ЭВМ II семестр

Основные понятия вычислительной техники

Вычислительные машины и вычислительные системы предназначены для автоматизации процессов обработки, хранения и передачи информации.

Вычислительная машина (ВМ) – это комплекс технических и программных средств для проведения вычислений, а также приёма, переработки, хранения и выдачи информации по заранее определённому алгоритму.

Вычислительный (многомашинный) комплекс – это несколько вычислительных машин или систем, информационно связанных между собой. При этом каждая вычислительная машина самостоятельно управляет своими вычислительными процессами, а информационный обмен между машинами комплекса не является интенсивным (в отличие от взаимодействия процессоров в

многопроцессорных системах).

Вычислительная система представляет собой совокупность элементов и устройств, соединенных и взаимодействующих между собой для достижения определенной цели. Часто вычислительная система задействует несколько процессоров, между которыми происходит интенсивных обмен информацией.

Информация – сведения о событиях, процессах, объектах, являющиеся предметом восприятия, передачи, преобразования, хранения.

Алгоритм – точный набор инструкций, однозначно определяющий содержание и последовательность выполнения действий для решения задачи.

Модель вычисления – определение множества допустимых операций, использованных для вычисления, а также относительных издержек их применения. Модель вычислений позволяет охарактеризовать необходимые вычислительные ресурсы, время выполнения, объем памяти, ограничения алгоритмов или компьютера. Выбор модели вычислений позволяет оценить поведение системы в целом по известному поведению ее отдельных частей.

Для наглядного представления вычислительные машины и системы изображаются в виде схем, состоящих из блоков и связей между ними.

Различают функциональные и структурные схемы. В функциональной схеме блоки выделяются по функциональному признаку в ходе функциональной декомпозиции. В структурной схеме блоки представляют собой конструктивные компоненты – устройства, операционные узлы, интегральные микросхемы.

Функция блока определяет алгоритм работы блока.

Структура показывает, как устроен блок, раскрывая его в виде схемы, содержащей блоки более низкого уровня иерархии.

Архитектура вычислительной машины представляет собой совокупность подходов и технических решений, используемых при создании вычислительной системы.

Персональный компьютер представляет собой вычислительную машину, предназначенную для личного использования, цена, размеры и возможности которого удовлетворяют запросам большого количества пользователей.

1

Классификация вычислительных машин

Существует достаточно много систем классификации ЭВМ.

Классификация по виду обрабатываемого носителя информации

В вычислительной технике сигнал является обрабатываемым носителем информации и представляется в виде изменяющейся во времени физической величины. Сигнал называется дискретным, если его величина определяется в некоторый момент времени одним из конечного набора значений.

Вид обрабатываемой информации влияет на структуру вычислительных машин (ВМ), которые в зависимости от этого делят на два основных класса: аналоговые и цифровые.

Аналоговая вычислительная машина (АВМ) – машина, оперирующая информацией, представленной в виде непрерывно изменяющихся физических величин. В качестве физических переменных могут быть использованы сила тока в электрической цепи, изменение скорости или ускорения движения тела и т. п.

Цифровая вычислительная машина (ЦВМ) – машина, оперирующая информацией, представленной в дискретном цифровом виде.

АВМ по своему характеру предназначены для решения определенных классов задач. Кроме того, аналоговая вычислительная машина зависит от типа и формы представления обрабатываемой физической величины. Поскольку все аналоговые (непрерывные) величины определяются количественно в каждый момент времени, то есть могут описываться в цифровой форме, то любая ЦВМ является универсальным логическим и вычислительным средством. Как правило, для цифровой обработки все аналоговые сигналы представляются в виде соответствующего сигнала напряжения. Для представления аналоговых сигналов в цифровой форме используются специальные устройства, называемые аналогоцифровыми преобразователями (АЦП). Устройства, выполняющие обратную функцию, т.е. преобразующие цифровой код в соответствующий аналоговый сигнал, называются цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП).

Существует также класс гибридных вычислительных машин, содержащих в своем составе блоки обработки аналоговых и цифровых сигналов соответственно. Однако такая организация вычислительного процесса усложняет архитектуру вычислительной техники за счет необходимости построения согласующих блоков. Применение гибридных вычислительных машин оправданно для решения определенного узко специализированного класса задач, в которых аналоговые величины изменяются с очень высокой скоростью, и преобразование их в цифровую форму посредством АЦП вносит неприемлемые задержки в представление сигнала.

Классификация по типу исполнения

Вычислительные машины (персональные компьютеры) делятся на стационарные и портативные. Стационарные обычно устанавливаются рабочем столе. Портативные компьютеры имеют малый вес и легко перемещаются от одного рабочего места к другому. Портативные компьютеры, в свою очередь, делятся на следующие категории:

2

∙блокнотный ПК (ноутбук, notebook) – имеет габариты большого блокнота, в корпусе которого объединены типичные компоненты ПК, включая дисплей, клавиатуру и устройство указания (обычно сенсорная панель, или тачпад), основные компоненты системного блока, а также аккумуляторные батареи. Ноутбуки отличаются небольшими размерами и весом, время автономной работы ноутбуков изменяется в пределах от 1 до 15 часов. Среди ноутбуков выделяют также:

o нетбук (netbook) – небольшой ноутбук, предназначенный для выхода

вИнтернет и работы с офисными приложениями. Отличается компактными размерами (диагональ экрана 7—12 дюймов), малым весом, низким энергопотреблением и относительно невысокой стоимостью.

o субноутбук (subnotebook) или ультрапортативный (ultraportable) компьютер обладает большинством характерных черт обычного ноутбука, но меньшими размером и весом.

o смартбук (smartbook) – небольшой ноутбук, предназначенный для выхода в Интернет и работы с офисными приложениями. Ключевая особенность – это наличие в стандартной комплектации связи 3G, как

усмартфонов.

∙планшетный персональный компьютер (tablet PC) – класс портативных персональных компьютеров, оборудованных сенсорным экраном, но с отсутствием клавиатуры. Планшетный компьютер позволяет работать при помощи стилуса или пальцев, без использования клавиатуры и мыши. Стилус (световое перо) – разновидность манипулятора, предназначенного для ввода графических данных в компьютер.

∙карманный персональный компьютер (КПК, pocket) портативное вычислительное устройство, обладающее широкими функциональными возможностями. КПК часто называют наладонником (handheld) из-за небольших размеров (помещается в карман). Изначально КПК предназначались для использования в качестве электронных органайзеров.

Внастоящий момент КПК выполняют функции телефонов и навигаторов.

Классификация по уровню специализации

По уровню специализации компьютеры делят на универсальные и специализированные. На базе универсальных компьютеров можно собирать вычислительные системы произвольного состава (конфигурации).

Специализированные компьютеры предназначены для решения конкретного круга задач. К таким компьютерам относятся, например, бортовые компьютеры автомобилей, судов, космических аппаратов. Во многих случаях с задачами специализированных компьютерных систем могут справляться и обычные универсальные компьютеры, но считается, что использование специализированных систем эффективнее. Критерием оценки эффективности является отношение производительности оборудования к величине его стоимости.

3

Основные принципы построения вычислительной машины

Основные принципы построения ЭВМ были сформулированы американским ученым Джоном фон Нейманом в 40-х годах 20 века:

1.Принцип двоичности. Для представления данных и команд используется двоичная система счисления.

2.Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определённой последовательности.

3.Принцип однородности памяти. Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления, чаще всего – двоичной). Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

4.Принцип адресуемости памяти. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

5.Принцип последовательного программного управления. Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой.

6.Принцип условного перехода. Команды из программы не всегда выполняются одна за другой. Возможно присутствие в программе команд условного перехода, которые изменяют последовательность выполнения команд в зависимости от значений данных. (Сам принцип был сформулирован задолго до фон Неймана Адой Лавлейс и Чарльзом Бэббиджем, однако он логически включен в фоннеймановский набор как дополняющий предыдущий принцип).

Любую ЭВМ образуют три основные компонента: процессор, память и устройства ввода-вывода (УВВ) (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема вычислительной машины Джона фон Неймана

4

Устройство управления (УУ) формирует адрес команды, которая должна быть выполнена в данном цикле, и выдает управляющий сигнал на чтение содержимого соответствующей ячейки запоминающего устройства (ЗУ). Считанная команда передается в УУ. По информации, содержащейся в адресных полях команды, УУ формирует адреса операндов и управляющие сигналы для их чтения из ЗУ и передачи в арифметико-логическое устройство (АЛУ). После считывания операндов устройство управления по коду операции, содержащемуся в команде, выдает в АЛУ сигналы на выполнение операции. Полученный результат записывается в ЗУ по адресу приемника результата под управлением сигналов записи. Признаки результата (знак, наличие переполнения, признак нуля и так далее) поступают в устройство управления, где записываются в специальный регистр признаков. Эта информация может использоваться при выполнении следующих команд программы, например команд условного перехода.

Устройство ввода позволяет ввести программу решения задачи и исходные данные в ЭВМ и поместить их в оперативную память. В зависимости от типа устройства ввода исходные данные для решения задачи вводятся непосредственно с клавиатуры, либо они должны быть предварительно помещены на какой-либо носитель (дисковый накопитель).

Устройство вывода служит для вывода из ЭВМ результатов обработки исходной информации. Чаще всего это символьная информация, которая выводится с помощью печатающих устройств или на экран дисплея.

Запоминающее устройство или память – это совокупность ячеек,

предназначенных для хранения некоторого кода. Каждой из ячеек присвоен свой номер, называемый адресом. Информацией, записанной в ячейке, могут быть как команды в машинном виде, так и данные.

Обработка данных и команд осуществляется посредством арифметикологического устройства (АЛУ), предназначенного для непосредственного выполнения машинных команд под действием устройства управления. АЛУ и УУ совместно образуют центральное процессорное устройство (ЦПУ). Результаты обработки передаются в память.

Архитектура вычислительных машин

Различаются Принстонскую и Гарвардскую архитектуру вычислительных машин. Эти архитектурные варианты были предложены в конце 40-х годов специалистами, соответственно, Принстонского и Гарвардского университетов США для разрабатываемых ими моделей компьютеров.

Принстонская архитектура, которая часто называется архитектурой фон Неймана, характеризуется использованием общей оперативной памяти для хранения программ, данных, а также для организации стека. Для обращения к этой памяти используется общая системная шина, по которой в процессор поступают и команды, и данные.

Архитектура современных персональных компьютеров основана на

магистрально-модульном принципе. Информационная связь между

5

устройствами компьютера осуществляется через системную шину (системную магистраль).

Шина – это кабель, состоящий из множества проводников. Количество проводников, входящих в состав шины, является максимальной разрядностью шины.

Системная шина, в свою очередь, представляет собой совокупность

∙шины данных, служащей для переноса информации;

∙шины адреса, которая определяет, куда переносить информацию;

∙шины управления, которая определяет правила для передачи информации;

∙шины питания, подводящей электропитание ко всем узлам вычислительной машины.

Системная шина характеризуется тактовой частотой и разрядностью. Количество одновременно передаваемых по шине бит называется разрядностью шины. Тактовая частота характеризует число элементарных операций по передаче данных в 1 секунду. Разрядность шины измеряется в битах, тактовая частота – в мегагерцах.

На рис. 2 представлена схема архитектуры компьютера, построенного по магистрально-модульному принципу. Такая архитектура также получила название

архитектуры фон Неймана.

Рис. 2. Архитектура компьютера, построенного по магистрально-модульному принципу

Эта архитектура имеет ряд важных достоинств.

1.Наличие общей памяти позволяет оперативно перераспределять ее объем для хранения отдельных массивов команд, данных и реализации стека в зависимости от решаемых задач. Таким образом, обеспечивается возможность более эффективного использования имеющегося объема оперативной памяти в каждом конкретном случае применения.

2.Использование общей шины для передачи команд и данных значительно упрощает отладку, тестирование и текущий контроль функционирования системы, повышает ее надежность.

Поэтому Принстонская архитектура в течение долгого времени доминировала

ввычислительной технике.

Однако ей присущи и существенные недостатки. Основным из них является необходимость последовательной выборки команд и обрабатываемых данных по общей системной шине. При этом общая шина становится «узким местом» (bottleneck – «бутылочное горло»), которое ограничивает производительность цифровой системы.

6

Гарвардская архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете с целью увеличить скорость выполнения вычислительных операций и оптимизировать работу памяти. Она характеризуется физическим разделением памяти команд (программ) и памяти данных. В ее оригинальном варианте использовался также отдельный стек для хранения содержимого программного счетчика, который обеспечивал возможности выполнения вложенных подпрограмм. Каждая память соединяется с процессором отдельной шиной, что позволяет одновременно с чтением-записью данных при выполнении текущей команды производить выборку и декодирование следующей команды. Благодаря такому разделению потоков команд и данных и совмещению операций их выборки реализуется более высокая производительность, чем при использовании Принстонской архитектуры.

Недостатки Гарвардской архитектуры связаны с необходимостью проведения большего числа шин, а также с фиксированным объемом памяти, выделенной для команд и данных, назначение которой не может оперативно перераспределяться в соответствии с требованиями решаемой задачи. Поэтому приходится использовать память большего объема, коэффициент использования которой при решении разнообразных задач оказывается более низким, чем в системах с Принстонской архитектурой. Однако развитие микроэлектронной технологии позволило в значительной степени преодолеть указанные недостатки, поэтому Гарвардская архитектура широко применяется во внутренней структуре современных высокопроизводительных микропроцессоров, где используется отдельная кэш-память для хранения команд и данных. В то же время во внешней структуре большинства микропроцессорных систем реализуются принципы Принстонской архитектуры.

Аппаратные и программные средства вычислительной машины

В современных ЭВМ реализован принцип открытой архитектуры,

позволяющий пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости её модернизацию. Конфигурацией компьютера называют фактический набор компонентов вычислительной машины, которые составляют компьютер. Принцип открытой архитектуры позволяет менять состав устройств ЭВМ. К информационной магистрали могут подключаться дополнительные периферийные устройства, одни модели устройств могут заменяться другими.

Принцип открытой архитектуры обеспечивает возможность кооперации различных фирм, специализирующихся на производстве отдельных устройств и подсистем вычислительной машины. По мере развития данного принципа существенное значение приобрело развитие международных стандартов на интерфейсы, шины, архитектуру процессоров, конструктивы и т.д. Существенным шагом в этом направлении было создание системной (материнской) платы с разъемами расширения.

7

Персональный компьютер представляет собой совокупность взаимосвязанных конструктивно обособленных устройств, основными из которых являются системный блок, монитор, клавиатура, манипулятор «мышь».

Основным по функциональному составу и стоимости является системный блок, который состоит из металлического корпуса, в котором располагаются основные компоненты компьютера. С ним соединены кабелями клавиатура, мышь и монитор. Внутри системного блока расположены:

∙микропроцессор, который выполняет все поступающие команды, производит вычисления и управляет работой всех компонентов компьютера;

∙оперативная память, предназначенная для временного хранения программ и данных;

∙системная шина, осуществляющая информационную связь между устройствами компьютера;

∙материнская плата, на которой находятся микропроцессор, системная шина, оперативная память, коммуникационные разъемы, микросхемы управления различными компонентами компьютера, счётчик времени, системы индикации и защиты;

∙блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;

∙вентиляторы для охлаждения греющихся элементов;

∙устройства внешней памяти, к которым относятся накопители на гибких и жестких магнитных дисках, дисковод для компакт-дисков, FLASH-накопители, предназначенные для длительного хранения информации.

Аппаратной основой системного блока является материнская плата – самостоятельный элемент, который управляет внутренними связями и с помощью системы прерываний взаимодействует с внешними устройствами. На материнской плате расположены все важнейшие микросхемы, а также разъемы (слоты) для подключения плат расширения. К платам расширения относятся видеокарты, звуковые карты, сетевые карты, встраиваемые модемы и др. Состав и тип плат расширения могут быть различными.

Аппаратные средства

К аппаратным средствам вычислительных систем относятся устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную конструкцию – аппаратную конфигурацию, необходимую для исполнения конкретных видов работ, можно собирать из готовых узлов и блоков.

Классификация аппаратных средств

По способу расположения устройств относительно системного блока различают внутренние и внешние устройства. Внешними, как правило, являются большинство устройств ввода-вывода данных (их также называют периферийными устройствами) и некоторые устройства, предназначенные для длительного хранения данных.

8

Внутренние аппаратные средства, представляющие собой платы расширения, классифицируются по назначению: видеокарты, звуковые карты, сетевые карты и т.д.

Внешние аппаратные средства разделяются, как правило, на устройства ввода (клавиатура, мышь, сканер) и устройства вывода (монитор, принтер).

Программные средства

Программы – это упорядоченные последовательности команд. Конечная цель любой компьютерной программы – управление работой аппаратных средств.

Состав программного обеспечения вычислительной системы называют программной конфигурацией. Между программами, как и между физическими узлами и блоками существует взаимосвязь – многие программы работают, опираясь на другие программы более низкого уровня, то есть можно говорить о межпрограммном интерфейсе. Уровни программного обеспечения представляют собой пирамидальную конструкцию. Каждый следующий уровень опирается на программное обеспечение предшествующих уровней.

Базовый уровень. Самый низкий уровень программного обеспечения представляет базовое программное обеспечение (операционную систему). Оно отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Как правило, базовые программные средства непосредственно входят в состав базового оборудования и хранятся в специальных микросхемах, называемых постоянными запоминающими устройствами (ПЗУ – Read Only Memory, ROM). Программы и данные записываются («прошиваются») в микросхемы ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации.

Операционная система (ОС) – это центральная и важнейшая часть программного обеспечения ЭВМ, предназначенная для эффективного управления вычислительным процессом, планирования работы и распределения ресурсов ЭВМ, автоматизации процесса подготовки программ и организации их выполнения при различных режимах работы машины, облегчения общения оператора и пользователя с машиной.

В тех случаях, когда изменение базовых программных средств во время эксплуатации является технически целесообразным, вместо микросхем ПЗУ применяют перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ

– Erasable and Programmable Read Only Memory, EPROM). В этом случае изменение содержания ПЗУ можно выполнять как непосредственно в составе вычислительной системы (такая технология называется флэш-технологией), так и вне ее, на специальных устройствах, называемых программаторами.

Системный уровень. Системный уровень – переходный. Программы, работающие на этом уровне, обеспечивают взаимодействие прочих программ компьютерной системы с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением, то есть выполняют «посреднические» функции.

От программного обеспечения этого уровня во многом зависят эксплуатационные показатели всей вычислительной системы в целом. Например, при подключении к вычислительной системе нового оборудования на системном

9

уровне должна быть установлена программа, обеспечивающая для других программ взаимосвязь с этим оборудованием. Конкретные программы, отвечающие за взаимодействие с конкретными устройствами, называются драйверами устройств – они входят в состав программного обеспечения системного уровня.

Другой класс программ системного уровня отвечает за взаимодействие с пользователем. Именно благодаря им он получает возможность вводить данные в вычислительную систему, управлять ее работой и получать результат в удобной для себя форме. Эти программные средства называют средствами обеспечения пользовательского интерфейса. От них напрямую зависит удобство работы с компьютером и производительность труда на рабочем месте. Совокупность программного обеспечения системного уровня образует ядро операционной системы компьютера. Если компьютер оснащен программным обеспечением системного уровня, то он уже подготовлен к установке программ более высоких уровней, к взаимодействию программных средств с оборудованием и, самое главное, к взаимодействию с пользователем. То есть наличие ядра операционной системы – непременное условие для возможности практической работы человека с вычислительной системой.

Служебный уровень. Программное обеспечение этого уровня взаимодействует как с программами базового уровня, так и с программами системного уровня. Основное назначение служебных программ (их также называют утилитами) состоит в автоматизации работ по проверке, наладке и настройке компьютерной системы. Во многих случаях они используются для расширения или улучшения функций системных программ. Некоторые служебные программы (как правило, это программы обслуживания) изначально включают в состав операционной системы, но большинство служебных программ являются для операционной системы внешними и служат для расширения ее функций.

Прикладной уровень. Программное обеспечение прикладного уровня представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых на данном рабочем месте выполняются конкретные задания. Спектр этих заданий необычайно широк – от производственных до творческих и развлекательнообучающих. Огромный функциональный диапазон возможных приложений средств вычислительной техники обусловлен наличием прикладных программ для разных видов деятельности.

Поскольку между прикладным программным обеспечением и системным существует непосредственная взаимосвязь (первое опирается на второе), то можно утверждать, что универсальность вычислительной системы, доступность прикладного программного обеспечения и широта функциональных возможностей компьютера напрямую зависят от типа используемой операционной системы, от того, какие системные средства содержит ее ядро, как она обеспечивает взаимодействие комплекса человек – программа – оборудование.

10