1.4 Многоуровневая организация вычислительных процессов

Для описания, проектирования и организации управления в вычислительных системах используется иерархический подход /1/. Уровни организации вычислительных процессов в вычислительных машинах и системах, категории специалистов и процессы, реализующие взаимодействие уровней, представлены на рисунке 1.5.

На концептуальном уровне пользователь анализирует задачу, выбирает метод её решения, разрабатывает алгоритм, определяет структуры данных. Затем пишется программа на одном из языков высокого уровня, которая не зависит от архитектуры вычислительной системы и особенностей аппаратного обеспечения.

Рисунок 1.5 – Уровни организации вычислительных процессов

На уровне машинных команд обеспечивается связь программных и аппаратных средств: разрабатывается список команд, определяются способы кодирования операций и адресов, а также другие параметры, заложенные в структуру вычислительной машины. Связь между языками высокого уровня и машинными командами может осуществляться как методом компиляции, так и методом интерпретации. На уровне регистровых передач осуществляется микрооперации, выполняемые аппаратурой вычислительной машины. Это операции передач, запоминания и преобразования кодов, выполняемые пересылкой сигналов между регистрами через логические схемы. Для построения схем на выполнение требуемой микрооперации формируется набор управляющих сигналов – микрокоманда. Последовательность микрокоманд, соответствующая исполнению машинной команды, называется микропрограммой. На уровне логических вентилей, рассматриваются логические схемы, которые выполняют операции над двоичными переменными.

В управлении вычислительным процессом с иерархической организацией участвуют как программные, так и аппаратные средства. По мере развития архитектуры вычислительных машин и технологий их изготовления грань разделения функций смещается в сторону аппаратной реализации.

Самые сложные преобразования информации, выполняемые вычислительной машиной (системой), в конечном счёте, сводятся к простейшим операциям над логическими переменными «0» и «1». Поэтому дальнейшее изучение состава и функционирования вычислительных машин и систем целесообразно начать с изучения простейших элементов, постепенно переходя к более сложным узлам: процессору, памяти, устройствам ввода – вывода.

Вопросы для самопроверки

1) Дать определение следующим понятиям: вычислительная машина, вычислительная система, компьютерная сеть, вычислительный комплекс, структура, архитектура, модель вычислений.

2) Что представляет собой функциональная и структурная организации вычислительной машины (системы, сети)?

3) Назовите модели вычислений, связанные с архитектурой вычислительных машин (систем).

4) Опишите фон-неймановскую структуру вычислительной машины, назовите её преимущества и недостатки.

5) Опишите структуру вычислительной машины на основе общей шины, назовите преимущества и недостатки этой структуры.

6) Какие существуют способы организации вычислительных систем? Назовите преимущества и недостатки этих структур.

7) Назовите основные и дополнительные характеристики вычислительных машин (систем). Как рассчитывается стоимость, производительность, быстродействие вычислительных машин (систем)?

8) Какие уровни организации вычислительных процессов можно выделить?