Принципы построения и архитектура ЭВМ

Естественным развитием концепции  агрегатированной вычислительной техники явилось создание рядов или систем ЭВМ, состоящих из информационно- и программно-совместимых машин, обладающих различными характеристиками.

Информационная совместимость  ЭВМ – это единые способы кодирования информации и форматы данных или хотя бы по меньшей мере одинаковые или кратные длины машинных слов в различных моделях.

Программная совместимость – программы, составленные для одной модели, могут выполняться на других моделях ряда. Практически это достигается единой для всех машин ряда системой команд.

Единая система команд позволяет  иметь общие для машин системы  ЭВМ операционные системы.

Помимо программной совместимости  машины, входящие в систему ЭВМ, должны обладать аппаратной совместимостью, заключающейся в возможности присоединения к ядру любой модели ЭВМ (процессору и оперативной памяти) любых периферийных устройств, общих для всей системы ЭВМ.

Таким образом, общие форматы данных и команд, единая система команд, общие операционные системы, общая  номенклатура периферийных устройств, общие методы технической и математической эксплуатации и обслуживания, единая методика построения технической документации – вот что превращает совокупность отдельных моделей ЭВМ в систему (ряд).

 

6. Общие принципы построения современных ЭВМ.

К общим принципам построения современных  ЭВМ относятся:

1) Возможность мультипрограммной  работы;

2) Иерархическая организация структуры  ЭВМ, программного обеспечения  и управления вычислительным  процессом;

3) Обеспечение максимальных удобств в работе пользователей и эффективной эксплуатации оборудования;

4) Возможность адаптации, развития  и модернизации ЭВМ.

Эти принципы были выработаны в процессе эволюции ЭВМ и обусловлены не только стремлением улучшить технико-экономические  показатели ЭВМ (соотношение производительность/стоимость), но и желанием повысить эффективность  использования ресурсов ЭВМ, сделать  общение пользователя с ЭВМ максимально  удобным. В первоначальной структуре  ЭВМ произошёл ряд изменений.

В составе ЭВМ выделились центральное (обрабатывающее) ядро и периферия (все  УВВ, внешняя память). Периферийное оборудование стало подключаться к  центральному ядру через специализированные процессоры (каналы ввода-вывода), управляющие  обменом между УВВ и выделенной областью памяти и обеспечивающие прямой доступ УВВ к памяти. С увеличением  количества и разнообразия периферийных устройств возросло число КВВ и произошла их специализация (разделение) на высокоскоростные – селекторные и низкоскоростные – мультиплексные, а также выделилось специализированное интерфейсное оборудование, обеспечивающее информационное и электрическое сопряжение периферии с центральным ядром. В результате ЭВМ приобрела иерархическую структуру, в которой центральное ядро, КВВ, интерфейсы и периферия находятся на разных уровнях иерархии.

Децентрализация управления вычислительным процессом создала предпосылки для одновременного выполнения ЭВМ нескольких программ, т.е. для реализации режима мультипрограммной работы ЭВМ. Это потребовало загрузки в память ЭВМ пакета, состоящего из нескольких поставленных в очередь на обработку программ, и введения в ОС специальной программы – супервизора, которая одновременно со счётом по текущей программе организует ввод данных для следующей и вывод результатов по предыдущей программе.

Тенденция к децентрализации структуры  привела к разделению функций внутри процессора: появились специализированные процессоры с закреплёнными за ними определёнными операциями.

Для достижения большей информационной ёмкости и необходимого быстродействия ЗУ память ЭВМ строится с соблюдением  иерархического принципа:

- Сверхоперативное ЗУ (СОЗУ);

- ОЗУ (расслоенное на несколько  блоков с индивидуальными устройствами  управления);

- Постоянное ЗУ (ПЗУ);

- Буферные ЗУ (БЗУ);

- Внешние ЗУ (ВЗУ).

Организация заблаговременного обмена информационными потоками между ЗУ разных уровней позволяет рассматривать все информационные ёмкости ЭВМ как некую единую абстрактную виртуальную память и осуществлять обращение к любой ячейке памяти посредством абстрактного поля виртуальных адресов.

В ЭВМ, предназначенных для мультипрограммной  работы, выделились следующие средства (программные и аппаратные):

- Средства распределения памяти  между разными программами;

- Система защиты памяти;

- Система прерываний и приоритетов;

- Таймер.

В большинстве ЭВМ, используемых для  мультипрограммной работы, предусматривается организация нескольких режимов работы, таких как:

- Режим пакетной обработки;

- Режим разделения времени;

- Режим «запрос-ответ» и др.

А рхитектура современной ЭВМ общего назначения приведена на рис.1.2. 
Рис.1.2.

ЦП – центральный процессор; ПУУ – устройство группового управления периферийными устройствами; АКК - адаптер  канал-канал; СП – специализированный процессор; Д – дисплей; АПД –  аппаратура передачи данных; ПМ – пишущая  машинка.

Селекторный канал осуществляет обмен  между ОЗУ и ВЗУ. При этом скорость обмена составляет 1-2 Мб/с . Т.к. скорость передачи высокая, а, следовательно, время, за которое происходит весь обмен данными, короткое, канал поддерживает связь ОЗУ с выбранным ВЗУ все время пока не закончится обмен.

Мультиплексный канал осуществляет обмен между ОЗУ и низкоскоростными внешними устройствами. При этом ОЗУ  может выдавать и принимать данные со скоростью сотни тысяч байт в секунду, а УВВ принимают  и передают данные со скоростью порядка  тысячи байт в секунду и медленнее.

Чтобы полностью использовать пропускную способность канала, его снабжают своим быстродействующим ЗУ и  системой переключения с одного УВВ  на другое (со стороны УВВ) и с  одного блока ОЗУ на другой (со стороны  ОЗУ). Такой канал работает в 2 такта: во-первых, он накапливает данные из УВВ в ячейках своей памяти, закрепленных за этим УВВ, переключаясь, по мере готовности передать или принять данные, с одного УВВ на другое, а во-вторых, обменивается более крупными партиями данных между своими ЗУ и ОЗУ. За эту способность к быстрому переключению получил название мультиплексного.

Для стандартизации подключения всех ВЗУ и УВВ к магистралям, идущим от каналов к устройствам, все  электрические параметры этих магистралей стандартизованы. Этот стандарт называется главным интерфейсом. Схема интерфейсов ЭВМ общего назначения приведена на рис. 1.3.

 

 

Рис. 1.3 Схема интерфейсов ЭВМ  общего назначения.

Структура мини- и микро-ЭВМ проще, чем структура ЭВМ общего назначения. Это обусловлено использованием микропроцессорных БИС, имеющих относительно малое количество выводов, и осуществлением обмена между модулями ЭВМ через многопроводные шины (магистрали) общего пользования. Все малые ЭВМ имеют магистрально-модульную организацию (рис 1.4).

 

Рис. 1.4. Структура мини- и микро-ЭВМ.

 
Система обмена малых ЭВМ через общую шину эффективна лишь при сравнительно небольшом наборе периферийных устройств.

Рис. 1.5 Схема интерфейсов мини- микро-ЭВМ.

КПУ – контроллер периферийного  устройства.

 

 

7. Структура программного обеспечения.

Программное обеспечение ЭВМ представляет собой совокупность ОС, программы технического обслуживания (ПТО) и пакетов прикладных программ (ППП).

ОС является ядром программного обеспечения и содержит ряд директивных программ, отвечающих за планирование работы и распределение ресурсов ЭВМ, облегчающих взаимодействие пользователей и их программ с аппаратными средствами. Кроме того, ОС содержит программы-трансляторы с алгоритмических языков, предназначенных для перевода пользовательских программ на машинный язык.

Операционной системой будем называть комплекс программно-аппаратных средств и необходимых информационных массивов, организующих вычислительный процесс по реализации заданий пользователей путем оптимального планирования использования и управления всеми ресурсами ЭВМ.

Э то наиболее общее и полное определение ОС. Оно позволяет представить ЭВМ с точки зрения пользователя как виртуальную многоуровневую систему (рис. 1.6).

1 – виртуальная система пользователя;

2. – внешняя расширенная машина;
3. – внутренняя расширенная машина.

Рис.1.6.

а – аппаратура;

b – базовые функции ОС;

c – основные функции ОС;

d – слой процессов;

e – язык управления заданиями и алгоритмические языки.

Впервые предложена Декстрой в 1968г. в работе “Структура мультипрограммных систем”. Основана на представлении вычислительной системы в виде вложенных друг в друга виртуальных машин, имеющих совместимость иерархического типа.

Наименьший уровень представляет собой физическую машину и реализуется  аппаратными средствами на принципах  микропрограммного или схемного управления. Каждый следующий уровень  обеспечивает новые свойства за счет ОС и общего программного обеспечения. На самом нижнем уровне находятся  средства реализации микроопераций. Средства и функции управления каждого  последующего уровня формируются из средств и функций более низких по отношению к рассматриваемому уровней. Каждый уровень характеризуется длительностью реализуемого управления и определенной шириной охвата управляемых средств. Высшие уровни управления реализуются компонентами ОС, являющейся программным продолжением устройства управления и образующей интерфейс между пользователем и ЭВМ.