что такое архитектура вычислительных систем
30. Архитектура вычислительных систем.
Архитектура системы–совокупность свойств системы, существенных для пользования.
Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.
Наиболее распространены следующие архитектурные решения.
Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа. Это однопроцессорный компьютер.
К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.
Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.
Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами.
Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.
Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи.
Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.
Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.
Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе — то есть по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных.
Самой ранней и наиболее известной является классификация архитектур вычислительных систем, предложенная в 1966 году М.Флинном. Классификация базируется на понятии потока, под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором. На основе числа потоков команд и потоков данных Флинн выделяет четыре класса архитектур: SISD,MISD,SIMD,MIMD.
SISD (single instruction stream / single data stream) – одиночный поток команд и одиночный поток данных. К этому классу относятся последовательные компьютерные системы, которые имеют один центральный процессор, способный обрабатывать только один поток последовательно исполняемых инструкций. В настоящее время практически все высокопроизводительные системы имеют более одного центрального процессора, однако каждый из них выполняет несвязанные потоки инструкций, что делает такие системы комплексами SISD-систем, действующих на разных пространствах данных. Для увеличения скорости обработки команд и скорости выполнения арифметических операций может применяться конвейерная обработка. В случае векторных систем векторный поток данных следует рассматривать как поток из одиночных неделимых векторов. Примерами компьютеров с архитектурой SISD могут служить большинство рабочих станций Compaq, Hewlett-Packard и Sun Microsystems.
MISD (multiple instruction stream / single data stream) – множественный поток команд и одиночный поток данных. Теоретически в этом типе машин множество инструкций должно выполняться над единственным потоком данных. До сих пор ни одной реальной машины, попадающей в данный класс, создано не было. В качестве аналога работы такой системы, по-видимому, можно рассматривать работу банка. С любого терминала можно подать команду и что-то сделать с имеющимся банком данных. Посколькубаза данных одна, а команд много, мы имеем дело с множественным потоком команд и одиночным потоком данных.
SIMD (single instruction stream / multiple data stream) – одиночный поток команд и множественный поток данных. Эти системы обычно имеют большое количество процессоров, от 1024 до 16384, которые могут выполнять одну и ту же инструкцию относительно разных данных в жесткой конфигурации. Единственная инструкция параллельно выполняется над многими элементами данных. Примерами SIMD-машин являются системы CPP DAP, Gamma II и Quadrics Apemille. Другим подклассом SIMD-систем являются векторные компьютеры. Векторные компьютеры манипулируют массивами сходных данных подобно тому, как скалярные машины обрабатывают отдельные элементы таких массивов. Это делается за счет использования специально сконструированных векторных центральных процессоров. Когда данные обрабатываются посредством векторных модулей, результаты могут быть выданы на один, два или три такта частотогенератора (такт частотогенератора является основным временным параметром системы). При работе в векторном режиме векторные процессоры обрабатывают данные практически параллельно, что делает их в несколько раз более быстрыми, чем при работе в скалярном режиме. Примерами систем подобного типа являются, например, компьютеры Hitachi S3600.
MIMD (multiple instruction stream / multiple data stream) – множественный поток команд и множественный поток данных. Эти машины параллельно выполняют несколько потоков инструкций над различными потоками данных. В отличие от упомянутых выше многопроцессорных SISD-машин, команды и данные связаны, потому что они представляют различные части одной и той же задачи. Например, MIMD-системы могут параллельно выполнять множество подзадач с целью сокращения времени выполнения основной задачи. Большое разнообразие попадающих в данный класссистем делает классификацию Флинна не полностью адекватной, поэтому существуют дополненные и расширенные классификации, именованные фамилиями разработчиков.
Классификация архитектур вычислительных систем нужна для того, чтобы понять особенности работы той или иной архитектуры, но она не является достаточно детальной, чтобы на нее можно было опираться при создании МВС, поэтому следует вводить более детальную классификацию, которая связана с различными архитектурами ЭВМ и с используемым оборудованием.
Архитектура вычислительных систем
Вы будете перенаправлены на Автор24
Архитектура вычислительных систем — это структурная организация средств выполнения разнообразных математических и логических операций.
Введение
Основные понятия, связанные со структурной организацией вычислительных систем, следующие:
Вычислительной или микропроцессорной системой является разновидность электронных систем, которые предназначены для анализа входной информации и пересылки выходных данных. Входными и выходными сигналами могут выступать как аналоговые сигналы, так и закодированные в цифровом формате наборы данных. В состав вычислительных систем входят устройства для хранения и трансляции информации в виде электрических сигналов. На рисунке один изображена архитектурная схема электронной вычислительной системы.
Рисунок 1. Блок-схема вычислительной системы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Архитектурное построение вычислительных систем может быть с переменой структурой, это программируемые системы, а также с жёстко заданной структурой логики. Системы, выполненные с жёсткой логической структурой, отличаются неизменностью базовых принципов функционирования и хранения информации, которые имеют прямую зависимость от их схемной реализации. Такие системы, как правило, специализированные и рассчитаны на конкретный тип разрешаемых проблем.
Готовые работы на аналогичную тему
Программируемые или универсальные вычислительные системы могут адаптироваться практически ко всем типам решаемых задач. Их возможно перепрограммировать под выполнение разнообразных алгоритмов работы без замены существующих аппаратных средств. Смена рабочего алгоритма осуществляется загрузкой новой управляющей программы. Основным преимуществом этих систем является способность смены класса решаемых проблем без замены аппаратного обеспечения.
Процессор
Главным модулем вычислительной системы является процессор, который выполняет основную часть работы с информацией в такой системе. Процессор заменяет практически всю жёсткую логическую схему, которая была бы нужна в данном варианте. Главными процедурами, которые выполняет процессор, являются:
Остальные блоки вычислительной системы необходимы для выполнения следующих процедур:
Необходимо учитывать, блок процессора выполняет все действия последовательно, то есть выполняет по очереди все заданные в программе команды. С одной стороны, это отлично, но не очень хорошо с другой стороны, поскольку поочерёдное исполнение командных кодов ведёт к непосредственной связи времени исполнения алгоритма от его размеров и степени сложности.
Выполняемая в текущий момент времени команда, задана программой управления. Программа — это набор подлежащих исполнению действий, составленный разработчиком этой программы. Команда — это код, состоящий из цифр в бинарной системе счисления, который расшифровывается и исполняется процессором. Различные команды выполняются за различные временные промежутки, и это значит, что время, необходимое для исполнения всего программного набора команд, имеет зависимость, как от количества команд, так и от их назначения в программе. Полный перечень команд, которые может выполнить процессор, называется системой команд процессора. Она может иметь в своём составе от десятков до сотен команд.
Архитектура вычислительной системы
Базовая структура вычислительной системы включает следующие блоки:
Все блоки вычислительной системы объединяет общая шина или по-другому информационный канал, или системная магистраль. На рисунке два изображена обобщённая архитектура вычислительной системы.
Рисунок 2. Архитектура вычислительной системы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В состав системной магистрали входят четыре шины, которые являются шинами низкого уровня:
Режимы работы вычислительной системы
Универсальность функционирования вычислительных систем достигается за счёт применения программного обеспечения, которое назначает все выполняемые действия. Кроме того, универсальность в осуществлении операций обеспечивает информационный обмен по системной магистрали. Практически любая вычислительная система способна функционировать в трёх режимах обмена данными по системной магистрали:
Для выполнения распределённой информационной обработки существуют многомашинные архитектуры вычислительных комплексов, которые делятся на:
Что такое архитектура вычислительных систем
Электронные облака
Лекции
Рабочие материалы
Тесты по темам
Template tips
Задачи
Логика вычислительной техники и программирования
Лекция «Вычислительные системы»
Понятие вычислительной системы
В связи с кризисом классической структуры ЭВМ дальнейшее поступательное развитие вычислительной техники напрямую связано с переходом к параллельным вычислениям, с идеями построения многопроцессорных систем и сетей, объединяющих большое количество отдельных процессоров и (или) ЭВМ. Здесь появляются огромные возможности совершенствования средств вычислительной техники. Но следует отметить, что при несомненных практических достижениях в области параллельных вычислений, до настоящего времени отсутствует их единая теоретическая база.
Под вычислительной системой (ВС) понимают совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации.
Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.
Параллелизм в вычислениях в значительной степени усложняет управление вычислительным процессом, использование технических и программных ресурсов. Эти функции выполняет операционная система ВС.
Классификация вычислительных систем
Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы.
Взаимодействие на уровне оперативной памяти (ОП) сводится к программной реализации общего поля оперативной памяти, что несколько проще, но также требует существенной модификации ОС. Под общим полем имеется в виду равнодоступность модулей памяти: все модули памяти доступны всем процессорам и каналам связи.
На уровне каналов связи взаимодействие организуется наиболее просто и может быть достигнуто внешними по отношению к ОС программами-драйверами, обеспечивающими доступ от каналов связи одной машины к внешним устройствам других (формируется общее поле внешней памяти и общий доступ к устройствам ввода-вывода).
Все вышесказанное иллюстрируется схемой взаимодействия компьютеров в двухмашинной ВС, представленной на рис. 1.
Рис. 1. Схема взаимодействия компьютеров в двухмашинной ВС
Ввиду сложности организации информационного взаимодействия на 1-м и 2-м уровнях в большинстве многомашинных ВС используется 3-й уровень, хотя и динамические характеристики (в первую очередь быстродействие), и показатели надежности таких систем существенно ниже.
Многопроцессорные системы (МПС) содержат несколько процессоров, информационно взаимодействующих между собой либо на уровне регистров процессорной памяти, либо на уровне ОП. Этот тип взаимодействия используется в большинстве случаев, ибо организуется значительно проще и сводится к созданию общего поля оперативной памяти для всех процессоров. Общий доступ к внешней памяти и устройствам ввода-вывода обеспечивается обычно через каналы ОП. Важным является и то, что многопроцессорная вычислительная система работает под управлением единой ОС, общей для всех процессоров. Это существенно улучшает динамические характеристики ВС, но требует наличия специальной, весьма сложной ОС.
Однако МПС имеют и существенные недостатки. Они, в первую очередь, связаны с использованием ресурсов общей оперативной памяти. При большом количестве объединяемых процессоров возможно возникновение конфликтных ситуаций, в которых несколько процессоров обращаются с операциями типа ”чтение” и ”запись” к одним и тем же ячейкам памяти. Помимо процессоров к ОП подключаются все процессоры ввода-вывода, средства измерения времени и т.д. Поэтому вторым серьезным недостатком МПС является проблема коммутации и доступа абонентов к ОП. Процедуры взаимодействия очень сильно усложняют структуру ОС МПС. Опыт построения подобных систем показал, что они эффективны при небольшом числе объединяемых процессоров (от 2 до 10). Схема взаимодействия процессоров в ВС показана на схеме рис. 2. Типичным примером массовых многомашинных ВС могут служить компьютерные сети, примером многопроцессорных ВС — суперкомпьютеры.
Рис. 2. Схема взаимодействия процессоров в ВС
Неоднородная ВС включает в свой состав различные типы компьютеров или процессоров. При построении системы приходится учитывать их различные технические и функциональные характеристики, что существенно усложняет создание и обслуживание неоднородных систем.
В децентрализованных системах функции управления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процессор) системы сохраняет известную автономию, а необходимое взаимодействие между элементами устанавливается по специальным наборам сигналов. С развитием ВС и, в частности, сетей ЭВМ, интерес к децентрализованным системам постоянно растет.
В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Перераспределение функций осуществляется в ходе вычислительного процесса, исходя из сложившейся ситуации.
По принципу закрепления вычислительных функций за отдельными ЭВМ (процессорами) различают системы с жестким и плавающим закреплением функций. В зависимости от типа ВС следует решать задачи статического или динамического размещения программных модулей и массивов данных, обеспечивая необходимую гибкость системы и надежность ее функционирования.
На рис. 3 представлена принципиальная схема классификации вычислительных систем.
Рис. 3. Принципиальная схема классификации вычислительных систем.
Суперкомпьютеры и особенности их архитектуры
К суперкомпьютерам относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов — десятки миллиардов операций в секунду. Создать такие высокопроизводительные компьютеры на одном микропроцессоре (МП) не представляется возможным ввиду ограничения, обусловленного конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300 000 км/с), т.к. время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны МП) при быстродействии 100 млрд операций/с становится соизмеримым со временем выполнения одной операции. Поэтому суперкомпьютеры создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС).
Рис. 3. Условные структуры однопроцессорной (SISD) и названных многопроцессорных ВС
Кластерные суперкомпьютеры и особенности их архитектуры
Существует технология построения больших компьютеров и суперкомпьютеров на базе кластерных решений. По мнению многих специалистов, на смену отдельным, независимым суперкомпьютерам должны прийти группы высокопроизводительных серверов, объединяемых в кластер.
Удобство построения кластерных ВС заключается в том, что можно гибко регулировать необходимую производительность системы, подключая к кластеру с помощью специальных аппаратных и программных интерфейсов обычные серийные серверы до тех пор, пока не будет получен суперкомпьютер требуемой мощности. Кластеризация позволяет манипулировать группой серверов как одной системой, упрощая управление и повышая надежность.
Важной особенностью кластеров является обеспечение доступа любого сервера к любому блоку как оперативной, так и дисковой памяти. Эта проблема успешно решается, например, объединением систем SMP-архитектуры на базе автономных серверов для организации общего поля оперативной памяти и использованием дисковых систем RAID для памяти внешней (SMP — Shared Memory multiprocessing, технология мультипроцессирования с разделением памяти).
Для создания кластеров обычно используются либо простые однопроцессорные персональные компьютеры, либо двух- или четырех- процессорные SMP-серверы. При этом не накладывается никаких ограничений на состав и архитектуру узлов. Каждый из узлов может функционировать под управлением своей собственной операционной системы. Чаще всего используются стандартные ОС: Linux, FreeBSD, Solaris, Unix, Windows NT. В тех случаях, когда узлы кластера неоднородны, то говорят о гетерогенных кластерах.
1 пример из «жизни» систем
Blue Gene будет состоять из 130 тысяч процессоров, и его производительность будет составлять 360 терафлопс.
Чипы IBM используются в системе, неформально называемой Big Mac. PowerPC 970 состоит из 1100 двухпроцессорных компьютеров Apple G5, занимая в общем списке третью строчку, с производительностью в 10,3 триллионов операций в секунду.
Процессоры Opteron используются в 2816-процессорном кластере, и его производительность составляет 8 триллионов операций в секунду.
Интересен факт, что общая производительность 500 лучших систем растет экспоненциально, увеличиваясь в десять раз примерно каждые четыре года. Порог в 1000 терафлопов (триллионов операций в секунду) планируется достигнуть к 2005 году.
Понятие архитектуры вычислительной системы
1. ПОНЯТИЕ АРХИТЕКТУРЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ
СИСТЕМЫ
Появление серийно выпускаемых сверхбольших надежных и дешевых интегральных схем, массовое производство микропроцессоров, возобновившийся интерес к разработке языков программирования и программного обеспечения порождают возможность при проектировании компьютеров качественно продвинуться вперед за счет улучшения программно‑аппаратного интерфейса, т. е. семантической связи между возможностями аппаратных средств современных ЭВМ и их программного обеспечения. Организация вычислительной системы (ВС) на этом уровне лежит в основе понятия «архитектура». Для неспециалистов в области программного обеспечения термин «архитектура» ассоциируется, как правило, со строительными объектами. И здесь, как увидим далее, есть много общего.
Действительно, архитектура компьютера, характеризующая его логическую организацию, может быть представлена как множество взаимосвязанных компонент, включающих, на первый взгляд, элементы различной природы: программное обеспечение (software), аппаратное обеспечение (hardware), алгоритмическое обеспечение (brainware), специальное фирменное обеспечение (firmware) – и поддерживающих его слаженное функционирование в форме единого архитектурного ансамбля, позволяющего вести эффективную обработку различных объектов.
С другой стороны, архитектура может быть задана как абстрактное многоуровневое представление физической системы с точки зрения программиста, с закреплением функций за каждым уровнем и установлением интерфейса между различными уровнями.
Знание особенностей разнообразных архитектурных решений дает возможность пользователям компьютеров эффективно распоряжаться всеми предоставляемыми ресурсами, осуществляя их направленный выбор и тем самым повышая эффективность обработки данных.
1.1. Архитектура как набор взаимодействующих компонент
Ранее область применения вычислительных систем определялась ее быстродействием. Однако существует достаточно большое количество ВС, обладающих равным быстродействием, но имеющих совершенно разные способы представления данных, методы организации памяти, режимы работы, системы команд, набор ВнУ и т. д. Таким образом, ВС имеет, кроме быстродействия, ряд других характеристик, необычайно важных в той или иной области применения. Это стало особенно заметно при переходе к ВС четвертого и пятого поколений. Совокупность таких характеристик и легла в основу понятия архитектуры ВС.
Архитектура ВС определяет основные функциональные возможности системы, сферу применения (научно‑техническая, экономическая, управление и т. д.), режим работы (пакетный, мультипрограммный, разделения времени, диалоговый и т. д.), характеризует параметры ВС (быстродействие, набор и объем памяти, набор периферийных устройств и т. д.), особенности структуры (одно‑, многопроцессорная) и т. д. Составные части понятия «архитектура» можно определить следующей схемой (рис. 1.1).
 |
Рис. 1.1. Функциональные возможности ВС
Вычислительные и логические возможности ВС. Они обусловливаются системой команд (СК), характеризующей гибкость программирования, форматами данных и скоростью выполнения операций, определяющих класс задач, наиболее эффективно решаемых на ВС. Система команд ВС, базирующихся на архитектуре фон Неймана, сегодня мало чем отличается от СК ЭВМ 50‑х годов. Большинство достижений в этой области остались незамеченными проектировщиками и соответственно не нашли адекватного воплощения в архитектуре современных компьютеров.
Анализ показывает, что в различных программах чаще всего встречаются достаточно простые команды: команды пересылки и команды процессора с использованием регистров и простых режимов адресации. Не нашли широкого применения и нетрадиционные способы кодирования данных, несмотря на значительные возможности их в плане разработки быстродействующих алгоритмов арифметических операций. Среди них знакоразрядные системы, системы в коде вычетов и др.
Рассмотрим структуру системы команд в зависимости от класса решаемых задач (рис. 1.2).
К командам управления мы относим команды ввода-вывода данных и команды управления состоянием процессора, памяти и каналов.
Как видно из рис. 1.2, для решения задач любого класса необходимы
 |
Рис. 1.2. Классификация СК по назначению
команды типов 2 и 3. Следовательно, эти типы команд должны присутствовать в любом компьютере.
Большое влияние на точность выполнения операций оказывают форматы данных. Современные компьютеры имеют развитую систему форматов. Например, компьютеры фирм ЕС ЭВМ и IВМ имеют форматы в 2, 4, 8 и 16 байт.
Алгоритмы выполнения операций достаточно полно отражают производительность только однопроцессорных ВС.
Аппаратные средства. Простейшая ВС включает модули пяти типов: центральный процессор, основная память, каналы, контроллеры и внешние устройства.
Процессор (УУ + АЛУ + память) управляет работой системы и обеспечивает вычисления непосредственно по программе. Выполнение машинных команд, команд ввода-вывода (I/О), обращение к памяти, управление состоянием устройств инициализируются или выполняются с помощью процессора.
Основная память предназначена для хранения команд и данных и обеспечивает адресный доступ к ним от процессора. Современная память работает со скоростью, близкой к скорости работы процессора.
Каналы – спецустройства, управляющие обменом данных с внешними устройствами. Каналы инициируют свою работу с помощью процессора и затем переходят в автономный режим работы. Это, по сути, спецпроцессор ввода – вывода, обеспечивающий работу внешних устройств, контроль информации и т. д.
Контроллеры ввода-вывода служат для подсоединения внешних устройств (ВнУ) к каналам и обеспечивают обмен управляющей информацией с внешними устройствами, присвоение приоритетов и выдачу информации о состоянии ВнУ для канала, т. е. это устройства управления ВнУ.
ВнУ служат для ввода-вывода информации с различных носителей.
 |
Память может быть организована как многоуровневая с различным объемом и временем доступа к ней – сверхоперативная (СОЗУ), оперативная (ОП), внешняя (ВнП) (рис. 1.3), так и одноуровневая, виртуальная. Почти всегда виртуальная память есть переупорядоченное подмножество реальной памяти.
Рис. 1.3. Типы памяти (V – объем, S – быстродействие)
Уровни иерархии памяти взаимосвязаны между собой: все данные одного уровня могут быть найдены на более низком уровне.
Успешное или неуспешное обращение к уровню памяти называют соответственно попаданием (hit) или промахом (miss), а соответствующее время – временем обращения (hit time или miss penalty).
Существенное влияние на производительность ВС оказывают каналы ввода-вывода. Мультиплексный канал обеспечивает работу группы медленных устройств, блок-мультиплексный – группы быстрых устройств, селекторный – монополизирует информационную магистраль только одним быстродействующим устройством.
Для повышения пропускной способности каналов используют некоторые дополнительные меры, например буферизацию ВнУ путем введения памяти в состав самого устройства или контроллера.
Аппаратные средства защиты памяти служат для управления доступом к различным областям памяти в соответствии с имеющимися у пользователя полномочиями.
Программное обеспечение. Оно является составной частью архитектуры компьютера и существенно влияет на весь вычислительный процесс, в частности позволяет эффективно эксплуатировать аппаратные средства системы.
Операционная система (ОС) управляет ресурсами, разрешает конфликтные ситуации, оптимизирует функционирование системы в целом.
Широкий спектр языков программирования позволяет описывать практически любые задачи, а разнообразие компиляторов – их эффективно реализовывать.
Роль прикладного программного обеспечения (ПО) необычайно велика для решения тематических задач.
1.2. Архитектура как интерфейс
между уровнями физической системы
 |
Применительно к ВС термин «архитектура» может быть определен как распределение функций, выполняемых системой, по различным уровням и установление интерфейса между этими уровнями. На рис. 1.4 представлен набор уровней абстракции как специфического свойства архитектуры ВС. Остановимся лишь на ключевых уровнях.
Рис. 1.4. Многоуровневая организация архитектуры
Архитектура первого уровня определяет, какие функции по обработке данных решаются системой, а какие передаются внешнему миру: пользователю, оператору ЭВМ, администратору баз данных и т. д. Система взаимодействует с внешним миром через два набора интерфейсов: языки (язык программирования, язык оператора терминала, язык управления заданиями, язык общения с базой данных, язык оператора ЭВМ) и системные программы (программы редактирования, связи, оптимизации, восстановления и обновления информации, интерпретации, управления и т. д., т. е. программы, созданные разработчиком системы). Оба интерфейса должны быть созданы при разработке архитектуры системы.
Уровни, определяемые интерфейсами внутри программного обеспечения, могут быть представлены как архитектура программного обеспечения. К примеру, если прикладные задачи реализованы на языках программирования, которые не входят в набор языков, предоставляемых системой пользователю, то здесь речь может идти об архитектуре уровня, позволяющего определить указанные языки.
Уровень 5 является одним из центральных уровней архитектуры и проводит разграничение между системным программным и аппаратным (т. е. схемным и микропрограммным) обеспечением. Он позволяет представить физическую структуру системы независимо от способа реализации.
Остальные уровни отражают интерфейсы и распределяют функции между отдельными частями физической системы.
Таким образом, можно сказать, что архитектура компьютера – это абстрактное представление физической системы с точки зрения программиста.
Процесс разработки архитектуры ЭВМ включает все этапы разработки типовых проектов:
· анализ требований, предъявляемых к системе;
· изучение известных решений;
· разработку функциональной схемы;
· разработку структурной схемы;
При анализе требований, например, мы учитываем спектр необходимых языков программирования, способ взаимодействия с окружающей средой, требования к операционной системе, некоторые технико‑экономические факторы: количество таких систем (ибо это существенно влияет на соотношение между аппаратным и программным обеспечением), совместимость разрабатываемой системы (по языкам программирования, операционным системам, форматам данных, техническим устройствам) с существующими аналогичными вычислительными системами и т. д.
При анализе требований и составлении перечня спецификаций параметров системы необходимо разработать критерии (с их весовыми коэффициентами), определяющие стоимость, надежность, защиту от несанкционированного доступа, совместимость и т. д. и описать функции системы в соответствии с этими критериями. В спецификациях учитывается и существующий или достижимый технологический уровень для производства системы. Естественно, что возникающие противоречивые требования должны быть разрешены в соответствии с приоритетами или на другой основе.
На этапе разработки функциональной схемы необходимо в первую очередь решить вопрос о разграничении функций между аппаратурой и программным обеспечением, а также между другими уровнями архитектуры. Здесь же решаются вопросы о необходимости работы с плавающей или фиксированной точкой, о приоритетных прерываниях, о стековой организации памяти и т. д.
При структурной организации все вопросы детализируются и углубляются. В частности, здесь решаются проблемы типов и форматов команд, способов представления данных, способов адресации, семантики языка.
При завершении проекта идет его отладка, согласование взаимодействия отдельных уровней и оптимизация, например, по количеству битов, пересылаемых между процессором и памятью при выполнении данной программы, отысканию эффективного метода кодирования команд и числовой информации и т. д.
И наконец – оценка проекта. Простая оценка быстродействия (которое иногда понимается как производительность) мало что определяет. Здесь необходимо учитывать время, затраченное на разработку программы. Используя известные статистические данные о том, что преобладающее количество разработанных программ выполняется только один раз, простота программирования при оценке архитектуры может оказаться важнее скорости выполнения команд.
Однако скорость выполнения операций – важный параметр. Быстродействие, естественно, зависит как от технологической элементной базы, влияющей на скорость обработки данных, так и от архитектуры машины, которая определяет объем выполняемых работ. Часто архитектуры сравниваются по критерию эффективности обработки информации. Для этого, как правило, анализируют следующие параметры:
S – размер программы, определяемый длиной команд, размером косвенных адресов, объемом рабочих областей для временного размещения
данных;
Np – количество битов, передаваемых между процессором и памятью машины (пересылка между регистрами) за время выполнения программы, характеризующее интерфейс, т. е. «полосу пропускания» между процессором и памятью, что в значительной степени определяет предел эффективности выполнения программ. Ясно, что параметр должен учитывать и локальность ссылок, т. е. близость расположения в памяти используемых данных;
NR – количество битов, передаваемых между внутренними регистрами процессора за время выполнения программы. Здесь учитываются те пересылки, которые не охватывает параметр Np. Значение NR в значительной части определяется набором функций, воплощенных в АЛУ и в схемной реализации процессора.
Иногда архитектуры сравнивают лишь по параметрам S и Np, исключая параметр NR, игнорируя тем самым внутренней организацией процессора.
1.3. Семантический разрыв между архитектурными решениями ЭВМ и его программным окружением
Все характерные особенности архитектуры большинства сегодняшних компьютеров появились уже к 1960 г. Среди них индексные регистры, регистры общего назначения, данные в форме с плавающей точкой, косвенная адресация, программные прерывания, асинхронный ввод-вывод, виртуальная память, мультипроцессорная обработка.
В основном сегодняшние компьютеры отличаются от прежних лишь стоимостью, надежностью, быстродействием и элементной базой. Концептуальные возможности не претерпели существенных изменений.
При анализе особенностей архитектурных решений возникают следующие вопросы:
· оптимальны ли на все времена архитектурные решения, предложенные в 50–60‑х годах?
· достаточные ли изменения претерпела технологическая база (аппаратная и теоретико‑концептуальная), чтобы считать оправданными изменения архитектуры компьютеров?
Рассмотрим архитектурные решения, базирующиеся на концепции фон Неймана, и в первую очередь различия принципов, которые лежат в основе современных языков программирования (ЯП) высокого уровня, и принципов, определяющих архитектуру ЭВМ.
Этот феномен известен как семантический разрыв. Как правило, современные компьютеры имеют нежелательно большой семантический разрыв между объектами и операциями, описываемыми в ЯП, и объектами манипулирования и соответствующими операциями, реализуемыми архитектурой ВС. Обобщая, можно говорить о семантическом разрыве между архитектурой машины и средой использования.
Все это порождает ряд проблем: высокая стоимость разработки ПО, его ненадежность, большой объем программ, сложность компиляторов и ОС, наличие отступлений от правил построения ЯП.
Для уяснения семантического разрыва можно проанализировать взаимосвязи между каким‑нибудь ЯП (например, ПАСКАЛЬ, С++, DELPHI, PL/1) и архитектурой ЭВМ, скажем с архитектурными решениями наиболее распространенных у нас компьютеров фирмы IВМ, и оценить «расстояние» между принципами, положенными в основу ЯП, и соответствующими принципами, положенными в основу архитектуры ЭВМ.
Попробуем сравнить несколько основополагающих принципов языка PL/1, широко используемых в ВС, с идеологией mainframe и определить адекватность их принципам, заложенным в IВМ 370.
Массивы. Это наиболее часто используемый тип организации данных. PL/1 позволяет использовать многомерные массивы, обращение к отдельным элементам массива посредством индексов, операции над целыми массивами, обращение к отдельным подмассивам внутри массива, защиту от выхода за пределы соответствующего массива. В языке АДА, например, имеется возможность соединения массивов.
Исследование архитектуры IВМ 370 показывает, что в ней нет средств, адекватных описываемым принципам работы с массивами, за исключением разве что примитивного подобия одного из принципов языка – использование индексных регистров. Следовательно, реализация принципа организации данных в виде массива возлагается на компилятор, в распоряжении которого имеется лишь набор команд IВМ 370, весьма далекий по своим возможностям от задач, возникающих при работе с массивами.
Структуры. Это второй из часто используемых типов организации данных в виде наборов разнородных элементов данных (в некоторых ЯП называемых записями). И здесь в системе IВМ 370 отсутствуют средства, адекватные структурам и операциям над ними.
Строки. В PL/1 используются строковые данные (или просто строка). Допустимые операции: слияние, выделение заданной части (подстроки), поиск строки по заданной подстроке, определение длины текущей строки, проверка присутствия одной строки в другой строке. Подобные возможности в системе команд IВМ 370 не предусмотрены. Более того, задача манипулирования строками битов (возможность, предоставляемая PL/1) осложняется еще и тем, что в IВМ 370 допускается адресация к группам из 8 бит, т. е. к байтам. И опять-таки все это надо реализовывать через компилятор, что существенно усложняет его работу.
Процедуры. При вызове процедуры требуется сохранить состояние текущей процедуры, динамически назначить память для локальных переменных вызванной процедуры, передать параметры и инициализировать выполнение вызванной процедуры. Что есть в архитектуре IВМ 370? Только команда BALR (переход с возвратом). Но вклад этой команды в реализацию операций вызова процедуры настолько мал, что ее отсутствие осталось бы незамеченным. Компилятор мог бы заменить ее двумя командами: LA (загрузка адреса) и BR (переход безусловный).
Ясно, что эти трудности по несоответствию принципов ЯП и архитектуры должны реализовываться за счет сложного компилятора.
Важно также сравнить имеющийся семантический разрыв с частотой использования соответствующих операций, предоставляемых ЯП. Из литературы известно, что 45 % всех арифметических операторов имеют дело с массивом или элементом массива, 16 % всех выполняемых операторов языка высокого уровня – это обращение к подпрограммам‑процедурам, подпрограммам‑функциям и операторы возврата. Компилятор с ФОРТРАНА, например, тратит до 15 % своего времени на установление связей между подпрограммами. Другие исследования говорят, что 19 % всех операторов программы составляют операторы CALL, RETURN, PROCEDURE.
Подобным образом можно проанализировать семантический разрыв между ЭВМ и операционной системой. В частности, понятие процесса как принципа обработки в системах параллельного действия никак не отражается в архитектуре компьютера, а все вопросы, связанные с синхронизацией процессов, решаемые через семафоры, критические секции, мониторы и передачи сообщений, не нашли своего воплощения в интерфейсе ЭВМ.
Значительный разрыв существует между архитектурой ЭВМ и принципами построения программного обеспечения. Известно, например, что около 50 % всех ресурсов тратится на тестирование и отладку программ, однако архитектура ЭВМ дает ничтожные средства для этого, хотя для надежности аппаратных средств создаются весьма существенные разработки.
Семантический разрыв между архитектурой и организацией памяти программисту заметить труднее. Однако такой вопрос, как разный тип адресации в зависимости от того, где хранятся данные, проанализировать достаточно просто. Действительно, для оперативной памяти осуществляется линейное смещение, добавляемое к адресу, хранимому в спецрегистре, а для данных на магнитном диске используются номер диска, цилиндра, дорожки и линейное смещение в пределах записи. То же имеем и при выполнении операции. Так, операция умножения может быть выполнена непосредственно, если оба операнда находятся в ОП, если же они на НМД, то необходимо предварительно скопировать их в оперативную память. И так как эти принципы не заложены в архитектуре, то имеющийся разрыв программистам приходится обходить при создании ЯП за счет моделирования организации памяти. Виртуальная память создает лишь иллюзию решения проблемы.
Изложенные и другие проблемы семантического разрыва, не разрешенные в архитектуре ЭВМ, ухудшают надежность программного обеспечения, увеличивают непроизводительные затраты и перекладывают их разрешение на компилятор, а последний, как правило, на плечи прикладного программиста из‑за отсутствия удачных и оптимальных решений во время компиляции. Это, например, происходит, если идет обращение к переменной, значение которой не определено, или к элементу массива, один из индексов которого выходит за соответствующие пределы.
Семантический разрыв требует для своего разрешения через компилятор значительных затрат машинного времени и памяти.
Так, компилятор языка PL/1 фирмы IВМ генерирует 17 машинных команд для реализации оператора
где А, В и С – массивы двоичных элементов одинакового размера в форме с фиксированной точкой.
Если подсоединяется средство контроля данной операции, то компилятор генерирует уже 75 машинных команд, а время выполнения оператора вырастает в 3 раза. Такой же контроль может быть выполнен компьютером без затрат дополнительной памяти и времени, если реализовать на более быстродействующей машине аппаратный контроль.
Здесь впору сказать об экономии памяти для хранения сгенерированных компилятором команд (объектного кода), а также обсудить объем пересылок между памятью и процессором. И хотя бытует мнение, что проблема «памяти» скоро исчезнет, проблема эта существует. Во-первых, из-за ее дороговизны (стоимость основной памяти микропроцессорной системы значительно превосходит стоимость процессора), а во-вторых, потребность в памяти растет пропорционально снижению ее стоимости.
Все изложенное делает очевидным семантический разрыв между архитектурой компьютера и принципами, определяющими построение компиляторов. Чтобы эффективно ликвидировать существующий семантический разрыв, необходимо делать компилятор очень сложным.
Естественно, существующий разрыв можно уменьшить или устранить вообще за счет усложнения архитектуры ЭВМ. Ясно, что если ЭВМ имеет не один, а несколько компиляторов и каждый из них содержит такие средства, как вызов процедур, описание массивов и т. д. (а это почти всегда так), то выгодно ликвидировать этот разрыв один раз за счет соответствующей модификации архитектуры машины, даже если других преимуществ и не будет.
Семантический разрыв порождает и некорректное использование языка программирования. Так, если в PL/1 мы объявляем переменную B как DCL B DECIMAL FIXED (2), т. е. двухразрядной десятичной с фиксированной точкой, а при использовании оператора присваивания напишем В = 200, то естественно ждать сообщение об ошибке. Но его нет. И при выводе на печать значения B мы получим 200. Все дело в том, что система IBM 370 может представлять десятичные числа, имеющие только нечетное количество цифр. Чтобы при полном устранении семантического разрыва не прийти к генерированию неэффективных объектных кодов, компилятор преобразует двухразрядные десятичные переменные в трехразрядные операнды машины. Если бы мы изменили соответствующие правила языка PL/1, то язык стал бы машинно-зависимым, с ориентацией на IBM 370.
Тот же вариант некорректности может возникнуть при работе с десятичными и двоичными числами, использование которых допускает язык PL/1. Программисты иногда применяют двоичные числа вместо десятичных, ибо первые занимают меньше памяти, не требуют преобразования данных, а операции над ними выполняются быстрее, чем над десятичными. Следовательно, архитектура используемого компьютера приводит к некорректному применению языка программирования.
Подобные некорректности можно найти и в других ЯП. Например в языке ФОРТРАН условный оператор IF имеет три точки перехода: = 0, > 0, 10,4.
Эти рассуждения еще раз подтверждают мысль, что оптимальное решение при проектировании архитектуры машины можно принимать лишь при глубоком анализе ЯП и программ.
Экономия памяти происходит из-за ненадобности повторного генерирования кодов для функций контроля и преобразования данных. Экономии можно достичь и за счет того, что один тег можно заводить для всего массива данных и для всех элементов строки символов, так как последние содержат, как правило, одинаковые атрибуты.
Наряду с тегами, во многих машинах используются и дескрипторы. Это дополнительная информация, выполняющая роль косвенного адреса ячейки памяти с данными. В этих компьютерах команды содержат ссылки на дескрипторы, которые, в свою очередь, содержат ссылки на области памяти, хранящие значения операндов команд.
Основное отличие тегов и дескрипторов состоит в следующем: дескрипторы создают дополнительный уровень адресации, что требует увеличения затрат на формирование адреса, т. е. дескрипторы – это часть команды (программы), а теги – это часть данных.
Пример использования дескрипторов (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Дескрипторы
Здесь первые три бита содержат тег. Если значение его 101, то данное слово дескриптор. Бит P указывает, находятся данные в основной памяти или во вспомогательной; I указывает, одиночный ли элемент описывает данный дескриптор или весь массив; R идентифицирует непрерывную или разрывную область памяти; W означает, что разрешено только чтение данных.
1.5.2. Области санкционированного доступа
Средства доступа используются для защиты данных, например, области ОС от ревизии пользователя. Как правило, имеющиеся средства защиты не охраняют процесс от самого себя или одну программную секцию от другой, или программы пользователя от программного обеспечения.
Для защиты памяти выделяются домены – области санкционированного доступа как локальное адресное пространство, определяющее адреса, которые могут формироваться или использоваться некоторым набором команд. Имеется в виду, что область памяти защищается и от случайного обращения, и от преднамеренного ввиду секретности хранимой информации.
Появилась мысль придать каждой программной секции (это обычно отдельно компилируемая программная единица) домен – отдельное адресное пространство, доступное только ее (секции) локальным переменным. Передача фактических параметров подпрограмм (секции), занимающей некоторый домен, можно рассматривать как временное его расширение и решение проблемы передачи данных. Как только доступ к данным (обмен) закончился, расширение «домен-секция» исчезает. Для большей защиты домена данных программной секции может быть предоставлена только конкретная точка входа (или несколько), а не доступ к любому слову (рис. 1.8).
 |
Рис. 1.8. Временное расширение домена
Использование доменов имеет ряд достоинств:
· улучшается отладка программ. Сфера действия любой ошибки ограничивается размерами домена, в котором она произошла, что увеличивает вероятность ее обнаружения;
· повышается надежность защиты программ. Информация, принадлежащая одной секции, защищается от воздействия других секций. Например, если модуль A вызывает модуль B для выполнения некоторых функций, то последний, будучи присоединенным к A, может анализировать все данные модуля A, хотя они должны быть защищены от подобных действий. Если же модуль A разделен на домены, возможности адресации модуля B ограничены только фактическими параметрами, которые передаются ему во время вызова. То же характерно и для вызываемого модуля B.
Чтобы исключить доступ ко всем данным исходной программы, ее сегментируют.
Для решения аппарата доменов, естественно, необходимы изменения и в архитектуре ЭВМ, например включение механизма, не разрешающего при выборе одного значения из домена доступ к другим его данным. Необходим механизм защиты от несанкционированных точек входа в модуль.
1.5.3. Одноуровневая память
Программист по-разному адресует память в зависимости от того, данные расположены в оперативной или внешней памяти. На программиста возлагается обязанность по явному заданию перемещения данных (операции ввода-вывода). В связи с ограниченным объемом оперативной памяти необходимо прибегать к другим принципам организации памяти, например к файловым структурам. Все это повышает стоимость программирования.
Данные в программу поступают обычно через передачу фактических параметров или через ввод-вывод (имеющий, например, файловую структуру). Эта разная организация данных может быть неприемлемой для одного и того же модуля. Кстати, организация файлов на накопителях на магнитных лентах (НМЛ) отличается от организации их на НМД.
Решение указанных проблем требует унификации всего разнообразия ЗУ, чтобы программист имел одинаковую адресацию вне зависимости от организации ЗУ. Теперь файлы станут элементами одноуровневой памяти, функции перемещения данных между различными уровнями ЗУ возлагаются на ЭВМ. Это в чем‑то напоминает виртуальную память. Однако одноуровневая память в отличие от виртуальной распространяется на все запоминающее пространство системы, а не только на вопросы, связанные с недостатком оперативной памяти. Кроме того, обслуживающий набор виртуальной памяти – это модель, исчезающая при завершении работы.
Достоинства одноуровневой памяти:
· сравнительно низкая стоимость программного обеспечения;
· независимость адресации от принципа организации памяти.
Трудности, возникающие при этом:
· создание встроенного в архитектуру ЭВМ механизма иерархии ЗУ;
· переносимость объектов на другие системы с традиционной орга-низацией архитектуры.
1.6. Концепция виртуальной памяти
Каждая часть среды компьютера имеет собственное обозначение: ячейка – адрес, периферийное устройство – номер и т. д. В простейших компьютерах собственные обозначения указываются непосредственно в программе. В более сложных компьютерах программа отделена от среды «аппаратом преобразования собственных обозначений». Рассмотрим один элемент среды – память. Аппарат преобразования адреса (АПА) не находится под прямым управлением программы и связь с ним осуществляется только через процедуры, работающие в управляющем режиме.
Если программисту безразлично существование АПА, то он работает с набором ячеек и периферийных устройств, образующих «виртуальную (математическую, мнимую) среду». Почти всегда виртуальная среда есть переупорядоченное подмножество реальной среды. Каждому виртуальному элементу соответствует реальный элемент, но обратное не всегда верно.
Рассмотрим один из элементов виртуальной среды – виртуальную память (ВП).
1.6.1. Задачи, решаемые виртуальной памятью
Виртуальный адрес – адрес, по которому ссылаются на ячейку виртуальной памяти. Область виртуальных адресов – это множество всех виртуальных адресов.
Использование виртуальной адресации обусловливается следующими обстоятельствами.
1. Однородность области адресов. Представим себе реальный компьютер без виртуальной памяти. Пусть на нем выполняется параллельно несколько процессов. У каждого процесса будет отдельная локальная среда и каким‑то образом распределяемые элементы общей среды. Программисту требуется заранее знать, к каким конкретно частям общей среды его процедура может обращаться. Это затруднительно для пользователей ЭВМ, составляющих свои собственные программы. Отвести наперед фиксированную область среды для каждого процесса невозможно, ибо положение каждой конкретной программы определяется положением всех других программ.
При виртуальной адресации каждый процесс может выполняться в памяти начиная с фиксированной (обычно нулевой) ячейки, имеющей необходимые размеры области ЗУ. Автору безразлично, в каком участке памяти выполняется его программа, так как каждое обращение к виртуальной памяти во время выполнения посредством АПА преобразуется в реальное обращение.
Замечание. АПА работает не во время ассемблирования, а непосредственно во время выполнения обращения.
2. Защита памяти. Общеизвестно, что основная цель защиты памяти состоит в том, чтобы не дать возможности некорректному процессу испортить часть среды, относящуюся к другому процессу. Особенно это важно при защите сред управляющих процедур. Виртуальная адресация здесь используется следующим образом: при каждой ссылке процессом на память проверяется, принадлежит ли она к области виртуальных адресов, отведенных для данного процесса.
3. Изменение структуры памяти. При проектировании больших программ структура памяти машины с малой ОП явно усложняет проектируемую программу. Применение виртуальной адресации позволяет преобразовать память на разных ступенях иерархии в «одноуровневую память» с одинаковым доступом ко всем элементам и отобразить ее на реальную память.
Для удовлетворения пунктов 1–3 требуется аппарат «страничной» организации памяти, для пунктов 1, 2 достаточно иметь регистры «настройки»: регистры «базы» и «границы».
1.6.2. Страничная организация памяти
Отображение виртуальной памяти в реальную обычно осуществляется с помощью страничной организации памяти.
Виртуальную память в системе со страничной организацией памяти делят на ряд «блоков» фиксированной длины, равной 2k, где k – целое натуральное число. Так как первая ячейка блока N + 1 примыкает к последней ячейке блока N, то программисту факт разбиения ВП на блоки учитывать не требуется.
Оперативная память компьютера делится на «страницы», а вспомогательная – на «сегменты» такого же размера.
Виртуальную память пользователя можно разделить на три типа:
· «активные» блоки, которые содержат программу и данные, используемые в текущий момент;
· «пассивные» блоки, содержащие программу и данные, которые будут использоваться при выполнении программы;
· «мнимые» блоки, к которым не обращаются на протяжении выполнения программы.
Соотношения между первым и вторым типами блоков ВП в процессе выполнения программы изменяются. Третий тип блоков возможен лишь при наличии очень большой области ВП.
Аппарат виртуальной адресации должен отображать виртуальную среду на реальную, причем так, чтобы «активные» блоки находились в оперативной памяти, «пассивные» – по возможности в оперативной или вспомогательной, а мнимые – нигде.
Наиболее удачной из первых ЭВМ со страничной организацией памяти (СОП) является ATLAS (Ferranti). ВП в ней содержит около 2000 блоков по 512 слов. Оперативная память содержит от 32 до 96 страниц тоже по 512 слов. Если ATLAS выполняет процесс, который запрашивает блок из ВП, то некоторым блокам отводятся страницы из оперативной памяти, остальные блоки помещаются на накопитель на магнитном барабане. Фиксированных соотношений между номерами страниц, блоков и сегментов не существует. Динамическое соотношение между сегментами отражено в соответствующей таблице операционной системы.
 |
Преобразование виртуального адреса в реальный происходит с помощью регистров адресов страниц (РАС). Структура виртуального адреса
. Каждой странице ОП соответствует свой РАС, формат которого дан на рис. 1.9. Аппарат виртуальной адресации отображает
Рис. 1.9. Структура регистра адреса страницы
виртуальный адрес в реальный следующим образом: виртуальный адрес сравнивается одновременно с содержимым всех РАС. Единственным сравнимым с ним РАС будет тот, который содержит тот же номер блока и «1» в разряде активности. РАС определяет номер страницы, с которой он связан. Для получения реального адреса памяти к номеру страницы данного РАС присоединяется номер строки из виртуального адреса (ВА). В последовательной интерпретации процесс отображения ВА в реальный можно представить следующей схемой (рис. 1.10).
 |
Разряд записи в РАС служит для экономии времени перезаписи «страницы» в ВнП. Когда блок переносится из ВнП в оперативную память в разряд записи пишут «0». Если какая‑то строка данной страницы ОП изменяется в процессе обращения к ней, то в пишут «1». И пока в разряде записи «0» эта страница является точной копией соответствующего блока в ВнП.
Рис. 1.10. Схема отображения ВА в реальный адрес
В разряд использования «1» посылается при очередном обращении к данной странице. Через равные промежутки времени содержимое регистра использования сканируется и записывается в определенную ячейку памяти, тем самым создавая статистику использования данной страницы. Подобная статистика полезна при замещении страниц в ОП.
Для создания РАС требуется очень дорогая ассоциативная память, поэтому в mainframe‑компьютерах число РАС меньше количества страниц ОП. В них каждому блоку ВП отводится в ОП одна последовательная ячейка памяти, указывающая, где хранится данный блок (ОП, ВнП или нигде). Имеется небольшое количество ассоциативных регистров для РАС (обычно 8 или 16).
Полный процесс отображения ВП в реальную выполняется за три этапа.
1. Если происходит обращение к блоку ВП, который должен отображаться на страницу ОП, РАС для которой является одним из 8 (16) ассоциативных регистров, то процесс отображения выполняется согласно схеме, приведенной на рис. 1.11.
2. Если обращение происходит к блоку ВП, для которого условия п. 1 не выполняются, то номер виртуального блока служит указателем для обращения к таблице блоков (ТБ) в оперативной памяти. Если из ТБ видно, что искомый блок находится в оперативной памяти, то номер страницы также может быть выбран из ТБ.
Если же нужный блок находится во вспомогательной памяти или отсутствует вообще, то происходит прерывание, и тогда переходим к управляющей процедуре (см. п. 3).
3. Обработка прерывания.
Для эффективной работы системы необходимо, чтобы ассоциативные регистры содержали РАС для наиболее часто используемых страниц.
 |
Основная цель методов оптимизации распределения реальной памяти состоит в минимизации числа обменов между оперативной и вспомогательной памятью. Отсюда следует, что необходимо корректно выбирать стратегию замещения страниц.
Рис. 1.11. Схема процесса отображения ВА в РА в ЭВМ ATLAS
Основные стратегии замещения страниц, наиболее часто используемые на практике: циклическое изгнание, случайная выборка, наименьшее число обращений с момента последнего прерывания. Результаты экспериментов показали, что ни в одном случае разница в числе обменов, требуемых конкретной задачей при использовании указанных стратегий, не превышала 10 %.
Перенеся концепцию виртуальной памяти на другие компоненты компьютера, мы придем к концепции виртуального компьютера.
1.7. Особенности функционирования управляющей ЭВМ
Для автоматизации управления сложным производственным или технологическим процессом в контур управления включают компьютер, т. е. управляющую вычислительную машину (УВМ). Наиболее часто в качестве управляющей ЭВМ используют цифровую ЭВМ благодаря следующим ее качествам:
· наличию больших и высоконадежных ЗУ различного типа;
· возможности решения на них сложных вычислительных и логичес-
· гибкости (за счет программы);
· надежности и быстродействию.
В общем случае система автоматического управления с УВМ определяет собой замкнутый контур (рис. 1.12).
· x1, x1, …, xn – измеряемые параметры:
·· нерегулируемые (характеристики исходного продукта);
·· выходные параметры, характеристики качества продукции;
·· выходные параметры, по которым непосредственно или путем расчета определяется эффективность производственных процессов (производительность, экономичность), или ограничения, наложенные на условия его протекания;
· y1, y2, …, yn – регулируемые параметры, которые могут изменяться исполнительными механизмами (ИМ) – регуляторами и оператором;
· f1, f2, …, fn – нерегулируемые и неизмеряемые параметры (например, химический состав сырья).
На вход УВМ от датчика Д (термопар, расходомеров) идет измерительная информация о текущем значении параметров x1, x2, …, xn. Согласно алгоритму управления, УВМ определяет величину управляющих воздействий U1, U2, …, Un, которые необходимо приложить к ИМ для изменения регулируемых параметров y1, y1, …, yn с тем, чтобы управляющий процесс протекал оптимально. Измерительные датчики вырабатывают непрерывный сигнал (напряжение, ток, угол поворота), а ЦВМ работает в дискретной форме, поэтому 2 раза идет преобразование из непрерывной формы в дискретную (Н/Д) и наоборот (Д/Н).
 |
Рис. 1.12. Принцип действия УВМ
Для уменьшения оборудования преобразователи Н/Д и Д/Н выполнены многоканальными. Посредством коммутатора преобразователь поочередно подключается к каждому датчику и осуществляется преобразование Н/Д. Поступившее управляющее воздействие U сохраняется в цепи до выработки следующего управляющего воздействия в УВМ.
Теперь наибольшее распространение получил синхронный принцип связи УВМ с объектом, при котором процесс управления разбивается на циклы равной продолжительности тактирующими импульсами электронных часов.
Цикл начинается с приходом тактирующего импульса на устройство прерывания. В начале каждого цикла проводятся последовательный опрос и преобразование в цифровую форму сигналов датчиков.
После выработки управляющих воздействий Ui и преобразования их в непрерывную форму УВМ останавливается до прихода нового тактирующего импульса или выполняет какую-нибудь вспомогательную работу.
Для установления более тесной связи объекта с УВМ используют асинхронный принцип связи с объектом. Вместо тактирующих импульсов в УВМ поступают импульсы от датчиков прерывания (ДП), непосредственно связанных с объектом (например, конечных выключателей аварийного состояния). Каждый импульс прерывания эквивалентен требованию о прекращении производимых вычислений и переходе к выполнению подпрограммы, соответствующей данному каналу прерывания. УВМ реагирует на импульсы прерывания с учетом приоритета одних сигналов прерывания над другими.
В некоторых системах применяют комбинированный способ – синхронизацию «плюс» датчики аварийного состояния, переводящие УВМ на режим
аварийной работы. В замкнутом контуре (см. рис. 1.12) УВМ прямо воздействует на ИМ, непосредственно управляя производственным процессом. Это режим прямого цифрового управления.
Однако для сложных систем, а также для комплексов агрегатов, связанных между собой технологическим процессом, система управления строится так, что отдельные параметры процесса регулируются соответствующими автоматическими регуляторами, а УВМ обрабатывает измерительную информацию, рассчитывает и устанавливает оптимальные настройки регуляторов. Это повышает надежность системы, так как ее работоспособность сохраняется и при отказах УВМ. При такой схеме УВМ может быть более простой, так как снижается требование к ее быстродействию.
УВМ в разомкнутой цепи используется:
· в системах автоматического программного управления;
· в системах, где УВМ выполняет функции советчика.
В первом случае уменьшается объем первоначально вводимой информации в УВМ для расчета оптимальных настроек регуляторов. Детальный расчет программы управления с заданной точностью производится самим вычислительным устройством, которое в соответствии с этой программой вырабатывает необходимые управляющие воздействия.
В режиме советчика УВМ обрабатывает измерительную информацию с объекта и рассчитывает управляющие воздействия для оптимизации процесса. Эта информация служит рекомендацией оператору, управляющему процессом.
Упражнения
1. Чем различаются понятия «архитектура» и «структура» компьютера?
2. На конкретном примере продемонстрируйте семантический разрыв между современными языками программирования и архитектурными решениями компьютера.
3. Какие пути усовершенствования архитектуры фон Неймана Вам
известны?
4. Разработайте и реализуйте механизм преобразования виртуального адреса в реальный.
5. Разработайте и реализуйте алгоритм управления простейшим технологическим процессом для компьютера, работающего в «замкнутом» цикле.
6. Разработайте алгоритмы взаимодействия основных компонент компьютера с VLIW‑архитектурой.