16_Дополнительные особенности архитектуры ЭВМ (В.Г. Баула - Введение в архитектуру ЭВМ и системы программирования), страница 2

В то же время надо заметить, что почти все цифровые ЭВМ являются универсальными, их можно с почти одинаковым успехом использовать во всех областях, это использованиеограничивается только аппаратными ресурсами компьютера, которые, как мы знаем, непрерывноувеличиваются с развитием вычислительной техники.2Аналоговая ЭВМ реализует достаточно большую скорость обработки информации, т.к.

у неё отсутствует пошаговый алгоритм работы. Кстати, это же верно и для "аналогового компьютера" из соответствующего полушария человеческого мозга. Например, когда человек бегом спускается с холма,именно это полушарие "руководит" движениями человека, в частности, решая, как ему переставлятьноги. Попытка решить такую же задачу в реальном времени с помощью программы для обычного(цифрового) компьютера показывает, что с этой задачей с трудом справляются даже мощные современные ЭВМ.Однако, несмотря на большую скорость отработки информации, в настоящее время аналоговыеЭВМ практически проиграли в конкурентной борьбе с дискретными компьютерами. Дело заключа1Исследования последних лет позволяют предположить, что такого рода аналоговая звуковая "микроЭВМ" располагается внутри каждого нейрона нервной ткани человека и животных. Основой этого аналоговогокомпьютера является особая трёхмерная решётка, работающая на звуковых волнах очень большой частоты.

Этизвуковые волны генерируются ударами ионов о стенки нейрона и саму решётку, такие волны имеют частоты от10 до 100 ГГц, что значительно превышает тактовую частоту центральных процессоров даже мощных современных ЭВМ.2Разумеется, существуют и так называемые специализированные цифровые ЭВМ, например, предназначенные для управления различными устройствами (стиральными машинами, кухонными комбайнами и т.д.).Необходимо, однако, заметить, что специализация таких ЭВМ заключается только в том, что они, как правило,выполняют только одну записанную в их памяти программу, и не снабжаются аппаратными средствами дляразвитого интерфейса с пользователями.

Другими словами, хранимую в памяти специализированных ЭВМпрограмму невозможно (или очень трудно) сменить, и у них, как правило, нет таких устройств для ввода и вывода данных, как клавиатура, мышь, дисковод и т.п.4ется в том, что у аналоговых ЭВМ, даже если не принимать во внимание специфику их "программирования", есть один очень крупный недостаток, который заключается в том, что они могут выдаватьчисловые результаты своей работы с маленькой точностью – две-три значащие десятичные цифры.Для большинства современных научных задач это совершенно неприемлемая точность вычислений,поэтому аналоговые ЭВМ имеет смысл использовать только в тех областях, где обрабатываемыеданные имеют преимущественно нечисловую природу (например, в так называемых задачах распознавания образов).

Заметим, что в своё время были реализованы и гибридные (аналогово-цифровые)ЭВМ, однако они тоже не оправдали возлагаемых на них надежд. С принципами работы аналоговыхЭВМ можно более подробно познакомится, например, по книге [22].В заключение нашего краткого рассмотрения аналоговых ЭВМ заметим, что сам принцип их работы ничем не хуже принципа работы дискретных (цифровых) компьютеров.

Более того, многие современные направления развития вычислительной техники, например, такие, как нейрокомпьютерыили квантовые вычисления, плодотворно используют идеи, взятые из схемы работы аналоговыхЭВМ.16.2. Принцип микропрограммного управленияПринцип микропрограммного управления задаёт особую схему реализации центрального процессора ЭВМ.

Чтобы разобраться в этом вопросе, вернёмся мысленно в начало нашего курса ивспомним, как центральный процессор выполняет отдельную команду программы. Пусть, например,на регистр команд трёхадресной ЭВМ выбрана некоторая команда КОП оp1,op2,op3 . Как мызнаем, какая команда обрабатывается центральным процессором по схемеR1:=op2; R2:=op3; S:=R1 КОП R2; op1:=Sгде R1,R2 и S – служебные регистры центрального процессора.

Как видим, сама команда тоже выполняется по некоторому алгоритму, состоящему из отдельных шагов, а, следовательно, можно составить программу выполнения каждой команды компьютера. Вот такой "полёт мысли": компьютервыполняет программу, состоящую из команд, а каждая команда, в свою очередь, выполняется по некоторой своей программе.Несмотря на кажущуюся абсурдность приведённой выше схемы работы ЭВМ, она вполне имеетправо на существование и даже обладает определёнными и существенными преимуществами.

ЭВМ,построенные по изложенной выше схеме, и называются компьютерами с микропрограммным управлением.1 При этом, как обычно, в распоряжении программиста находится язык машины,2 на которомон записывает свои программ. В то же время, алгоритм выполнения каждой команды из языка машины реализуется в виде отдельной программы на специальном микроязыке.

Эту программу, естественно, и называют микропрограмммой. Все микропрограммы хранятся в специальной очень быстродействующей памяти внутри центрального процессора. После считывания из памяти на регистркоманд очередной команды, центральный процессор по коду операции находит соответствующую еймикропрограмму и выполняет её, затем, как всегда, читает на регистр команд следующую команду ит.д.Микроязык содержит весьма небольшое количество различных микрокоманд, которые реализуюттакие простые действия, как пересылка операндов с одного места памяти в другое, целочисленноесложение, сравнения операндов на равенство, некоторые сдвиги, логические операции and, or и notи т.п.

Вследствие того, что теперь центральному процессору надо уметь выполнять только небольшоечисло простых микрокоманд, его архитектура очень сильно упрощается, теперь его можно делать изочень быстро работающих (и дорогих) интегральных схем. Следовательно, несмотря на то, что теперькаждая команда выполняется по микропрограмме, таким образом можно избежать значительногоснижения производительности компьютера, построенного по принципу микропрограммного управления.1Первым предложил использовать принцип микропрограммного управления Морис Уилкс в 1951 году.Имеется в виде программист на языке Ассемблера, он, как, впрочем, и прикладной программист, имеетправо ничего не знать о том, что его компьютер работает по принципу микропрограммного управления.

Другими словами, принцип микропрограммного управления находится не на внутреннем, а на инженерном уровневидения архитектуры ЭВМ.25Разберём теперь те преимущества, которые открывает принцип микропрограммного управления.Во-первых, из-за небольшого числа простых микрокоманд в центральном процессоре легко реализовать несколько быстродействующих конвейеров, сильно повышающих производительность ЭВМ.Во-вторых, набор микропрограмм можно менять. Обычно это делается при включении машины,когда предоставляется возможность загрузить в память микропрограмм новый набор микрокоманд.Эта уникальная возможность позволяет в значительной степени менять архитектуру компьютера.Действительно, можно в очень широких пределах менять язык машины, например, сменить двухадресную систему команд на трёхадресную.

Можно также изменить способы адресации, поменять форматы обрабатываемых данных (скажем, ввести 128-битные целые числа и новые команды, которыеих обрабатывают).Компьютеры с микропрограммным управлением были достаточно широко распространены в 60х и 70-х годах прошлого века, обычно на этих принципах строились ЭВМ средней и высокой производительность (но не супер-ЭВМ). В настоящее время, в связи с резким удешевлением элементнойбазы компьютеров и значительным увеличением скорости работы интегральных схем, принцип микропрограммного управления в значительной мере потерял свою актуальность и чистом виде применяется редко.В современных компьютерах процесс выполнения команд, похожий на микропрограммноеуправление, используется при работе конвейера центрального процессора. Как мы уже знаем, каждаякоманда выполняется на конвейере за несколько шагов, которые можно рассматривать как некоторыйаналог микрокоманд.

В то же время эта аналогия достаточно условная, так как последовательностьшагов для каждого конвейера фиксирована, и писать свои микропрограммы для выполнения командмашинного языка невозможно (и тем более нельзя таким образом ввести в язык машины новые команды). Другим "отзвуком" принципа микропрограммного управления можно считать способностьцентральных процессоров современных ЭВМ динамически (во время счёта) заменять сложные команды машинного языка последовательностью более простых, которые и подаются на конвейер длявыполнения.Идеи, похожие на принцип микропрограммного управления, заложены в ЭВМ так называемойRISC архитектуры (Reduced Instruction Set of Command – компьютеры с уменьшенным набором кодовопераций). Основная идея здесь состоит в том, чтобы оставить в машинном языке только небольшойнабор (порядка 50-ти) простых команд, а все остальные операции реализовывать как программы вэтом урезанном машинном языке.

При этом делают так, чтобы все команды в таком компьютере имели одинаковую длину, производили операции над данными только в регистрах (т.е. имели форматRR) и выполнялись за одинаковое время (обычно за один такт). Такой подход позволяет сильно упростить структуру центрального процессора и реализовать в нём очень эффективный конвейер. RISCархитектура показала свою жизнеспособность и в настоящее время используется в нескольких выпускающихся семействах ЭВМ (например, SUN SPARC, Power PC и др.).16.3. ЭВМ, управляемые потоком данныхВсе рассматриваемые нами до сих пор ЭВМ базировались на изученных нами принципах ФонНеймана. Как уже говорилось, все современные ЭВМ в той или иной мере отказываются от большинства этих принципов для повышения своей производительности.

Тем не менее, все рассмотренные досих пор архитектуры ЭВМ продолжают следовать одному основополагающему принципу Фон Неймана. Это принцип программного управления, который состоит в том, что ЭВМ автоматически обрабатывает данные, выполняя расположенную в своей памяти программу. То, что именно программадолжна обрабатывает данные, представляется большинству программистов совершенно очевидным.Разберёмся, однако, с этим вопросом более подробно.Как Вы помните, ЭВМ является алгоритмической системой, в частности, она является исполнителем алгоритма на языке машины.