упрощать процесс создания программных средств путем автоматизации синтеза программ по спецификации исходных требований на естественных языках; усовершенствовать инструментальные средства разработчиков;
улучшить основные характеристики и эксплуатационные качества ЭВМ,
обеспечить их разнообразие и высокую адаптируемость к приложениям. В середине 80-х гг. XX в. в Японии был создан первый нейрокомпьютер, моделирующий структуру человеческого мозга. Основная область его применения – распознавание образов. Созданием элементов, аналогичных нейронам, и их объединением в функционирующие системы занимается нейрокибернетика.
Контрольный тест
Автором проекта первой автоматической вычислительной машины (Аналитической машины) является… Чарльз Бэббидж Блез Паскаль Михаил Ломоносов Джон фон Нейман
Лучшей отечественной ЭВМ 2-го поколения считается… БЭСМ-6 МЭСМ Феликс Стрела
Архитектуры ЭВМ. Принципы работы вычислительной системы
Архитектура компьютера — логическая организация и структура аппаратных и программных ресурсов вычислительной системы.
В настоящее время наибольшее распространение в ЭВМ получили 2 типа архитектуры: принстонская (фон Неймана) и гарвардская (Эйкена). Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.
Удачное решение, предложенное фон Нейманом, используется сегодня в большинстве компьютерных систем. Однако для управляющих контроллеров (микро-ЭВМ) более удобной оказалась схема, при которой данные и программы хранятся в различных разделах памяти (гарвардская архитектура).
55
Среди архитектур по различным признакам выделяют:
По разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-, 86разрядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности);
По особенностям набора регистров, формата команд: постоянной длины у
RISC (Reduced Instruction Set Computer — компьютер с сокращѐнным набором команд), MISC (Minimal Instruction Set Computer) архитектур и CISC (Complex Instruction Set Computing) архитектур. Типичными представителями архитектуры CISC являются процессоры на основе x86 команд (исключая современные Intel Pentium 4, Pentium D, Core, AMD Athlon, Phenom, которые являются гибридными) и
процессоры Motorola MC680x0.);
По количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные;
многопроцессорные по принципу взаимодействия с памятью: симметричные многопроцессорные (SMP), масcивно-параллельные (MPP), распределенные.
Классифицировать архитектуру ЭВМ согласно числу потоков команд и данных:
1.Вычислительная система с одним потоком команд и данных (однопроцес-
сорная ЭВМ – SISD, Single Instruction stream over a Single Data stream).
2.Вычислительная система с общим потоком команд (SIMD, Single Instruction, Multiple Data – одиночный поток команд и множественный поток данных используются как графические расширения в современных процессорах и видеокартах).
3.Вычислительная система с множественным потоком команд и одиночным потоком данных (MISD, Multiple Instruction Single Data – конвейерная мно-
гопроцесорная ЭВМ).
4.Вычислительная система с множественным потоком команд и данных
(MIMD, Multiple Instruction Multiple Data – суперкомпьютер типа кластер-
ной системы – независимый набор процессоров и памяти).
Наличие заданного набора исполняемых команд и программ было характерной чертой первых компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют с целью упрощения конструкции вычислительного устройства. Так, настольные калькуляторы, в принципе, являются устройствами с фиксированным набором выполняемых программ. Их можно использовать для математических расчѐтов, но невозможно применить для обработки текста и компьютерных игр, для просмотра графических изображений или видео.
При помощи вычислений компьютер способен обрабатывать информацию по определѐнному алгоритму. Любая задача для компьютера является последовательностью вычислений.
Английским математиком Аланом Тьюрингом было доказано, что компьютеры могут решить не любую математическую задачу.
56
Устройство ввода |
|
|
|
Оперативная память |
|
||
Клавиатура |
|
|
|
ОЗУ, Кэш память |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Внешняя |
|
|
Центральный про- |
|
||||
|
|
|
память- |
||||
|
|
цессор: АЛУ,УУ |
|
||||
|
|
|
магнит- |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ный диск |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Устройство вы- |
|
|
|
Постоянная па- |
|
|
|
водаМонитор |
|
|
|
мять ПЗУ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В общем случае, когда говорят об архитекту-
ре фон Неймана, под-
разумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.
Принципы фон Неймана
1.Принцип использования двоичной системы счисления для представления данных и команд.
Это было сделано преимущественно для простоты технической реализации выполнения арифметических и логических операций. До этого машины хранили и обрабатывали данные в десятичном виде.
2. Принцип программного управления.
Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной 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.
Сам принцип был сформулирован задолго до фон Неймана Адой Лавлейс и Чарльзом Бэббиджем, однако он добавлен в общую архитектуру.
В большинстве современных компьютеров проблема сначала описывается в обычном, например, математическом виде (при этом вся необходимая информация представляется в двоичной форме, хотя существовали и компьютеры на троичной системе счисления, например, «Сетунь» российского ученого Н.П. Брусенцова), после чего действия по еѐ процессорной обработке сводятся к применению простой алгебры логики. Поскольку практически вся математика может быть сведена к выполнению булевых операций, достаточно быстрый электронный компьютер может быть применим для решения большинства математических задач, а также и большинства задач по обработке информации, которые могут быть сведены к математическим.
57
Контрольный тест |
|
|
|
|
Процессоры на основе x86 команд вплоть до Pentium 4 |
имели _________ ар- |
|||
хитектуру. |
|
|
|
|
CISC |
RISC |
MIMD |
конвейерную |
|
Конвейерной обработке данных наиболее соответствует архитектура ЭВМ MISD – множественный поток команд и одиночный поток данных SIMD – одиночный поток команд и множественный поток данных SISD – один поток команд, один поток данных
MIМD – множественный поток команд, множественный поток данных
Гарвардская архитектура вычислительной системы отличается от принстонской …
раздельной памятью для команд и данных принципом программного управления принципом однородности памяти принципом адресности
Согласно классификации параллельных архитектур по Флинну ЭВМ, построенные по принципам фон Неймана, относят к типу …
SISD – один поток команд, один поток данных
SIMD – одиночный поток команд и множественный поток данных MISD – множественный поток команд и одиночный поток данных MIМD – множественный поток команд, множественный поток данных
Состав и назначение основных элементов персонального компьютера.
Любая ЭВМ состоит из следующих основных устройств: процессор (3), память (4) (внутренняя и внешняя) и устройства ввода и вывода информации. Процессор является главным устройством компьютера, в котором собственно и происходит обработка всех видов информации. Другой важной функцией процессора является обеспечение согласованного действия всех узлов, входящих в состав компьютера.
Соответственно наиболее важными частями процессора являются арифме- тико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ):
58
Каждый процессор способен выполнять вполне определенный набор универсальных инструкций, называемых чаще всего машинными командами. Работа ЭВМ состоит в выполнении последовательности таких команд, подготовленных в виде программы. Процессор способен организовать считывание очередной команды, ее анализ и выполнение, а также при необходимости принять данные или отправить результаты их обработки на требуемое устройство. Выбрать, какую инструкцию программы исполнять следующей, также должен сам процессор, причем результат этого выбора часто может зависеть от обрабатываемой в данный момент информации.
Хотя внутри процессора всегда имеются специальные ячейки (регистры) для оперативного хранения обрабатываемых данных и некоторой служебной информации, в нем сознательно не предусмотрено место для хранения программы. Для этой важной цели в компьютере служит другое устройство - память. Память в целом предназначена для хранения как данных, так и программ их обработки: согласно фундаментальному принципу фон Неймана, для обоих типов информации используется единое устройство.
Начиная с самых первых ЭВМ, память сразу стали делить на внутреннюю и внешнюю. Исторически это действительно было связано с размещением внутри или вне процессорного шкафа. Под внутренней памятью современного компьютера принято понимать быстродействующую электронную память, расположенную на его системной плате.
Сейчас такая память изготавливается на базе самых современных полупроводниковых технологий. Наиболее существенная часть внутренней памяти называется оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Его главное назначение состоит в том, чтобы хранить данные и программы для решаемых в текущий момент задач. При выключении питания содержимое ОЗУ полностью теряется. В состав внутренней памяти входит также постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), в котором, в частности, хранится информация, необходимая для первоначальной загрузки компьютера в момент включения питания. Информация в ПЗУ не зависит от электропитания.
Внешняя память реализуется в виде разнообразных устройств хранения информации и оформляется в виде самостоятельных блоков. Сюда относятся накопители на гибких дисках (дискета) и жестких магнитных дисках (винчестер), а также оптические дисководы (устройства для работы с СD). В конструкции устройств внешней памяти имеются механически движущиеся части, поэтому скорость их работы существенно ниже, чем у полностью электронной внутренней памяти. Внешняя память позволяет сохранить огромные объемы информации с целью последующего использования.
Для получения информации о результатах обработки информации существует устройство вывода - монитор, которое позволяет представить их в доступной человеческому восприятию форме. Для того чтобы получить копию результатов на бумаге, используют печатающее устройство, или принтер. Для ввода в компьютер новой информации необходимы устройства ввода. Простейшим устройством ввода является клавиатура, широкое распространение программ с графическим интерфейсом способствовало популярности
59