Архитектура ЭВМ

Термин «архитектура ЭВМ» впервые появился в начале 60-х гг. 20 века и обозначает весь комплекс аппаратных и программных средств и их взаимосвязи, определяющие возможности ЭВМ, предоставляемые пользователю для решения прикладных задач. Характеристики архитектуры ЭВМ складываются из трех основных компонентов:

1) вычислительные возможности ЭВМ (система команд, используемые форматы данных, характеристики быстродействия);

2) аппаратная платформа (структура ЭВМ, организация памяти и системы ввода-вывода);

3) программное обеспечение (операционная система, системы программирования, прикладные программы).

Существенный вклад в создание ЭВМ внес американский математик венгерского происхождения Джон (Янош) фон Нейман, который, будучи сотрудником Принстонского института перспективных исследований, являлся консультантом проекта «ENIAC». В 1946 г. вместе с Г. Гольдстейном и А. Берксом он написал отчет «Предварительное обсуждение логической конструкции электронной вычислительной машины». В этом отчете были изложены основные принципы логической структуры ЭВМ нового типа. Авторы утверждали, что ЭВМ должна создаваться на электронной основе (радиолампах) и работать в двоичной системе счисления. В ее состав должны входить:

- арифметическое устройство;

- центральное устройство управления;

- запоминающие устройства;

- устройства ввода данных и вывода результатов.

Кроме этого, отчет содержал более частные рекомендации, известные ныне как «принципы фон Неймана»:

· одинаковое представление данных и команд в виде двоичных чисел;

· одна память для хранения команд и данных;

· принцип программного управления;

· естественный порядок выборки команд (команды выполняются одна за другой в том же порядке, в котором они размещены в памяти ЭВМ). В системе команд должны быть команды условной и безусловной передачи управления.

Таким образом, Дж. фон Нейманом были сформулированы основные принципы, определяющие структуру компьютеров (рис. 1).

В настоящее время при определении состава и возможностей конкретной ЭВМ часто используются термины «структура ЭВМ» и «архитектура ЭВМ». Эти термины являются родственными, но не одинаковыми по смыслу.

Несмотря на бурное развитие вычислительной техники, структура большинства современных ЭВМ сохранила основные черты, описанные в фундаментальной работе Дж. фон Неймана.

Эволюция архитектуры ЭВМ. За время своего существования ЭВМ претерпели значительные изменения, которые связаны в большей степени с развитием технологии и средств производства. Все существовавшие ранее и существующие ныне ЭВМ принято делить на поколения, указывая тем самым на наличие общих черт, присущих моделям ЭВМ, имеющим относительно близкие характеристики. Одной из наиболее показательных характеристик, отражающих «родство» ЭВМ, т.е. их принадлежность к одному поколению, считают «элементную базу». Элементная база – это набор электронных приборов, на основе которых конструируется и собирается та или иная модель ЭВМ.

Основой элементной базы ЭВМ первого поколения служили электровакуумные приборы (электронные лампы). Характерная черта ЭВМ первого поколения – огромные физические размеры и большая потребляемая мощность. Например, ЭВМ ENIAC содержала около 18000 электронных ламп и потребляла 150 кВт/ч электроэнергии. Быстродействие (скорость выполнения операций) ЭВМ первого поколения измерялось тысячами операций в секунду. Надежность ЭВМ первого поколения была относительно невысока.

Разработка технологии серийного производства полупроводниковых приборов привела к появлению в середине пятидесятых годов прошлого века ЭВМ второго поколения, построенных на полупроводниковой элементной базе. Переход к новой элементной базе позволил резко уменьшить потребляемую мощность, увеличить быстродействие и надежность ЭВМ.

В 1959 г. был изобретен метод, позволивший создавать на одной пластине и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. Полученные электронные схемы стали называться интегральными схемами (ИС), или чипами. Развитие этого направления в электронике привело к появлению в 1964 г. третьего поколения ЭВМ. В этот период появляются отдельные разработки, связанные с частичным отходом от классических принципов Дж. фон Неймана. Примером такого варианта является разработка фирмой IBM концепции прерывания. Суть предложенного новшества заключается в том, что выполнение программы в процессоре приостанавливается при получении специального сигнала от устройства ввода-вывода (УВВ) и процессор переключается на работу с этим устройством. По окончании обработки операции ввода-вывода процессор возвращается к выполнению программы.

В это же время разрабатываются концепции принципиально новых вычислительных машин, в основе которых лежит параллельная и конвейерная обработка информации на нескольких процессорах. Примером таких ЭВМ, в которых не в полной мере соблюдались принципы фон Неймана, могут служить потоковые ЭВМ, в которых управление вычислительным процессом осуществляется потоком обрабатываемых данных.

Предпосылкой появления четвертого поколения ЭВМ стало создание фирмой Intel первого микропроцессора – программируемого логического устройства, изготовленного по технологии сверхбольшой интегральной схемы. Вслед за появлением первого микропроцессора был создан первый компьютер четвертого поколения. Для ЭВМ четвертого поколения характерно использование так называемых модульных конструкций. Под модулем понимается любое устройство ЭВМ, способное функционировать самостоятельно, имеющее собственные цепи управления. Повышения производительности достигают разбиением программ на отдельные независимые части и параллельной обработкой этих частей одновременно на нескольких процессорах.

Как отмечалось выше, появление третьего поколения ЭВМ было обусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам. Значительные успехи в миниатюризации электронных схем не просто способствовали уменьшению размеров базовых функциональных узлов ЭВМ, но и создали предпосылки для существенного роста быстродействия процессора. Возникло существенное противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой устройств ввода-вывода, в большинстве своем содержащих механически движущиеся части. Процессор, руководивший работой внешних устройств, значительную часть времени был бы вынужден простаивать в ожидании информации «из внешнего мира», что существенно снижало бы эффективность работы всей ЭВМ в целом. Для решения этой проблемы возникла тенденция к освобождению центрального процессора от функций обмена и к передаче их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы имели различные названия: каналы обмена, процессоры ввода-вывода, периферийные процессоры. Последнее время все чаще используется термин «контроллер внешнего устройства» (или просто контроллер).

Наличие интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой машин третьего и четвертого поколений.

Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой «вверенного ему» внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Такой процессор имеет собственную систему команд. Например, контроллер накопителя на гибких магнитных дисках (дисковода) умеет позиционировать головку на нужную дорожку диска, читать или записывать сектор, форматировать дорожку и т.п. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором.

Таким образом, наличие интеллектуальных внешних устройств может существенно изменять идеологию обмена. Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия центрального процессора. Последний получает возможность «заниматься своим делом», т.е. выполнять программу дальше (если по данной задаче до завершения обмена ничего сделать нельзя, то можно в это время решать другую).

Рис. 2. Шинная архитектура ЭВМ

Структура ЭВМ, содержащей интеллектуальные контроллеры, изображена на рис.2. Для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая шина (часто ее называют магистралью). Шина состоит из трех частей:

· шина данных, по которой передается информация;

· шина адреса, определяющая, куда передаются данные;

· шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.

Отметим, что существуют модели компьютеров, у которых шины данных и адреса для экономии объединены. У таких машин сначала на шину выставляется адрес, а затем через некоторое время данные; для какой именно цели используется шина в данный момент, определяется сигналами на шине управления.

Описанную схему легко пополнять новыми устройствами – это свойство называют открытостью архитектуры. Для пользователя открытая архитектура означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости от круга решаемых задач.