1. Устройства, входящие в состав эвм

2. Повышение эффективности работы аппаратуры ЭВМ

3. Мультипрограммный режим работы ЭВМ

4. Развитие операционных систем

5. Режимы использования ЭВМ

6. Основные тенденции в развитии ЭВМ

ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ И СОСТАВ ЭВМ

Любая научная, производственная, культурная, хозяйственная и иная деятельность общества связана с обработкой информации. Явления природы, исторические события, результаты хозяйственной и производственной деятельности человека должны быть качественно и количественно описаны, проанализированы и спрогнозированы. До середины 40-х годов текущего столетия объем информационного потока и аналитический уровень его исследований позволяли даже инженерам и научным работникам обходиться без средств автоматизации вычислений, за исключением арифмометров и логарифмических линеек. Позже, в связи с быстрым развитием науки и техники, в первую очередь ядерной физики, ракетно-авиационной и космической техники, автоматизация вычислений становится неизбежной.

Вычислительная машина прежде всего появилась как средство автоматизации вычислений.

Информацияесть набор сведений о любом событии, явлении, процессе, состоянии, объеме и количестве объектов исследований. Основная часть информации хранится в какой-либо форме в памяти; небольшая ее часть при востребовании изымается из памяти и передается в виде сообщений в то место, где она будет обработана.

Подобная модель информационного состояния справедлива как при ручной, так и при автоматической обработке информации. И в том, и в другом случаях нужны память для ее хранения, средства для изъятия из памяти необходимой ее дозы, средства для обработки информации и, наконец, средства для обратного вложения результата обработки в память. При ручной работе средствами обработки, передачи и хранения информации на каждом этапе могут быть библиотека книг (знаний), отдельные разделы востребованной книги, бумага и пишущие средства для записи прочтенной информации, ее обработки и записи новой информации, средства для печати, издания новых книг и размещения их в библиотеках.

В системах автоматической обработки информации сообщения передаются по линиям связи в форме электрических сигналов напряжения или тока. Сигналы могут быть непрерывными (аналоговыми) или дискретными (цифровыми).

Непрерывное, аналоговое представление информации предполагает полное адекватное соответствие между сообщением и его электрическим аналогом в линиях связи. Сообщениями могут быть температура окружающей среды, скорость движения объекта, количество складируемой продукции и любые другие значения физических величин, передаваемые в определенном масштабе в виде электрических величин.

Очевидно, что средства автоматического преобразования и хранения информации при аналоговых сообщениях должны быть также аналоговыми, т. е. они должны быть средствами электрического моделирования исследуемых закономерностей. Вычислительные машины, выполняющие такое моделирование, называют аналоговыми(АВМ).

Дискретные цифровые сообщения принципиально отличаются от аналоговых. Электрические сигналы таких сообщений передают не модель значений самой величины, а модель числового ее эквивалента. Любое число состоит из набора разрядов, поэтому дискретное сообщение может иметь количественную характеристику: сколько разрядов передается по линиям связи и сколько при этом используется таких линий. Дискретная модель разрядов, в свою очередь, также может иметь количественную характеристику.

Принятые дискретные сообщения запоминаются и обрабатываются в цифровых устройствах, т. е. в устройствах, оперирующих с моделями чисел. Совокупность таких устройств образует цифровую вычислительную машину (ЦВМ). Элементную основу цифровых устройств составляют электронные схемы, обеспечивающие необходимое быстродействие, технологичность и массогабаритные характеристики. Этот фактор оказался настолько важным, что вошел в аббревиатуру наименования цифровых машин, поэтому чаще цифровые машины именуются как электронные вычислительные машины (ЭВМ). Понятие «цифровые» здесь только подразумевается.

Электронные вычислительные машины по сравнению с аналоговыми обладают чрезвычайно важным свойством: они могут выполнять преобразования с любой заданной точностью, определяемой числом разрядов. Естественно, чем выше точность вычислений, тем больше требуется для этого аппаратуры. Разные классы ЭВМ решают задачи с разной точностью в зависимости от их назначения, не у всех у них точность вычислений назначена с существенным запасом.

В отличие от аналоговых цифровые преобразования выполняются последовательно, т. е. операция за операцией. В связи с эти ЭВМ обладают еще одним замечательным свойством – последовательность вычислений (операций) и ввода/вывода информации у них автоматизирована, и для этого заранее составляется программа последовательности вычислений и ввода/вывода.

Широкое развитие вычислительной техники, внедрение ЭВМ все все сферы деятельности общества, достигнутая простота общения с ЭВМ привели к тому, что ЭВМ используются не только и не столько как вычислительные средства, а как средства логического анализа массивов данных и управления ими.

Усовершенствование каналов обмена, высокая скорость обработки информации позволили включать ЭВМ в состав систем управления объектами и возник, таким образом, особый класс управляющих машин, работающих в режиме реального времени.

Устройства, входящие в состав ЭВМ, выполняют или основные:

или вспомогательные функции.

К устройствам, выполняющим основные функции, относят: процессорные устройства (процессоры),выполняющие заданную программой последовательность операций и организующие обращение к памяти за данными и программными строками, а также запись в память результатов операций;оперативные запоминающие устройствадля оперативного хранения программ, исходных данных, промежуточных и окончательных результатов операций;

устройства обмена,реализующие программы обмена и организующие обмен с периферийными устройствами.

К устройствам, выполняющим вспомогательные функции, относят устройства электропитания, технические пульты, устройства сопряжения с внешними источниками и потребителями информации.

Непосредственно участвуют в вычислительном процессе периферийные устройства, из которых, прежде всего следует отметить внешнюю память большого информационного объема и дисплейные станции (дисплеи) для работы в диалоговом режиме.

Характеристики любых устройств, выполняющих преобразования над числами, существенно зависят от принятой системы их представления, т. е. от системы счисления. Следует отметить следующие особенности цифровых ЭВМ:

– все действия выполняются над числовыми эквивалентами, представленными в соответствии с принятой системой счисления в виде совокупности цифровых значений разрядов. В зависимости от числа разрядов может быть достигнута любая точность вычислений;

– арифметические и логические преобразования над цифровыми значениями разрядов носят дискретный характер;

– большинство преобразований в разрядах одинаковые. С учетом также идентичности преобразований над числами в разных устройствах имеет место широкая применяемость используемых в ЭВМ элементов, узлов и устройств цифровых преобразований;

– все действия над числами выполняются последовательно во времени, поэтому в ЭВМ широко используется память для хранения исходных данных, промежуточных и окончательных результатов вычислений. При этом быстродействие ЭВМ существенно зависит от времени выполнения операций над числами и от времени обращения к памяти;

– ЭВМ представляет собой высокоорганизованную автоматизированную систему, в которой автоматизирован не только сам процесс выполнения операций над числами, но и последовательность их выполнения. Эта последовательность может видоизменяться в зависимости от результатов операций, а также внешних и внутренних условий выполнения последовательности. Автоматизирован также ввод исходных данных и вывод результатов вычислений;

– для автоматизации последовательности вычислений заранее составляется и записывается в память ЭВМ программа решения задач, определяющая эту последовательность;

– дискретный характер вычислений и работы устройств, наличие памяти позволяют при определенных условиях организовать одновременное выполнение на ЭВМ нескольких независимых друг от друга программ;

– все задачи в ЭВМ решаются численными методами с заранее задаваемой точностью.

Несмотря на некоторые различия ЭВМ, вызванные в основном условиями их применения (производительность, точность, надежность и т. д.), следует отметить их универсальность: на одной и той же ЭВМ можно решать самые разнообразные задачи. Для решения новой задачи достаточно перейти к новой программе, заранее введенной в память ЭВМ. В крайнем случае новую программу и исходные данные для обработки следует ввести в память ЭВМ взамен использованных. Все основные и вспомогательные устройства, система информационных связей между устройствами остаются при этом неизменными. Под даннымиздесь понимаются те цифровые дискретные сообщения, т. е. те цифровые коды или слова, которые подлежат обработке в соответствии с вводимой программой. Программы подготавливаются и затем вводятся, как и исходные данные, в память ЭВМ. Они составляются в виде организованной особым способом последовательности цифровых кодов.

ЭВМ могут отличаться друг от друга конструктивным исполнением, производительностью, точностью, количественным составом устройств по каждому типу, способом ввода/вывода информации и другими особенностями, но все они содержат не менее трех основных функциональных устройств: процессорное устройство (процессор), внешнюю память большого объема, канал обмена с внешней памятью и устройствами ввода/вывода информации (УВВ).

Процессор(Пц) – основное главное устройство, управляющее работой всей ЭВМ на основе анализа программных слов. В состав Пц входятарифметическо-логические устройства(АЛУ), выполняющие арифметические и логические операции над данными,оперативная память(ОЗУ) и небольшая быстродействующаясверхоперативная память(СОЗУ) для промежуточного хранения исходных данных и результатов операций, а такжеустройство управления (УУ) для управления взаимодействием составных частей ЭВМ. Любые дискретные слова, над которыми выполняются операции, называютоперандами.Программа, составленная на основеалгоритмарешения задачи, определяющего последовательность выполнения операций, состоит из командных слов. В каждом командном дискретном слове или, короче,команде,записываются адреса расположения операндов в памяти, код операции (КОП) над операндами, адрес расположения результата операции в памяти и ряд дополнительных кодовых управляющих сообщений.

Команда как элемент программы является основным управляющим словом, задающим ход вычислительного процесса в соответствии с алгоритмом решения задачи. Устройство управления анализирует команды, определяет состояния вычислительного процесса, по мере необходимости модифицирует команды и вырабатывает необходимые для реализации алгоритма управляющие сигналы или коды. Изложенная организация работы ЭВМ свидетельствует о том, что ЭВМ относится к классу систем программного управления,а непосредственный инициатор выполнения очередной операции – команда.

Организационные принципы работы ЭВМ были сформулированы американским математиком Фон Нейманом в 1945 г., в период создания первых электронных вычислительных машин с программным управлением. Пять пунктов этих принципов состоят в следующем:

1. Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на элементы, называемые словами.

2.Слова разного назначения при обращении к ним различаются не способом кодирования, а по необходимости использования.

3. Слова размещаются в памяти и идентифицируются (определяются) адресами слов.

4. Алгоритм представляется в виде последовательности команд, определяющих наименование операции и адрес (номер) слова в памяти.

5. Команды выполняются последовательно в соответствии с их расположением в памяти.

Архитектура современных ЭВМ, т. е. их структура и организация работы, до сих пор соответствует фон-неймановским принципам, хотя эти принципы постепенно расширялись и изменялись, а в некоторых случаях и отвергались. Рассмотрим основные изменения:

1. Первые ЭВМ использовали слова одинаковой длины. Это упростило организацию обращения за ними в память, но привело к недоиспользованию разрядной сетки слов и, как следствие, к перерасходу информационного объема памяти. Слова стали переменной длины с дополнительным указателем о формате, т. е. о длине слов. Переменный формат стал использоваться как для команд, так и для операндов и результатов операций.

2. Если назначение слов определяется только необходимостью их использования, то программа заранее должна знать все назначения слов и заранее должно быть определено однозначное соответствие между адресацией слов и их назначениями. Такая организация возможна только в ЭВМ с жестким предварительным распределением слов по всему полю памяти. В современных ЭВМ командные и информационные потоки динамически перераспределяются по всему полю памяти. Выделение отдельных областей для команд создает возможность совмещения обработки команд и операндов, а также предотвращает использование команд в качестве операндов и, наоборот, операндов в качестве команд. Таким образом, только в пределах отведенных зон памяти назначение слов определяется необходимостью их использования. Кроме того, разнообразие и специализация устройств обработки данных привели к тому, что слова стали сопровождаться специальными описателями (тегами), указывающими тип (вид) слова. Анализируя тег, можно по нему определять способ обработки и назначать соответствующее обрабатывающее устройство, например двоичную или десятичную арифметику. В этом случае наблюдается некоторый отход от фон-неймановского организационного принципа работы ЭВМ.

3. Искомые слова, как и прежде, определяются по их адресам в памяти, однако способы адресации усложнились и стали многообразными. Помимо прямой адресации стала широко внедряться относительная адресация, когда адрес отсчитывается от некоторой точки адресного пространства. В связи с динамическим перемещением информационных потоков по всему полю памяти возникла необходимость решения проблемы независимости адресов слов в программах от перемещения их по полю памяти. Эту проблему решает относительная адресация, когда перемещается только точка отсчета адресов, так называемый базовый адрес, а относительные адреса остаются постоянными.

Для удобства организации вычислительного процесса часто используется адресное обращение не к одному слову, а к массиву слов.

В этом случае дополнительно должна указываться характеристика массива, прежде всего его размер и начальный адрес. Эта характеристика в виде дополнительного промежуточного управляющего слова используется для организации обращения к элементам массива по адресам слов относительно начала массива.

4. Структура команд стала переменной по длине и сложной. В команды стали записываться сведения о способах адресации, а команды – адресовать разное число операндов. Поле адресов в командах в некоторых случаях стали занимать константы, непосредственно с которыми следует выполнить операцию.

5. Последовательное выполнение команд, записанных в память в виде массива, в основном сохраняется. Однако широко используются процедуры внутрипрограммных переходов и межпрограммных взаимодействий с взаимными прерываниями программ.

Абсолютное большинство ЭВМ в той или иной степени придерживаются пяти организационных принципов Фон-Неймана, и относятся они к классу машин, управляемых потоками команд.Программа в них действительно начинает выполняться по необходимости решения задачи, т. е. по запросу, и вначале из памяти извлекается команда, а затем уже по адресу определяются данные (операнды).

В последнее время появился новый класс ЭВМ, управляемых потоками данных. В машинах подобного класса программа только подготавливается к выполнению в смысле ее составления и записи в память. Каждая команда программы не будет выполняться до тех пор, пока не активизируются, т. е. не появятся операнды (данные). Таким образом, вначале должны быть вычислены или прочитаны из памяти все операнды, а затем уже выполнена исполнительная команда, содержащая подготовленные операнды. Очевидно, что работа ЭВМ, управляемой потоками данных, не соответствует ни одному из пяти организационных принципов фон-Неймана, за исключением разве что первого.

Основа работы ЭВМ заключается в ее способности выполнять последовательность команд. Помимо аппаратных средств для реализации командных последовательностей используются программные средства, записываемые в память. Эти программы составляют программное обеспечение,которое является неотъемлемой частью ЭВМ. Не существует правил, предписывающих, с помощью каких средств – аппаратурных или программных – следует выполнять команды. В частности, команды можно выполнять, сочетая программные и аппаратурные средства. Граница между использованием аппаратурных и программных средств постоянно меняется. Развитие программных средств не требует дополнительных аппаратурных затрат, за исключением объемов памяти для новых управляющих программ.

Машинный уровень программ, т. е. система команд, обычно не приспособлен для описания широкого спектра алгоритмических аппаратурных действий. Поэтому в вычислительных устройствах широко стало использоваться микропрограммное управление,занимающее промежуточное положение между программным и аппаратурным управлением. Суть микропрограммного управления заключается в последовательном выполнении микрокоманд, хранящихся в специальной постоянной памяти и содержащих набор простейших управляющих сигналов. Назначая набор управляющих сигналов и подбирая их совокупность для очередной микрокоманды, можно практически выполнить с аппаратурой любые логические или арифметические действия. Последовательность выполнения микрокоманд программируется путем записи в микрокомандах адресов очередных микрокоманд. Язык микропрограммной обработки – сугубо специализированный; он может быть ориентирован на любую часть аппаратуры. Микропрограммная обработка стандартизирует и сокращает объем аппаратуры, так как расширение ее функций в значительной степени достигается расширением состава и объема микропрограммного обеспечения. Скорость микропрограммной обработки выше программной из-за ее специализации, локальности, относительно небольшого объема используемой памяти, но, естественно, ниже аппаратурной.

Для понимания организационных принципов работы ЭВМ существенным является понятие «процесс» – это выполнение программы. Основу процесса составляет активная, т. е. действующая программа. Но для обеспечения ее выполнения процессу должны быть предоставлены средства: оперативная память, в которую должны быть записаны выполняемая программа и принадлежащие процессу исходные данные и результаты; аппаратура с микропрограммным или иным видом управления, необходимая для выполнения команд программы; необходимый набор управляющих и обслуживающих программ.

Для выполнения процесса необходима определенная подготовка:

ввод, т. е. запись в оперативную память программы и исходных данных; перевод программы в машинную форму, понимаемую аппаратурой, т. е. трансляция; задание режима работы. Подготовительные действия выполняются в основном с помощью программных средств.

В каждый момент времени процесс находится в определенном состоянии. Состояние процесса характеризует степень его выполнения. В любой момент процесс может быть приостановлен. Для его восстановления необходимы дополнительные аппаратурные и программные средства для хранения и анализа информации, характеризующей состояние процесса. Восстановление процесса всегда начинается с анализа его состояния. По завершении процесса программные и аппаратурные средства, участвовавшие в его выполнении, освобождаются.

ЭВМ может одновременно реализовывать с прерываниями несколько процессов. В этом случае должно быть организовано определенное взаимодействие процессов, предписываемое программами, например, если они используют общие данные (области памяти) или иные общие ресурсы.

Комплекс программных средств ЭВМ, называемый также математическим обеспечением (МО),состоит из трех частей: системное ПО, пакетов прикладных программ (ППП) и системы программирования.

Системное ПО включает операционную систему и программы технического обслуживания.

Операционная система –основная часть МО ЭВМ, предназначенная для управления вычислительным процессом совместно с аппаратурой. Основные функции операционной системы (ОС): распределение ресурсов ЭВМ, управление режимами работы, подготовка программ к их выполнению, программная поддержка диалогового режима работы и т. п. В подготовку программ входит трансляция программ с языков высокого уровня на язык машинного уровня.

Программы технического обслуживания(ПТО) автоматизируют проверку правильности работы всех устройств ЭВМ и выполнения программ. В состав ПТО входят так называемые диагностические программы, определяющие место неисправности.

Пакеты прикладных программ(ППП) – программные средства для решения широкого класса задач, например научно-технических или экономических. Состав и объем ППП могут постоянно расширяться и меняться в зависимости от того, какую сферу деятельности общества обслуживает тот или иной экземпляр данной ЭВМ. Прикладные программы принадлежат математическому обеспечению конкретных ЭВМ, поэтому они могут быть написаны на машинно-ориентированных алгоритмических языках, учитывающих специфику ЭВМ.

К пакетам прикладных программ относят также программы, расширяющие функции операционных систем.

Системы программирования–это программы для создания программ.

Аппаратные и программные средства в комплексе образуют вычислительную систему(ВС), хотя под этим часто подразумевают также многомашинные и многопроцессорные комплексы с общим набором периферийных устройств.