Уровни детализации структуры вычислительной машины

Основные термины

ВВЕДЕНИЕ

РАЗДЕЛ 1

 

 

Вычислительная машина – это комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей.

Вычислительная система – определим как совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или вычислительных машин, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для подготовки и решения задач пользователей.

Таким образом, формально отличие вычислительной системы (ВС) от вычислительной машины (ВМ) выражается в количестве вычислителей. Множественность вычислителей позволяет реализовать в ВС параллельную обработку. С другой стороны, современные вычислительные машины с одним процессором также обладают определенными средствами распараллеливания вычислительного процесса. Иными словами, грань между ВМ и ВС часто бывает весьма расплывчатой, что дает основание там, где это целесообразно, рассматривать ВМ как одну из реализаций ВС. И напротив, вычислительные системы часто строятся из традиционных ВМ и процессоров, поэтому многие из положений, относящихся к ВМ, могут быть распространены и на ВС.

Архитектура вычислительной машины – логическое построение вычислительной машины, то есть то, какой машина представляется программисту. Подобную трактовку называют «узкой», и охватывает она перечень и формат команд, формы представления данных, механизмы ввода/вывода, способы адресации памяти и т. п. Из рассмотрения выпадают вопросы физического построения вычислительных средств: состав устройств, число регистров процессора, емкость памяти, наличие специального блока для обработки вещественных чисел, тактовая частота центрального процессора и т. д. Этот круг вопросов принято определять понятием организация или структурная организация.

Архитектура (в узком смысле) и организация – это две стороны описания и вычислительной системы. Применительно к вычислительным системам термин «архитектура» дополнительно распространяется на вопросы распределения функций между составляющими вычислительной системы и взаимодействия этих составляющих.

 

 

Вычислительная машина как законченный объект являет собой плод усилий специалистов в самых различных областях человеческих знаний. Каждый специалист рассматривает вычислительную машину с позиций стоящей перед ним задачи, абстрагируясь от несущественных, по его мнению, деталей.

В принципе таких уровней может быть достаточно много, однако сложившаяся практика ограничивает их число четырьмя уровнями (рис. 1.1)

Рис. 1.1. Уровни детализации вычислительной машины:

а) уровень «черного ящика»; б) уровень общей архитектуры;

в) уровень архитектуры центрального процессора;

г)уровень архитектуры устройства управления

 

На первом уровне вычислительная машина рассматривается как устройство, способное хранить и обрабатывать информацию, а также обмениваться данными с внешним миром (рис.1.1, а). ВМ представляется «черным ящиком», который может быть подключен к коммуникационной сети и к которому, в свою очередь, могут подсоединяться устройства.

Уровень общей архитектуры (рис. 1.1, б) представляет ВМ в виде четырех составляющих: центрального процессора (ЦП), основной памяти (ОП), устройства ввода/вывода (УВВ) и системы шин.

На третьем уровне детализируется каждое из второго уровня. Для взят центральный процессор (рис. 1.1, в). В простейшем в нем можно выделить:

• арифметико-логическое устройство (АЛУ); обеспечивающее обработку целых чисел;

• блок обработки чисел в формате с плавающей запятой (БПЗ);

• регистры процессора, использующиеся для краткосрочного хранения команд, данных и адресов;

• устройство управления (УУ), обеспечивающее совместное функционирование устройств ВМ;

• внутренние шины.

На четвертом уровне детализируются элементы третьего уровня. Так, на рис.1.1, г раскрыта структура устройства управления. УУ представлено в виде четырех составляющих:

• логики программной последовательности – электронных схем, обеспечивающих выполнение команд программы в последовательности, предписываемой программой;

• регистров и дешифраторов устройства управления;

• управляющей памяти;

• логики формирования управления, генерирующей все необходимые управляющие сигналы.