edu-csa

# Архитектура компьютера

## Лекция 6

## HW/SW. CoDesign. PBD. MoC/1

Пенской А.В., 2026

---

Как решаем проблемы аппаратуры?

---

## Hardware / Software

<dl>
  <dt> Hardware </dt>
  <dd>  производится один раз и дальше не меняется, не корректируется (или очень редко/дорого). Твёрдая и неизменная часть. </dd>
</dl>
 
<dl>
  <dt> Software </dt>
  <dd>  адаптируется под задачу, легко изменяется. Лёгкая и изменяемая часть. </dd>
</dl>
 
</div><div class="col">

```text
┌─────────────────────────┐
│         Software        │ ← адаптируется под задачу
└────────────┬────────────┘
             │ фиксированный
             │ интерфейс
┌────────────▼────────────┐
│         Hardware        │ ← не меняется после производства
└─────────────────────────┘
```

Разделены по времени / специальности:

- Разные дисциплины
- Разные индустрии

</div></div>

----

## Как разделить HW/SW?

1. Определяем возможности "конфигурирования":
    - заложенные при проектировании, интерфейс задокументирован и стабилен (ISA, API, формат битстрима),
    - незадокументированные (нецелевое использование, дыра в безопасности) — используется то, что интерфейсом не гарантировано, но фактически работает.
1. Фиксируем интерфейс "конфигурирования":
    - Набор механизмов.
    - Модель вычислений (подробнее потом).
    - Инструментальные средства.

Зависит от технологии, этапа жизненного цикла, вида конфигурации.

---

### Конфигурирование РЭА

1. Макетные платы
1. Печатные платы: перерезать, навесить дорожку
1. Джамперы
1. Платы расширения:
    - вычислительные платы,
    - порты ввода/вывода,
    - Dendy (память программ и графическая память).

</div><div class="col">

![](/fig/jumper-pins.jpeg) 
![](/fig/module-altair_8800b_computer.jpg) 
![](/fig/plc-io-modules-fct640.jpg) 
![](/fig/dendy-card.jpg)

</div></div>

----

#### Реконфигурация. Коммутация

<dl>
  <dt> Реконфигурируемые архитектуры </dt>
  <dd>  архитектуры, где задача отображается в структуру вычислителя, а не выполняется потоком инструкций. В отличие от ASIC, эта структура может быть перенастроена после изготовления. </dd>
</dl>
 
<div class="row"><div class="col">

**Пространственные/spatial вычисления**

1. выстраивание людей для расчёта таблиц
1. программируемые логические интегр. схемы (ПЛИС, FPGA)
1. крупногранулярные реконфигурируемые массивы (CGRA)

</div><div class="col">

![](/fig/fpga-reconfiguration.png) 
![](/fig/cgra-reconfiguratoin-mapping.png)

</div></div>

----

#### Программное управление

<dl>
  <dt> Временные вычисления </dt>
  <dd>  одна и та же схема (процессор) последовательно проходит через разные состояния во времени. </dd>
</dl>
 
<div class="row"><div class="col">

1. Данные (программы) определяют то, какой прикладной процесс будет разворачиваться.
1. Количество уровней исполнения/интерпретации определяется целесообразностью.

</div><div class="col">

![](/fig/program-compiler-interpreter.png)

</div></div>

---

## Что такое Software (и Hardware)?

```text
На днях я обедал с подругой, которая не разбирается в компьютерах. Она спросила меня:
"Что такое Software?"

Казалось бы, это простой вопрос для тех людей, кто зарабатывает на жизнь созданием и
разработкой программного обеспечения, но мне пришлось хорошенько подумать, чтобы дать
объяснение, которое она смогла бы понять:

Software -- это та часть компьютерной системы, которая приспосабливает технику к различным
видам использования. Например, на одном и том же компьютере, но с разным программным
обеспечением, вы можете играть в игру, рассчитывать налоги, писать письмо или книгу, или
получать ответы на вопросы о свиданиях.

Затем я объяснил ей, что, к сожалению, в начале истории развития компьютеров этой функции дали
название "программное обеспечение (software)", в отличие от "аппаратного обеспечения (hardware)".
Её следовало бы назвать "гибкое программное обеспечение (flexibleware)".

К сожалению, термин "soft" многие интерпретировали как "лёгкий (easy)", что совершенно неверно.
Не заблуждайтесь. То, что мы называем "hardware", должно было называться "easyware", а то,
что мы называем "software", можно было бы назвать "difficultware".
```

[Gerald M. Weinberg, What is Software?](http://secretsofconsulting.blogspot.com/2017/12/what-is-software.html?m=1)

----

### "Плюсы" Software

1. Быстрый цикл разработки, CI/CD.
1. Меняем у пользователя.
1. Пользователь — Beta-тестер.
1. Огромная сложность и низкая цена ошибки (иногда).

![](/fig/gitflow.png)

</div><div class="col">

### "Минусы" Software

1. Высокая сложность программ.
1. Безопасность (вредоносные изменения, исполнение вредоносного кода).
1. Культура разработки. Верификация.

![](/fig/monkeyuser-final-patch.png)

</div></div>

---

<dl>
  <dt> Аппаратное обеспечение </dt>
  <dd>  электронные и механические части вычислительного устройства, входящие в состав системы. Включает: компьютеры и логические устройства, внешние устройства и диагностическую аппаратуру, энергетическое оборудование. </dd>
</dl>
 
<dl>
  <dt> Программное обеспечение (ПО) </dt>
  <dd>  совокупность программ и программных документов, необходимых для эксплуатации. Позволяет аппаратному обеспечению выполнять функции. </dd>
</dl>
 
----

### Аппаратура и ПО $\neq$ Hardware и Software

1. Программная/аппаратная составляющие слабо связаны с SW/HW
    - Minix — одна из самых популярных ОС (встроена в Intel ME/CSME).
    - Микропрограммное обеспечение.
2. Часто аппаратурой называют то, что работает как аппаратное обеспечение.
    - Virtual-Computer, -Network, -Volume, etc.
    - Реконфигурируемые архитектуры (ПЛИС, CGRA)
3. Разделение на SW/HW зависит в большей степени от **способа использования** элементной базы.
    - Hardware — то, что тяжело/долго/дорого поменять;
    - Software — то, что легко/быстро/дёшево поменять.

---

### Вершина или дно конфигурирования?

Было:

1. Вы пришли за машиной.
1. Вы выбрали комплектацию без/с подогревом сидений.
1. Вы заплатили за машину.
1. Вы эксплуатируете машину.
1. Если передумали — установили подогрев.

*А зачем поменяли?*

</div><div class="col">

Стало:

1. Вы пришли за машиной.
1. Вы заплатили за машину без подогрева (но он есть!).
1. Вы эксплуатируете машину.
1. Вы можете включить по подписке (month/lifetime).

![](/fig/bmw-heated-seats.jpg)

</div></div>

Notes: снижение затрат на логистику, универсализация производства, гибкость для потребителя.

---

<dl>
  <dt> software (intensive) system </dt>
  <dd>  A system made up of software, hardware, and data that provides its primary value by the execution of the software. (OMG Essence) </dd>
</dl>
 
- software ~ программное обеспечение
- hardware ~ аппаратное обеспечение
- data ~ какие-то необходимые для работы данные, являющиеся частью системы

**Как делается Hardware для Software Intensive System?**

---

## Типовое HW/SW проектирование

*Трек 1*. Проектируем hardware:

- элементная база и вычислительные механизмы
- интерфейсы упр. HW и система команд
- байткод и интерпретатор

*Трек 2*. Пишем software:

- моделируем домен
- реализуем прикладные алгоритмы
- адаптируем и проверяем

*Интеграция HW/SW*

</div><div class="col">

Проблемы:

1. последовательная разработка (HW $\rightarrow$ SW)
1. или интеграционные риски;
1. излишне шаблонное проектирование.

![](/fig/hs-sw-traditional-design.jpg)

</div></div>

----

### Hardware/Software CoDesign

1. Разработка интерфейса
1. Разработка совместной HW/SW модели
1. Верификация модели
1. Отображение/перенос модели на HW и SW
1. Верификация через модели и совместную симуляцию
1. Интеграция

</div><div class="col">

![](/fig/hs-sw-co-design.jpg)

</div></div>

----

### Hardware/Software CoDesign. <br/> Скорость разработки

![](/fig/hw-sw-codesign-time-save.png)

---

### От заказной разработки к платформам

Заказная разработка — хорошо, но очень дорого.

1. **CoDesign**: граница HW/SW — переменная.
1. **Platform-Based Design**: граница — контракт.

Как формируется платформа:

- "Хорошо получилась" — будет платформой
- Разрабатываем платформу сразу

</div><div class="col">

![](/fig/platform-based-design-only-watch.png)

(Platform-Based Design)

"Контракт" развязывает руки.

</div></div>

----

#### Уровневая организация

естественный способ организации вычислительных систем

Примеры:

1. Уровневый архитектурный стиль (Layered Style)
1. OSI Model
1. Уровни организации вычислительного процесса

Количество уровней — десятки.

</div><div class="col">

![](/fig/vertical-horizontal-arch.png)

</div></div>

**Вопрос**: Есть ли принципы формирования платформ?

----

#### Принципы формирования платформ

<dl>
  <dt> Метасистемный переход </dt>
  <dd>  концепция, предложенная Валентином Турчиным, описывающая процесс перехода системы на новый уровень организации, становясь метасистемой. В этом процессе несколько систем интегрируются в одну более сложную, обладающую новыми свойствами. </dd>
</dl>
 
(Турчин В.Ф. Феномен науки: Кибернетический подход к эволюции)

<dl>
  <dt> Принцип развития иерархических систем Седова </dt>
  <dd>  закономерности и механизмы, по которым развиваются сложные иерархические системы. Ключевой принцип: <b>ограничение разнообразия</b> на нижележащем уровне для <b>получения разнообразия</b> на вышележащем уровне. </dd>
</dl>
 
----

#### Разделение на уровни (Disaggregation)

![](/fig/platform-disaggregation.png)

- Интегрированные решения <br/> (in-house).
- Высокий уровень интеграции и оптимизации.

</div><div class="col">

- Уровни разделены по компаниям/специальностям/индустриям.
- Эффект масштаба и конкуренция.

</div></div>

---

## Как выбирать инструменты для разработки Software?

<div>

1. от доступного Hardware и инструментальных средств
1. от доступной команды разработки
1. от прикладной задачи:
    - от доступных библиотек и инструментов
    - от модели вычислений

</div>

---

## Модель вычислений

<dl>
  <dt> Model of Computation (MoC) </dt>
  <dd>  это правила, управляющие взаимодействием, коммуникацией и потоком управления набора компонентов. </dd>
</dl>
 
![](/fig/moc.png)
[Источник](https://www.researchgate.net/publication/337394921_Pathways_to_cellular_supremacy_in_biocomputing)

</div><div class="col">

MoC определяет:

1. язык для описания вычислений;
2. возможности вычислителя;
3. как исполняется спецификация: состояния, процессы, переходы.

</div></div>

----

### MoC. Близкие понятия

<dl>
  <dt> Парадигмы программирования </dt>
  <dd>  это способ классификации языков программирования на основе их функций. Языки могут относиться к нескольким парадигмам. </dd>
</dl>
 
<dl>
  <dt> Язык программирования </dt>
  <dd>  конкретная нотация + реализация (компилятор/интерпретатор) для одной или нескольких парадигм. Инструмент разработчика. </dd>
</dl>
 
<dl>
  <dt> Вычислительная платформа </dt>
  <dd>  многократно используемая совокупность вычислительных элементов и механизмов. </dd>
</dl>
 
MoC: 1) обычно минималистичны и <br> 2) имеют строгую математическую базу.

---

## Классификация MoC

1. Последовательные модели
2. Функциональные модели
3. Параллельные модели

---

### MoC. Последовательные модели

<dl>
  <dt> Sequential models </dt>
  <dd>  вычисление как единственная цепочка переходов глобального состояния: шаги строго упорядочены, в каждый момент выполняется ровно один. </dd>
</dl>
 
<div class="row"><div class="col">

![](/fig/moc-sequential.png)

</div><div class="col">

1. **Finite State Machines** (FSM)
1. **Pushdown Automaton** (PDA)
1. **Turing Machines**
1. **Random Access Machines**
1. von Neumann Machine

</div></div>

----

#### Конечные автоматы

<dl>
  <dt> Finite State Machine, FSM </dt>
  <dd>  состояния вычислителя заданы известным конечным множеством. Переход выбирается по состоянию и входному символу. Результат: состояние и выходной символ. </dd>
</dl>
 
![](/fig/fsm.png)

</div><div class="col">

1. Позволяет описывать сложную логику работы.
1. Таблица состояний, верифицируемость переходов.
1. Простая реализация в схемотехнике и ПО.

</div></div>

----

#### Автомат с магазинной памятью

<dl>
  <dt> Pushdown Automaton, PDA </dt>
  <dd>  FSM + <b>стек неограниченной глубины</b>. Переход выбирается по состоянию, входному символу и символу на вершине стека. Результат: состояние, вершина стека и выходной символ. </dd>
</dl>
 
![](/fig/pushdown-overview.png)

</div><div class="col">

1. Распознаёт вложенные конструкции: скобки, выражения, JSON.
1. Память неограниченная, но доступна только вершина.
1. Основа синтаксического разбора (LL/LR) и стека вызовов.
1. Два стека вместо одного — полнота по Тьюрингу.

</div></div>

----

#### Машина Тьюринга

<dl>
  <dt> Turing Machine </dt>
  <dd>  конечное устройство управления + <b>неограниченная лента</b> с произвольным доступом. Переход выбирается по состоянию и символу под головкой. Результат: состояние, записанный символ и сдвиг головки. </dd>
</dl>
 
</div><div class="col">

1. не может быть реализована
1. полнота по Тьюрингу
1. проблема остановки
1. разделение данных и управления

![](/fig/turing_machine_fun.jpg)

</div></div>

----

#### Random Access Machine

<dl>
  <dt> Random Access Machine, RAM </dt>
  <dd>  конечная программа + <b>память, адресуемая по номеру ячейки</b>. Переход — следующая инструкция, если она сама не изменила счётчик команд. </dd>
</dl>
 
![](/fig/ram-machine.jpg)

</div><div class="col">

1. Эквивалентна машине Тьюринга.
1. Косвенная адресация обязательна.
1. Программа отделена от данных (в ту же память — машина фон Неймана).
1. Современный процессор — это она, с оговорками.

</div></div>