1_Понятие об архитектуре ЭВМ (В.Г. Баула - Введение в архитектуру ЭВМ и системы программирования)

Глава 1. Понятие об архитектуре ЭВМЭто книга называется "Введение в архитектуру ЭВМ и системы программирования" и сначаланам нужно определить, что мы будем понимать под архитектурой компьютера. На бытовом уровнетермин "архитектура" у большинства людей прочно ассоциируется с различными зданиями и другими инженерными сооружениями. Так, можно говорить об архитектуре готического собора, Эйфелевой башни или оперного театра.

В других областях этот термин применяется достаточно редко, однако для компьютеров понятие "архитектура ЭВМ" уже прочно устоялось и широко используется, начиная с 70-х годов прошлого века.Заметим сначала, что в общем смысле архитектура существует у любого достаточно сложногообъекта, состоящего из отдельных, взаимодействующих между собой частей (компонентов). Так, определяя на бытовом уровне понятие "архитектура ЭВМ", обычно говорят, что архитектура – это всекомпоненты компьютера, их устройство, выполняемые ими функции, а также взаимосвязи междуэтими компонентами. Сейчас мы разберёмся, почему такое поверхностное определение архитектурынас не будет удовлетворять.1Дело в том, что понятие архитектуры чего-либо существует не само по себе, а только в паре сдругим понятием.

Такая ситуация встречается достаточно часто. Известно, например, что понятиеалгоритм неразрывно связано с понятием исполнитель алгоритма.2 При этом одна и та же записьдля одного исполнителя будет алгоритмом, а для другого – нет (например, если этот другой исполнитель не умеет выполнять некоторые предписания в записи алгоритма).Так и в нашем случае понятие архитектуры неразрывно связано с тем человеком (или темилюдьми), которые изучают или рассматривают эту архитектуру. Ясно, что для разных людей архитектура одного и того же объекта может выглядеть совершенно по-разному.

Так, например, обычныйжилец многоэтажного дома не без основания полагает, что этот дом состоит из фундамента, стен икрыши, имеет этажи, на каждом этаже есть квартиры, присутствует лестница, лифт, в квартирах естькомнаты, окна, двери и т.д.Совсем по-другому видит архитектуру этого же дома инженер, ответственный за его эксплуатацию. Он, например, знает, что некоторые перегородки между комнатами можно убрать при перепланировке квартиры, а другие перегородки являются несущими, если их убрать – дом рухнет. Инженерзнает, где внутри стен проходят электрические провода, трубы водяного отопления, как обеспечивается противопожарная безопасность, каким образом к дому подводятся инженерные коммуникации имногое другое.Отсюда можно сделать вывод, что, изучая какой-либо объект, часто бывает удобно выделить различные уровни рассмотрения архитектуры этого объекта.

Обычно удобно выделить три таких уровня, назовём их внешний, концептуальный и внутренний.3 В качестве примера давайте рассмотримархитектуру какого-нибудь всем хорошо известного объекта, например, легкового автомобиля, наэтих трёх уровнях.1. Внешний уровень. На этом уровне видит архитектуру легкового автомобиля обычный пассажир. Он знает, что машина имеет колёса, кузов, сиденья, руль, мотор и другие части. Онпонимает, что для работы автомобиля в него надо обязательно заливать бензин, знает назначение дворников на ветровом стекле, ремней безопасности и т.д.

И этого эму вполне достаточно, чтобы успешно пользоваться машиной, главное – правильно назвать водителю нужныйадрес ☺.2. Концептуальный уровень. Примерно на этом уровне видит архитектуру машины её водитель. В отличие от пассажира он знает, что в его автомобиль нужно заливать вовсе не бензин,1Совокупность компонент компьютера, а также взаимосвязи между этими компонентами часто называютструктурой компьютера.2Студенты факультета Вычислительной математики и кибернетики МГУ изучают эту тему в курсе первого семестра "Алгоритмы и алгоритмические языки".3Число три является особым в человеческом мышлении, достаточно вспомнить "у отца было три сына","загадать три желания" и т.д.

По-видимому, это связано с тем, что при рассуждениях для человека два – это ещё"слишком мало", а четыре – уже "слишком много" для первичного деления сложного объекта на части. В области компьютеров и программного обеспечения такие три уровни можно использовать, например, при описаниибаз данных. При этом структура хранящихся данных (так называемая схема данных) может рассматриваться навнешнем, концептуальном и внутреннем уровнях [12].2а дизельное топливо (а для электромобиля нужно вообще "заливать" только электричество).Кроме того, в автомобиль необходимо ещё заливать масло определённой марки и специальную воду для стеклоочистителей. Водитель знает назначение всех органов управления машиной, марку топлива, температуру окружающего воздуха, ниже которой необходимо заливатьв машину особый сорт масла и т.д. Обычно водитель обладает также некоторыми знаниями,позволяющими выполнить несложный ремонт машины.

Ясно, что наш водитель видит архитектуру своего автомобиля совсем иначе, нежели обычный пассажир.3. Внутренний уровень. На этом уровне автомобиль видит инженер-конструктор, ответственный за его разработку. Он знает марку металла, из которого изготавливаются цилиндры двигателя, зависимость отдаваемой мотором мощности от марки топлива, допустимую нагрузкуна отдельные узлы автомобиля, антикоррозийные свойства внешнего корпуса, особенностиработы системы безопасности и многое другое. Ясно, что обычный водитель машины, а темболее её пассажир, в своей жизни вполне может обойтись без всех этих специальных знаний.Не надо думать, что один уровень видения архитектуры "хороший", а другой – "плохой".

Каждыйиз них необходим и достаточен для конкретного применения рассматриваемого объекта.1 Знать объект на более глубоком уровне архитектуры часто бывает даже вредно, так как получить эти знанияобычно достаточно трудно, и все усилия пропадут, если в дальнейшем эти знания не понадобятся.Хотя и говорят, что знания лишними не бывают, но лишними часто могут оказаться усилия, потраченные на приобретение этих знаний.Для уровня университетского образования необходимо, чтобы его выпускники, изучая какойлибо объект, достаточно ясно представляли себе, на каком уровне архитектуры они его рассматривают и достаточен ли этот уровень для практической работы с этим объектом. При необходимости, разумеется, надо перейти на более глубокий уровень рассмотрения изучаемого объекта.Перейдём теперь ближе к предмету нашего курса – архитектуре компьютеров.

Все люди, которые, так или иначе, используют компьютеры в своей деятельности и имеют понятие об их архитектуре, обычно называются пользователями. Ясно, что в зависимости от того, на каком уровне они видятархитектуру компьютера, всех пользователей можно, хотя, конечно, и достаточно условно, разделитьна уровни или группы (наверное, Вы уже не будете удивлены, что этих групп обычно тоже три). Какправило, в научной литературе выделяют следующие группы пользователей.1. Конечные пользователи (называемые также пользователями-непрограммистами). Для успешного использования компьютеров этим пользователям, как видно из названия, не нужноуметь программировать.

Обычно это специалисты в конкретных предметных областях – физики, биологи, лингвисты, финансовые работники и др., либо люди, использующие компьютеры в сфере образования, досуга и развлечений (они имеют дело с обучающими программами, компьютерными играми, навигаторами по сети Интернет и т.д.).

В своей работе все онииспользуют компьютер, снабжённый соответствующим, как говорят, прикладным программным обеспечением (application software). Это различные базы данных, текстовые редакторы, пакеты прикладных программ, системы автоматического перевода, обучающие, игровые и музыкальные программы и т.п. Таким пользователям достаточно видеть архитектурукомпьютеров на внешнем уровне, этих людей абсолютное большинство, более 90% от общего числа всех пользователей. Вообще говоря, что бы там себе не воображали пользователидругих уровней, компьютеры разрабатываются и выпускаются для нужд именно этих пользователей-непрограммистов (конечных потребителей всей компьютерной индустрии).2.

Прикладные программисты. Как уже ясно из названия, эти пользователи разрабатываютдля конечных пользователей прикладное программное обеспечение. В своей работе они чаще1Не следует путать различные уровни рассмотрения объекта с рассмотрением этого же объекта с разныхсторон (с разных точек зрения). Например, мы можем рассматривать легковой автомобиль, сравнивая его сдругими автомобилями, с точки зрения его экономичности, по дизайну и удобству эксплуатации, соотношениюцены и качества и т.д. При рассмотрении объекта с некоторой стороны остальные стороны могут и совсем неприниматься во внимание. Здесь можно вспомнить известную восточную притчу о трёх слепых, которых подвели к слону и попросили описать его. Один слепой ощупал бок слона и сказал, что он похож на стену, второй,который стоял у ноги, утверждал, что слон похож на колонну, а третий сказал, что слон похож на толстыйшланг, так как держался за хобот.3всего используют различные языки программирования высокого уровня (Паскаль, Фортран,Си, языки для работы с базами данных и т.д.) и соответствующие системы программирования (с этим понятием мы будем достаточно подробно знакомиться в нашем курсе).

Прикладным программистам достаточно видеть архитектуру компьютеров на концептуальномуровне. Можно примерно считать, что прикладных программистов менее 10% от числа всехпользователей. Изучив программирование на языке Паскаль, Вы должны уже достаточно хорошо представлять себе архитектуру компьютера на этом уровне. Попробуйте, используяВаш программистский опыт, сами сформулировать отличия видения архитектуры ЭВМ наэтом уровне, по сравнению с предыдущим уровнем пользователей-непрограммистов.3. Системные программисты. Это самая небольшая (менее одного 1%), но и наиболее квалифицированная в программировании группа пользователей, которая видит архитектуру ЭВМна внутреннем уровне. Основная деятельность системных программистов заключается вразработке системного программного обеспечения, которое предназначено для автоматизации процесса программирования (это так называемые системы программирования – тот инструмент, с помощью которого прикладные программисты разрабатывают и пишут свои программы для конечных пользователей).