Совершенствование и развитие архитектуры ЭВМ

2.6.1. Архитектуры с фиксированным набором устройств. Компьютеры первого и второго поколения имели архитектуру закрытого типа с ограниченным набором внешнего оборудования. Такая архитектура характерна для компьютеров, базовая система логических элементов которых построена на электронных лампах и транзисторах. Введение любого дополнительного функционального блока в такие архитектуры сопряжено с увеличением потребляемой мощности, занимаемой площади и увеличением стоимости всей системы. Поэтому компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имел возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.

Компьютеры закрытой архитектуры эффективны при решении чисто вычислительных задач. Схема такой архитектуры приведена на рис. 2.8. Здесь устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы. Канал ввода и вывода допускает подключение только определенного числа внешних устройств. АЛУ обеспечивает не только числовую обработку информации, но и участвует в процессе ввода и вывода.

2.6.2. Открытая архитектура. 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 противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой устройств ввода-вывода. Для решения этой проблемы центральный процессор стали освобождать от функций обмена, передавая эти функции специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы имели различные названия, последнее время всё чаще используется термин контроллер внешнего устройства. Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена, причем без участия центрального процессора.

В начале 1970-х гг. фирмой DEC (Digital Equipment Corporation) был предложен компьютер новой архитектуры. Она позволяла свободно подключать любые периферийные устройства. Главным нововведением являлось то, что для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ использовалась общая шина. Шиной называется основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой (см. рис. 2.9). Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии со стандартом шины. Стандарт шины являлся свободно распространяемым документом, что позволяло фирмам – производителям периферийного оборудования разрабатывать контроллеры для подключения своих устройств к шинам различных стандартов. Чаще всего шина состоит из трёх частей:

§ шины данных, по которой передаётся информация;

§ шины адреса, определяющей, куда передаются данные;

§ шины управления, регулирующей процесс обмена информацией.

Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Внешние устройства, уровни сигналов которых отличаются от уровней сигналов шины, подключаются к ней через специальное устройство – контроллер, которое согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и управляет устройствам по командам центрального процессора. Контроллер подключается к шине специальным устройством – портом ввода-вывода. Каждый порт имеет свой номер, по которому происходит обращение.

Недостатком этой архитектуры является задержка работы “быстрых” устройств “медленными”, т. к. к шине подключены устройства с разными объёмами и скоростями обмена информацией. Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались только “быстрые” устройства. Потребовалось ещё одно дополнительное устройство – контроллер шины, который анализирует адреса портов и передаёт их контроллеру, подключённому к общей или локальной шине.

2.6.3. Архитектура многопроцессорных вычислительных систем. Существует много задач, объём вычисление которых превышает возможности персонального компьютера. Для их решения применяются компьютеры с гораздо более высоким быстродействием. Для получения высокого быстродействия на существующей элементной базе используются архитектуры, в которых процесс обработки информации распараллеливается. Существуют три основных подхода к построению архитектур таких компьютеров:

§ многопроцессорные;

§ магистральные;

§ матричные.

Архитектура простых многопроцессорных систем выполняется по схеме с общей шиной. Два или более процессоров и несколько модулей памяти размещаются на общей шине. Каждый процессор для обмена с памятью проверяет, свободна ли шина, и если она свободна, занимает её. Если же шина занята, то процессор ждёт, когда она освободится. Производительность такой системы ограничена пропускной способностью шины.

Магистральный принцип является самым распространённым при построении ЭВМ. Процессор такой системы разделён на ряд устройств, выполняющих арифметические и логические операции и быструю регистровую память для хранения обрабатываемых данных. Таким образом, создаётся своеобразный конвейер преобразования данных: регистры – обрабатывающие устройства – регистры – и т. д. Конечные результаты вычислений записываются в общее запоминающее устройство.

Наиболее сложную архитектуру имеют матричные вычислительные системы (см. рис. 2.10). В них используется несколько процессоров, объединённых в матрицу процессорных элементов. Каждый процессор снабжён локальной памятью и при необходимости может производить обмен со своими соседями или с общим запоминающим устройством. В первом случае программы и данные нескольких задач или независимых частей одной задачи загружаются в локальную память процессоров и выполняются параллельно, во втором случае процессоры одновременно выполняют одну и ту же команду, но над разными данными. Обмен данными с периферийными устройствами выполняется через периферийный процессор, подключённый к общему запоминающему устройству.