Жмакин А.П. Архитектура ЭВМ (2006), страница 4

Наряду с упомянутыми классами ЭВМ широкого применения всегда выпус­кались машины, которые можно было считать специализированными. Это, во-первых, т. н. суперЭВМ, выпускаемые в единичных экземплярах и предназна­ченные для решения задач, недоступных для серийной вычислительной тех­ники. Для ряда применений создавались специализированные ЭВМ, архитек­тура и структура которых оптимизировалась под решение конкретной задачи. Ту же задачу можно было решить и на универсальной ЭВМ подходящего класса, но со значительно более низкими показателями качества. В то же время решение других задач на специализированной ЭВМ было либо невоз­можно, либо крайне неэффективно. Одна из возможных классификаций ЭВМ на рубеже 3—4 поколений показана на рис. 1.2.

Еще одним важным явлением, проявившимся при развитии третьего поколе­ния ЭВМ, стало появление семейств ЭВМ. В рамках одного семейства, объ­единенного общими архитектурными, структурными, а иногда — и конструк­тивными решениями, выпускались несколько (иногда — более десятка) клас­сов ЭВМ: малые, средние, "полусредние", большие, очень большие и т. д.

Рис. 1.2. Вариант классификации ЭВМ

Общими для большинства семейств являются:

□ П внутренний язык, что позволяет осуществлять совместимость программ на уровне машинных кодов (IBM-360, ЕС ЭВМ) либо системы команд, обла­дающие совместимостью "снизу вверх" (PDP-11), когда старшие предста­вители семейства реализуют все команды младших моделей плюс еще не­которые команды;

□ форматы данных;

□ форматы записи на внешний носитель;

□ интерфейс, что позволяет иметь единую номенклатуру внешних устройств для всех представителей семейства;

□ преемственность программного обеспечения (как правило, та же совмес­тимость "снизу вверх").

Для решения конкретной задачи пользователь подбирал соответствующий экземпляр семейства, а по мере усложнения задачи осуществлялся переход на более старшие модели семейства, причем уже отлаженные на младших моде­лях программы, как правило, не требовали доработки.

Наиболее известными примерами семейств ЭВМ могут служить:

□ семейство универсальных ЭВМ третьего поколения 1ВМ-360 и его совет­ский аналог— ЕС ЭВМ, включающее малые машины ЕС-1010 и ЕС-1020, средние ЕС-1022, ЕС-1030, ЕС-1035 и др., большие ЕС-1050, ЕС-1060, ЕС-1065;

□ семейство мини-ЭВМ PDP-11 и его советский аналог— СМ ЭВМ (лишь часть представителей семейства — СМ-3, СМ-4, СМ-1420);

□ семейство микроЭВМ LXI-11 (Электроника-60 и ее модификации); О семейство микропроцессоров i80x86.

1.4. Классическая архитектура ЭВМ

Считается, что основные идеи построения современных ЭВМ в 1945 г. сфор­мулировал американский математик Дж. фон Нейман, определив их как принципы программного управления:

1. Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы — слова.

2. Разнотипные по смыслу слова различаются по способу использования, но не по способу кодирования.

3. Слова информации размещаются в ячейках памяти и идентифицируются номерами ячеек — адресами слов.

4. Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов, называемых командами.- Команда определяет наименование опера­ции и слова информации, участвующие в ней. Алгоритм, записанный в виде последовательности команд, называется программой.

5. Выполнение вычислений, предписанных алгоритмом, сводится к последо­вательному выполнению команд в порядке, однозначно определенном программой.

Поэтому классическую архитектуру современных ЭВМ, представленную на рис. 1.3, часто называют "архитектурой фон Неймана".

Программа вычислений (обработки информации) составляется в виде после­довательности команд и загружается в память машины — запоминающее устройство (ЗУ). Там же хранятся исходные данные и промежуточные ре­зультаты обработки. Центральное устройство управления (ЦУУ) последова­тельно извлекает из памяти команды программы и организует их выполнение. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для реализа­ции операций преобразования информации. Программа и исходные данные вводятся в память машины через устройства ввода (УВв), а результаты об­работки предъявляются на устройства вывода (УВыв).

Характерной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что па­мять представляет собой единое адресное пространство, предназначенное для хранения как программ, так и данных.

Такой подход, с одной стороны, обеспечивает большую гибкость организа­ции вычислений — возможность перераспределения памяти между програм­мой и данными, возможность самомодификации программы в процессе ее выполнения. С другой стороны, без принятия специальных мер защиты сни­жается надежность выполнения программы, что особенно недопустимо в управляющих системах.

Действительно, поскольку и команды программы, и данные кодируются в ЭВМ двоичными числами, теоретически возможно как разрушение програм­мы (при обращении в область программы как к данным), так и попытка "вы­полнения" области данных как программы (при ошибочных переходах про­граммы в область данных).

Альтернативной фон-неймановской является т. н. гарвардская архитектура. ЭВМ, реализованные по этому принципу, имеют два непересекающихся ад­ресных пространства т— для программы и для данных, причем программу нельзя разместить в свободной области памяти данных и наоборот. Гарвард­ская архитектура применяется главным образом в управляющих ЭВМ.

1.5. Иерархическое описание ЭВМ

ЭВМ как сложная система может быть адекватно описана на нескольких уровнях с применением различных языков описания на каждом из уровней.

Принципы структурного описания предполагают введение следующих поня­тий:

□ система — совокупность элементов, объединенных в одно целое для дос­тижения определенных целей. Для полного описания системы следует оп­ределить ее функции и структуру;

□ структура системы — фиксированная совокупность элементов системы и связей между ними;

□ элемент — неделимая часть системы, структура которого не рассматрива­ется, а определяются только его функции.

Функции системы стремятся описывать в математической форме, иногда — в словесной (содержательной форме). Структура системы может быть задана в виде графа или эквивалентных ему математических форм (матриц). Инже­нерной формой задания структуры является схема (отличается от графа толь­ко формой). Различным уровням представления систем соответствуют раз­личные виды схем.

Свойства системы не являются простой суммой свойств входящих в нее эле­ментов; за счет организации связей между элементами приобретается новое качество, отсутствующее в элементах. Например, радиокомпоненты -> логи­ческие элементы -» сумматор.

Для сложных систем характерно, что функция, реализуемая системой, не мо­жет быть представлена как композиция функций, реализуемых наименьшими элементами системы (иначе говоря, функцию сложной системы нельзя адек­ватно описать на одном языке). Действительно, функционирование ЭВМ нельзя описать лишь на языке электрических процессов, в ней происходящих. Функции ЭВМ как системы выявляются лишь при рассмотрении информаци­онных и логических аспектов ее работы.

Поэтому в описании сложных систем используют несколько форм описания (языков) функций и структуры — иерархию функций и структуры. Иерархи­ческий подход к описанию сложных систем предполагает, что на высшем уровне иерархии система рассматривается как один элемент, имеющий входы и выходы для связи с внешней средой. В этом случае функция не может быть задана подробно и представляется как отображение состояний входов на со­стояние выходов системы.

Чтобы раскрыть устройство и порядок функционирования системы, глобаль­ная функция и сама система разделяются на части — функции и структурные элементы следующего более низкого уровня иерархии и т. д. до тех пор, пока функции и структура системы не будут раскрыты полностью, с необходимой степенью детализации.

В этом случае элемент — это, прежде всего, удобное понятие, а не физиче­ское свойство, т. к. один и тот же физический объект может рассматриваться как элемент на одном уровне иерархии и как система— на другом (более низком) уровне.

В табл. 1.2 представлены основные уровни ЭВМ и языки описания этих уровней.

ГЛАВА 2

Функциональная организация ЭВМ

Термин "функциональная организация ЭВМ" часто используют в качестве синонима (в некотором смысле) более широкого термина— "архитектура ЭВМ", который, в свою очередь, трактуется разными авторами несколько в различных смыслах. Наиболее близким к трактовке автора может служить определение термина "архитектура ЭВМ", данное в [8]. Приведем это опре­деление.

Архитектура ЭВМ— это абстрактное представление ЭВМ, которое отражает ее структурную, схемотехническую и логическую организацию. Понятие ар­хитектуры ЭВМ является комплексным и включает в себя:

□ структурную схему ЭВМ;

□ средства и способы доступа к элементам структурной схемы;

□ организацию и разрядность интерфейсов ЭВМ;

□ набор и доступность регистров;

□ организацию и способы адресации памяти;

□ способы представления и форматы данных ЭВМ;

□ набор машинных команд ЭВМ;

□ форматы машинных команд;

□ обработку нештатных ситуаций (прерываний).

В рамках данной книги мы, в основном, будем рассматривать перечисленные выше вопросы.

2.1. Командный цикл процессора

Командой называется элементарное действие, которое может выполнить про­цессор без дальнейшей детализации. Последовательность команд, выполнение которых приводит к достижению определенной цели, называется про­граммой. Команды программы кодируются двоичными словами и размеща­ются в памяти ЭВМ. Вся работа ЭВМ состоит в последовательном выполне­нии команд программы. Действия по выбору из памяти и выполнению одной команды называются командным циклом.

В составе любого процессора имеется специальная ячейка, которая хранит адрес выполняемой команды — счетчик команд или программный счетчик. После выполнения очередной команды его значение увеличивается на едини­цу (если код одной команды занимает несколько ячеек памяти, то содержи­мое счетчика команд увеличивается на длину команды). Таким образом осуществляется выполнение последовательности команд. Существуют спе­циальные команды (передачи управления), которые в процессе своего выпол­нения модифицируют содержимое программного счетчика, обеспечивая пе­реходы по программе. Сама выполняемая команда помещается в регистр ко­манд — специальную ячейку процессора.

Во время выполнения командного цикла процессор реализует следующую последовательность действий:

1. Извлечение из памяти содержимого ячейки, адрес которой хранится в программном счетчике, и размещение этого кода в регистре команд (чтение команды).

2. Увеличение содержимого программного счетчика на единицу.

3. Формирование адреса операндов.

4. Извлечение операндов из памяти.

5. Выполнение заданной в команде операции.

6. Размещение результата операции в памяти.

7. Переход к п. 1.

Пункты 1, 2 и 7 обязательно выполняются в каждом командном цикле, ос­тальные могут не выполняться в некоторых командах. Если длина кода команды составляет несколько машинных слов, то пп. 1 и 2 повторяются.

Фактически вся работа процессора заключается в циклическом выполнении пунктов 1—7 командного цикла. При запуске машины в счетчик команд ап-паратно помещается фиксированное значение — начальный адрес программы (часто 0 или последний адрес памяти; встречаются и более экзотические спо­собы загрузки начального адреса). В дальнейшем содержимое программного счетчика модифицируется в командном цикле. Прекращение выполнения командных циклов может произойти только при выполнении специальной команды "СТОП".

2.2. Система команд процессора

Разнообразие типов данных, форм их представления и действий, которые не­обходимы для обработки информации и управления ходом вычислений, по­рождает необходимость использования различных команд — набора команд. Каждый процессор имеет собственный вполне определенный набор команд, называемый системой команд процессора. Система команд должна обладать двумя свойствами — функциональной полнотой и эффективностью.

Функциональная полнота — это достаточность системы команд для описания любого алгоритма. Требование функциональной полноты не является слиш­ком жестким. Доказано, что свойством функциональной полноты обладает система, включающая всего три команды (система Поста): присвоение О, присвоение 1, проверка на 0. Однако составление программ в такой системе команд крайне неэффективно.