1. Основные понятия вычислительной техники и принципы организации вычислительных систем

Электронные вычислительные средства завоевали прочные позиции в жизненно важных сферах деятельности человека, и область их применения постоянно расширяется. Современная вычислительная техника (ВТ) представлена широким спектром средств обработки информации.

Развитие средств ВТ идёт по двум направлениям [1]:

1. Электронно-вычислительные машины (ЭВМ) и простейшие вычислительные системы (ВС). Эти вычислительные средства основываются на эволюционных модификациях концептуальной последовательной машины Дж. фон Неймана (1945 г.). Процесс их развития отражён в ЭВМ первого (1949 г., электронные лампы), второго (1955 г., транзисторы) и третьего (1963 г., интегральные схемы) поколений. Пределом в этой модификации является конвейерный способ обработки информации в сочетании с векторизацией. По сути, такие вычислительные машины (ВМ) представляют собой простейшие ВС. Вычислительные средства данного направления постоянно совершенствуются, главным образом, за счёт улучшения физико-технических характеристик элементов и внутренних информационных каналов.

2. Вычислительные системы (ВС) – базируются на принципе массового параллелизма при работе с информацией. Данное направление ориентировано на применение полупроводниковых пластин с большим количеством обработчиков данных. ВС относятся к четвёртому и последующим поколениям средств ВТ.

1.1. Основные понятия и определения

Введём несколько базовых определений ВТ [1-2].

Система – это совокупность элементов, соединённых между собой для достижения определенной цели. Понятие системы трактуется достаточно широко: практически каждое средство ВТ может рассматриваться как система – ВМ, сети, системы параллельной обработки данных и т.п.

Вычислительная машина (ВМ) – это система, выполняющая заданную, чётко определённую последовательность операций (программу) в соответствии с выбранным алгоритмом обработки информации.

Алгоритм – набор предписаний, однозначно определяющий содержание и последовательность выполнения действий для решения задач.

Операнд – величина (или объект), над которой проводится операция в ВМ.

Результат – совокупность данных, получаемых по завершении операции или программы.

Вычислительная система (ВС) – это совокупность аппаратно-программных средств, предназначенная для параллельной обработки данных или локального управления технологическим оборудованием, настроенная на решение задач конкретной области применения. ВС бывают многопроцессорными (содержат несколько процессоров, между которыми происходит интенсивный обмен информацией и имеется единое управление вычислительными процессами) и микропроцессорными (строятся на базе микропроцессора или микроконтроллера, либо специализированного процессора цифровой обработки сигналов; используются для локального управления технологическим оборудованием в технических и бытовых системах).

Принципы организации и функционирования ВМ и ВС во многом схожи, однако имеются и принципиальные отличия. Во избежание путаницы и излишнего использования обоих понятий при последующем изложении материала, содержащем сведения, общие для ВМ и ВС, будет использоваться термин ВМ, а содержащем сведения, характерные только для ВС, будет использоваться термин ВС.

Для наглядного представления ВМ их изображают в виде схем, состоящих из блоков и связей между ними. Такие схемы представляют собой ориентированный граф, вершины которого – блоки.

В функциональной схеме блоки выделяются по функциональному признаку, в структурной схеме блоки соответствуют конструктивным компонентам – устройствам, узлам, интегральным схемам. Отдельные блоки функциональной и структурной схем могут совпадать. С каждым блоком связаны входы, выходы и функция, которая задаёт правила получения выходных последовательностей по входным последовательностям.

Структура – это совокупность элементов и их связей.

Функциональная организация ВМ – это представление её как абстрактной системы в виде функциональной схемы, иллюстрирующей результат функциональной декомпозиции. Для сложных систем, таких, как ВМ и сети, часто используется иерархия представлений.

Структурная организация ВМ – это представление её как системы в виде схемы, содержащей реально реализуемые устройства, узлы, элементы.

Функциональные схемы ВМ состоят из блоков, каждый из которых является преобразователем информации.

Преобразователь информации – это некоторый блок, имеющий входы для поступления информации и некоторые выходы, на которых представлена выходная информация.

Информация на входах и выходах блоков представлена сигналами. Сигнал – это носитель информации в виде изменяющейся во времени физической величине, обеспечивающей передачу данных. В настоящее время подавляющее большинство преобразователей информации представляют собой электронные схемы, содержащие соединённые определённым образом между собой электронные ключи – вентили. Эти электронные схемы реализуются с использованием технологий современной микроэлектроники в виде интегральных схем. Для представления сигналов приняты два непересекающихся диапазона уровней напряжения. При напряжении 5В: диапазон 0 – 0,4В соответствует значению логического «0» в двоичной системе счисления, диапазон 2,4 – 5В соответствует значению логической «1».

Информация в ВМ представляется в виде двоичных кодов фиксированной длины (машинных слов). Для получения, передачи, хранения и обработки информации используются аппаратные и программные средства, называемые вычислительными ресурсами.

Многоуровневая иерархия аппаратных и программных средств, из которых строится ВМ, называется архитектурой ВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения вычислительных машин.

Несколько ВМ или ВС, информационно связанных между собой, образуют вычислительный комплекс (ВК). При этом каждая машина самостоятельно управляет своими вычислительными процессами, и информационный обмен между вычислительными машинами комплекса не является интенсивным (например, цех, корабль и т.д.).

Сеть (компьютерная, информационно-вычислительная) – это информационная система, которая состоит из множества абонентских систем и телекоммуникационной системы для их информационного взаимодействия. Отличительной особенностью сетей являются развитые функции информационного взаимодействия.

Множество операций над данными и порядок выполнения этих операций называется моделью вычислений. В рамках изучения принципов работы ВМ, ВС и сетей подразумевается модель вычислений, заложенная в оборудование и, следовательно, зависящая от их (вычислительных машин) структуры и архитектуры.

Ознакомившись с основными терминами, перейдем к рассмотрению подходов к организации ВМ и ВС, а также их характеристик.