Вычислительная машина как законченный объект являет собой плод усилий специалистов в самых различных областях человеческих знаний. Каждый специалист рассматривает вычислительную машину с позиций стоящей перед ним задачи, абстрагируясь от несущественных, по его мнению, деталей. В табл. 1 перечислены специалисты, принимающие участие в создании ВМ, и круг вопросов, входящих в их компетенцию.
Круг вопросов, рассматриваемых в данном курсе, по большей части относится к компетенции системного архитектора и охватывает различные степени детализации ВМ и ВС. В принципе таких уровней может быть достаточно много, однако сложившаяся практика ограничивает их число четырьмя уровнями (рис. 1).
Таблица 1 | |
Специалист | Круг вопросов |
Производитель полупроводниковых материалов | Материал для интегральных микросхем (легированный кремний, диоксид кремния и т. п.) |
Разработчик электронных схем | Электронные схемы узлов ВМ (разработка и анализ) |
Разработчик интегральных микросхем | Сверхбольшие интегральные микросхемы (схемы электронных элементов, их размещение на кристалле) |
Системный архитектор | Архитектура и организация вычислительной машины (устройства и узлы, система команд и т. п.) |
Системный программист | Операционная система, компиляторы |
Теоретик | Алгоритмы, абстрактные структуры данных |
Рис. 1. Уровни детализации вычислительной машины. а – уровень «черного ящика»; б – уровень общей архитектуры; в – уровень архитектуры центрального процессора; г – уровень архитектуры устройства управления.
На первом уровне вычислительная машина рассматривается как устройство, способное хранить и обрабатывать информацию, а также обмениваться данными с внешним миром (см. рис. 1, а). ВМ представляется «черным ящиком», который может быть подключен к коммуникационной сети и к которому, в свою очередь, могут подсоединяться периферийные устройства.
Уровень общей архитектуры (см. рис. 1, б) предполагает представление ВМ в виде четырех составляющих: центрального процессора (ЦП), основной памяти (ОП), устройства ввода/вывода (УВВ) и системы шин.
На третьем уровне детализируется каждое из устройств второго уровня. Для примера взят центральный процессор (см. рис. 1, в). В простейшем варианте в нем можно выделить:
· арифметико-логическое устройство (АЛУ), обеспечивающее обработку целых чисел;
· блок обработки чисел в формате с плавающей запятой (БПЗ);
· регистры процессора, использующиеся для краткосрочного хранения команд, данных и адресов;
· устройство управления (УУ), обеспечивающее совместное функционирование устройств ВМ;
· внутренние шины.
На четвертом уровне детализируются элементы третьего уровня. Так, на рис. 1, г раскрыта структура устройства управления. УУ представлено в виде четырех составляющих:
· логики программной последовательности – электронных схем, обеспечивающих выполнение команд программы в последовательности, предписываемой программой;
· регистров и дешифраторов устройства управления;
· управляющей памяти;
· логики формирования управления, генерирующей все необходимые управляющие сигналы.
Применительно к параллельным и распределенным многопроцессорным и многомашинным вычислительным системам зачастую вводят понятие «метауровня». В рамках данного учебного пособия метауровень рассматриваться не будет.