21 Понятие архитектуры и структуры эвм. Структура персонального эвм. Функциональные характеристики.

Архитектура и структура ЭВМ

При рассмотрении ЭВМ как средства обработки информации важную роль играют понятие архитектуры ЭВМ, классификация ЭВМ, структура и принципы функционирования ЭВМ, а также основные характеристики вычислительной техники.

Понятие архитектуры ЭВМ.

С середины 60-х годов существенно изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо независимой разработки аппаратуры и некоторых средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из совокупности аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на первый план выдвинулась концепция их взаимодействия. Так возникло принципиально новое понятие - архитектура ЭВМ.

Под архитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.

Архитектура ЭВМ охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих множество факторов. Среди этих факторов важнейшими являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации, а одним из главных компонентов архитектуры являются аппаратные средства. Основные компоненты архитектуры представим в виде схемы:

 Архитектура ЭВМ

 

Компоненты архитектур

Вычислительные и Аппаратные Программное

логические возможности средства обеспечение

 

 Система команд Структура ЭВМ Операционная система

 Форматы данных Организация памяти Языки программир.

 Быстродействие Орган. ввода-вывода Прикладное ПО

 Принципы управления

Основные компоненты архитектуры ЭВМ.

Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки, узлы и т. д.) и описывает связи внутри средства во всей их полноте. Архитектура же определяет правила взаимодействия составных частей вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой это необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она регламентирует не все связи, а наиболее важные, которые должны быть известны для более грамотного использования данного средства.

Так, пользователю ЭВМ безразлично, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемно или программно реализуются команды и т. д. Важно другое: как те или иные структурные особенности ЭВМ связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю, какие альтернативы реализованы при создании машины и по каким критериям принимались решения, как связаны между собой характеристик отдельных устройств, входящих в состав ЭВМ, и какое влияние они оказывают на общие характеристики машины. Иными словами, архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, относящихся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ

Чтобы судить о возможностях ЭВМ, их принято разделять на группы по определенным признакам, т. е. классифицировать. Сравнительно недавно классифицировать ЭВМ по различным признакам не составляло большого труда. С развитием технологии производства ЭВМ классифицировать их стало все более затруднительно, ибо стирались грани между такими важными характеристиками, как производительность, емкость внутренней и внешней памяти, габариты, вес, энергопотребление и др. Поэтому разделение ЭВМ по названным признакам нельзя воспринимать как классификацию по техническим параметрам.

Классификацию вычислительных машин по таким показателям, как габариты и производительность, можно представить следующим образом:

- сверхпроизводительные ЭВМ и системы (супер-ЭВМ)

- большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения)

- средние ЭВМ

- малые или мини-ЭВМ

- микро-ЭВМ

- персональные компьютеры

- микропроцессоры.

Основное назначение больших ЭВМ - выполнение работ, связанных с обработкой и хранением больших объемов информации, проведением сложных расчетов и исследований в ходе решения вычислительных и информационно-логических задач. К ним относятся большинство моделей фирмы IBM (семейства 360, 370, 390) и их отечественные аналоги ЕС ЭВМ.

Производительность больших ЭВМ порой оказывается недостаточной для ряда приложений (ядерная энергетика, оборона и т. д.). Были созданы супер-ЭВМ. Они обладают колоссальным быстродействием. Предстаители этого класса ЭВМ - компьютеры фирм Cray Research, Control Data Corporation (CDC) и отечественные супер-ЭВМ семейства Эльбрус.

Средние ЭВМ обладают несколько меньшими возможностями, чем большие ЭВМ, но они меньше стоят. Они предназначены для использования, где приходится постоянно обрабатывать достаточно большие объемы информации с приемлемыми временными затратами. К средним можно отнести ЕС-1036, ЕС-1130, ЕС-1120.

Малые ЭВМ составляют самый многочисленный и быстроразвивающийся класс. Их популярность объясняется малыми размерами, низкой стоимостью и универсальными возможностями.

Класс мини-ЭВМ появился в 60-е годы. Их появление было обусловлено развитием элементной базы и избыточностью ресурсов больших и средних ЭВМ для ряда приложений. Они применяются для управления сложными видами оборудования, создания систем автоматизированного проектирования и гибких производственных систем. К ним относятся модели семейства малых ЭВМ (СМ ЭВМ).

При переходе к интегральным микросхемам оказалось возможным создание функционально законченного устройства обработки информации, выполняющего функции процессора. Такое устройство принято называть микропроцессором.

Изобретение микропроцессора привело к появлению еще одного класса ЭВМ - микро-ЭВМ. Определяющим признаком микро-ЭВМ является наличие одного или нескольких микропроцессоров. Микро-ЭВМ, благодаря малым размерам, высокой производительности, повышенной надежности и небольшой стоимости нашли широкое распространение во всех областях народного хозяйства.

Успехи в развитии микропроцессоров и микро-ЭВМ привели к появлению персональных ЭВМ (ПЭВМ), предназначенных для индивидуального обслуживания пользователя и ориентированных на решение различных задач неспециалистами в области вычислительной техники. ПЭВМ позволяет эффективно выполнять научно-технические и финансово-экоеномические расчеты, организовывать базы данных, подготавливать и редактировать документы, обрабатывать графическую информацию и т. д.

На основе ПЭВМ создаются автоматизированные рабочие места (АРМ) для представителей разных профессий (конструкторов, технологов, административного аппарата и др.).

Рынок персональных и микро-ЭВМ непрерывно расширяется за счет поставок ведущих мировых фирм: IBM, DEC, Apple, COMPAREX, Siemens, ICL.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

К основным характеристикам вычислительной техники относятся ее эксплуатационно-технические характеристики, такие как быстродействие, емкость памяти, точность вычислений и др.

Быстродействие, производительность, тактовая частота.

Единицами измерения быстродействия служат:

·  МИПС (MIPS - Mega Instruction Per Second) - миллион операций над числами с фиксированной запятой (точкой);

·  МФЛОПС (MFLOPS - Mega FLoating Operations Per Second) - миллион операций над числами с плавающей запятой (точкой);

·  КОПС (KOPS - Kilo Operations Per Second) для низкопроизводительных ЭВМ - тысяча неких усредненных операций над числами;

·  ГФЛОПС (GFLOPS - Giga FLoating Operations Per Second) - миллиард операций в секунду над числами с плавающей запятой (точкой).

Оценка производительности ЭВМ всегда приблизительная, ибо при этом ориентируются на некоторые усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций. Поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины, так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количества тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.