Материал: А. Д. Чередов, А. Н. Мальчуков

2. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ

И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ
Существуют два взгляда на построение и функционирование ЭВМ. Первый – взгляд пользователя, не интересующегося технической реали- зацией ЭВМ и озабоченного только получением некоторого набора функций и услуг, обеспечивающих эффективное решение его задач; второй – разработчика ЭВМ, усилия которого направлены на рацио- нальную техническую реализацию необходимых пользователю функ- ций. С учетом этого обстоятельства и вводятся понятия «функциональ- ная» и «структурная» организация компьютера.

Действительно, с точки зрения пользователя решение любой задачи на ЭВМ требует поэтапного выполнения некоторой последовательности действий: программирования, кодирования, ввода, обработки, докумен- тирования. На каждом из этих этапов учет запросов пользователя может потребовать расширения реализуемых ЭВМ функций и услуг, что реша- ется при проектировании ЭВМ и входит в понятие функциональной организации ЭВМ.

В результате создается абстрактная модель ЭВМ, описывающая функциональные возможности машины и предоставляемые ею услуги. Функциональная организация ЭВМ в значительной степени определяет- ся предъявляемыми к ней требованиями, уровнем подготовки потенци- альных пользователей, типом решаемых ими задач, потребностями в развитии компьютера (по емкости памяти, разрядности, составу пери- ферийных устройств и др.).

Предусматриваемые абстрактной моделью функции ЭВМ реализу- ются на основе реальных физических средств (устройств, блоков, узлов, элементов) в рамках определенной структуры. В общем случае под структурной организацией ЭВМ понимается некоторая физическая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия основных функциональных частей машины (без излишних деталей их

технической реализации).

Функциональная организация ЭВМ играет ведущую роль и в зна- чительной степени определяет структурную организацию машины, хотя и не дает жестких ограничений на конечную техническую реализацию структурных элементов. Вместе с тем функции и структура любого эле- мента находятся в диалектической взаимосвязи и взаимозависимости. С одной стороны, функциональным назначением устройства (блока, уз-

ла) ЭВМ определяется необходимый состав материальных объектов (реальных аппаратных и программных средств) и характер их взаимо- действия. С другой стороны, одна и та же функция может быть реализо- вана на совершенно разных технических средствах, а изменение состава или связей между элементами, изменение пропорций между аппарат- ными и программными средствами может сохранить неизменной функ- цию системы, сообщив ей новые свойства.

1. Обобщенная структура ЭВМ и пути её развития

Развитие архитектуры неизбежно ведет к развитию структуры ЭВМ. Реализация принципов интеллектуализации, которые все больше определяют развитие архитектуры ЭВМ, возможна при совершенство- вании структурной организации, обеспечивающей повышение эффек- тивности вычислительного процесса и, как следствие этого, рост произ- водительности ЭВМ. В конечном счёте условием и критерием развития структуры является рост производительности ЭВМ.

Основной тенденцией в развитии структуры ЭВМ является разде- ление функций системы и максимальная специализация подсистем для выполнения этих функций.

Обобщенная структура ЭВМ приведена на рис. 2.1. Она состоит из

следующих составных частей: обрабатывающей подсистемы; подсисте- мы памяти; подсистемы ввода/вывода; подсистемы управления и обслу- живания.

Для каждой подсистемы выделены основные направления их раз- вития.

Обрабатывающая подсистема

Развитие обрабатывающей подсистемы в большей степени, чем всех остальных подсистем, идет по пути разделения функций и повы- шения специализации составляющих ее устройств. Создаются специ- альные средства, которые осуществляют функции управления системой, освобождая от этих функций средства обработки. Такое распределение функций сокращает эффективное время обработки информации и по- вышает производительность ЭВМ. В то же время, средства управления, как и средства обработки, становятся более специализированными. Устройство управления памятью реализует эффективные методы пере- дачи данных между средствами обработки и подсистемой памяти. Ме- няются функции центрального устройства управления.

С одной стороны, ряд функций передается в другие подсистемы (например, функции ввода/вывода), с другой – развиваются средства ор- ганизации параллельной обработки нескольких команд (суперскалярная обработка, конвейерная технология выполнения команд, многоядерные структуры, многопотоковая обработка команд, динамическое изменение последовательности команд, предварительная выборка данных, пред- сказание направления ветвлений и т.д.). Бурно развивается управление межпроцессорным обменом как эффективное средство передачи ин- формации между несколькими центральными процессорами, входящи- ми в состав вычислительной системы или комплекса.

Операционные устройства обрабатывающей подсистемы, кроме традиционных средств скалярной (суперскалярной) и логической обра- ботки, все шире стали включать специальные средства векторной обра- ботки. При этом время выполнения операций можно резко сократить за счет увеличения частоты работы операционных устройств.

В устройствах скалярной обработки все шире появляются специаль- ные операционные блоки, оптимизированные на эффективное выполнение отдельных операций, разрядность обрабатываемых слов возрастает.