Архітектури обчислювальних систем зосередженої обробки інформації
Сучасний комп'ютер складається з кількох функціональних вузлів: процесор, пам'ять, контролери пристроїв і т.д. Кожен вузол представляє собою складний електронний пристрій, до складу якого можуть входити мільйони логічних елементів, Для кращого розуміння принципу роботи кожного вузла і комп'ютера в цілому вводиться поняття рівнів подання комп'ютера.
Цифровий логічний рівень - рівень логічних схем базової системи елементів.
Мікроархітектурний рівень - рівень організації обробки інформації всередині функціонального вузла. Сюди відносяться регістри різного призначення, пристрій обробки вступників команд, пристрій перетворення даних, пристрій управління.
Командний рівень - набір функціональних вузлів і зв'язки між ними, система команд і даних, переданих між пристроями.
Набір блоків, зв'язків між ними, типів даних і операцій кожного рівня називається архітектурою рівня.
Архітектура командного рівня називається зазвичай комп'ютерної архітектурою або комп'ютерної організацією.
Архітектури з фіксованим набором пристроїв
Комп'ютерами з зосередженої обробкою називаються такі обчислювальні системи, у яких одне або кілька обробних пристроїв (процесорів) розташовані компактно і використовують для обміну інформацією внутрішні шини передачі даних. Комп'ютери 1-го і 2-го покоління мали архітектуру закритого типу з обмеженим набором зовнішнього обладнання. Комп'ютер, виконаний по цій архітектурі, не мав можливості підключення додаткових пристроїв, не передбачених розробником.
Укрупнення схема такої комп'ютерної архітектури наведено на рис. 1. Оперативна пам'ять зберігає команди і дані виконуваних програм. АЛУ забезпечує не тільки числову обробку, але і бере участь у процесі введення-виведення інформації, здійснюючи її занесення в оперативну пам'ять. Канал вводу/виводу являє собою спеціалізований пристрій, працююче по командах, що подаються пристроєм управління. Канал допускає підключення певного числа зовнішніх пристроїв. Пристрій керування забезпечує виконання команд програми і управляє усіма вузлами системи.
Рис. 1. Архітектура комп'ютера закритого типу
Комп'ютери такий архітектури ефективні при вирішенні суто обчислювальних задач. Вони погано пристосовані для реалізації комп'ютерних технологій, що вимагають підключення додаткових зовнішніх пристроїв і високої швидкості обміну з ними інформацією.
Обчислювальні системи з відкритою архітектурою
На початку 70-х рр.. фірмою DEC (Digital Equipment Corporation) був запропонований комп'ютер зовсім інший архітектури. Ця архітектура дозволяла вільно підключати будь периферійні пристрої, що відразу ж зацікавило розробників систем керування різними технічними системами, оскільки забезпечувало вільне підключення до комп'ютера будь-якого числа датчиків і виконавчих механізмів. Головним нововведенням було підключення всіх пристроїв, незалежно від їх призначення, до загальної шини передачі інформації. Підключення пристроїв до шини здійснювалося у відповідності зі стандартом шини. Стандарт шини був вільно поширюваним документом, що дозволяло фірмам - виробникам периферійного обладнання розробляти контролер для підключення своїх пристроїв до шин різних стандартів. Архітектура комп'ютера відкритого типу, заснована на використанні обший шини, наведена на рис. 2.
Рис. 2. Архітектура комп'ютера відкритого типу
Загальне управління всією системою здійснює центральний процесор. Він керує загальною шиною, виділяючи час інших пристроїв для обміну інформацією. Запам'ятовуючий пристрій зберігає виконувані програми та дані та погоджено рівнями своїх сигналів з рівнями сигналів самої шини. Зовнішні пристрої, рівні сигналів яких відрізняються від рівнів сигналів шини, підключаються до неї через спеціальний пристрій - контролер. Контролер узгоджує сигнали пристрою з сигналами шини і здійснює управління пристроєм по командах, що надходять від центрального процесора. Контролер підключається до шини спеціальними пристроями - портами вводу-виводу. Кожен порт має свій номер, і звернення до нього процесора відбувається, також як і до комірки пам'яті, за цим номером. Процесор має спеціальні лінії управління, сигнал на яких визначає, чи звертається процесор до комірки пам'яті або до порту вводу-виводу контролера зовнішнього пристрої.
Незважаючи на переваги, надаються архітектурою із загальною шиною, вона має і серйозний недолік, який проявлявся все більше при підвищенні продуктивності зовнішніх пристроїв і зростанні потоків обміну інформацією між ними. До загальної шині підключені пристрої з різними обсягами і швидкістю обміну, у зв'язку з чим В«ПовільніВ» пристрою затримували роботу В«швидкихВ». Подальше підвищення продуктивності комп'ютера було знайдено у введенні додаткової локальної шини, до якої підключалися В«швидкіВ» пристрою. Архітектура комп'ютера з загальної та локальної шинами наведена на рис. 3.
Рис. 3. Архітектура комп'ютера із загальною і локальною шиною
Контролер шини аналізує адреси портів, що передаються процесором, і передає їх контролеру, підключеному до загальної або локальної шині.
Конструктивно контролер кожного пристрою розміщується на загальній платі з центральним процесором і запам'ятовуючим пристроєм або, якщо пристрій не є стандартно входять до склад комп'ютера, на спеціальній платі, що вставляється в спеціальні роз'єми на загальній платі - слоти розширення. Подальший розвиток мікроелектроніки дозволило розміщувати кілька функціональних вузлів комп'ютера і контролери стандартних пристроїв в одній мікросхемі НВІС. Це скоротило кількість мікросхем на загальній платі і дало можливість ввести дві додаткові локальні шини для підключення запам'ятовуючого пристрою і пристрою відображення, які мають найбільший обсяг обміну з центральним процесором і між собою. Хоча архітектура комп'ютера залишилася колишньою, структура сучасного персонального комп'ютера має вигляд, представлений на рис. 2.12,
Рис. 4. Структура персонального комп'ютера
Центральний контролер грає роль комутатора, розподіляє потоки інформації між процесором, пам'яттю, пристроєм відображення та іншими вузлами комп'ютера. Крім цього до складу мікросхеми центрального контролера включені пристрої, які підтримують роботу комп'ютера. До них відносяться системний таймер; пристрій прямого доступу до пам'яті, яке забезпечує обмін даними між зовнішніми пристроями та пам'яттю і періоди, коли це не вимагається процесору; пристрій обробки переривань, яке забезпечує швидку реакцію процесора на запити зовнішніх пристроїв, що мають дані для передачі.
Функціональний контролер - Це НВІС, яка містить контролери для підключення стандартних зовнішніх пристроїв, таких як клавіатура, миша, принтер, модем і т.д. Часто до складу цього контролера входить такий пристрій, як аудіокарта, що дозволяє отримати на зовнішніх динаміках високоякісний звук при прослуховуванні музичних і мовних файлів.
Для підключення специфічних пристроїв частина обший шини, що з'єднує центральний і функціональний контролери, має слоти розширення для установки плат контролерів.
Архітектури багатопроцесорних обчислювальних систем
Персональні комп'ютери дозволяють реалізувати багато комп'ютерні технології, починаючи від роботи в Інтернеті, і кінчаючи побудовою анімаційних тривимірних сцен. Однак існують завдання, обсяг обчислень яких перевищує можливості персонального комп'ютера. Для їх рішень застосовуються комп'ютери з набагато більш високою швидкодією. Для отримання високої швидкодії на існуючій елементній базі використовуються архітектури, в яких процес обробки распараллеливается і виконується одночасно на декількох оброблювальних пристроях Існує три основних підходу до побудови архітектур таких комп'ют...
