НОУ ІНТУЇТ | лекція | Технічні засоби інформаційних технологій

1. Принципи побудови комп'ютера
2. Структурні схеми і взаємодію пристроїв комп'ютера
3. Комп'ютерні системи

Принципи побудови комп'ютера

Основним принципом побудови всіх сучасних комп'ютерів є програмне керування. В його основі лежить уявлення алгоритму розв'язання будь-якої задачі у вигляді програми обчислень.

Всі обчислення, визначені алгоритмом рішення завдання, повинні бути представлені у вигляді програми, що складається з послідовності керуючих слів _ команд. Кожна команда містить вказівки на конкретну виконувану операцію, місця знаходження (адреси) операндів і ряд службових ознак. Операнди _ змінні, значення яких беруть участь в операціях перетворення даних. Програми і оброблювані ними дані повинні спільно зберігатися в пам'яті комп'ютера.

Для доступу до програм, командам і операндам використовуються їх адреси. Як адрес виступають номери осередків пам'яті комп'ютера, призначених для зберігання об'єктів. Інформація (командна і дані: числова, текстова, графічна та інша інформація) кодується двійковим кодом (цифрами 0 і 1). Тому різні типи інформації, розміщені в пам'яті, практично неможливо розрізнити, ідентифікація їх можлива лише при виконанні програми, згідно з її логікою, за контекстом.

Виконання кожної команди програми передбачає багаторазове звернення до пам'яті (вибірка команд, вибірка операндів, відсилання результатів і т.п.). У перших структурах ЕОМ використовувалося централізоване управління, при якому одна і та ж апаратура виконувала і основні, і допоміжні дії. Це було виправдано для перших дорогих машин, але не дозволяло виконувати паралельні роботи. Еволюція обчислювальної техніки зажадала децентралізації.

Децентралізація побудови та управління викликала до життя такі елементи, які є загальним стандартом структур сучасних комп'ютерів:

• модульність побудови;
• магістральний;
• ієрархія управління.

Модульність побудови передбачає виділення в структурі комп'ютера автономних, функціонально, логічно і конструктивно закінчених пристроїв: процесор, модуль пам'яті, накопичувач на магнітному диску, дисплей і т.п.

Модульна конструкція комп'ютера робить його відкритою системою, здатною до адаптації і вдосконалення. До нього можна підключати додаткові пристрої, покращуючи його технічні та економічні показники. З'являється можливість нарощування обчислювальної потужності, поліпшення структури шляхом заміни окремих пристроїв на більш досконалі, зміни та управління конфігурацією системи, пристосування її до конкретних умов застосування відповідно до вимог користувачів.

В якості основних засобів підключення і об'єднання модулів в систему використовуються магістралі, або шини. Стандартна система сполучення (інтерфейс) забезпечує можливість формування необхідної конфігурації, гнучкість структури і адаптацію до постійно змінюваних умов функціонування.

В сучасних обчислювачах принцип децентралізації і паралельної роботи поширений як на периферійні пристрої, так і на самі комп'ютери, їх процесори. З'явилися обчислювальні системи, які містять кілька обчислювачів, які працюють узгоджено і паралельно. Всередині самого комп'ютера сталося ще більш різкий поділ функцій між засобами обробки. З'явилися окремі спеціалізовані процесори, наприклад, співпроцесори, що виконують обробку чисел з плаваючою точкою, матричні процесори і ін.

Модульність структури зажадала стандартизації та уніфікації обладнання, номенклатури технічних та програмних засобів, засобів сполучення - інтерфейсів, конструктивних рішень, уніфікації типових елементів заміни, елементної бази та нормативно-технічної документації. Все це сприяло поліпшенню технічних і експлуатаційних характеристик комп'ютерів, зростання технологічності їх виробництва.

Децентралізація управління передбачає ієрархічну організацію структури комп'ютера. Головний або центральний модуль системи визначає послідовність робіт підлеглих модулів і їх ініціалізацію, після чого вони продовжують роботу за власними програмами управління. Результати виконання необхідних операцій представляються ними "вгору по ієрархії" для правильної координації всіх робіт. Модулі можуть, в свою чергу, використовувати спеціальні шини, або магістралі, для обміну керуючими сигналами, адресами і даними.

Ієрархічний принцип побудови і управління характерний не тільки для структури комп'ютера в цілому, але і для окремих його підсистем. Наприклад, за цим же принципом будується система пам'яті.

Децентралізація управління і структури комп'ютера дозволила перейти до більш складним багатопрограмних (мультипрограмним) режимам. При цьому в комп'ютері одночасно можуть оброблятися кілька програм користувачів.

Структурні схеми і взаємодію пристроїв комп'ютера

Класична схема комп'ютера, що відповідає програмному принципу управління, логічно випливає з послідовного характеру перетворень, виконуваних людиною за певним алгоритмом (програмі). Узагальнена структурна схема ЕОМ перших поколінь представлена ​​на рис.13.2 .

У будь-якому комп'ютері є пристрої введення інформації (УВВ), за допомогою яких користувачі вводять програми вирішуваних завдань і дані. Введена інформація спочатку повністю або частково запам'ятовується в оперативному запам'ятовуючому пристрої (ОЗУ), а потім переноситься у зовнішній пристрій (ВЗУ), призначене для тривалого зберігання інформації, де перетворюється в спеціальний інформаційний об'єкт - файл.

При використанні файлу в обчислювальному процесі його вміст переноситься в ОЗУ. Потім програмна інформація команда за командою зчитується в пристрій керування.

Пристрій управління (УУ) призначається для автоматичного виконання програм шляхом примусової координації всіх інших пристроїв. Ланцюги сигналів управління показані на рис.13.2 штриховими лініями. Викликані з ОЗУ команди дешифрируются пристроєм управління: визначають код операції, яку необхідно виконати наступної, і адреси операндів, які беруть участь у цій операції.

Арифметико-логічний пристрій (АЛП) виконує арифметичні і логічні операції над даними. Основною частиною АЛУ є операційний автомат, до складу якого входять суматори, лічильники, регістри, логічні перетворювачі та ін. Він кожен раз перебудовується на виконання чергової операції. Результати виконання окремих операцій зберігаються для подальшого використання на одному з регістрів АЛУ або записуються в пам'ять. Окремі ознаки результатів r ( та ін.) пристрій управління використовує для зміни порядку виконання команд програми. Результати, отримані після виконання всієї програми обчислень, передаються на пристрій виведення інформації (УВив). Як УВив можуть використовуватися екран дисплея, принтер, плотер і ін.

Класична структура комп'ютера представляла собою "дивно витончене інженерне рішення", добре відповідає тодішньому рівню розвитку промислових технологій. Вона стала фактичним стандартом (de facto), якому стали слідувати виробники обчислювальної техніки.

У персональних комп'ютерах, що відносяться до комп'ютерів четвертого покоління, відбулося подальше зміна структури ( ріс.13.3 ). З'єднання всіх пристроїв в єдину машину забезпечується за допомогою загальної шини, що представляє собою лінії передачі даних, адрес, сигналів керування та живлення. Єдина система апаратурних сполук значно спростила структуру, зробивши її децентралізованою. Всі передачі даних по шині здійснюються під керуванням сервісних програм.

Ядро ПК утворюють процесор, основна пам'ять (ОП), що складається з оперативної пам'яті і постійного пам'яті (ПЗУ), і відеопам'ять. ПЗУ призначається для запису і постійного зберігання найбільш часто використовуваних програм управління.

Підключення всіх зовнішніх пристроїв (ВНУ), дисплея, клавіатури, зовнішніх ЗУ та ін. Забезпечується через відповідні адаптери - согласователі швидкостей роботи сполучених пристроїв, або контролери - спеціальні пристрої управління периферійної апаратурою. Контролери в ПК грають роль каналів вводу-виводу. В якості особливих пристроїв слід виділити таймер - пристрій вимірювання часу, і контролер прямого доступу до пам'яті (ККД) - пристрій, що забезпечує доступ до ОП, минаючи процесор.

Організацію узгодженої роботи шин і пристроїв виконують мікросхеми системної логіки, звані чіпсетом (Chipset). Більшість наборів мікросхем системної логіки мають яскраво виражену ієрархічну структуру побудови, що відповідає рівням високошвидкісних і введення-виведення даних. Рівень високошвидкісних пристроїв утворюють процесори, відеопам'ять, оперативна пам'ять; рівень низько-швидкісних пристроїв утворюють будь-які зовнішні пристрої.

Комп'ютерні системи

Піввікова історія розвитку обчислювальної техніки була пов'язана з удосконаленням класичної структури комп'ютера, що має такі відмітні ознаки:

• ядро комп'ютера - процесор - єдиний обчислювач в структурі, доповнений каналами обміну інформацією і пам'яттю;
• лінійна організація осередків усіх видів пам'яті фіксованого розміру;
• однорівнева адресація комірок пам'яті, стирає відмінності між усіма типами інформації;
• внутрішній машинний мова низького рівня, при якому команди містять елементарні операції перетворення простих операндів;
• послідовне централізоване управління обчисленнями;
• досить примітивні можливості пристрою введення-виведення.

Класична структура комп'ютера вже послужила добру службу людству. В ході еволюції вона була доповнена цілим рядом приватних доробок, що дозволяють ліквідувати найбільш "вузькі місця" і забезпечити максимальну продуктивність в рамках досягнутих технологій. Однак, незважаючи на всі успіхи, класична структура вже не забезпечує можливостей подальшого нарощування продуктивності. Теорія і практика побудови комп'ютерів підійшли до кордонів мікроелектроніки, за якими стоять безліч практично нерозривно-шімих проблем в областях системотехніки, подальшого нарощування частоти роботи мікросхем, програмування, компіляції і т.д.

Подальший поступальний розвиток обчислювальної техніки безпосередньо пов'язано з переходом до паралельних обчислень, з ідеями побудови багатопроцесорних систем і мереж, які об'єднують велику кількість окремих процесорів і (або) ЕОМ. Тут з'являються величезні можливості вдосконалення засобів обчислювальної техніки. Але слід зазначити, що при безсумнівних практичних досягненнях в області паралельних обчислень до теперішнього часу відсутня їх єдина теоретична база.

З появою на початку нового тисячоліття багатоядерних мікропроцесорів ера комп'ютерів класичної структури і пов'язаних з ними послідовних обчислень закінчується. На зміну йдуть нові паралельні структури з новими принципами їх побудови. Вони стають економічно більш вигідними. Майбутнє обчислювальної техніки - саме за цими системами.

Під обчислювальної (комп'ютерної) системою (ВС) розуміють сукупність взаємопов'язаних і взаємодіючих процесорів або ЕОМ, периферійного обладнання та програмного забезпечення, призначену для збору, зберігання, обробки і розподілу інформації. Відмінною особливістю ВС по відношенню до ЕОМ є наявність в них декількох обчислювачів, що реалізують паралельну обробку. Створення ВС переслідує наступні основні цілі: підвищення продуктивності системи за рахунок прискорення процесів обробки даних, підвищення надійності та достовірності обчислень, надання користувачам додаткових сервісних послуг і т.д.

Основні принципи побудови, які закладаються при створенні ВС:

• можливість роботи в різних режимах;
• модульність структури технічних і програмних засобів, яка дозволяє удосконалювати і модернізувати обчислювальні системи без корінних їх переробок;
• уніфікація і стандартизація технічних і програмних рішень;
• ієрархія в організації управління процесами;
• здатність систем до адаптації, самонастройке і самоорганізації;
• забезпечення необхідним сервісом користувачів при виконанні обчислень.

Існує велика кількість ознак, за якими класифікують обчислювальні системи: за цільовим призначенням і виконуваних функцій, за типами і кількістю ЕОМ або процесорів, з архітектури системи, режимам роботи, методам управління елементами системи, ступеня роз'єднаності елементів обчислювальної системи і ін. Проте основними з них є ознаки структурної і функціональної організації обчислювальної системи.

Велика розмаїтість структур ВС ускладнює їх вивчення. Тому їх класифікують з урахуванням їх узагальнених характеристик. З цією метою вводиться поняття "архітектура системи".

Архітектура ВС - сукупність характеристик і параметрів, що визначають функціонально-логічну і структурну організацію системи і які зачіпають в основному рівень паралельно працюють обчислювачів. Поняття архітектури охоплює загальні принципи побудови і функціонування, найбільш суттєві для користувачів, яких більше цікавлять можливості систем, а не деталі їхнього технічного виконання. Оскільки ВС з'явилися як системи паралельної обробки, розглянемо класифікацію архітектур саме c цієї точки зору.

Класифікація архітектур була запропонована М. Флінном (M. Flynn) на початку 60-х рр. В її основу закладено два можливих види паралелізму: незалежність потоків завдань (команд), які існують в системі, і незалежність (незв'язаність) даних, які обробляються в кожному потоці. Класифікація до теперішнього часу ще не втратила свого значення. Однак підкреслимо, що, як і будь-яка класифікація, вона носить тимчасовий і умовний характер. Своїм довголіттям вона зобов'язана тому, що виявилася справедливою для ВС, в яких обчислювальні модулі побудовані на принципах класичної структури ЕОМ. З появою систем, орієнтованих на потоки даних і використання асоціативної обробки, ця класифікація може бути некоректною.

Згідно з цією класифікацією існує чотири основних архітектури ВС, представлених на ріс.13.4 :

• одиночний потік команд - одиночний потік даних (ОКОД), в англійському варіанті Single Instruction Single Data (SISD) - одиночний потік інструкцій - одиночний потік даних ( ріс.13.4a );
• одиночний потік команд - множинний потік даних (ОКМД), або Single Instruction Multiple Data (SIMD) - одиночний потік інструкцій - одиночний потік даних ( ріс.13.4б );
• множинний потік команд - одиночний потік даних (МКОД), або Multiple Instruction Single Data (MISD) - множинний потік інструкцій - одиночний потік даних ( ріс.13.4в );
• множинний потік команд - множинний потік даних (МКМД), або Multiple Instruction Multiple Data (MIMD) - множинний потік інструкцій - множинний потік даних ( ріс.13.4г ).

Коротко розглянемо відмінні риси кожної з архітектур.

Архітектура ОКОД охоплює всі однопроцесорні і одномашінние варіанти систем, тобто варіанти з одним обчислювачем. Всі ЕОМ класичної структури потрапляють в цей клас. Тут паралелізм обчислень забезпечується шляхом поєднання виконання операцій окремими блоками АЛУ, а також паралельною роботою пристроїв введення-виведення інформації та процесора. Закономірності організації ви-числівника процесу в цих структурах досить добре вивчені.

Архітектура ОКМД передбачає створення структур векторної або матричної обробки. Системи цього типу зазвичай будуються як однорідні, тобто процесорні елементи, що входять в систему, ідентичні і всі вони підкоряються одній і тій же послідовності команд. Однак кожен процесор обробляє свій потік даних. Під цю схему добре підходять завдання обробки матриць або векторів (масивів), завдання вирішення систем лінійних і нелінійних, алгебраїчних і диференціальних рівнянь, задачі теорії поля і ін. В структурах даної архітектури бажано забезпечувати з'єднання між процесорами, відповідні реалізованим математичним залежностям. Як правило, ці зв'язки нагадують матрицю, в якій кожен процесорний елемент пов'язаний з сусідніми.

Цю схему вікорістовувалі и Використовують всі суперЕОМ без вінятку, починаючі з таких відоміх систем, як Cyber ​​-205 и Gray різніх модіфікацій. Вузька місцем подібніх систем є необходимость Зміни комутації между Процесори, коли зв'язок между ними відрізняється від матрічної. Кроме того, завдання, что допускаються широкий матричний паралелізм, складають Досить вузький клас задач. Структури ВС цього типу по суті є структурами спеціалізованих суперЕОМ.

Архітектура МКОД передбачає побудову своєрідного процесорного конвеєра, в якому результати обробки передаються від одного процесора до іншого по ланцюжку. Вигоди такого виду обробки зрозумілі. Прототипом таких обчислень може служити схема будь-якого виробничого конвеєра. У сучасних ЕОМ за цим принципом реалізована схема суміщення операцій, в якому різні функціональні блоки працюють паралельно, і кожен з них робить свою частину в загальному циклі обробки команди.

У ВС цього типу конвеєр повинні утворювати групи процесорів. Однак при переході на системний рівень дуже важко виявити подібний регулярний характер в універсальних обчисленнях. Крім того, на практиці не можна забезпечити і "велику довжину" такого конвеєра, при якій досягається найвищий ефект. Разом з тим конвеєрна схема знайшла застосування в так званих скалярних процесорах суперЕОМ - вони застосовуються як спеціальні процесори для підтримки векторної обробки.

Архітектура МКМД передбачає, що всі процесори системи працюють з різними програмами і з індивідуальним набором даних. У найпростішому випадку вони можуть бути автономні і незалежні. Така схема використання ЗС часто застосовується в багатьох великих обчислювальних центрах для збільшення пропускної спроможності центру.

Найбільший інтерес представляє організація узгодженої роботи процесорів системи, коли кожен елемент робить частина загальної програми. Загальна теоретична база такого виду робіт поки тільки створюється. Але можна навести приклади велику ефективність цієї моделі обчислень. Подібні системи можуть бути багатомашинний і багатопроцесорними. Перехід на багатоядерні процесори дозволяє створювати потужні центри паралельної обробки, мають в своєму складі тисячі процесорів. Проектувальники комп'ютерних систем зосереджують свої зусилля на розробках різнопланових структур ВС (зосереджених і розподілених систем) саме в архітектурі МКМД.

Контрольні питання

1. Який зміст поняття "структура комп'ютера"?
2. За якими технічними характеристиками здійснюється оцінка і вибір комп'ютера?
3. Що являє собою клас кишенькових персональних комп'ютерів?
4. Які основні тенденції розвитку комп'ютерів?
5. Поясніть суть принципу ієрархії побудови ЕОМ.
6. Перерахуйте відмінні риси класичної структури ЕОМ.
7. Які відмінні риси структури ПК?
8. Поясніть різноманіття шин, використовуваних в структурі ПК.
9. Які основні причини виникнення та розвитку комп'ютерних систем?
10. Які принципи покладені в основу класифікації архітектур комп'ютерних систем?