаге k-я команда над первым словом и над двумя следующими j+1, i+2.

Такой подход требует увеличения аппаратных затрат, т.к. в каждый момент времени выполняется несколько операций в различных устройствах. Общая память (традиционная архитектура) здесь сохранена, поэтому конвейер дает выигрыш ценой значительных аппаратных затрат. Основной недостаток конвейера — необходимость выделения примерно равных во времени процедур. Часто это сложно. Поэтому иногда операционное устройство в конвейере в некоторых тактах может простаивать. Следующий принципиальный шаг к повышению производительности вычислительной системы, применение многомашинных и много процессорных комплексов. Это направление просматривалось в отношении многомашинных структур.

Многомашинный комплекс появился как средство обработки сложных задач на 2..3 машинах. Машины объединяют через канал, при этом реальная производительность возрастает только при загрузке обеих машин. Если задачу можно было бы распараллелить, получался бы выигрыш в производительности. Как и в традиционной структуре, узкое место системы — канал связывающий две машины. Наряду с ростом производительности эта структура имеет и большую живучесть. Второе ее качество на сегодня и определило применение таких структур. Повышение надежности вычислений путем дублирования — пример двухмашинного комплекса. Обе машины принимают один сигнал, и каждая порознь обрабатывает его, формируя результат на внешних устройствах. При этом одна машина выбирается основной, вторая резервной. В случае возникновения сбоя в основной машине информация снимается с резервной. С точки зрения организации вычислительного комплекса многомашинные комплексы — это первая попытка увеличить производительность путем распараллеливания алгоритма, но эффективность такой организации оказалась более важной при сохранении надежности вычислений. На сегодня многомашинные комплексы используют для повышения достоверности вычислений.

Связь машин между собой по системной шине невозможна. Причина — сигналы в системной шине изменяются согласно фронтам собственного задающего генератора. У двух одинаковых машин фронты задающих генераторов не совпадают, поэтому через системную шину объединять машины нельзя. Объединение вычислителей производится через стандартные средства — каналы, интерфейсы имеющиеся в устройстве. Если ввести модуль согласования, объединяющий две системные шины, то принципиально возможно передавать сигналы с системной шины одного процессора другому. Возникает лишь вопрос, а кто главный? Поскольку без приоритета процедуры передачи организовать нельзя. Если же один из процессоров выделять как главный, получаем иерархическую структуру, в которой процессоры выполняют различные функции. Наиболее распространенным вариантом многомашинных комплексов с иерархической структурой считается шинная организация.

Например, управляющие комплексы на базе СМ1420 с общей шиной у процессора в качестве периферийных устройств используют микроЭВМ («Электроника 60») включенные через блок сопряжения. Блок сопряжения имеет специфичные функции для конкретной задачи, т.е. универсальность комплекса при этом теряется. Имеются случаи, содержащие до трех уровней иерархии. Причем такие комплексы выпускаются под задачи АСУТП и цифровой обработки сигналов. Особый случай объединения однотипных вычислителей в систему — это различного вида цифровые сети.

Дата добавления: 2014-01-11