Лекция 1

Основные характеристики и области применения ЭВМ различных классов

Определение ЭВМ

Определение. ЭВМ (электронно-вычислительная машина) - это комплекс технических и программных средств, предназначенные для автоматизации подготовки и решения задач пользователей.

Под пользователем понимают человека, в интересах которого проводится обработка данных на ЭВМ.

Определение. Архитектура ЭВМ - это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение.

Обобщенная структура ЭВМ

На рис. 1 приведена обобщенная структурная схема ЭВМ.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема ЭВМ.

Принцип действия обычной ЭВМ можно считать копией обычного процесса вычислений, например, с помощью калькулятора.

Этапы вычислений:

1. Определение и задание порядка вычислений.

2. Задание исходных данных.

3. Выполнение вычислений (для получения промежуточных результатов).

4. Получение конечного результата.

В основе функционирования любой ЭВМ лежат два фундаментальных понятия в вычислительной технике:

1. Понятие алгоритма.

2. Принцип программного управления.

Определение. Алгоритм – некоторая однозначно определенная последовательность действий, состоящая из формально заданных операций над исходными данными, приводящая к решению за определенное число шагов.

Свойства алгоритмов:

1. Дискретность алгоритма (действия выполняются по шагам, а сама информация дискретна).

2. Детерминированность (сколько бы раз один и тот же алгоритм не реализовывался для одних и тех же данных – результат один и тот же).

3. Массовость (алгоритм «решает задачу» для различных исходных данных из допустимого множества и дает всегда правильный результат).

Программа. Описание алгоритма на каком-либо языке.

Принцип программного управления был впервые сформулирован венгерским математиком и физиком Джоном фон Нейманом в 1946 году.

Принцип программного управления включает в себя несколько архитектурно-функциональных принципов:

1. Любой алгоритм представляется в виде некоторой последовательности управляющих слов – команд. Каждая отдельная команда определяет простой (единичный) шаг преобразования информации.

2. Принцип условного перехода. В процессе вычислений в зависимости от полученных промежуточных результатов возможен автоматический переход на тот или иной участок программы.

3. Принцип хранимой команды. Команды в ЭВМ представляются в такой же кодируемой форме, как и любые данные и хранятся в таком же оперативном запоминающем устройстве. Это означает, что если рассматривать содержимое памяти, то без какой-либо команды невозможно различить данные и команды. Следовательно, любые команды можно принципиально обрабатывать как данные (информация в ЭВМ отличается не представлением, а способом ее использования).

4. Принцип двоичного кодирования.

5. Принцип иерархии запоминающих устройств.

Поколения эвм

В течение всего периода эволюции компьютерных систем прослеживается тенденция к повышению скорости обработки информации процессором, уменьшение физических размеров компонентов, росту объема памяти и повышению пропускной способности каналов ввода-вывода.

Не отрицая того факта, что одной из причин повышения производительности процессоров явился прогресс в области микроэлектроники, в частности миниатюризация электронных компонентов, все же отметим, что не меньшее, если не большее, влияние на этот процесс, особенно в последние годы, оказали новые идеи в отношении структурной организации процессора, в частности широкое использование принципов конвейерной и параллельной обработки и внедрение технологии предпочтительного выбора направления ветвления программы, т.е. выполнение условных переходов на основании прогнозных оценок еще до формирования условий перехода. Все эти идеи преследуют одну цель – максимально сократить время простоя процессора.

Важнейшей проблемой, с которой сталкивается любой конструктор компьютерных систем, является достижение баланса характеристик производительности отдельных компонентов системы, т.е. такой подбор компонентов, при котором ни один компонент не простаивает, дожидаясь, пока за ним «поспеют» другие. В частности, производительность процессора растет быстрее, чем быстродействие оперативной памяти. Конструктор имеет в своем арсенале множество методов, позволяющих свести на нет отрицательный эффект такого несоответствия, включая использование промежуточной кэш-памяти, расширение пропускной способности магистрали между процессором и памятью, применение элементов памяти с более сложной логической организацией.

Изложение материала начнем с краткого экскурса в историю развития вычислительной техники. Помимо познавательного интереса имеется еще и практический интерес к истории. Мы попытаемся, рассматривая процесс эволюции компьютерных систем, проследить за тем, как по мере совершенствования элементной базы менялись взгляды на структурную организацию и архитектуру ЭВМ.

Первые ЭВМ появились немногим более 50 лет назад. В соответствии с элементной базой и уровнем развития программных средств выделяют четыре поколения ЭВМ, краткая характеристика которых приведена в таблице:

Параметры сравнения	Поколения ЭВМ
	первое	второе	третье	четвертое
Период времени	1946 - 1959	1960 - 1969	1970 - 1979	с 1980 г.
Элементная база (для УУ, АЛУ)	Электронные (или электрические) лампы	Полупроводники (транзисторы)	Интегральные схемы	Большие интегральные схемы (БИС)
Основной тип ЭВМ	Большие		Малые (мини)	Микро
Основные устройства ввода	Пульт, перфокарточный, перфоленточный ввод	Добавился алфавитно-цифровой дисплей, клавиатура	Алфавитно-цифровой дисплей, клавиатура	Цветной графический дисплей, сканер, клавиатура
Основные устройства вывода	Алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ), перфоленточный вывод		Графопостроитель, принтер
Внешняя память	Магнитные ленты, барабаны, перфоленты, перфокарты	Добавился магнитный диск	Перфоленты, магнитный диск	Магнитные и оптические диски
Ключевые решения в ПО	Универсальные языки программирования, трансляторы	Пакетные операционные системы, оптимизирующие трансляторы	Интерактивные операционные системы, структурированные языки программирования	Дружественность ПО, сетевые операционные системы
Режим работы ЭВМ	Однопрограммный	Пакетный	Разделения времени	Персональная работа и сетевая обработка данных
Цель использования ЭВМ	Научно-технические расчеты	Технические и экономические расчеты	Управление и экономические расчеты	Телекоммуникации, информационное обслуживание

ЭВМ 1-го поколения

ЭВМ первого поколения обладали небольшим быстродействием в несколько десятков тыс. оп./сек. Они были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы и слабое программное обеспечение.

Языков программирования как таковых еще не было, и для кодирования своих алгоритмов программисты использовали машинные команды или ассемблеры. Это усложняло и затягивало процесс программирования. К концу 50-х годов средства программирования претерпевают принципиальные изменения: осуществляется переход к автоматизации программирования с помощью универсальных языков и библиотек стандартных программ.

ЭВМ 2-го поколения

Второе поколение ЭВМ – это переход к транзисторной элементной базе, появление первых мини-ЭВМ. Один транзистор уже способен трудиться за 40 электронных ламп и при этом работать с большей скоростью, выделять очень мало тепла и почти не потреблять электроэнергию. Одновременно с процессом замены электронных ламп транзисторами совершенствовались методы хранения информации. Увеличился объем памяти, а магнитную ленту начали использовать как для ввода, так и для вывода информации. В середине 60-х годов получило распространение хранение информации на дисках.

Получает дальнейшее развитие принцип автономии – он реализуется уже на уровне отдельных устройств, что выражается в их модульной структуре. Устройства ввода-вывода снабжаются собственными устройствами управления (УУ) (называемыми контроллерами), что позволило освободить центральное УУ от управления операциями ввода-вывода. В ЭВМ 2-го поколения добавился алфавитно-цифровой дисплей, появилась клавиатура.

Принципиальным изменением в структуре ЭВМ стало добавление аппаратного блока обработки чисел в формате с плавающей запятой.

Начинается разработка программного обеспечения на базе библиотек стандартных программ, обладающих свойством переносимости, т.е. функционирования на ЭВМ разных марок. Наиболее часто используемые программные средства выделяются в пакеты прикладных программ для решения задач определенного класса. Создаются специальные программные средства - системное программное обеспечение, изначально предназначенное для ускорения и упрощения перехода процессором от одной задачи к другой.

ЭВМ 3-го поколения

В 70-х годах возникают и развиваются ЭВМ третьего поколения. Данный этап - переход к интегральной элементной базе. Одна интегральная схема способна заменить тысячи транзисторов. В результате быстродействие ЭВМ третьего поколения возросло в 100 раз, а габариты значительно уменьшились.

ЭВМ этого поколения создавались на основе принципа унификации, что позволило использовать вычислительные комплексы в различных сферах деятельности.

Расширение функциональных возможностей ЭВМ увеличило сферу их применения, что вызвало рост объема обрабатываемой информации и поставило задачу хранения данных в специальных базах данных и их ведения. Так появились первые системы управления базами данных – СУБД.

Изменились формы использования ЭВМ: введение удаленных терминалов (дисплеев) позволило широко и эффективно внедрить режим разделения времени и за счет этого приблизить ЭВМ к пользователю и расширить круг решаемых задач.

Обеспечить режим разделения времени позволил новый вид операционных систем, поддерживающих многозадачность - способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько программ. Пока одна программа выполняет операцию ввода-вывода, процессор не простаивает, как это происходило при последовательном выполнении программ (однопрограммный режим), а выполняет другую программу (многопрограммный режим).

В развитии отечественной вычислительной техники особое место занимает машина БЭСМ-6. Машина вступила в строй в 1967 г. Ее быстродействие - около 1 млн. операций/сек. Здесь впервые в отечественной практике и независимо от зарубежных разработок был применен принцип конвейерного выполнения команд. На БЭСМ-6

Рис. 2. ЭВМ БЭСМ-6

ЭВМ 4-го поколения

В конце 70-х годов развитие микроэлектроники привело к созданию возможности размещать на одном кристалле тысячи интегральных схем. Так появились большие интегральные схемы и 4-е поколение ЭВМ, для которого характерны создание серий недорогих микро-ЭВМ, разработка супер-ЭВМ для высокопроизводительных вычислений.

Наиболее значительным стало появление персональных ЭВМ, что позволило приблизить ЭВМ к своему конечному пользователю. Компьютеры стали широко использоваться неспециалистами, что потребовало разработки "дружественного" программного обеспечения. Возникают операционные системы, поддерживающие графический интерфейс, интеллектуальные пакеты прикладных программ. В связи с возросшим спросом на ПО совершенствуются технологии его разработки – появляются развитые системы программирования, инструментальные среды пользователя.

В середине 80-х стали бурно развиваться сети персональных компьютеров, работающие под управлением сетевых или распределенных ОС.