лекции полностью

2.Технические средства реализации информационных процессов

2.1. Классификация вычислительных машин

Комплекс технических средств, предназначенный для автоматической или автоматизированной обработки данных, называют вычислительной машиной (ВМ).

Существуют разные признаки классификации вычислительных машин. Рассмотрим некоторые из них.

2.1.1.Классификация по принципу действия

По принципу действия ВМ делят на аналоговые, цифровые и гибридные. Критерием деления в этом случае является форма представления информации, с которой работает ВМ.

Аналоговые вычислительные машины (АВМ) – машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной а непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения, линейные или угловые перемещения механических устройств).

Во многих автомобилях имеется прибор, объединяющий в себе два типа устройств – цифровое и аналоговое. Это всем известный спидометр (аналоговый прибор), где стрелка указывает скорость движения автомобиля. На табло спидометра, чуть ниже центра, находятся окошки одометра – цифрового счетчика пройденного расстояния.

Цифровые вычислительные машины (ЦВМ) – это машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, цифровой форме.

Гибридные ВМ – машины комбинированного действия, работают с информацией в цифровой и аналоговой форме. Совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. Гибридные ВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

Наибольшее применение получили цифровые ВМ с электрическим представлением дискретной информации – электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто ЭВМ без упоминания об их цифровом характере.

2.1.2.Классификация по поколениям

Опоколениях ЭВМ стали говорить, когда выпуск машин приобрел

серийный характер

Кпервому поколению обычно относят машины, созданные на рубеже 50-

хгодов ХХ - века. В их схемах использовались электронные лампы. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства.

Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла.

Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. Быстродействие порядка 10 - 20 тысяч операций в секунду.

Но это только техническая сторона. Очень важна и другая - способы использования компьютеров, стиль программирования, особенности математического обеспечения.

Программы для этих машин писались на языке конкретной машины. Математик, составивший программу, садился за пульт управления машины, вводил и отлаживал программы и производил по ним счет. Процесс отладки был наиболее длительным по времени.

Несмотря на ограниченность возможностей, эти машины позволили выполнять сложнейшие расчёты, необходимые для прогнозирования погоды, решения задач атомной энергетики и др.

Опыт использования машин первого поколения показал, что существует огромный разрыв между временем, затрачиваемым на разработку программ, и временем счета.

Эти проблемы начали преодолевать путем интенсивной разработки средств автоматизации программирования, создания систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность её использования. Это, в свою очередь, потребовало значительных изменений в структуре компьютеров, направленных на то, чтобы приблизить её к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации компьютеров.

Отечественные машины первого поколения: МЭСМ (малая электронная счётная машина), БЭСМ, Стрела, Урал, М-20.

Второе поколение компьютерной техники - машины, сконструированные примерно в 1955-1965 годах. Характеризуются использованием в них как электронных ламп, так и дискретных транзисторных логических элементов. Их оперативная память была построена на магнитных сердечниках. В это время стал расширяться диапазон применяемого оборудования ввода-вывода, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски.

Быстродействие - до сотен тысяч операций в секунду, ёмкость памяти - до нескольких десятков тысяч слов.

Появились так называемые языки высокого уровня, средства которых допускают описание всей необходимой последовательности вычислительных действий в наглядном, легко воспринимаемом виде.

Программа, написанная на алгоритмическом языке, непонятна компьютеру, воспринимающему только язык своих собственных команд.

Поэтому были разработаны специальные программы - трансляторы, которые переводят программу с языка высокого уровня на машинный язык.

Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Появились мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы.

Операционная система - важнейшая часть программного обеспечения компьютера, предназначенная для автоматизации планирования и организации процесса обработки программ, ввода-вывода и управления данными, распределения ресурсов, подготовки и отладки программ, других вспомогательных операций обслуживания. Таким образом, операционная система является программным расширением устройства управления компьютера.

Для некоторых машин второго поколения были созданы операционные системы с ограниченными возможностями.

Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х годов наметился переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.

Машины третьего поколения созданы примерно после 60-x годов. Поскольку процесс создания и совершенствования компьютерной техники шел непрерывно, и в нём участвовало множество людей из разных стран, занимающихся решением различных проблем, трудно и бесполезно пытаться установить, когда «поколение» начиналось и заканчивалось. Возможно, наиболее важным критерием, по которому можно различать машины второго и третьего поколений, является критерий, основанный на понятии архитектуры. Машины третьего поколения - это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно совместимые. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы, которые также называются микросхемами.

Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина.

Примеры машин третьего поколения: семейства IBM-360, IBM-370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др. Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.

Четвёртое поколение - это теперешнее поколение компьютерной техники, разработанное после 1970 года. Наиболее важный в концептуальном отношении критерий, по которому эти компьютеры можно отделить от

машин третьего поколения, состоит в том, что машины четвёртого поколения проектировались в расчете на эффективное использование современных высокоуровневых языков и упрощение процесса программирования для конечного пользователя.

Ваппаратурном отношении для них характерно широкое

использование больших и сверхбольших интегральных схем (БИС) -

микропроцессоров, содержащих от десятков тысяч до миллионов транзисторов в одном кристалле в качестве элементной базы, а также наличие быстродействующих запоминающих устройств с произвольной выборкой ёмкостью в десятки мегабайт.

Развитие архитектуры ЭВМ в период машин четвертого поколения привело к появлению структур, в которых вычислительный процесс может протекать параллельно по нескольким ветвям, что приводит к увеличению производительности вычислительной машины. Технически эта идея реализована в многопроцессорных системах, состоящих из 2 или более взаимосвязанных процессоров, работающих с общей памятью и управляемых общей операционной системой.

Быстродействие составляет до нескольких десятков миллионов операций в секунду, ёмкость оперативной памяти порядка нескольких Гбайт.

Наиболее крупным достижением, связанным с применением БИС, стало создание микропроцессоров, а затем на их основе микроЭВМ. Дальнейшее развитие микроЭВМ привело к созданию персональных компьютеров.

Впериод машин четвертого поколения стали серийно производиться суперЭВМ, к числу которых относится, например, Crey-3, спроектированная на основе принципиально новой технологии – замены кремниевого кристалла арсенидом галлия. Производительность этой машины - до 16 млрд операций

всекунду.

Внастоящее время активно используются не только персональные компьютеры, но и большие машины (mainfraime). Основные направления их применения: решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, использование в качестве серверов вычислительных сетей.

Большинство современных ЭВМ строится на базе принципов, сформулированных Джон фон Нейманом (опубликованы в 1945г.):

1.Основными блоками машины являются блок управления, арифметико-логическое устройство, память и устройство ввода-вывода;

2.Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы, называемые словами;

3.Алгоритм представлен в форме последовательности управляющих слов, которые определяют смысл операции. Эти управляющие слова называют командами. Совокупность команд, представляющая алгоритм, называется программой;

4.Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Разнотипные слова различаются по способу использования, но не по способу кодирования;

5.Устройство управления и арифметико-логическое устройство обычно объединяют в одно, называемое центральным процессором. Они определяют действия, подлежащие выполнению путем считывания команд из оперативной памяти. Обработка информации, предписанная алгоритмом, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно задаваемом программой.

Наконец, пятое поколение ЭВМ. Технологические, конструкторские, структурные и архитектурные идеи машин пятого поколения принципиально отличаются от классической (неймановской) архитектуры. Они должны работать на основе нечеткой логики, в отличие от двоичной (в реальной жизни двоичной логикой не пользуются). Логика устройства компьютеров 5- го поколения должна соответствовать теории нейронных сетей.

Архитектура компьютеров будущего поколения будет содержать два основных блока. Один из них - это традиционный компьютер. Но теперь он лишён связи с пользователем. Эту связь осуществляет блок, называемый термином интеллектуальный интерфейс. В него входят:

блок общения, который обеспечивает интерфейс между пользователем и ЭВМ на естественном языке; дисциплина программирования как наука для пользователя перестанет в будущем быть актуальной;

база знаний (БЗ) – хранилище знаний, накопленных человечеством в различных предметных областях, которое постоянно расширяется и пополняется;

решатель, который организует подготовку программы решения задачи на основе знаний, получаемых из БЗ, и исходных данных, полученных из блока общения. Его задача - понять текст, написанный на естественном языке и содержащий условие задачи, и перевести его в работающую программу для компьютера.

В машинах пятого поколения найдут широкое применение модели и

2.1.3.Классификация ЭВМ по назначению

По назначению ЭВМ можно разбить на три класса: универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные.

Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых разных задач: инженерно-технических, экономических, математических и т.д., отличающихся сложностью алгоритмов и большими объемами обрабатываемых данных. Характерными чертами универсальных ЭВМ являются:

высокая производительность;

разнообразие форм обрабатываемых данных при большом диапазоне их изменения и высокой точности их представления;

обширная номенклатура выполняемых операций (как арифметических, так и логических);

большая емкость оперативной памяти;

развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных устройств. Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого

круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами, регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных, выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам. Они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами (пример: всевозможные управляющие вычислительные комплексы).

Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности работы (пример: программируемые микропроцессоры, адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами, процессами).

2.1.4.Классификация ЭВМ по производительности и характеру использования

По производительности и характеру использования компьютеры можно условно подразделить на:

микрокомпьютеры, в том числе персональные компьютеры;

миникомпьютеры;

мэйнфреймы (универсальные компьютеры);

суперкомпьютеры.

1.Микрокомпьютеры - это компьютеры, в которых центральный процессор выполнен в виде микропроцессора.

Продвинутые модели микрокомпьютеров имеют несколько микропроцессоров. Производительность компьютера определяется не только характеристиками применяемого микропроцессора, но и ёмкостью оперативной памяти, типами периферийных устройств, качеством конструктивных решений и др.

Микрокомпьютеры представляют собой инструменты для решения разнообразных сложных задач. Их микропроцессоры с каждым годом увеличивают мощность, а периферийные устройства - эффективность. Быстродействие - от 1 до 10 миллионов операций в секунду.

Разновидность микрокомпьютера - микроконтроллер. Это основанное на микропроцессоре специализированное устройство, встраиваемое в систему управления или технологическую линию.

Персональные компьютеры (ПК) - это микрокомпьютеры универсального назначения, рассчитанные на одного пользователя и управляемые одним человеком.

В класс персональных компьютеров входят различные машины: от простых дешёвых домашних и игровых с небольшой оперативной памятью, с памятью программы на кассетной ленте и обычным телевизором в качестве дисплея (80-е годы), до сверхсложных машин с мощным процессором, винчестерским накопителем ёмкостью в сотни Гигабайт, с цветными графическими устройствами высокого разрешения, средствами мультимедиа и другими дополнительными устройствами.

2.Миникомпьютерами и суперминикомпьютерами называются машины,

конструктивно выполненные в одной стойке, т.е. занимающие объём порядка половины кубометра. Сейчас компьютеры этого класса вымирают, уступая место микрокомпьютерам.

3.Мэйнфреймы, предназначенные для решения широкого класса научнотехнических задач, являются сложными и дорогими машинами. Их целесообразно применять в больших системах при наличии не менее 200 -

300рабочих мест.

Централизованная обработка данных на мэйнфрейме обходится примерно в 5 - 6 раз дешевле, чем распределённая обработка при клиент-серверном подходе.

Известный мэйнфрейм S/390 фирмы IBM обычно оснащается не менее чем тремя процессорами. Максимальный объём оперативного хранения достигает

342терабайт.

Производительность его процессоров, пропускная способность каналов, объём оперативного хранения позволяют наращивать число рабочих мест в диапазоне от 20 до 200000 с помощью простого добавления процессорных плат, модулей оперативной памяти и дисковых накопителей.

Десятки мэйнфреймов могут работать совместно под управлением одной операционной системы над выполнением единой задачи.

4.Суперкомпьютеры - это очень мощные компьютеры с производительностью свыше 100 мегафлопов (1 мегафлоп - миллион операций с плавающей точкой в секунду). Они называются сверхбыстродействующими. Эти машины представляют собой

многопроцессорные и (или) многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Различают суперкомпьютеры среднего класса, класса выше среднего и переднего края

(high end).

Архитектура суперкомпьютеров основана на идеях параллелизма и конвейеризации вычислений. В этих машинах параллельно, т.е. одновременно, выполняется множество похожих операций (это называется

мультипроцессорной обработкой). Таким образом, сверхвысокое быстродействие обеспечивается не для всех задач, а только для задач, поддающихся распараллеливанию.

Что такое конвейеpная обработка? Для сравнения: на каждом рабочем месте конвейера выполняется один шаг производственного процесса, а на всех рабочих местах в одно и то же время обрабатываются различные изделия на всевозможных стадиях. По такому принципу устроено арифметико-логическое устройство суперкомпьютера.

Наиболее распространённые суперкомпьютеры - массово-параллельные компьютерные системы. Они имеют десятки тысяч процессоров, взаимодействующих через сложную, иерархически организованную систему памяти.

В качестве примера рассмотрим характеристики многоцелевого массово-параллельного суперкомпьютера среднего класса Intel Pentium Pro 200. Этот компьютер содержит 9200 процессоров Pentium Pro на 200 Мгц, в сумме (теоретически) обеспечивающих производительность 1,34 терафлоп (1 терафлоп равен 1012 операций с плавающей точкой в секунду), имеет 537 Гбайт памяти и диски ёмкостью 2,25 терабайт. Система весит 44 тонны (кондиционеры для неё - 300 тонн), и потребляемая мощность 850 кВт.

Суперкомпьютеры используются для решения сложных и больших научных задач (метеорология, гидродинамика и т. п.), в управлении, разведке (для дешифрации закодированных сообщений), в качестве централизованных хранилищ информации и т.д.

Элементная база - микросхемы сверхвысокой степени интеграции. Сейчас в основном используются персональные компьютеры, в

дальнейшем мы будем рассматривать только этот класс вычислительной техники.

2.2. Персональный компьютер: понятие архитектуры, структура и принципы функционирования

Одна из ветвей машин 4-го поколения – персональные компьютеры

(ПК).

Персональный компьютер - это универсальная однопользовательская микроЭВМ (т.е. ЭВМ с микропроцессором). Такая ЭВМ характеризуется следующими свойствами:

невысокой стоимостью;

наличием внешних запоминающих устройств (ЗУ) на магнитных

дисках;

наличием периферийных устройств, необходимых для ввода и вывода информации;

объёмом оперативной памяти не менее 32 Мбайт;

наличием операционной системы;

способностью работать с программами на языках высокого уровня;

ориентацией на пользователя-непрофессионала (в простых моделях).

С середины 60-х годов существенно изменился подход к созданию вычислительной техники. Вместо аппаратуры и некоторых средств математического обеспечения, работающих независимо друг от друга, была спроектирована 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 вычислительной машины.

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей

программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры. Структура определяет конкретный состав компьютера 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.

Структура компьютера - это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства - от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Наиболее распространены следующие архитектурные решения.

- Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) представляет собой одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд - программа (рис. 4). Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной, которую подробно рассмотрим чуть позже. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.