ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ И СИСТЕМЫ.

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

 

 

А.А.Дерюгин

 

 

(Москва, Московский энергетический институт (технический университет), Россия)

 

 

 

 

При изучении ЭВМ и вычислительных систем (ВС) очень важным является толкование используемых терминов, тем более, что отсутствуют документы, регламентирующие термины (ГОСТы). Приводимые ниже термины касаются в основном аппаратных средств  [1 – 5].

Устройства ЭВМ (блоки, узлы, т.е. аппаратные средства) рассматриваются ниже в соответствии с их функциональным назначением, а не конструктивным исполнением. Термин «микро…» опущен, во-первых, потому что речь идет о функциональном назначении и, во-вторых, потому что других исполнений в настоящее время просто нет. Аббревиатуры, набранные русскими буквами – обычные сокращения для использования в тексте, а набранные латинскими буквами (курсивом) – для обозначения на схемах (в соответствии с ГОСТом). В квадратных скобках приведены не рекомендуемые термины-синонимы.

1.                 Процессор, центральный процессор (ЦП), центральное процессорное  устройство (обозначение на схемах P, CP, CPU – Central Processing Unit) – основная часть ЭВМ, предназначенная для обработки данных и управления этой обработкой в соответствии с последовательно выполняемыми командами программы. Такой процессор является скалярным (по умолчанию). В состав процессора входят:

а) арифметико-логическое устройство (АЛУ, ALU), состоящее из одного или нескольких блоков обработки числовых данных с фиксированной и плавающей запятой, блока логических операций, сдвига данных и др.;

б) устройство управления (УУ, CU – control unit), содержащее счетчик команд (IP – instruction pointer), регистр команд (инструкций, RGI), часто буфер команд, блок преобразования кода операций в коды микроопераций (I/MI), т.е. в последовательности управляющих сигналов, соответствующих микрооперациям, как для управления работой процессора, так и для управления другими устройствами ЭВМ;

в) блок регистров, включая адресуемые регистры общего назначения (РОН или регистровую память, RGM – Register Memory), регистры управления, в том числе регистр флагов (признаков) и др., а также неадресуемые регистры (дескрипторы, переименуемые регистры и др.);

г) интерфейсный блок (IU – Interface Unit), предназначенный для реализации связей процессора с другими устройствами ЭВМ. В состав этого блока может входить узел для формирования из кода адреса операнда, указанного в команде, физического адреса ячейки памяти, в которой хранится требуемый операнд, а также схемы поддержки сегментной и страничной организации памяти.

Виды процессоров (рисунок 1).

 

         

 

 

 

 

Рисунок 1 – Процессор. Условное обозначение.Содержит:  ALU,  CU,  RGM,  IU.

Бывают:  SSP,  VP,  MP,  AP

 

1.1.          Суперскалярный процессор (SSP) – процессор, допускающий параллельное (одновременное) выполнение нескольких команд программы. Такой процессор содержит несколько конвейеров обработки данных.

1.2.          Векторный процессор (VP) – процессор, содержащий специальные блоки обработки данных, предназначенные для выполнения, как скалярных операций, так и операций над векторами.

1.3.          Матричный процессор (MP) – многопроцессорное устройство, предназначенное для выполнения операций над векторами и матрицами в соответствии с единой последовательностью команд.

1.4.          Ассоциативный процессор (AP) – специализированный процессор, реализованный на базе ассоциативного запоминающего устройства и предназначенный для одновременного выполнения операций над массивами данных последовательно по разрядам этих данных.

 

2. Кэш-память (CM – Сache Memory) – быстродействующая буферная память небольшой емкости, в которой хранятся команды и данные, необходимые для использования в течение текущего интервала времени. Содержимое СМ дублирует содержимое оперативной памяти (ОП, BM – Base Memory, ОЗУ  или  ОЗУ + ПЗУ) и меняется в процессе работы ЭВМ автоматически аппаратным способом. Передача данных между СМ и BM производится блоками (строками). Обычно это 16 … 64 байта. В состав СМ входят: собственно кэш-память и местное устройство управления, включающее таблицу, в которой хранятся адреса тех блоков (теги), которые находятся в кэш-памяти в данный момент.

В зависимости от «удаления» от процессора различают СМ первого и второго уровней (L1 и L2, L – level). Кэш-память первого уровня  может быть общей для команд и данных (CM1, L1, CML1) или раздельной для команд (CM1I, L1I, CML1I) и данных (CM1D, L1D, CML1D). Кэш-память второго уровня, как правило, общая для команд и данных.

3. Процессорный модуль (PM) [ядро ЭВМ, элемент многопроцессорной вычислительной системы] – устройство (рисунок 2), содержащее процессор и одно- или двухуровневую кэш-память (Р + СМ).

 

Рисунок 2 – Процессорный модуль   (ПМ)

 

4. Внутренняя память (IM – Internal Memory) – память, предназначенная для приема, хранения и выдачи информации, непосредственно используемой (адресуемой) процессором.  IM – это  RGM + СМ + BМ. Оперативная память (ВМ) может содержать несколько конструктивно завершенных модулей оперативной  памяти – ММ (рисунок 3).

 

Рисунок 3 – Память ЭВМ

 

5. Внешняя память (ЕМ – External Memory) – память, предназначенная для длительного хранения больших объемов информации. Для использования этой  информации ее необходимо переместить во внутреннюю память средствами операционной системы. Оперативная память является буферной памятью (кэш-памятью) по отношению к внешней  памяти.

6. ЭВМ, компьютер [однопроцессорная вычислительная система] – это Р (или PМ) + BM + ЕМ + I/O   (I/O – устройства ввода/вывода).

7. Многопроцессорная вычислительная система (МПВС) [мультипроцессорная ВС, мультипроцессор] – это несколько PМ, а также
BM + ЕМ + I/O. Особенностью многопроцессорной вычислительной системы является то, что связи между ее компонентами параллельные и сильные
 (4, 8, 16 байт), а оперативная память (BM) – общая (рисунок 4).

 

Рисунок 4 – Многопроцессорная ВС с  общей шиной  (коммутатор «размазан» по  РМ).

 

8. Вычислительный модуль (ВМ, COM – COmputing Module, CN – Computing Node) – это ЭВМ или МПВС, предназначенные для построения многомашинной ВС или вычислительной сети (рисунок 5),  благодаря включению в состав ВМ коммутационных модулей (SM).

 

Рисунок 5 – Вычислительный модуль (ВМ)    или   узел (ВУ) и его условное обозначение

 

9. Многомашинная вычислительная система (ММВС) [мультикомпьютерная ВС, многокомпьютерная ВС, мультимашинная ВС, мультикомпьютер] – это совокупность ВМ, объединенных с помощью коммутатора  (рисунок 6). Особенностью многомашинной ВС является то, что связи между ее компонентами параллельные и ослабленные (1, 2, 4 байта),  а оперативная память – распределенная.

 

Рисунок 6 – Многомашинная вычислительная система  (ММВС)

 

 

10. Коммутатор (SW – SWitch) МПВС или ММВС [коммутационная сеть (среда), коммуникационная сеть (среда) ] – аппаратные средства, обеспечивающие взаимодействие между компонентами ВС. В состав коммутатора в явном или неявном виде входит арбитр и др. интерфейсные узлы.

Коммутатор (рисунок 7) может состоять из нескольких конструктивно завершенных коммутационных модулей (SM – Switching Module),  узлов (SD – Switching Device),  элементов (SC – Switching  Cell).

 

Рисунок 7 – Коммутационный модуль (а, в)  и коммутационный  узел (б)

 

Связи между коммутационными модулям  в коммутаторе и связи коммутатора с вычислительными модулями (COM) могут быть выполнены в виде шин или в виде линков (рисунок 8).

 

Рисунок 8 – Коммутационный  узел  (4 × 4)  со связями

в виде шин (а)  и  в виде  линков (б)

 

11. Общая память МПВС – это оперативная память, к ячейкам которой за одинаковое время может обращаться любой процессор, входящий в состав МПВС.

12. Распределенная память – это совокупность локальных (оперативных) памятей вычислительных модулей, входящих в состав ММВС.

13. Локальная память вычислительных модулей, входящих в состав ММВС, – это оперативная память, к ячейкам которой непосредственно  может обращаться только процессор(ы) данного ВМ. Процессоры удаленных ВМ могут обращаться к этой локальной памяти через коммутатор.

14. Вычислительная сеть – это совокупность связанных между собой ЭВМ или ВС.  Связи между компонентами сети – последовательные (слабые).

15. Вычислительные средства [средства обработки данных] – общий термин, охватывающий вычислительные машины, системы и сети.

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1.                 Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы: Учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 552 с.

2.                 Уокерли Дж. Архитектура и программирование микро-ЭВМ: В 2-х книгах. Пер. с англ. – М.: Мир, 1984. – Кн.1. 486 с.,  кн.2. 341 с.

3.                 Пятибратов А.П. и др. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учеб. для вузов 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Финансы и статистика, 2003. – 512 с.

4.                 Брамм П., Брамм Д. Микропроцессор 80386 и его программирование: Пер. с англ. – М.: Мир, 1990. – 448 с.

5. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. 4-е изд. – СПб.: Питер, 2005. – 699 с.