Типы структур вычислительных машин и систем
Достоинства и недостатки вычислительных машин и систем напрямую связаны со способом соединения отдельных компонентов (способа организации взаимодействия).
Структуры вычислительных машин
В настоящее время примерно одинаковое распространение получили два способа построение ВМ: с непосредственными связями и на основе шины.
Структура с непосредственными связями (классическая фон-неймановская ВМ, см. рис. 1.7). В ней между взаимодействующими устройствами (процессор, память, устройство ввода/вывода) имеются непосредственные связи. Особенности связи в такой структуре (число линий в шине, пропускная способность и т.п.) определяется видом информации, характером и интенсивностью обмена. Основное достоинство такой структуры связано с возможностью устранения «узких мест» путём улучшения структуры и характеристик только определённых связей, не затрагивая систему в целом, что экономически выгодно. У фон-неймановских ВМ «узким местом» является канал пересылки данных между ЦП и памятью. Основной недостаток – ВМ плохо поддаются реконфигурации.
В варианте с общей шиной (рис. 1.8) все устройства ВМ подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных и управления. Эти составляющие магистрали получили название шины данных, шины адреса и шины управления. Наличие общей шины существенно упрощает реализацию ВМ, позволяет легко менять состав и конфигурацию машины. Благодаря этим свойствам шинная архитектура получила широкое распространение в мини и микро ЭВМ четвертого поколения.
Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее более децентрализованной. При этом все передачи данных по шине осуществляются процессором, управляемым сервисными программами. Подключение внешних устройств обеспечивается через соответствующие адаптеры или контроллеры - специальные устройства для согласования скоростей работы сопрягаемых устройств и управления периферийной аппаратурой. В настоящее время наметилась тенденция к еще большей децентрализации, проявляющаяся в том, что контроллеры внешних устройств функционально приобретают черты специализированных процессоров ввода/вывода и снабжаются значительными по объему буферами памяти.
Рис.
1.8.
Структура вычислительной машины на
базе общей шины
Синхронизация в архитектуре с общей шиной может быть обеспечена как использованием аппарата прерываний, так и временным опросом контроллеров со стороны центрального процессора. Обработка особых ситуаций функционально возложена на операционную систему, получающую информацию об операции ввода/вывода по шинам управления и данных.
Вместе с тем именно с шиной связан основной недостаток - в каждый момент времени передавать по шине может только одно устройство. Основную нагрузку на шину создают обмены между процессором и памятью, связанные с извлечением из памяти команд и данных и записью в память результатов вычислений. На операцию ввода/вывода остаётся лишь часть пропускной способности шины. Практика показывает, что даже при достаточно быстрой шине для 90% приложений этих остаточных ресурсов обычно не хватает, особенно в случае ввода/вывода больших массивов данных.
Шинная архитектура в чистом её виде недостаточно эффективная при сохранении фон-неймановской концепции последовательного выполнения команд программы. Более распространена архитектура с иерархией шин, где помимо магистральной шины имеется ещё несколько дополнительных (локальных) шин. Они могут обеспечить непосредственную связь между устройствами с наиболее интенсивным обменом, например процессором и кэш-памятью. Другой вариант использования дополнительных шин – объединение однотипных устройств ввода/вывода с последующим выходом с дополнительной шины на магистральную шину. Эти меры позволяют снизить нагрузку на общую шину и более эффективно расходовать её пропускную способность.