Термин «архитектура ЭВМ» был введён в начале 60-х годов одной из групп специалистов в области ЭВМ фирмы IBM. Он предназначался для описания общей программной модели семейства IBM 360 на уровне языка Ассемблер, семейств ЭВМ одинаковой архитектуры с точки зрения данного языка.
В современной литературе термин «архитектура» употребляется в различных контекстах, например для теоретической классификации способа обработки данных (архитектура фон Неймана или параллельная архитектура), для определения принципов организации и функционирования вычислительных систем (архитектура IBM EISA, архитектура DEC AXP и т.п.).
Прежде чем перейти к описанию различных структур построения ЭВМ и динамики развития архитектуры, необходимо отметить, что в любой ЭВМ имеется еще один аппаратурный блок, имеющий непосредственное отношение к структуре ЭВМ.
Непосредственное присоединение различных функциональных элементов (ПУ и ОП) к центральному процессору осуществляется через определенные точки, именуемые точками сопряжения (стык). Совокупность средств, обеспечивающих логические, электрические и конструктивные условия совместимости ЦП и функциональных устройств в точках сопряжения и их взаимодействия, получила название средств сопряжения, или интерфейса.
В качестве логических условий должны быть заданы виды сигналов (адресные, информационные и управляющие) и их количество, система кодирования и форма передачи данных, функции адресных и управляющих сигналов и т.п.
В качестве электрических условий обеспечения совместимости задаются значение напряжений (логических) двоичных сигналов, временные параметры этих сигналов, нагрузочная способность по входу и выходу сопрягаемых цепей и т.д.
К конструктивным условиям обеспечения совместимости относятся конструктив соединения (тип разъема), распределение контактов в разъемном соединении, допустимые типыкабеля и другое.
В отечественной практике для описания совокупности схемотехнических средств, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов систем обработки данных (ЭВМ, сетей ЭВМ, систем передачи данных), подсистем периферийного оборудования, используются понятия «интерфейс», «стык» и «протокол».
Под стандартным интерфейсом понимается совокупность унифицированных, аппаратурных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в автоматизированных системах сбора и обработки информации при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости.
Стык — место соединения устройств передачи сигналов данных, входящих в систему передачи данных. Это понятие используется вместо понятия интерфейса для описания функций и средств сопряжения элементов средств связи и систем передачи данных (СПД).
Под протоколом понимается строго заданная процедура или совокупность правил, регламентирующая способ выполнения определенного класса функций. Взаимосвязь понятий интерфейса и протокола не всегда однозначна, так как практически любой интерфейс содержит в большей или меньшей степени элементы протокола, определяемые процедурами и функциональными характеристиками интерфейса.
Основное назначение интерфейсов, стыков и протоколов — унификация внутримашинных связей.
Различают несколько видов интерфейсов:
системные (внутрисистемные), которые являются базовой частью архитектуры ЭВМ и представляют собой совокупность унифицированной магистрали, электронных схем, управляющих прохождением сигналов по шинам, и т.п.;
периферийного оборудования, включающие универсальные (параллельный и последовательный) и специализированные интерфейсы (НМЛ, НМД и т.п.);
программируемых приборов, служащие для подключения нестандартной аппаратуры, измерительных и управляющих систем;
магистрально-модульных, микропроцессорных систем;
локальных вычислительных систем и т.п.
Понятия архитектуры, а также интерфейса связаны со следующими элементами, входящими в состав любой ЭВМ:
линии интерфейса — электрические цепи, являющиеся составными физическими связями интерфейса;
шина — совокупность линий, сгруппированных по функциональному назначению (шина адреса, шина команд, шина данных, шина состояния и т.п.);
магистраль — совокупность всех шин интерфейса.
Конструктивно (как правило) магистраль — это печатная плата, обеспечивающая соединение контактов разъемов, с помощью которых к магистрали подключаются различные устройства ЭВМ (то есть их интерфейсы).
С точки зрения шинной организации можно выделить два типа архитектур ЭВМ: машины с одношинной организацией (UNIBUS), имеющие общую (одну) магистраль для подключения всех устройств ЭВМ, и машины с многошинной организацией (MULTIBUS) и несколькими магистралями, например между ЦП и ОП одна магистраль, а между ПУ и ЦП — другая. Родоначальником промышленного внедрения общей шины является фирма DEC (Digital Eguipment Corporation) и применяется она, как правило, в мини-, микроЭВМ и персональных компьютерах, т.е. недорогих машинах, имеющих невысокую производительность. Такая архитектура очень проста и удобна с точки зрения программирования, так как все устройства ЭВМ напрямую связаны между собой (каждый связан с каждым).
Многошинная организация применяется в больших ЭВМ, а также в указанных выше мини- и микроЭВМ повышенной производительности. Разделение магистралей (например, по скоростям — низкоскоростные, высокоскоростные и т.п.), безусловно, усложняет конструкцию и удорожает ее, однако позволяет повысить производительность и эффективность использования ЭВМ и отдельных ее частей.
Главным стимулом развития архитектуры ЭВМ является повышение производительности. Один из способов повышения производительности вычислительной техники — специализация (как отдельных элементов ЭВМ, так и создание специализированных вычислительных систем).
Специализация процессоров началась с 60-х годов, когда центральный процессор больших ЭВМ был освобожден от выполнения рутинной операции по вводу-выводу информации. Эта функция была передана процессору ввода-вывода, осуществляющему связь с периферийными устройствами.
Возможны три способа специализации в вычислительных машинах:
расширение системы команд универсальных ЭВМ общего назначения, включение команд вычисления часто встречаемых функций с возможной аппаратной реализацией;
использование периферийных процессоров, подключаемых к универсальным ЭВМ и реализующих некоторые вычислительные операции независимо от ЦП, например матричные процессоры, графические шины и т.п.;
специализированные ЭВМ или процессоры, структура которых ориентирована на решение узкого класса задач большой сложности.
Дальнейшее увеличение производительности связано с многопроцессорной обработкой.
Поскольку быстродействие однопроцессорных ЭВМ ограничивается физическими возможностями (скоростью распространения электрических сигналов), совершенствование ЭВМ связано и с развитием их архитектуры. Важнейшим направлением развития архитектуры является параллельная обработка. При этом используется два принципа. Если очень большое количество данных требует одинаковой обработки, то можно использовать несколько одинаковых процессоров, равномерно распределив между ними поток данных. Другой способ — распараллеливание — так называемая конвейерная обработка. В таком случае процессор должен состоять из нескольких специализированных процессоров, которые (в значительной степени аппаратно) выполняют элементарные функции центрального процессора. Тогда поступающие на вход данные последовательно проходят все виды необходимой обработки (как на конвейере). При этом виде обработки реализуются те же преимущества, что и на обычном конвейере. За каждый машинный такт на выходе процессора имеется результат обработки, соответствующий выполнению нескольких команд. Такие принципы были использованы при разработке суперЭВМ, а в настоящее время они широко внедряются и в машинах меньшей производительности. Таким образом, в зависимости от степени распараллеливания процессов (так называемая классификация Флина (M. Flyne)) можно выделить четыре типа архитектур ЭВМ:
1) без использования параллельных вычислений, когда один поток команд обрабатывает поступающий на вход один поток данных (ОКОД или SISD);
2) несколько процессоров по одному алгоритму (одной команде) обрабатывают одновременно несколько потоков данных (ОКМД или SIMD);
3) конвейерная обработка, когда одновременно на вход поступает один поток данных (одно данное), но он последовательно обрабатывается большим количеством процессоров различного функционального назначения (МКОД или MISD);
4) самый сложный случай, когда используется и конвейерная, и параллельная обработки (МКMД или МIМD).
Развитие различных уровней запоминающих устройств, таких, как рассмотренные выше кэш-память, канал массовой памяти, электронные диски и т.п., также оказало заметное влияние на эволюцию архитектуры ЭВМ.
