8086.ru1. Архитектура малых ЭВМ → 1.3 Особенности структурной организации малых ЭВМ

1.3 Особенности структурной организации малых ЭВМ

При рассмотрении принципов построения и состава ТС ЭВМ необходимо помнить, что все выпускаемые модели ЭВМ являются проблемно ориентированными на определенный класс решаемых задач, имеют различную стоимость и технико-экономические характеристики.

Однокристальные ЦП различных моделей нашли широкое применение для построения персональных ЭВМ (ПЭВМ), настольных рабочих станций, встроенных контроллеров, миниЭВМ для высокопроизводительных систем, работающих в мультипрограммных режимах работы, для построения многопроцессорных и многомашинных комплексов. Отсюда, в зависимости от того, где применяется тот или иной тип ЦП, состав ТС и технические характеристики, включая стоимость, существенного отличаются.

Основными особенностями принципов организации ЭВМ являются:

  • проблемная ориентация систем в достаточно широком диапазоне с возможностью гибкого изменения конфигурации системы и переориентации ее на другие классы задач;
  • организация параллельной и конвейерной обработки информации как на уровне ЦП, так и на уровне модулей ЦП;
  • использование табличных методов обработки данных и принятия решений, особенно ярко проявляется на примере преобразования виртуальных адресов в физические, организации средств защиты памяти и т.д.;
  • в ряде систем реализована возможность создания адаптивно перенастраиваемых ВС, конфигурация которых изменяется в процессе решения задачи с целью наиболее эффективной организации вычислительного процесса и обеспечения живучести системы;
  • аппаратная реализация ряда функций математического обеспечения (сопроцессоры), что позволяет в существенной степени повысить производительность ВС;
  • многоуровневая иерархическая организация памяти ЭВМ с различными техническими характеристиками по емкости памяти и быстродействию.

Для МПС в структурной реализации получил дальнейшее развитие принцип 3М - модульность, магистральность и микропрограммируемость.

Модульная организация систем. Принцип модульной организации предполагает построение ЭВМ и ВС на основе набора модулей. Под модулем понимается конструктивно, функционально и электрически законченное устройство, позволяющее самостоятельно или в совокупности с другими модулями решать задачи заданного класса или выполнять определенные функции. При этом различают функциональные и конструктивные модули.

К функциональным модулям, как правило, относятся БИС, выполняющие строго определенные функции. Например, БИС операционных устройств, БМУ и т.д. для секционированных МкПр, БИС ЦП, блоки приоритетных прерываний, прямого доступа в память для однокристальных микропроцессоров, БИС микроконтроллеров. Из этих модулей собираются конструктивные ТЭЗы (платы) путем объединения функциональных модулей и наращивания разрядности обрабатываемых данных.

Конструктивные ТЭЗ (платы) также выполняют строго определенные функции, например, материнская плата, плата контроллера НМД, слоты памяти и т.д., или в систему может входить несколько ТЭЗ с одно- или разнотипными процессорами, на основе которых можно создавать любые конфигурации ЭВМ, отличающиеся друг от друга функциональными возможностями и техническими характеристиками. Модульный подход также способствует сокращению затрат и сроков проектирования, упрощает наращивание мощности и реконфигурацию систем, отодвигает время морального старения ТС.

При решении вопроса о функциональном составе модулей существуют две диалектические противоположности: многофункциональность (универсальность) и специализация модулей. Многофункциональные модули позволяют обеспечить:

  • сокращение номенклатуры модулей;
  • снижение затрат на проектирование и их изготовление;
  • высокую серийность, а следовательно, и низкую стоимость.

Специализация модулей позволяет исключить избыточность структуры за счет оптимизации схемных решений, реализуемых алгоритмов и функций. Однако специализация модулей низшего конструктивного уровня ведет к необходимости иметь большое число разнотипных модулей, хотя и с высокими техническими характеристиками, за исключением создания систем специализированного назначения.

Примерами многофункциональных модулей могут служить ОУ, БМУ секционированных МПК, однокристальные ЦП, программируемые периферийные БИС, реализующие по несколько разнотипных программно настраиваемых режимов работы.

Специализированные модули позволяют получать хорошие характеристики по быстродействию, надежности, потребляемой мощности.

Магистральный способ обмена информацией. Выделяют два способа взаимосвязей модулей: принцип произвольных связей типа "каждый с каждым" и принцип упорядоченных связей - магистральный, позволяющий минимизировать число связей.

При магистральном принципе выделяют три типа шин: данных, адреса и управления, что позволяет обеспечить регулярность структуры МПС как на уровне БИС, так и на уровне связей между конструктивными модулями МПС.

Достоинства магистрального обмена:

  • минимизация числа связей между конструктивными модулями;
  • обеспечение стандартизации интерфейсов (Multibus, ISA, EISA и т.д.);
  • сокращение числа выводов БИС;
  • единые способы подключения и протоколы обмена между модулями.

Микропрограммная организация управления. Для современных МПС характерна многоуровневая организация управления на уровне микрокоманд: с жесткой и программируемой логикой. Принцип микропрограммного управления обеспечивает:

  • наибольшую гибкость при организации многофункциональных микропроцессорных модулей за счет использования вызова подмикропрограмм, являющихся общими для нескольких алгоритмов;
  • позволяет осуществлять проблемную ориентацию ЭВМ за счет программной настройки на требуемую систему команд или гибкость использования устройств за счет смены микропрограмм путем их загрузки в ОЗУ микропрограмм с внешнего носителя;
  • использование макроопераций в МПС, т.е. часть алгоритмов, выполняемых с помощью подпрограмм, может выполняться по отдельным командам на микрокомандном уровне;
  • увеличивает регулярность структур за счет использования ПЗУ и не требует при проектировании или доработке УУ в существенной степени изменять схему БМУ, а любые изменения сводятся к корректировке текстов микропрограмм;
  • повышает надежность устройств за счет применения БИС памяти;
  • упрощает контроль функционирования УУ, который сводится к контролю чтения содержимого ПЗУ микропрограмм.

Регулярность структуры. Принцип регулярности предполагает закономерную повторяемость элементов структуры и связей между ними.

Применение данного принципа позволяет:

  • увеличить плотность интегрального исполнения БИС;
  • сократить время топологического и схемотехнического проектирования БИС;
  • сократить число типов функциональных и конструктивных элементов;
  • повысить серийность, а следовательно, снизить стоимость БИС.

Принцип регулярности структур наиболее ярко проявляется при использовании структур и устройств типа памяти (РОН, ОЗУ, ПЗУ, ПЛМ), при использовании магистрального способа обмена, стандартизации интерфейсов, использовании принципа микропрограммного управления и т.д.