16_Дополнительные особенности архитектуры ЭВМ (В.Г. Баула - Введение в архитектуру ЭВМ и системы программирования)

Глава 16. Дополнительные особенности архитектуры ЭВМВ этой главе мы рассмотрим некоторые особенности архитектуры ЭВМ, которые, в основном изза недостатка времени, (пока?) не входят в наш основной курс, но могут оказаться полезными длялучшего понимания основ архитектуры современных ЭВМ.16.1. Дискретные и аналоговые вычислительные машиныПри рассмотрении в прошлом семестре основных свойств алгоритмов отмечалось такое важноесвойство алгоритма, которое называлось дискретностью. Это свойство алгоритма означало, чтолюбой достаточно сложный алгоритм состоит из этапов или шагов, причём каждый шаг, если он дастаточно сложный, в свою очередь, тоже является алгоритмом. Это же свойство структурности алгоритма позволяло нам строить из одних алгоритмов другие по определённым правилам, например, путём составления суперпозиции (последовательного выполнения) двух алгоритмов.Как известно, если некоторый алгоритм применим к определённым входным данным, то он вводит эти данные,1 обрабатывает их за конечное число шагов и останавливается с выдачей результата.Содержание наименьшего шага алгоритма определяется исполнителем этого алгоритма, например,для Паскаль-машины это оператор языка Паскаль, а для компьютера – машинная команда.

Разумеется, как уже говорилось, мы можем спуститься на следующий уровень изучения архитектуры компьютера и рассмотреть шаги выполнения одной команды. Далее можно рассмотреть реализацию каждогошага выполнения команды в виде интегральной схемы, составленной из минимальных логическихэлементов – вентилей. Как уже говорилось, каждый вентиль срабатывает, когда на него приходитспециальный тактовый импульс – можно считать, что на инженерном уровне видения архитектурыэто и есть логический предел дробления алгоритма на всё более мелкие шаги для исполнителякомпьютера.Компьютеры, построенные по рассмотренному выше принципу, так и называются – дискретными (или цифровыми) вычислительными машинами. Сейчас мы постараемся понять, что это не единственно возможный принцип построения устройства автоматической обработки данных (компьютера).Сначала рассмотрим, как решает задачи обработки данных человек. Оказывается, что он можетделать это двумя принципиально различными путями.

Один путь называется логической обработкойданных, например, рассмотрим, как сыщик узнаёт преступника по его словесному портрету. "Подбородок квадратный, глаза узкие, нос прямой, на кисти левой руки небольшой шрам. При ходьбе припадает на правую ногу, при общении щурит левый глаз, говорит без акцента и т.д." Здесь явно проглядывает уже знакомое нам разбиение алгоритма узнавания на отдельные шаги. За такой процессобработки данных у человека отвечает так называемой логическое мышление.В то же время, как мы все знаем, это не единственный способ узнать человека. Так, мы "с одноговзгляда" или, как говорят, интуитивно, узнаём в толпе своего приятеля, и при этом совсем не разбиваем для себя это узнавание ни на какие отдельные шаги.

Такой процесс обработки информации человеком называется интуитивным мышлением, этот процесс для человека на осознаваемом уровневосприятия2 не обладает свойством дискретности, хотя, конечно, и занимает некоторый отрезок времени. Как установлено, за логическое и интуитивное мышление отвечают две разные половины (полушария) человеческого мозга – левое и правое.3В нашем курсе мы изучаем только архитектуру дискретных (цифровых) вычислительных машин,можно сказать, что они обрабатывают входные данные по принципу, очень похожему на логическоемышление человека.

Резонно задать вопрос, а можно ли построить устройство автоматической обра1Конечно, более строго надо было бы сказать, что это делает исполнитель алгоритма, но в литературеобычно так говорить не принято.2Как этот процесс проходит на интуитивном уровне, или, как часто говорят, в подсознании, пока точнонеизвестно, однако есть основания предполагать, что и на подсозначельном уровне механизм обработки данных не является дискретным.3Не стоит из праздного любопытства запоминать, за какое мышление отвечает левое, а за какое правоеполушарие человеческого мозга, так как у людей-левшей всё обычно будет наоборот. Заметим также, что нестоит понимать всё это слишком буквально, на самом деле оба полушария обрабатывают данные совместно,обмениваясь при этом между собой информацией.

Можно говорить только об определённой специализацииполушарий на логическую и интуитивную обработку данных.2ботки данных (компьютер), которое работало бы по принципу, похожему на интуитивное мышлениечеловека? 1Да, такие компьютеры возможны, в отличие от уже знакомых нам дискретных ЭВМ, они называются аналоговыми (или непрерывными) компьютерами. Более того, в начале развития вычислительной техники аналоговые ЭВМ были весьма распространены.

Разберём вкратце, как работали такие ЭВМ (мы рассмотрим их архитектуру только на концептуальном уровне).Одним из принципов работы аналоговых ЭВМ является аналоговое представление данных. Мы сВами привыкли представлять данные в виде чисел, состоящих из определённого количества цифр(неважно, в какой системе счисления), такое представление данных называется цифровым или дискретным. Теперь необходимо понять, что данные можно представить и в непрерывной форме, например, в виде определённого напряжения на конденсаторе, расположением стрелок на часах илиположением подвижной части логарифмической линейки (кто не знает, это такой странный деревянный калькулятор раньше был ☺ ).

Так вот, аналоговые ЭВМ обрабатывали данные, представленные втакой непрерывной форме (обычно в виде электрических напряжений и токов).Процесс решения задачи аналоговой ЭВМ заключается в том, что входные данные подаются навходное устройство такой ЭВМ в виде набора электрических напряжений. Затем, через определённый (не очень большой) промежуток времени выходные данные (результаты решения задачи) появлялись на устройстве вывода, тоже в виде набора электрических напряжений. Более всего такой ответпоходит на решение дифференциальных уравнений, представленное в виде графиков, а не числовыхтаблиц. Разумеется, выходные данные могли потом преобразовываться устройством вывода в числовой вид, печататься и выдаваться пользователю.Аналоговые ЭВМ не поддаются программированию в привычном для нас виде, так как они преобразуют входные данные в выходные "за один шаг" своей работы.

Можно сказать, что аналоговаяЭВМ настраивается на конкретную задачу, которую необходимо решить. Чтобы понять, в чём заключается такая настройка на решаемую задачу, посмотрим более пристально на процесс программирования на машинно-ориентированном языке для привычных для нас дискретных ЭВМ.Составляя алгоритм решения некоторой задачи на машинно-ориентированном языке, программист, как мы знаем, записывает этот алгоритм в виде последовательности команд для конкретнойЭВМ. Можно сказать, что алгоритм решения задачи отображается на язык машины, подстраиваясь к особенностям этого языка и архитектуры самого компьютера.

Такое отображение, как мы знаем, является достаточно трудным делом, так как язык машины очень далёк от того языка, на которомприкладной программист мыслит в рамках своей задачи. Например, известно, что очень многие физические задачи описываются на языке дифференциальных и интегральных уравнений, который является "естественным" языком для описания таких задач.2В отличие от дискретных ЭВМ, аналоговые компьютеры реализуют другой принцип решениязадач. Вместо того чтобы отображать задачу на язык машины (т.е.

"приспосабливать" задачу к машине), как это делается на дискретных ЭВМ, аналоговые ЭВМ изменяют свою структуру, чтобы самим соответствовать решаемой задаче! Таким образом, аналоговые ЭВМ имеют очень "гибкую" архитектуру, узлы такой ЭВМ могут по разному соединяться друг с другом, "настраиваясь" на решаемую задачу.3 Заметим, что сам принцип "настройки" исполнителя алгоритма под конкретную задачунам уже встречался.

Например, как мы знаем, для машины Тьюринга правильнее говорить не "написать программу, решающую данную задачу", а "построить машину Тьюринга, решающую даннуюзадачу". В такой машине Тьюринга будет нужное для конкретной задачи число состояний, она будет1Рассматриваемый вопрос не имеет прямого отношения к так называемым системам искусственного интеллекта, т.е. комплексам программ, имитирующим процесс обработки данных человеком в отдельных предметных областях.2Студенты факультета Вычислительной математики и кибернетики МГУ уже сталкивались с решениемодной такой задачи в рамках практикума работы на языке Паскаль, и должны представлять, как далёк язык машины (да и используемый при программировании язык Паскаль) от задачи вычисления, скажем, определённогоинтеграла.3Некоторые из дискретных компьютеров также могут в определённых (весьма небольших) пределах изменять связи между своими узлами, подстраиваясь под решаемую задачу.

Компьютеры с такой архитектуройназываются транспьютерами, они не очень широко распространены. К сожалению, их рассмотрение далековыходит за рамки нашего начального курса по архитектуре ЭВМ.3распознавать нужный набор символов и т.д. Таким образом, мы в каком-то смысле настраиваемобобщённую машину Тьюринга для выполнения определённого алгоритма.В некотором смысле аналоговая ЭВМ похожа на детские конструкторы, с которым некоторым изВас приходилось иметь дело в юные годы.

Как Вы знаете, по-разному соединяя детали такого конструктора, можно собирать модели самых разных предметов (подъёмный кран, качели, стул и стол ит.д.). Точно так же аналоговая ЭВМ, изменяя свою структуру, строит (электрическую) модель решаемой задачи. На практике настройка аналоговой ЭВМ на решаемую задачу состоит в установлениис помощью проводов многочисленных электрических соединений между узлами такого компьютера,и изменению электрических характеристик (сопротивлений, ёмкостей и индуктивностей) этих узлов спомощью соответствующих элементов управления (ручек, кнопок, ползунков и т.д.).Здесь необходимо сказать, что использование в качестве "рабочего тела" в аналоговых ЭВМименно электричества не является принципиальным. В истории вычислительной техники известнареализация аналоговой ЭВМ, работающей на обыкновенной воде.

В этом случае конструктивнымиэлементами являются водяные резервуары с соединяющими их трубками разного сечения, а текущаявода моделирует решаемую задачу путём изменения скорости своего течения и давления в разныхузлах такой аналоговой "ЭВМ". Кроме того, в качестве "рабочего тела" можно использовать, например, звуковые волны, в этом случае конструктивными элементами являются различные плоскости ирешётки, отражающие, поглощающие и модулирующие эти звуковые волны.1Далее, стоит заметить, что в детских конструкторах строятся в основном статические модели, вто время как аналоговая ЭВМ строит динамическую модель некоторого объекта или явления. В качестве примера динамической модели из детского конструктора рассмотрим модель ветряной мельницы, которая на самом деле может крутиться под действием ветра, да ещё и изменяет наклон своихлопастей в зависимости от скорости ветра.

Ясно, что изучение такой модели в принципе может помочь нам в конструировании настоящих ветряных мельниц, позволяющих эффективно использоватьсилу ветра.Продолжая аналогию с детским конструктором можно заметить, что с его помощью можно собирать далеко не всякие модели, а только из определённого набора (по научному это называется – изопределённой предметной области). Здесь можно вспомнить, то конструкторы бывают механические, электрические, оптические, радио-конструкторы и т.д. Отсюда можно сделать вывод, что всякаяаналоговая ЭВМ тоже специализированная, предназначенная для решения задач в достаточно узкойпредметной области.