инфопособие2013

Все более доступными становятся внешние переносные жесткие диски (рис. 6.12).

Рис. 6.12. Внешние жесткие диски

Ёмкость перенсонсых жестких дисков достигает 1 ТБ, для присоединения к компьютеру используется USB-порт, скорость передачи данны около 60 МБ/с.

Контрольные вопросы и задания

1.Что такое память компьютера?

2.В каких единицах измеряется память?

3.По какому принципу устроена память ПК? Что он означает?

4.Зачем нужны шины данных и шины адресов?

93

5.Что такое разрядность шины?

6.Какие операции можно производить с памятью компьютера?

7.Назовите основные характеристики памяти.

8.Для сего служат дополнения шин адреса и памяти запрос чтения и запрос записи?

9.Назовите виды памяти и их назначение.

10.Для чего нужна СВОП?

11.Назовите виды внешних запоминающих устройств.

12.На какие два типа можно разбить внешние запоминающие устройства?

13.По каким признакам можно классифицировать виды памяти?

14.Какие преимущества дает компьютеру наличие кэш-памяти?

15.Сравните характеристики ОЗУ и ПЗУ.

17. Какими свойствами ПЗУ обладает флэш-память?

19.Какие виды памяти входят в состав современного персонального компьютера?

20.Подготовьте сообщение или реферат на тему:«Виды памяти современных ПК».

94

Глава 7.СОВРЕМЕННАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

7.1Формы представления информации

Всовременной вычислительной технике основной формой представления информации являются электрические сигналы, допускающие в случае использования две формы представления –

аналоговую и дискретную (рис. 7.1).

)

)

Рис. 7.1. Формы представления электрического сигнала: а) аналоговая; б) дискретная

95

В первом случае величина напряжения является аналогом значения некоторой переменной. Например подача на вход напряжения 1,892 В эквивалентна вводу числа 18,92 ( при масштабе 0,1) Во втором случае эта величина представляется в виде нескольких напряжений, эквивалентных числу единиц в представляемом значении переменной. При аналоговом представлении информации, представляемые величины могут принимать любые допустимые значения из заданного диапазона, плавно, без разрывов переходя от одного значения к другому. При дискретном представлении информации значения измеряемых величин носят дискретный (конечный) характер в измеряемом диапазоне.

Обе формы представления информации имеют свои достоинства и недостатки. Так, при создании вычислительной техники аналогового типа требуется меньшее число компонент (ибо одна измеряемая величина представляется одним сигналом), но сложность ее быстро возрастает за счет необходимости различать значительно большее число (вплоть до бесконечности) состояний сигнала. Преимуществом аналоговой техники является то, что она более интеллектуальна и производительна за счет возможности легко интегрировать сигнал, выполнять над ним любое функциональное преобразование. Эта и ряд других особенностей позволяет решать ей ряд классов задач во много раз быстрее дискретной ВТ.

Недостатками аналоговой формы представления информации являются сложность реализации устройств для ее логической обработки, длительного хранения и высокой точности измерения.

Поэтому аналого-вычислительные машины (АВМ) предназначены для решения задач, описываемых системами дифференциальных уравнений: управление непрерывными процессами, моделирования в гидро- и аэродинамике, исследование динамики сложных объектов, электромагнитных полей, параметрическая оптимизация и оптимальное управление и др. При этом АВМ не могут решать задачи, связанные с хранением и обработкой больших объемов информации различного характера, обеспечивать высокую точность результатов и т. п., с которыми легко справляются цифровые вычислительные машины (ЦВМ), использующие дискретную форму представления информации.

Применяемую в настоящее время всю современную вычислительную технику можно разделить в зависимости от типа используемых сигналов на три вида: аналоговые вычислительные машины, цифровые вычислительные машины и гибридные вычислительные машины

(ГВМ), соединяющие в себе свойства АВМ и ЦВМ.

96

7.2. Аналоговая вычислительная техника

Свое начало аналоговая вычислительная техника (АВТ) берет в то же время, что и цифровая. Одной из первых аналоговых машин можно считать астролябию. Однако особенно интенсивное развитие она получила с середины 50-х гг. ХХ века, одновременно с бурным развитием цифровой техники. Толчком для этого послужило создание

стабилизированного операционного усилителя постоянного тока. Этот усилитель позволил создавать функциональные блоки отвечающие необходимым требованиям для решения определенного класса задач и выполняющих разнообразные математические операции: арифметические, интегрирование, дифференцирование, воспроизведение функций одной и двух переменных и др.

ВСССР в создании АВТ принимали участие такие известные ученые как Л.И. Гутенмахер, В.А. Трапезников, И.М. Витенберг, Б.Я. Коган, Г.Е. Пухов и др. В настоящее время как у нас в стране, так и за рубежом продолжаются разработки в области АВТ, однако эти исследования не так широко представляются, как исследования в области ЦВМ в связи с тем, что используются и предназначены АВМ для решения научных и технических задач и не являются источником проведения досуга.

Вотличие от дискретной в основе АВТ заложен принцип моделирования, а не счета. При использовании в качестве модели некоторой задачи электронных цепей, каждой переменной величине задачи ставится в соответствие определенная переменная величина электронной цепи. При этом, основой построения такой модели является изоморфизм (подобие) исследуемой задачи и соответствующей ей электронной модели.

Из теории моделирования известно, что идентичность двух математических зависимостей изучаемого объекта и его модели не обеспечит абсолютной аналогичности их поведения. Для обеспечения возможности моделирования изучаемого объекта необходимо соблюдать определенные критерии подобия, позволяющие по значениям параметров модели определять значения соответствующих величин исследуемого объекта. В большинстве случаев при определении критериев подобия используются специальные приемы масштабирования соответствующих значений параметров модели и переменных задачи, т. е. АВМ реализует

модель, изоморфную исследуемой задаче.

Согласно своим вычислительным возможностям АВМ наиболее приспособлены для исследования объектов, динамика которых описывается обыкновенными и в частных производных уравнениями, а также алгебраическими и некоторыми другими типами уравнений. Следовательно, относительно класса решаемых задач АВМ носят специальный характер в отличие от ЦВМ, предназначенных для задач универсального характера. Современные АВМ также, как и ЦВМ, можно

97

разбить на три класса: специального, общего и персонального

назначения.

Специальные АВМ ориентированы на решение отдельных задач или одного класса задач, описываемых, как правило, обыкновенными дифференциальными уравнениями в форме задачи Коши с начальными условиями. Они используются в основном как управляющие, бортовые и ориентированные на решение отдельных задач.

АВМ общего назначения служат для решения широкого класса задач моделирования. Эти машины используются для решения задач, описываемых уравнениями в частных производных. (задачи гидро- и аэродинамики, теплопроводности и др.).

АВМ общего назначения условно делятся на три класса по их возможности решать задачи, описываемые уравнениями п-го порядка: малые (п 10, к ним относятся МН-10М, АВК-31, МПТ-9); средние

(10 п 20 – АВК-2(2), АВК-32, PACER-600) и большие (п>20 –АВК-2(5), ЭМУ-200, PACER-700).

Персональные АВМ, они производятся в настольном и напольном вариантах с использованием современных электронных технологий, что позволяет решать на них широкие классы задач математического моделирования относительно невысокой размерности. В последние годы так же, как и в области дискретной техники, здесь наметилась персонализация АВМ, о чем свидетельствует рост их производства и разнообразие моделей, например MEDA (Чехия), EAI, Dornier (США).

7.2. Основные характеристики АВМ

Точность ЦВТ определяется ее разрядностью, а точность вычислений на АВМ ограничена и определяется качеством изготовления элементной базы и основных узлов. Поэтому точность решения задач на АВМ находится в пределах 0,1 – 6 % или в числовом диапазоне 0,0001 – 1 т. е. на уровне большинства физических и инженерно-технических задач.

Тогда как для целого класса задач производительность АВМ существенно превышает аналогичный показатель для ЦВМ. Это объясняется параллельным принципом решения задач на АВМ, когда результат решения получается мгновенно и одновременно во всех точках модели. Данная особенность делает весьма целесообразным использование АВМ в замкнутых системах автоматического регулирования и для решения задач в режиме реального времени. Вместе с тем, специфика решения задач на ЦВМ состоит в том, что она часто связана с оптимизацией параметров, изменением исходных данных и просмотром многих вариантов решения. Поэтому в основу сравнения

98

производительности АВМ и ЦВМ целесообразно класть время решения аналогичных задач, при этом предполагается одинаковая точность, устанавливаемая по АВМ. Быстродействие АВМ оценивается количеством эквивалентных операций в секунду ЦВМ, решающей ту же задачу за то же время и с той же точностью. Оценки эквивалентного быстродействия АВМ, проведенные фирмой EAI (США) и НИИсчетмаш, показали значительное превосходство АВМ перед ЦВМ по данному показателю.

Широкое применение АВМ, особенно в системах управления, (включая бортовые на космических аппаратах), требует повышенной надежности, обеспечиваемой коснтруктивно-технологическими решениями. В специальных управляющих АВМ предусматривается частичное или полное резервирование их узлов. На современном уровне развития АВТ и ЦВТ их надежностные показатели практически совпадают. Используя в своей работе непрерывную логику, АВМ способны выполнять лишь ограниченный набор логических операций (выбор минимакса, условные переходы и др.), существенно уступая ЦВМ в решении задач логического характера. Вместе с тем АВМ имеют существенные преимущества перед ЦВМ при использовании их в системах автоматического регулирования и управления, т. е. при создании широкого класса АСУТП. В этом случае АВМ допускают значительно более простой интерфейс с контрольно-измерительной аппаратурой, работающей, как правило, с информацией непрерывного характера. Процесс подготовки задачи для решения на АВМ существенно проще аналогичной работы для ЭВМ, так как не требует специальных знаний по программированию и методам алгоритмизации. Вполне достаточно профессиональных знаний в своей области и освоения несложной методики моделирования на АВМ.

7.3. Гибридная вычислительная техника

Это класс вычислительных средств, использующий как аналоговую, так и дискретную формы представления и обработки информации, их архитектура – это аналоговая ВТ в дискретной и наоборот.

Наиболее яркими представителями гибридной вычислительной техники являются:

АВМ, использующие цифровые методы численного анализа (ИТЕРАТОР-1);

АВМ, программируемые с помощью ЦВМ. Для них на ЦВМ создаются программы, позволяющие вычислять все масштабные коэффициенты и другие исходные данные для настройки АВМ для решения задачи, например, программа Apache;

99

АВМ с цифровым управлением и логикой. Используют цифровые логические схемы для управления решением задач аналоговыми методами (HYDAC);

АВМ с цифровыми элементами (цифровые вольтметры, функциональные преобразователи, запоминающие устройства и т. д.);

АВМ с ЦВМ в качестве периферийного оборудования – здесь небольшая ЭВМ под управлением большой АВМ служит для решения специальных классов моделирования;

собственно ГВМ – содержат в достаточном объеме как аналоговые, так и цифровые узлы для обеспечения самых широких классов задач, решаемых отдельно только АВМ или ЦВМ. Такое соединение дает машины нового качества;

ЦВМ с АВМ в качестве периферийного оборудования; ЦВМ с аналоговыми арифметическими устройствами служат

для увеличения быстродействия ЦВМ путем распараллеливания ряда операций аналоговыми средствами;

ЦВМ, допускающие программирование аналогового типа, так

средствами, для пользователя АВТ; программирование на них подобно решению задачи на АВМ (например Fortran-подобные системы MIMIC и CSMP).

К машинам типа ГВМ относятся: Comcor, EAI, ADI, PACER (США); MIDA, ADT, HRA, (Чехия, ГДР); Dornier(Германия); АВК-32, АЦВС-33,

АЦВК-3, ГВС-100 (СССР).

ГВМ используются для анализа и обработки данных экспериментов, проводимых на реальных технических или медико-биологических системах, для решения задач нелинейного и линейного программирования, оптимального управления, краевых задач, систем нелинейных уравнений, линейных корректных и некорректных задач. Они позволяют моделировать системы дискретные и с распределенными параметрами, человеко-машинные системы и случайные процессы, оптимизировать сложные системы, проводить исследования в авиации, космической технике, решать задачи АСУТП, медико-биологические и физикотехнические, вычислительной математики и др. Следует отметить, что гибридная вычислительная техника развивается по тем же законам, что и дискретная. Современным ГВМ требуется многопроцессорная аналоговая часть, они допускают расширения своих возможностей за счет копмлексирования базовых комплектов (HYSHARE– до 6 АВМ типа EAI2000, «Русалка» до 7 АВМ типа ЭМУ-200). В свою очередь, создание ГВТ служит толчком для развития ЦВМ нефоннеймановского типа,

100

использующих распараллеливание операций и имеющих нетрадиционную архитектуру.

Также как ЦВМ и АВМ ГВТ можно разделить на специальные,

общего назначения и персональные.

Дискретная вычислительная техника, ее устройство, назначение и применение были рассмотрены ранее, ниже в табл. 7.1. приведены сравнительные характеристики АВМ и ЦВМ.

Из табл. 7.1. видно, что при решении определенного вида задач, применение аналоговой техники предпочтительнее.

Таблица 7.1.

Сравнительные характеристики цифровой и аналоговой вычислительной техники

7.4Персональные компьютеры

Вучебном пособии автора по информатике 2003 года [4], была представлена следующая информация, поясняющая что можно было на тот момент считать персональным компьютером и разновидности таких компьютеров:

«Персональные компьютеры – это небольшие ЭВМ, основой которых служит процессор, иначе говоря, его можно было бы назвать микроЭВМ, но отличие ПК от микроЭВМ в том, что она может быть направлена на решение только одной задачи, например на регулирование подачи топлива в автомобильный двигатель, т. е. микроЭВМ предназначены для решения узких задач.

ПК представляет индивидуальному пользователю самые разнообразные возможности, которые расширяются с развитием компьютерной техники. Поэтому ПК можно представлять как систему, обладающую как минимум следующими характеристиками:

1.Стоимость всей системы доступна рядовому пользователю.

2.В состав системы входит периферийная память в виде дискет или компакт-дисков, либо она может подключаться к аналогичным устройствам других систем.

3.Микропроцессор способен работать с памятью объемом не меньше 64 КБ (память современных ПК, как уже указывалась, исчисляется ГБ и ТБ).

4.ПК способен работать с программами, написанными, по крайней мере, на одном из языков программирования высокого уровня (Кобол, Паскаль и т. п.).

5.В программное обеспечение должна обязательно входить операционная система.

6.ПК рассчитаны на широкую продажу.

7.Система достаточно универсальна, что дает возможность выполнить обширный набор программ для различных приложений.

Эти характеристики ПК, не являются окончательными, с развитием ПК они будут, несомненно, меняться»

В настоящее время такие характеристики ПК кажутся архаичными. Класс персональных ЭВМ сегодня складывается из весьма разнообразных видов машин – от настольных систем до карманных компьютеров. Компьютеры встроены в телевизоры, кухонную технику, устройства управления автомобилей и медицинскую технику. Появилось понятие «умный дом». Дом, который может управляться удаленно с помощью интернет-технологий.

102