Понятие архитектуры ВС и общие требования, предъявляемые к ней.

Термин "архитектура", применительно к вычислительным системам, употребляют широком и узком смыслах.

В узком смысле архитектура понимается как архитектура набора команд, которая служит границей между аппаратным и программным обеспечением и представляет собой ту часть системы, с которой взаимодействуют системные программисты.

В широком смысле термин архитектура охватывает понимание организации системы, включающие высокоуровневые аспекты разработки компьютера, такие как система памяти, структура системных шин, организация ввода и вывода, вплоть до физических уровней, т.е. уровня электрических импульсов и включая архитектуру программных средств.

Применительно к вычислительным системам термин архитектура может быть определён как распределение функций между различными уровнями системы или определение границ между этими уровнями, т.е. архитектура определяет многоуровневую систему.

Появление серийно выпускаемых сверхбольших надежных и дешевых интегральных схем, массовое производство микропроцессоров, возобновившийся интерес к разработке языков программирования и программного обеспечения порождают возможность при проектировании компьютеров качественно продвинуться вперед за счет улучшения программно‑аппаратного интерфейса, т. е. семантической связи между возможностями аппаратных средств современных ЭВМ и их программного обеспечения. Организация вычислительной системы (ВС) на этом уровне лежит в основе понятия "архитектура". Для неспециалистов в области программного обеспечения термин "архитектура" ассоциируется, как правило, со строительными объектами. И здесь, как увидим далее, есть много общего.

Действительно, архитектура компьютера, характеризующая его логическую организацию, может быть представлена как множество взаимосвязанных компонент, включающих, на первый взгляд, элементы различной природы: программное обеспечение (software), аппаратное обеспечение (hardware), алгоритмическое обеспечение (brainware), специальное фирменное обеспечение (firmware) – и поддерживающих его слаженное функционирование в форме единого архитектурного ансамбля, позволяющего вести эффективную обработку различных объектов.

С другой стороны, архитектура может быть задана как абстрактное многоуровневое представление физической системы с точки зрения программиста, с закреплением функций за каждым уровнем и установлением интерфейса между различными уровнями.

Знание особенностей разнообразных архитектурных решений дает возможность пользователям компьютеров эффективно распоряжаться всеми предоставляемыми ресурсами, осуществляя их направленный выбор и тем самым повышая эффективность обработки данных.

Архитектура как набор взаимодействующих компонент

Ранее область применения вычислительных систем определялась ее быстродействием. Однако существует достаточно большое количество ВС, обладающих равным быстродействием, но имеющих совершенно разные способы представления данных, методы организации памяти, режимы работы, системы команд, набор ВнУ и т. д. Таким образом, ВС имеет, кроме быстродействия, ряд других характеристик, необычайно важных в той или иной области применения. Это стало особенно заметно при переходе к ВС четвертого и пятого поколений. Совокупность таких характеристик и легла в основу понятия архитектуры ВС.

Архитектура ВС определяет основные функциональные возможности системы, сферу применения (научно‑техническая, экономическая, управление и т. д.), режим работы (пакетный, мультипрограммный, разделения времени, диалоговый и т. д.), характеризует параметры ВС (быстродействие, набор и объем памяти, набор периферийных устройств и т. д.), особенности структуры (одно‑, многопроцессорная) и т. д. Составные части понятия "архитектура" можно определить следующей схемой (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Функциональные возможности ВС

Вычислительные и логические возможности ВС. Они обусловливаются системой команд (СК), характеризующей гибкость программирования, форматами данных и скоростью выполнения операций, определяющих класс задач, наиболее эффективно решаемых на ВС. Система команд ВС, базирующихся на архитектуре фон Неймана, сегодня мало чем отличается от СК ЭВМ 50‑х годов. Большинство достижений в этой области остались незамеченными проектировщиками и соответственно не нашли адекватного воплощения в архитектуре современных компьютеров.

Анализ показывает, что в различных программах чаще всего встречаются достаточно простые команды: команды пересылки и команды процессора с использованием регистров и простых режимов адресации. Не нашли широкого применения и нетрадиционные способы кодирования данных, несмотря на значительные возможности их в плане разработки быстродействующих алгоритмов арифметических операций. Среди них знакоразрядные системы, системы в коде вычетов и др.

Рассмотрим структуру системы команд в зависимости от класса решаемых задач (рис. 1.2).

К командам управления мы относим команды ввода-вывода данных и команды управления состоянием процессора, памяти и каналов.

Рис. 1.2. Классификация СК по назначению

Большое влияние на точность выполнения операций оказывают форматы данных. Современные компьютеры имеют развитую систему форматов. Например, компьютеры фирм ЕС ЭВМ и IВМ имеют форматы в 2, 4, 8 и 16 байт.

Алгоритмы выполнения операций достаточно полно отражают производительность только однопроцессорных ВС.

Аппаратные средства. Простейшая ВС включает модули пяти типов: центральный процессор, основная память, каналы, контроллеры и внешние устройства.

Процессор (УУ + АЛУ + память) управляет работой системы и обеспечивает вычисления непосредственно по программе. Выполнение машинных команд, команд ввода-вывода (I/О), обращение к памяти, управление состоянием устройств инициализируются или выполняются с помощью процессора.

Основная память предназначена для хранения команд и данных и обеспечивает адресный доступ к ним от процессора. Современная память работает со скоростью, близкой к скорости работы процессора.

Каналы – спецустройства, управляющие обменом данных с внешними устройствами. Каналы инициируют свою работу с помощью процессора и затем переходят в автономный режим работы. Это, по сути, спецпроцессор ввода – вывода, обеспечивающий работу внешних устройств, контроль информации и т. д.

Контроллеры ввода-вывода служат для подсоединения внешних устройств (ВнУ) к каналам и обеспечивают обмен управляющей информацией с внешними устройствами, присвоение приоритетов и выдачу информации о состоянии ВнУ для канала, т. е. это устройства управления ВнУ.

ВнУ служат для ввода-вывода информации с различных носителей.

Память может быть организована как многоуровневая с различным объемом и временем доступа к ней – сверхоперативная (СОЗУ), оперативная (ОП), внешняя (ВнП) (рис. 1.3), так и одноуровневая, виртуальная. Почти всегда виртуальная память есть переупорядоченное подмножество реальной памяти.

Рис. 1.3. Типы памяти (V – объем, S – быстродействие)

Успешное или неуспешное обращение к уровню памяти называют соответственно попаданием (hit) или промахом (miss), а соответствующее время – временем обращения (hit time или miss penalty).

Существенное влияние на производительность ВС оказывают каналы ввода-вывода. Мультиплексный канал обеспечивает работу группы медленных устройств, блок-мультиплексный – группы быстрых устройств, селекторный – монополизирует информационную магистраль только одним быстродействующим устройством.

Для повышения пропускной способности каналов используют некоторые дополнительные меры, например буферизацию ВнУ путем введения памяти в состав самого устройства или контроллера.

Аппаратные средства защиты памяти служат для управления доступом к различным областям памяти в соответствии с имеющимися у пользователя полномочиями.

Программное обеспечение. Оно является составной частью архитектуры компьютера и существенно влияет на весь вычислительный процесс, в частности позволяет эффективно эксплуатировать аппаратные средства системы.

Операционная система (ОС) управляет ресурсами, разрешает конфликтные ситуации, оптимизирует функционирование системы в целом.

Широкий спектр языков программирования позволяет описывать практически любые задачи, а разнообразие компиляторов – их эффективно реализовывать.

Роль прикладного программного обеспечения (ПО) необычайно велика для решения тематических задач.