Архитектура вычислительных систем

Введение

Основные понятия, связанные со структурной организацией вычислительных систем, следующие:

1. Электронной системой называют любое электронное устройство, которое предназначено для работы с информацией.
2. Задачей является список действий, подлежащих исполнению при помощи электронных систем.
3. Быстродействие – это параметры скорости осуществления электронной системой возложенных на неё функций.
4. Гибкость системы – это свойство системы перенастраиваться для осуществления различных задач.
5. Избыточность системы — это соответствие уровня сложности задач, подлежащих решению, технологическим параметрам системы.
6. Системный интерфейс — это набор условий информационного обмена, который подразумевает электронную, а также на основе структуры и логики, способность обмениваться данными между разными модулями, способными участвовать в этом процессе.

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.

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:

1. Осуществление операций арифметики.
2. Осуществление операций логики.
3. Временное хранение командных кодов.
4. Осуществление информационного обмена между блоками вычислительной системы.

Остальные блоки вычислительной системы необходимы для выполнения следующих процедур:

1. Хранение информации, в том числе и программу управления.
2. Обмен информацией с внешними устройствами.
3. Взаимосвязь с пользователем.

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:

1. Блок процессора.
2. Блок памяти, который состоит из оперативной и постоянной части.
3. Блок ввода-вывода данных, служащий для информационного обмена с внешними устройствами.

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:

1. Шина адреса.
2. Информационная шина или шина данных.
3. Шина управления.
4. Шина питания.

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:

1. В режиме программного информационного обмена.
2. В режиме информационного обмена по программному прерыванию.
3. В режиме информационного обмена при прямом доступе к памяти.

Для выполнения распределённой информационной обработки существуют многомашинные архитектуры вычислительных комплексов, которые делятся на:

1. Вычислительные системы, состоящие из набора электронных вычислительных машин, связанных средствами коммуникации.
2. Полноценная вычислительная сеть, объединяющая много компьютерных устройств.