Структуры вычислительных машин

Типы структур вычислительных машин и систем

Достоинства и недостатки архитектуры вычислительных машин и систем изначально зависят от способа соединения компонентов. При самом общем подходе можно говорить о двух основных типах структур вычислительных машин и двух типах структур вычислительных систем.

В настоящее время примерно одинаковое распространение получили два способа построения вычислительных машин:

· с непосредственными связями;

· на основе шины.

Рассмотрим эти способы подробнее.

ü Способ построения вычислительных машин с непосредственными связями.

Типичным представителем данного способа может служить классическая фон-неймановская ВМ (см. рис.1). В ней между взаимодействующими устройствами (процессор, память, устройство ввода/вывода) имеются непосредственные связи. Особенности связей (число линий в шинах, пропускная способность и т. п.) определяются видом информации, характером и интенсивностью обмена.

Достоинством архитектуры с непосредственными связями можно считать возможность развязки «узких мест» путем улучшения структуры и характеристик только определенных связей, что экономически может быть наиболее выгодным решением.

У фон-неймановских ВМ таким «узким местом» является канал пересылки данных между ЦП и памятью и «развязать» его достаточно непросто. Кроме того, ВМ с непосредственными связями плохо поддаются реконфигурации.

ü Способ построения вычислительных машин на основе шины

В варианте с общей шиной все устройства вычислительной машины подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных и управления (рис.2). Наличие общей шины существенно упрощает реализацию ВМ, позволяет легко менять состав и конфигурацию машины. Благодаря этим свойствам шинная архитектура получила широкое распространение в мини- и микроЭВМ.

Вместе с тем, именно с шиной связан и основной недостаток архитектуры: в каждый момент передавать информацию по шине может только одно устройство. Основную нагрузку на шину создают обмены между процессором и памятью, связанные с извлечением из памяти команд и данных и записью в память результатов вычислений. На операции ввода/вывода остается лишь часть пропускной способности шины.

Практика показывает, что даже при достаточно быстрой шине для 90 % приложений этих остаточных ресурсов обычно не хватает, особенно в случае ввода или вывода больших массивов данных.

Рис. 2. Структура вычислительной машины на базе общей шины

В целом, следует признать, что при сохранении фон-неймановской концепции последовательного выполнения команд программы (одна команда в единицу времени) шинная архитектура в чистом ее виде оказывается недостаточно эффективной. Более распространена архитектура с иерархией шин, где помимо магистральной шины имеется еще несколько дополнительных шин. Они могут обеспечивать непосредственную связь между устройствами с наиболее интенсивным обменом, например процессором и кэш-памятью.

Другой вариант использования дополнительных шин — объединение однотипных устройств ввода/вывода с последующим выходом с дополнительной шины на магистральную. Все эти меры позволяют снизить нагрузку на общую шину и более эффективно расходовать ее пропускную способность.

Дата добавления: 2013-12-12