Технические средства реализации информационных процессов

Поколения вычислительных машин

Первая ЭВМ, под названием ENIAC (ElectronicNumericalIntegratorandComputer – электронно-цифровой интегратор и вычислитель) заработала в 1945 г. Создавалась машина инженерами Маучли и Эккертом при Пенсильванском университете (США) в обстановке глубокой секретности, и только после окончания войны в 1946 г. впервые состоялась публичная демонстрация ЭВМ. Она состояла из 18000 электровакуумных ламп, 1500 реле и 6000 многоканальных переключателей. ENIAC весил 30 тонн и потреблял 140 киловатт в час электроэнергии. У машины было 20 регистров, каждый из которых мог содержать 10 разрядное десятичное число. За секунду ENIAC выполняла 5000 операций сложения или 300 умножения.

В последующий период до 1955 г. происходило становление вычислительной техники. В это время определились основные принципы построения ЭВМ. Затем с периодичностью 5-7 лет происходил переход к ЭВМ принципиально новых типов, использующих более совершенную элементную базу, имеющих новую структуру, расширяющую их возможности и обеспечивающую большие удобства при работе с ними человека. В связи с этим появилось понятие поколение ЭВМ.

ЭВМ первого поколения(середина 40-х - начало 50-х годов) отличались большими габаритами, большим потреблениемэнергии, малым быстродействием, низкой надежностью, программированием в кодах. Строились они на дискретных компонентах (реле, переключатели) с использованием электровакуумных приборов, внутренниезапоминающие устройства (ЗУ) в них создавались на ультразвуковых линиях задержки и электронно-лучевых трубках. Отметим дополнительные черты:

• устройства ввода-вывода: бумажная перфолента, перфокарты, магнитная лента, и печатающие устройства;

• внешняя память: магнитный барабан, перфоленты, перфокарты.

Ориентировались машины в основном на решение научно-технических задач, для которых характерны относительно небольшие объемы исходных данных и результатов решения.

В ЭВМ второго поколения(конец 50-х – середина 60-х годов) в качестве элементной базы применялись дискретные компоненты и полупроводниковые приборы (транзисторы и диоды). Монтаж элементов осуществлялся с использованием печатных плат, внутренние ЗУ выполнялись на тороидальных ферритовых сердечниках. Все это повысило быстродействие и надежность машин. В ЭВМ второго поколения обеспечивалась возможность обмена данными между ЭВМ и большим числом внешних устройств. Программирование производилось в машинных кодах и на первых языках программирования высокого уровня (FORTRAN, ALGOL). Дополнительные характеристики:

• внешняя память: магнитный барабан, перфоленты, перфокарты;

• появление мониторов и первых операционных систем.

ЭВМ стали успешно применяться и для решения экономических задач.

В ЭВМ третьего поколения(конец 60-х – начало 70-х годов) в качестве элементной базы используются интегральные схемы (ИС) или интегральные микросхемы. ИС представляют собой микросхему с полупроводниковым кристаллом, на котором размещены сотни и тысячи транзисторов, образующих какое-либо устройство. Внутренние ЗУ начали выполнять в виде полупроводниковой памяти, которая стала использоваться и в последующих поколениях персональных компьютеров. Благодаря этому ЭВМ третьего поколения по сравнению с ЭВМ второго поколения имеют меньшие габаритные размеры и потребляемую мощность, большие быстродействие и надежность. Кроме того, появились:

• мощные операционные системы;

• развитые системы программного обеспечения для числовых и текстовых приложений;

• возможность удаленного, коллективного доступа к ЭВМ.

ЭВМ третьего поколения широко стали применяться в самых разнообразных областях деятельности человека.

В ЭВМ четвертого поколения(середина 70-х – 80-е годы) в качестве элементной базы используются интегральные микросхемы высокой степени интеграции – большие интегральные схемы (БИС). В них на одном полупроводниковомкристалле создаются устройства, содержащие тысячи и десятки тысяч транзисторов. Компактность узлов при использовании БИС позволило строить ЭВМ с большим числом вычислительных устройств – процессоров (так называемые многопроцессорные вычислительные системы). Также можно отметить следующие характерные черты:

• запуск ЭВМ начал производиться с помощью системы самозагрузки из ПЗУ;

• появление еще более мощных ОС.

К настоящему времени созданы и развиваются ЭВМ пятого поколения. Эти ЭВМ обладают высокой производительностью, компактностью и низкой стоимостью (эти характеристики улучшаются в каждом следующем поколении ЭВМ). Основная особенность ЭВМ пятого поколения состоит в их высокой интеллектуальности, обеспечивающей возможность общения человека с ЭВМ на естественном языке, способности ЭВМ к обучению и т.д. Быстродействие ЭВМ пятого поколения достигает десятков миллиардов операций в секунду, они обладают памятью (ОЗУ) в сотни мегабайт и строятся на сверхбольших интегральных схемах (СБИС), на кристалле которых размещаются миллионы транзисторов.

Принципы организации информационных процессов в вычислительных устройствах

Большинство современных ЭВМ строится на базе принципов, сформулированных американским уче­ным, одним из "отцов" кибернетики Джоном фон Нейманом. Он пришел к мысли, что программа должна быть представлена в памяти компьютера в цифровой форме, вместе с данными. Он также отметил, что десятичная арифметика, используемая в машине ENIAC, должна быть заменена бинарной (двоичной) арифметикой.

В целом принципы фон Неймана сводятся к следующему:

1. Основными блоками вычислительной машины являются устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), память и устройства ввода-вывода (рис.3.1).

Обобщенная структурная схема машины фон Неймана:

АЛУ – арифметико-логическое устройство; УУ – устройство управления;

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство; ВП – внешняя память.

Отметим тот факт, что обратная связь УУ с ВП и устройством ввода осуществляется посредством ОЗУ, куда они направляют свои данные.

2. Принцип хранимой программы. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Причем вся информация (т.е. команды и данные) кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы, называемые словами (машинными словами). Разнотипные слова (содержащие команды или числа) различаются по способу использования, но не по способу кодирования.

3. Адресный принцип. В команде указываются не сами числа, над которыми нужно выполнять арифметические действия, а адреса ячеек памяти, хранящих эти числа.

4. Автоматизм. После ввода программы и данных машина работает автоматически, выполняя предписания программы без вмешательства человека. Для этого каждая выполняемая команда содержит указание об адресе следующей команды. Указание может быть: неявным (перейти к команде, следующей по адресу за выполняемой), безусловным (перейти к команде по заданному адресу), условным (в зависимости от результата выполнения заданного условия, перейти к команде по тому или иному адресу).

5. Переадресация. Адреса ячеек памяти, указанные в команде, можно вычислять и преобразовывать как числа.

Эти принципы впервые были использованы в машине EDSAC (ElectronicDiscreteStorageComputer — электронная дискретная хранящая машина). Всего память этой машины включала 4096 слов, каждое из которых имело размер 40 бит. Каждое слово могло содержать или 2 команды (управляющие слова) по 20 бит (8 бит указывали на тип команды, а остальные 12 бит определяли адрес одного из 2¹² = 4096 слов), или целое число со знаком на 40 бит.

Команда – совокупность сведений, необходимых процессору для выполнения определенного действия при выполнении программы. Как видно из сказанного выше, команда состоит из кода операции, содержащего указание на вид выполняемой операции, и нескольких адресных полей, указывающих расположение операндов команды в памяти.

Арифметико–логическое устройство(АЛУ) предназначено для выполнения в ЭВМ арифметических и логических операций, задаваемых командами программы. АЛУ формирует по двум входным переменным одну выходную, выполняя заданную командой операцию (сложение, вычитание и т.д.). Участвующие в операциях данные выбираются из ОЗУ, результаты операций отсылаются в ОЗУ.

Устройство управления(УУ) – координирует работу процессора, посылая в определенной временной последовательности управляющие сигналы в устройства ЭВМ, обеспечивая их соответствующее функционирование и взаимодействие друг с другом.

На этапе вы­борки команды УУ интерпретирует команду, выбранную из оперативной памяти. На этапе выполнения команды в соответствии с типом реализуемой операции УУ формирует требуемый набор ко­манднизкого уровня или микрокоманд для АЛУ и дру­гих устройств. Последовательность микрокоманд, соответ­ствующая одной команде, называется микропрограммой. Микрокоманды задают последовательность простейших низкоуровневых операций, таких, как пересылка данных, сдвиг дан­ных, запоминание результатов и др. Такие элементарные низкоуровневые операции называют микроопе­рациями.

Оперативная память(ОЗУ) – служит для хранения выполняемой программы, исходных данных задачи, промежуточных и конечных результатов решения задачи. ОЗУ еще ее называют основной памятью. Она относится к разряду внутренней памяти, т.к. конструктивно расположена внутри ЭВМ. При выключении питания компьютера содержимое ОЗУ стирается.

Внешняя память(ВП) – память, имеющая относительно невысокое быстродействие, но по сравнению с ОЗУ существенно более высокую емкость. Внешняя память (например, магнитные диски или ленты) предназначена для записи данных с целью их длительного хранения и последующего считывания (возможно, и на другом компьютере). В силу того, что быстродействие ВП значительно ниже быстродействия АЛУ, последнее в процессе работы взаимодействует лишь с ОЗУ, получая из него команды и данные, отсылая в эту память результаты операций. Часто при решении сложных задач емкость ОЗУ оказывается недостаточной. В этих случаях в процессе решения задач данные, определенными порциями, могут пересылаться из ВП в ОЗУ, откуда они затем выбираются для обработки в АЛУ.

Устройства ввода/выводаслужат для преобразования информации из внутреннего представления в компьютере (машинного кода) в форму, доступную окружающим, и обратно. Под окружающими понимаем как людей, так и другие электронные устройства (например, технологическое оборудование, которым управляет компьютер). К устройствам ввода относятся клавиатура, мышь, джойстик, микрофон, сканер, видеокамера, различные датчики. К устройствам вывода – дисплей, принтер, плоттер, акустические системы, различныеисполнительныемеханизмы.

Устройства хранения (внешняя память) вместе с устройствами ввода/вывода можно объединить общим понятием периферийные устройства.

Существует еще большой класс коммуникационных устройств, предназначенных для передачи информации между компьютерами и (или) их частями. Эти устройства обеспечивают, например, соединение компьютеров в локальные сети (с помощью сетевой карты) или подключение компьютера к сети Интернет (через телефонную линию с помощью модема).

Структурная схема персональной ЭВМ

Типичная современная персональная ЭВМ (ПЭВМ) включает три основных устройства: системный блок, кла­виатуру и дисплей (монитор). Однако для расширения функциональ­ных возможностей ПЭВМ к ней можно подключить различные дополни­тельные внешние устройства: печатающие устрой­ства (принтеры, плоттеры), накопители на магнитных дисках, различ­ные манипуляторы (мышь, джойстик, трекбол, тачпад), уст­ройства оптического считывания изображений (сканеры) и др.

Структурная схема ПЭВМ.

Поясним функции некоторых устройств, приведенных на рис.3.3.

Контроллерыслужат для управления внешни­миустройствами. Каждому внешнему устройствусоответствует свой контроллер. Электронные модули-контроллеры обычно реализуются на отдельных печат­ных платах, вставляемых в свободный разъем системной платы (слот расширения), которые еще называют адаптерамивнешнего устройства. Исключение представляют контроллеры являющиеся обязательными, они располагаются непосредственно на материнской плате (например, контроллер клавиатуры). Контроллер функционирует автономно, освобождая ЦП от выполнения специфиче­ских функций, необходимых для работы того или иного внешнего устройства. Например, если программа запрашивает данные с диска, она посылает команду контроллеру диска, который затем отправляет команды поиска и другие команды на диск.

Контроллер содержит регистры двух типов — регистр состояния (управления) и регистр данных. Эти регистры называют порта­ми ввода-вывода, через которые, как уже отмечалось ранее, осуществляется обмен данными с внешними устройствами.

Для ускорения обмена информацией между ЦП и внешними устройствами в ПЭВМ используется прямой доступ к па­мяти(DirectMemoryAccess, сокращенно DMA). При этом контроллерDMA, получив сигнал запроса от внешнего устройства, принимает управление обменом на себя и обеспечивает обмен данными контроллера ВУ с ОЗУ, минуя центральный процессор. В это время процессор продолжает без прерывания выполнять теку­щую программу. Таким образом, прямой доступ к памяти освобо­ждает ЦП от непосредственного обмена между памятью (ОЗУ) и внешними устройствами.

Шины

Системная шина используется не только контроллерами, но и процессором для передачи команд и данных. В том случае, если процессор и контроллер пытаются получить доступ к шине одновременно, то особая микросхема, называемая арбитром шины, решает, чья очередь первая. Обычно предпочтение отдается устройствам ввода/вывода, поскольку работу дисков и других движущихся устройств нельзя прерывать из-за риска потери данных. Т.е. центральный процессор может полностью распоряжаться шиной для доступа к ОЗУ, до тех пор, пока какое-нибудь устройство ввода/вывода не будет функционировать и получать доступ к шине каждый раз, когда ему это необходимо. Такой процесс называется занятием цикла памятии замедляет рабо­ту компьютера.

Поскольку с развитием компьютерной техники центральные процессоры, память и устройства ввода-вывода стали работать быстрее, то возникла проблема – старая шина больше не могла успешно производить обмен данными между этими устройствами. Ре­шением данной проблемы стала разработка новой шины с более высокой скорос­тью передачи данных для следующей модели машины.

Однако некоторые производители дисков и устройств ввода/вывода продолжали выпускать контроллеры для старых моделей системных шин, поэтому возникла необходимость производства материнских плат с несколькими шинами, сопряженными между собой. Это позволило пользователям использовать в ПЭВМ старые устройства ввода/вывода.

Перечислим некоторые виды шин, которые были реализованы на ПЭВМ:

1) Шина ISA (IndustryStandardArchitecture — стандартная промышленная архитектура) – это старая и довольно медленная шина.

2) Шина EISA (Extended ISA — расширенная архитектура промышленного стандарта) – последователь ISA, совместимый со старыми версиями внешних устройств.

3) Шина PCI (PeripheralComponentInterconnect — взаимодействие периферийных компонентов) – была разрабо­тана компанией Intel, при этом было решено сделать все патенты всеобщим досто­янием, чтобы вся компьютерная промышленность могла перенять эту идею.