2.2. Обобщенная структура ЭВМ и пути её развития

Развитие архитектуры неизбежно ведет к развитию структуры ЭВМ. Реализация принципов интеллектуализации, которые все больше определяют развитие архитектуры ЭВМ, возможна при совершенствовании структурной организации, обеспечивающей повышение эффективности вычислительного процесса и, как следствие этого, рост производительности ЭВМ. В конечном счете, условием и критерием развития структуры является рост производи­тельности ЭВМ.

Основной тенденцией в развитии структуры ЭВМ является разделение функций системы и максимальная специализация подсистем для выполнения этих функций.

Обобщенная структура ЭВМ приведена на рис.2.1. Она состоит из сле­дующих составных частей:

- обрабатывающей подсистемы;

- подсистемы памяти;

- подсистемы ввода-вывода;

- подсистемы управления и обслуживания.

Для каждой подсистемы выделены основные направления их развития.

Обрабатывающая подсистема

Развитие обрабатывающей подсистемы в большей степени, чем всех ос­тальных подсистем, идет по пути разделения функций и повышения специа­лизации составляющих ее устройств. Создаются специальные средства, кото­рые осуществляют функции управления системой, освобождая от этих функ­ций средства обработки. Такое распределение функций сокращает эффектив­ное время обработки информации и повышает производительность ЭВМ. В то же время средства управления, как и средства обработки, становятся более специализированными. Устройство управления памятью реализует эффек­тивные методы передачи данных между средствами обработки и подсисте­мой памяти. Меняются функции центрального устройства управления. С од­ной стороны, ряд функций передается в другие подсистемы (например, функции ввода-вывода), с другой - развиваются средства организации парал­лельной обработки нескольких команд (суперскалярная обработка) с одно­временным повышением темпа исполнения последовательности команд. Для повышения темпа выполнения последовательности команд применяются ме­тоды конвейерной обработки наряду с совершенствованием алгоритмов дис­петчеризации и исполнения команд. Бурно развивается управление межпро­цессорным обменом как эффективное средство передачи информации между несколькими центральными процессорами, входящими в состав вычисли­тельной системы или комплекса.

Операционные устройства (АЛУ) обрабатывающей подсистемы, кроме традиционных средств скалярной (суперскалярной) и логической обработки, все шире стали включать специальные средства векторной обработки. При этом время выполнения операций можно резко сократить как за счет исполь­зования арифметического конвейера (одного или нескольких), так и за счет сокращения такта работы конвейера. Возможности задач к распараллелива­нию алгоритма счета снимают принципиальные ограничения к организации существенно параллельной обработки информации и использованию струк­тур с глубокой конвейеризацией. В устройствах скалярной обработки все шире появляются специальные операционные блоки, оптимизированные на эффективное выполнение отдельных операций.

Подсистема памяти

Подсистема памяти современных компьютеров имеет иерархическую структуру, состоящую из нескольких уровней:

- сверхоперативный уровень (локальная память процессора, кэш­память первого и второго уровня);

- оперативный уровень (оперативная память, дисковый кэш);

- внешний уровень (внешние ЗУ на дисках, лентах и т.д.). Эффективными методами повышения производительности ЭВМ явля­ются увеличение количества регистров общего назначения процессора, ис­пользование многоуровневой кэш-памяти, увеличение объема и пропускной способности оперативной памяти, буферизация передачи информации между ОП и внешней памятью. Увеличение пропускной способности оперативной памяти достигается за счет увеличения их расслоения и секционирования.

Подсистема ввода-вывода

В состав подсистемы ввода-вывода входит набор специализированных устройств, между которыми распределены функции ввода-вывода, что по­зволяет свести к минимуму потери производительности системы при опера­циях ввода-вывода. Эти устройства можно условно разделить на критичные и некритичные по быстродействию. К критичным по быстродействию устрой­ствам относятся обработчики команд ввода-вывода и контроллеры интерфей­сов. Эти устройства определяют пропускную способность подсистемы ввода-вывода. Некритичные по быстродействию устройства управляют распреде­лением линий в подсистеме ввода-вывода.

Основными направлениями развития подсистем ввода-вывода являются канальная технология ввода-вывода, матричная топология коммутации пери­ферийных устройств (ПУ), увеличение количества и пропускной способности каналов.

Подсистема управления и обслуживания

Подсистема управления и обслуживания — это совокупность аппаратно-программных средств, предназначенных для обеспечения максимальной про­изводительности, заданной надежности, ремонтопригодности, удобства на­стройки и эксплуатации. Она обеспечивает проблемную ориентацию и за­данное время наработки на отказ, подготовку и накопление статистических сведений о загрузке и прохождении вычислительного процесса, выполняет функции "интеллектуального" интерфейса с различными категориями обслу­живающего персонала, осуществляет инициализацию, тестирование и отлад­ку. Подсистема управления и обслуживания позволяет поднять на качествен­но новый уровень эксплуатацию современных ЭВМ.

При разработке структуры ЭВМ все подсистемы должны быть сбалан­сированы между собой. Только оптимальное согласование быстродействия обрабатывающей подсистемы с объемами и скоростью передачи информации подсистемы памяти, с пропускной способностью подсистемы ввода-вывода позволяет добиться максимальной эффективности использования ЭВМ.

Важнейшими факторами, определяющими функциональную и структур­ную организацию ЭВМ, являются выбор системы и форматов команд, типов данных и способов адресации.

Развитие архитектуры неизбежно ведет к развитию структуры ЭВМ. Реализация принципов интеллектуализации, которые все больше определяют развитие архитектуры ЭВМ, возможна при совершенствовании структурной организации, обеспечивающей повышение эффективности вычислительного процесса и, как следствие этого, рост производительности ЭВМ. В конечном счете, условием и критерием развития структуры является рост производи­тельности ЭВМ.

Основной тенденцией в развитии структуры ЭВМ является разделение функций системы и максимальная специализация подсистем для выполнения этих функций.

Обобщенная структура ЭВМ приведена на рис.2.1. Она состоит из сле­дующих составных частей:

- обрабатывающей подсистемы;

- подсистемы памяти;

- подсистемы ввода-вывода;

- подсистемы управления и обслуживания.

Для каждой подсистемы выделены основные направления их развития.

Обрабатывающая подсистема

Развитие обрабатывающей подсистемы в большей степени, чем всех ос­тальных подсистем, идет по пути разделения функций и повышения специа­лизации составляющих ее устройств. Создаются специальные средства, кото­рые осуществляют функции управления системой, освобождая от этих функ­ций средства обработки. Такое распределение функций сокращает эффектив­ное время обработки информации и повышает производительность ЭВМ. В то же время средства управления, как и средства обработки, становятся более специализированными. Устройство управления памятью реализует эффек­тивные методы передачи данных между средствами обработки и подсисте­мой памяти. Меняются функции центрального устройства управления. С од­ной стороны, ряд функций передается в другие подсистемы (например, функции ввода-вывода), с другой - развиваются средства организации парал­лельной обработки нескольких команд (суперскалярная обработка) с одно­временным повышением темпа исполнения последовательности команд. Для повышения темпа выполнения последовательности команд применяются ме­тоды конвейерной обработки наряду с совершенствованием алгоритмов дис­петчеризации и исполнения команд. Бурно развивается управление межпро­цессорным обменом как эффективное средство передачи информации между несколькими центральными процессорами, входящими в состав вычисли­тельной системы или комплекса.

Операционные устройства (АЛУ) обрабатывающей подсистемы, кроме традиционных средств скалярной (суперскалярной) и логической обработки, все шире стали включать специальные средства векторной обработки. При этом время выполнения операций можно резко сократить как за счет исполь­зования арифметического конвейера (одного или нескольких), так и за счет сокращения такта работы конвейера. Возможности задач к распараллелива­нию алгоритма счета снимают принципиальные ограничения к организации существенно параллельной обработки информации и использованию струк­тур с глубокой конвейеризацией. В устройствах скалярной обработки все шире появляются специальные операционные блоки, оптимизированные на эффективное выполнение отдельных операций.

Подсистема памяти

Подсистема памяти современных компьютеров имеет иерархическую структуру, состоящую из нескольких уровней:

- сверхоперативный уровень (локальная память процессора, кэш­память первого и второго уровня);

- оперативный уровень (оперативная память, дисковый кэш);

- внешний уровень (внешние ЗУ на дисках, лентах и т.д.). Эффективными методами повышения производительности ЭВМ явля­ются увеличение количества регистров общего назначения процессора, ис­пользование многоуровневой кэш-памяти, увеличение объема и пропускной способности оперативной памяти, буферизация передачи информации между ОП и внешней памятью. Увеличение пропускной способности оперативной памяти достигается за счет увеличения их расслоения и секционирования.

Подсистема ввода-вывода

В состав подсистемы ввода-вывода входит набор специализированных устройств, между которыми распределены функции ввода-вывода, что по­зволяет свести к минимуму потери производительности системы при опера­циях ввода-вывода. Эти устройства можно условно разделить на критичные и некритичные по быстродействию. К критичным по быстродействию устрой­ствам относятся обработчики команд ввода-вывода и контроллеры интерфей­сов. Эти устройства определяют пропускную способность подсистемы ввода-вывода. Некритичные по быстродействию устройства управляют распреде­лением линий в подсистеме ввода-вывода.

Основными направлениями развития подсистем ввода-вывода являются канальная технология ввода-вывода, матричная топология коммутации пери­ферийных устройств (ПУ), увеличение количества и пропускной способности каналов.

Подсистема управления и обслуживания

Подсистема управления и обслуживания — это совокупность аппаратно-программных средств, предназначенных для обеспечения максимальной про­изводительности, заданной надежности, ремонтопригодности, удобства на­стройки и эксплуатации. Она обеспечивает проблемную ориентацию и за­данное время наработки на отказ, подготовку и накопление статистических сведений о загрузке и прохождении вычислительного процесса, выполняет функции "интеллектуального" интерфейса с различными категориями обслу­живающего персонала, осуществляет инициализацию, тестирование и отлад­ку. Подсистема управления и обслуживания позволяет поднять на качествен­но новый уровень эксплуатацию современных ЭВМ.

При разработке структуры ЭВМ все подсистемы должны быть сбалан­сированы между собой. Только оптимальное согласование быстродействия обрабатывающей подсистемы с объемами и скоростью передачи информации подсистемы памяти, с пропускной способностью подсистемы ввода-вывода позволяет добиться максимальной эффективности использования ЭВМ.

Важнейшими факторами, определяющими функциональную и структур­ную организацию ЭВМ, являются выбор системы и форматов команд, типов данных и способов адресации.