Лекция №3
Тема: «Типы вычислительных систем, их классификация»
Цель: изучить понятие и классификацию вычислительных систем, основные принципы построения вычислительных систем.
В процессе развития и смены поколений ЭВМ можно выделить следующие закономерности:
- Развитие средств ВТ происходило на базе доминирования классической структуры ЭВМ (архитектура фон Неймана) основанные на методах последовательных вычислений;
- Основной целью совершенствования ЭВМ было увеличение быстродействия и повышение интеллектуальности вычислительных средств;
- Совершенствование ВТ имело комплексный характер (элементная база, структурная организация, ПО);
- Исчерпание традиционных путей совершенствования ЭВМ как точки зрения классической структуры, так и с точки зрения современной микроэлектроники.
В связи с наметившимся кризисом в области архитектуры ЭВМ основанной на классической схеме фон Неймана были предприняты попытки для поиска новых идей и методов совершенствования ВТ.
Одним из путей совершенствования средств является переход к использованию принципа параллельных вычислений, а также использование идей построения многопроцессорных систем, объединенных в несколько объединенных ЦП или ЭВМ.
Принципы работы вычислительной системы
В основу построения большинства компьютеров положены следующие принципы, сформулированные Джоном фон Нейманом:
- принцип использования двоичной системы представления данных;
- принцип программного управления;
- принцип однородности памяти
- принцип адресности,
Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ
Архитектура вычислительной машины (англ. сomputer architecture) – концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.
Классическая архитектура ЭВМ 1-го и 2-го поколения
В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством — счетчиком команд в устройстве управления (УУ).
Шинная (магистральная) архитектура ЭВМ
Наличие интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой машин третьего и четвертого поколений.
Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой внешнего устройства. Такой процессор имеет собственную систему команд. Например, контроллер накопителя на гибких магнитных дисках (дисковода) умеет позиционировать головку на нужную дорожку диска, читать или записывать сектор, форматировать дорожку и т.п. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором.
Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия центрального процессора. Последний получает возможность «заниматься своим делом», т.е. выполнять программу дальше (если по данной задаче до завершения обмена ничего сделать нельзя, то можно в это время решать другую).
Рисунок 2 – Шинная (магистральная) архитектура ЭВМ
Из рисунка видно, что для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая шина (часто ее называют магистралью). Шина состоит из трех частей:
- шина данных, по которой передается информация;
- шина адреса, определяющая, куда передаются данные;
- шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.
Отметим, что существуют модели компьютеров, у которых шины данных и адреса для экономии объединены. У таких машин сначала на шину выставляется адрес, а затем через некоторое время данные; для какой именно цели используется шина в данный момент, определяется сигналами на шине управления.
Описанную схему легко пополнять новыми устройствами — это свойство называют открытостью архитектуры. Для пользователя открытая архитектура означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости от круга решаемых задач.
Архитектуры персональных компьютеров
Среди архитектур персональных компьютеров выделяют:
- по разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-разрядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности);
- по особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW;
CISC (Complex Instruction Set Computer) – компьютер с полным набором команд,
RISC (Reduced Instruction Set Computer) – компьютер с ограниченным набором команд,
VLIW (Very Long Instruction Word) — «очень длинная машинная команда». Характеризуется тем, что одна инструкция процессора содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно.
- по количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные.
Архитектура современного персонального компьютера подразумевает такую логическую организацию аппаратных компонент компьютера, при которой все устройства связываются друг с другом через магистраль, включающую в себя шины данных, адресов и управления.
Важной составляющей частью архитектуры ЭВМ является система команд. Система команд ЭВМ включает:
- команды выполнения арифметических и логических операций;
- команды управления (это прежде всего команды условного и безусловного перехода, команды обращения к подпрограмма);
- команды передачи данных (копируют информацию из одного места в другое);
- команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами.
При построении системы команд для современных компьютеров существует два взаимно конкурирующих направления:
- Компьютер с полным набором команд CISC (Complex Instruction Set Computer)
- Компьютер с ограниченным набором — RISC (Reduced Instruction Set Computer).
Разделение возникло из-за того, что основную часть времени компьютеру приходится выполнять небольшую часть из своего набора команд, остальные же используются эпизодически. Таким образом, если существенно ограничить набор операций до наиболее простых и коротких, зато тщательно оптимизировать их, получится достаточно эффективная и быстродействующая RISC-машина. Правда за скорость придется платить необходимостью программной реализации «отброшенных» команд, но часто эта плата бывает оправданной: например, для научных расчетов или машинной графики быстродействие существенно важнее проблем программирования.
Вопросы для самоконтроля
- Что такое вычислительная система?
- Какие типы вычислительных систем вы знаете?
- Какие основные функции должна выполнять вычислительная система?
- Каковы принципы построения вычислительных систем?
- Какова классификация архитектур персональных компьютеров в зависимости от разрядности?