Лекция 1

Архитектура систем обработки данных

План

1. Эволюция поколений ЭВМ. Система обработки данных. Понятие класса задач.

2. Содержание архитектуры ВС.

3. Система команд.

1. Эволюция поколений ЭВМ

Система обработки данных

Понятие класса задач

Проследим развитие электронных вычислительных машин.

С середины 40-х и до 90-х годов прошло 5 поколений ЭВМ. От элементной базы на "гигантских" лампах и до субмикронных технологий с ЭВМ на одном кристалле. За это время информационная мощность ЭВМ выросла в миллиарды раз, но почти не уменьшилась первоначальная сложность по настройке "информационных машин" на решение конкретных задач, т.е. по программированию.

I поколение

1940-1955 (1937-1953) - на лампах.

Остальные компоненты аппаратуры – обычные резисторы, конденсаторы, трансформаторы. Для построения оперативной памяти ЭВМ использовались ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса. В качестве устройства ввода-вывода сначала использовалась стандартная телеграфная аппаратура (телетайпы, ленточные перфораторы и т.п.), а затем специально для ЭВМ были разработаны электромеханические ЗУ на магнитных лентах, барабанах, дисках и быстродействующие печатающие устройства.

II поколение

с 1955 (1954-1962) - на транзисторах.

Существенно уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность. Значительным достижением явилось применение печатного монтажа. Повысилась надежность электромеханических устройств ввода-вывода, удельный вес которых увеличился.

Появились машины для решения научно-технических и экономических задач, для управления производственными процессами и различными объектами (управляющие машины). Развиваются методы и приемы программирования вычислений.

III поколение

конец 60-х – начало 70-х (1963-1972) - на интегральных схемах.

Стал использоваться многослойный печатный монтаж. Это привело к возникновению и развитию различных методов автоматизации проектирования (САПР), которые использовались при разработке ЭВМ третьего поколения.

Расширился набор различных электромеханических устройств для ввода и вывода информации. Программное обеспечение получило дальнейшее развитие.

Развиваются сети абонентских пунктов, связанных с ЭВМ информационными каналами связи.

IV поколение

с 70-х - на БИС.

Высокая степень интеграции способствует увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности и быстродействия, снижению стоимости. Более тесной становится связь структуры машины и ее программного обеспечения, особенно операционной системы.

Отчетливо проявляется тенденция к унификации ЭВМ, созданию машин, представляющих собой единую систему (ЕС ЭВМ).

Начал развиваться новый класс вычислительных машин – микро ЭВМ. Разрабатываются и широко используются RISC-процессоры (конец 70-х). Развиваются языки сверхвысокого уровня.

V поколение

с 1981 - на СБИС, на базе ИИ.

Характерна максимальная децентрализация управления. С точки зрения программного и математического обеспечения – переход на работу в программных средах и оболочках. Основное внимание – улучшение общения человека с ЭВМ и ЭВМ, обладающие искусственным интеллектом (на основе алгоритмических языков) и способные принимать решения в специально подготовленной среде (мире).

VI поколение

с начала 90-х по н.в. - субмикронная технология, нейрокомпьютер.

Переход от систем централизованной обработки данных к системам распределенной обработки данных, т.е. к компьютерным сетям различных уровней.

Система обработки данных (СОД) представляет собой совокупность аппаратных и программных средств, ориентированных на решение определенной задачи или класса задач.

Основой для создания СОД могут быть:

- однопроцессорные ЭВМ;

- многопроцессорные и многомашинные комплексы;

- специализированные ЭВМ.

Ориентация на определенный класс задач достигается за счет соответствующего программного обеспечения (ПО) и аппаратных средств.

В один класс объединяются задачи, обладающие однотипными алгоритмами, использующими одинаковые типы данных, размерность и сложность которых находится в некотором диапазоне, устанавливаемом для данного класса. Класс задач может быть достаточно широким или очень узким.

Выделяют следующие широкие классы задач:

1) научно-технических расчетов;

2) информационно-справочного характера (экономические);

3) управление реальными объектами.

2. Содержание архитектуры ВС

В разработке и проектировании СОД участвуют многие специалисты из различных областей вычислительной науки и техники. Рисунок 1.3. отражает различные точки зрения на ВС.

При решении своей задачи в рамках повышения производительности вычислительной системы каждый специалист стремится сократить время работы ВС каждый на своем уровне:

Архитектуру можно рассматривать как отображение модели вычислений на аппаратно-программную среду. Широко известны две модели вычислений, опирающиеся на принцип программного управления:

модель фон Неймана;

модель коллектива вычислителей.

Совокупность элементов архитектуры:

1) указывает на область применения конкретной ВС;

2) определяет особенности организации работы такой системы, подкрепляемые соответствующим системным математическим обеспечением;

3) характеризует ресурсы ВС;

4) определяет особенности структуры.

Для описания архитектуры ВС необходимо определить:

- систему команд;

- задание последовательности выполнения операторов:

1) принудительный;

2) переход по готовности команд;

3) переход по запросам;

- механизмы передачи операндов:

1) использование литералов;

2) метод рассылки операндов;

3) использование ссылок.

3. Система команд

Система команд определяет те примитивные операции, которые могут быть реализованы аппаратными или программными средствами системы. Если в системе команд нет необходимой примитивной операции, то она может быть реализована программным способом в виде процедуры или подпрограммы. При разработке системы команд решаются две противоречивые задачи:

1) реализация сложных операций на аппаратном уровне;

2) уменьшение длительности машинного такта, что приводит к сокращению системы команд.

Система команд и форматы данных позволяют судить об ориентации системы на тот или иной класс задач. Структура системы команд приведена на рис. 1.4. Операции над данными, представленными в форме чисел с фиксированной запятой, и команды управления составляют обязательный набор, необходимый для функционирования системы независимо от ее назначения.

________________________________________________________________________________________________

-5-

Курс «Организация ЭВМ и систем»

(конспекты лекций)