1. Сравнительная оценка аналоговых и цифровых вычислительных машин

2. Структура ЦВМ, принципы Неймана (с.5)

3. Структура ПЭВМ (с.10)

4. Классификация ЭВМ (с.13)

5. Оценка производительности ЭВМ (с.18)

6. Оценка эффективности ЭВМ (c.22)

7. Режимы работы ЭВМ (c.23)

8. Общие закономерности и принципы построения ЭВМ (c.25)

9. Этапы проектирования ЭВМ (с.27)

10. Логические элементы и элементы памяти ЭВМ (с.30)

11. Узлы комбинационного типа (c.32)

12. Регистры и счетчики (c.36)

12(0). Элементы памяти (ЭП) статических и динамических ЗУ (c.37)

22. Ассоциативные и многофункциональные зу (lect15add.Doc)

1. Сравнительная оценка аналоговых и цифровых вычислительных машин

В своем развитии вычислительная техника пошла двумя основными путями, временные рамки, достижения и практическое значение которых существенно различаются. В принятой в настоящее время терминологии эти пути можно называть цифровым и аналоговым.

Два принципиальных различия между аналоговыми и цифровыми машинами заключены в форме представления информации и в способе организации вычислительного процесса. Именно они обусловливают особенности принципов действия, структурной организации и технической реализации двух рассматриваемых классов ЭВМ.

Форма представления информации

В цифровых вычислительных машинах (ЦВМ), которые на начальном этапе их развития также называли вычислительными машинами дискретного действия, используют алфавитную (цифровую, дискретную) форму представления информации. То есть, в этом случае используется фиксированное множество знаков (алфавит), с помощью которого и записывается любая информация. В предельном случае, на аппаратном уровне, этот алфавит состоит всего из двух знаков: нуля и единицы.

В аналоговых вычислительных машинах (АВМ) используется аналоговая (непрерывная, модельная) форма представления информации, при которой математическим величинам в решаемых задачах ставятся в соответствие некоторые характеристики или параметры каких-либо физических процессов. Значения этих параметров и соответствуют моделируемым математическим величинам. (Поэтому АВМ называли также вычислительными машинами непрерывного действия.)

Наиболее часто используемым в аналоговых машинах моделирующим процессом является процесс протекания электрического тока постоянного напряжения в цепях, состоящих из типовых элементов и блоков: резисторов, конденсаторов, усилителей и т.п., а параметром, представляющим математические величины, в этом случае является напряжение постоянного тока. (Хотя известны случаи использования и других физических величин: пространственных координат при механических перемещениях, объемов жидкостей в протекающих потоках и т.п.)

Организация вычислительного процесса

В цифровых вычислительных машинах, как сегодня знают практически все, даже далекие от вычислительной техники лица, используется программная организация вычислительного процесса. В этом варианте решение задачи на цифровой ЭВМ сводится к выполнению последовательности шагов – команд программы, в каждом из которых выполняется либо некоторое преобразование данных, либо действие, связанное с проверкой условия, либо служебное действие, связанное с управлением самой ЭВМ.

Например, вычисление выражения y = (ax + b) / c потребует выполнения трех шагов (команд):

умножить a на x

сложить результат предыдущего действия с b

разделить результат предыдущего действия на c.

В аналоговых вычислительных машинах решение задачи осуществляется с помощью собираемой из решающих блоков машины схемы, поэтому говорят, что в АВМ имеет место схемная организация вычислительного процесса. Так, для рассмотренного выше примера схема будет иметь вид, показанный на рис. 1.

Рис.1. Схема вычисления выражения y = (ax + b) / c на аналоговой ВМ

Различия в форме представления информации и способе организации вычислительного процесса влекут за собой определенные достоинства и недостатки, свойственные двум основным видам вычислительных машин.

К достоинствам цифровых ЭВМ относят, в первую очередь:

- универсальность;

- высокое быстродействие;

- высокую точность (малую погрешность) вычислений.

Дать точное и общее определение понятию универсальности достаточно сложно. Поэтому об универсальности цифровых ЭВМ говорят в алгоритмическом смысле, имея в виду, что универсальная ЭВМ в состоянии выполнить любой алгоритм.

Однако, известно, что существуют задачи, алгоритм решения которых либо не найден, либо (что доказано) не существует. В этом заключается теоретическое ограничение универсальности цифровых ЭВМ. Кроме того, алгоритмы решения некоторых задач могут предполагать достаточно большое количество шагов и/или требовать в процессе реализации хранения большого количества данных или переменных. Решение таких задач может ограничиваться техническими возможностями ЭВМ и практически допустимыми временами решения.

Следует отметить, что у первых цифровых ЭВМ время бессбойной работы было достаточно небольшим (иногда даже несколько минут), а объемы памяти очень невелики. Очевидно, что для таких ЭВМ технические ограничения сказывались на их возможностях гораздо больше, чем теоретические.

Быстродействие цифровых ЭВМ (или более общая характеристика – производительность) оценивается различными способами (в дальнейшем этот вопрос будет обсуждаться отдельно). Наиболее простым и часто используемым параметром является количество операций, выполняемых цифровой ЭВМ в единицу времени (типовое значение этой величины составляет в первой декаде текущего столетия n*10¹⁰-10¹¹ оп/с). В целом, этот показатель отражает производительность ЭВМ, но с рядом оговорок. Так, известно, что различные операции (логические, сложение, деление) требуют для своего выполнения различного времени. Поэтому, говоря о количестве операций, выполняемых в единицу времени, следует уточнять, какие операции имеются в виду. В ряде случаях такая оценка дается для некоторой смеси операций (или команд), включающей в себя различные операции с учетом частоты их появления в программах.

Кроме того, для определенных классов задач, например, для работы с базами данных, собственно скорость выполнения операций в ЭВМ, может вносить менее важный вклад в производительность, чем скорость работы (дисковой) памяти.

Точность (погрешность) вычислений для цифровых ЭВМ определяется разрядностью обрабатываемых чисел. Типовая разрядность обрабатываемых на ЭВМ чисел составляет 4 байта, т.е., 32 двоичных разряда (с появлением 64-разрядных архитектур, начался переход к обработке 64-разрядных чисел). Как известно, погрешность при вычислениях, вызванная округлением, не превышает половины цены последнего разряда. Тогда, с учетом того, что один разряд занимает знак числа, погрешность округления 32-разрядных двоичных чисел с фиксированной запятой составляет не более 2^-33, что (если полагать приближенно 2¹⁰ = 10³) дает 0,125*10^-9 (а точнее, 0,116*10^-9).

Конечно, используя различные алгоритмические приемы, можно выполнить вычисления на ЭВМ и с гораздо более высокой точностью. Так, например, знаменитые константы π и e рассчитаны на ЭВМ с точностью до сотен тысяч знаков. Естественно, выполнение таких расчетов требует соответствующих затрат машинного времени.

Недостатком цифровых ЭВМ является, главным образом, их высокая сложность, из которой следуют:

- относительно высокая стоимость;

- сложность эксплуатации;

- сложность программирования.

Стоимость цифровых ЭВМ зависит от их класса и составляет от нескольких десятков тысяч рублей для домашних и бюджетных ЭВМ до нескольких десятков миллионов рублей для самых крупных ЭВМ и систем.

Сложность эксплуатации в целом снижается с течением времени, поскольку как таковой ремонт узлов ЭВМ выполняется, как правило, соответствующими службами производителей, а в рамках эксплуатирующих их организаций и лиц, сводится к замене неисправных блоков, если это возможно. Количество ЭВМ, обслуживаемых одним техническим сотрудником, значительно увеличилось и заметно контрастирует с десятком-полутора человек, обслуживавших одну ЭВМ третьего поколения.

Сложность программирования, выполнявшегося первоначально непосредственно в машинных кодах, после появления и последующего развития языков программирования, значительно снизилась. (Это не дало реализоваться шутливому прогнозу середины 50-х годов XX века, гласящему, что если темпы развития и использования вычислительной техники не замедляться, то через 10 лет половина населения США будет занята обслуживанием ЭВМ, а другая половина – программированием для них.) Тем не менее, написание программ для ЭВМ и сейчас требует достаточно высокой квалификации и весьма трудоемко, а главное – это то, что при создании программы требуется точно описать алгоритм решения задачи. Находить алгоритм решения задачи ЭВМ могут в очень ограниченном круге случаев.

Различные интегрированные среды разработки программного обеспечения, позволяют упростить написание стандартных кодов, связанных, по большей мере, с графическими и иными интерфейсами программ. Процесс написания тех частей программы, которые определяются непосредственно особенностями решаемой задачи, интегрированные среды могут облегчить, в основном, за счет имеющихся в них средств отладки, контроля синтаксиса типовых конструкций, параметров функций и иных сервисных возможностей.

Развитие средств программирования в направлении автоматизации написания программ на уровне алгоритмов решения задач (иногда такое направление называют интеллектуальными системами программирования или системами с искусственным интеллектом) пока еще не продвинулось в достаточной мере.

Аналоговые ЭВМ в настоящее время вытеснены цифровыми ЭВМ практически во всех сферах применения. Даже прием и формирование непрерывных сигналов часто выполняют на цифровых ЭВМ, оснащенных входными и выходными преобразователями аналоговых сигналов в цифровую форму и обратно. Это объясняется, главным образом, недостаточной универсальностью и высокой погрешностью вычислений на них, что и является ключевыми недостатками аналоговых ЭВМ.

Так, малая универсальность аналоговых ЭВМ, связана с тем, что даже большие аналоговые ЭВМ (того периода, когда они еще достаточно широко использовались) имели лишь до полутора сотен операционных блоков, которые могли соединяться в соответствующую решаемой задаче схему. Очевидно, что, решать на них можно только те задачи, для которых хватало имеющихся блоков. А это, несмотря на наличие блоков, выполнявших операции интегрирования и дифференцирования (на что цифровой ЭВМ требуются отдельные подпрограммы или программы), по нынешним меркам, совсем небольшое количество операций.

Невысокая точность аналоговых ЭВМ определяется тем, что точность изготовления элементов электронных схем (в частности, резисторов и конденсаторов) не превышает 5-10% для обычных элементов и десятых долей процента (редко точнее) для высокоточных компонент, изготавливаемых специально для аналоговых ЭВМ и различной измерительной техники (например – делители сигналов в тестерах). Измерительные приборы, с помощью которых измеряются результаты решения, также вносят свой вклад в погрешности вычислений на АВМ. Существенное влияние оказывает и температурная нестабильность параметров схем. Это и обусловливает типовую погрешность вычислений на аналоговых ЭВМ порядка 0,1-1%. В некоторых случаях может быть достигнута несколько меньшая погрешность - порядка сотых долей процента.

Одним из недостатков аналоговых ЭВМ является также относительная трудоемкость перехода от решения одной задачи к другой, так как такой переход сопровождается построением новой схемы решения (новой коммутации решающих блоков).

К достоинствам аналоговых ЭВМ можно отнести:

- относительную простоту;

- высокое быстродействие.

Относительная простота аналоговых ЭВМ связана, в основном, с меньшим количеством электроники в них, что, в свою очередь, определяется ограниченным набором и количеством выполняемых ими операций при решении задачи, что указывалось выше.

Высокое быстродействие аналоговых машин объясняется тем, что сам процесс решения задачи представляет собой некоторый переходный процесс в электронной схеме (если речь идет об электронных аналоговых машинах), в течение которого на выходе (выходах) схемы решения задачи устанавливаются соответствующие напряжения. Т.е., теоретически, быстродействие аналоговой ЭВМ может быть выше быстродействия цифровой ЭВМ.

Тем не менее, несмотря на утрату аналоговыми машинами своих позиций, следует понимать, что сам принцип моделирования, положенный в основу их построения, не может быть полностью исключен из теории и практики построения средств вычислительной техники.

Кроме того, определенную аналогию со схемной организацией вычислительного процесса в аналоговых ЭВМ можно увидеть в цифровых ЭВМ, управляемых потоками данных (о них речь пойдет позже), в которых получение результатов выполненных операций запускает, при наличии свободных операционных блоков, выполнение операций, использующих полученный результат.

Следует также указать и на существование класса ЭВМ, сочетающих в себе черты аналоговых и цифровых ЭВМ. Такие машины получили название гибридных, или комбинированных, ЭВМ.

В заключение приводится таблица, в которую сведены обсуждавшиеся выше пункты.

	Цифровые ЭВМ	Аналоговые ЭВМ
Достоинства	Универсальность Высокое быстродействие Высокая точность	Относительная простота Высокое быстродействие
Недостатки	Высокая стоимость Сложность эксплуатации Сложность программирования	Малая универсальность Высокая погрешность