3. Тема 2. Основы построения и функционирования вычислительных машин

3.1. Общие принципы построения и архитектуры вычислительных машин.

На пути развития электронной вычислительной техники (начиная с середины 40-х годов) можно выделить четыре поколения ЭВМ, отличающихся элементной базой.

Основным активным элементом ЭВМ первого поколения являлась электронно-ламповая машина, остальные компоненты электронной аппаратуры - это обычные резисторы, конденсаторы, трансформаторы.

Машины первого поколения имели внушительные размеры, потребляли большую мощность, имели сравнительно малое быстродействие, малую емкость оперативной памяти, невысокую надежность работы и недостаточно развитое программное обеспечение.

На смену лампам в машинах второго поколения (в конце 50-х годов) пришли транзисторы. В отличие от ламповых ЭВМ транзисторные машины обладали большим быстродействием, емкостью оперативной памяти, меньшими габаритами и надежностью. Особенность машин второго поколения - их дифференциация по применению (машины для решения научно-технических и экономических задач, для управления производственными процессами и различными объектами). Наравне с однопрограммными появились много программные (мультипрограммные) ЭВМ.

Третье поколение ЭВМ (в конце 60-х - начале 70-х годов) характеризуется широким применением интегральных схем. Интегральная схема представляет собой законченный логический функциональный блок, соответствующий достаточно сложной транзисторной схеме. Удалось существенно улучшить технические и эксплуатационные характеристики машин. Этому способствовало также применение многослойного печатного монтажа.

В машинах третьего поколения значительно расширился набор различных электромеханических устройств для ввода и вывода информации. Программное обеспечение машин третьего поколения получило дальнейшее развитие, особенно это касается операционных систем. Развитые операционные системы многопрограммных машин, снабженных периферийными устройствами ввода-вывода с автономными пультами абонентов, обеспечивают управление работой ЭВМ в различных: пакетной обработки, разделения времени, запрос-ответ и др.

Для машин четвертого поколения (конец 70-х годов) характерно применение больших интегральных схем (БИС). Высокая степень интеграции способствует увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности и быстродействию, снижению стоимости. Это, в свою очередь, оказывает существенное воздействие на логическую структуру ЭВМ и ее программное обеспечение. Отчетливо проявляется тенденция к унификации ЭВМ и созданию машин, представляющих собой единую систему - ЕС ЭВМ.

С появлением в США микропроцессоров (1971г.) начал развиваться новый класс вычислительных машин - микро ЭВМ. Они прошли большой путь развития: от первого поколения 4- и 8-разрядных микропроцессоров, до четвертого поколения 32- и 64-разрядных микропроцессоров.

В настоящее время реализуется программа по разработке новых типов компьютеров:

• многопроцессорных компьютеров с высокой степенью параллелизма обработки информации;

• компьютеров с нейронными сетями;

• компьютеров, в которых для передачи информации используется свет.

Электронная вычислительная машина (ЭВМ) - это комплекс технических и программных средств, предназначенный для реализации подготовки и решения задач пользователей.

Структура ЭВМ - совокупность элементов и их связей. Различают структуры технических, программных и аппаратно-программных средств.

Архитектура ЭВМ - это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый их уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уровней с учетом совокупности их свойств определяет особенности структурного построения ЭВМ.

Важнейшими характеристиками ЭВМ являются быстродействие и производительность, емкость запоминающих устройств, надежность, точность и достоверность.

Быстродействие - число определенно типа команд, выполняемых за единицу времени.

Производительность - это объем работ (число стандартных программ), выполняемых в единицу времени.

Емкость запоминающих устройств - измеряется количеством единиц информации, которые одновременно можно разместить в памяти.

Надежность - это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять свои функции в течении заданного времени.

Точность - возможность различать почти все равные значения данных. Точность получения результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ (от 8- и 16- разрядных двоичных кодов до 32, 64 и 128 двоичных разрядов). ,

Достоверность - свойство информации правильно воспринятой. Она характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов.

Традиционно электронную вычислительную технику подразделяют на аналоговую и цифровую.

В аналоговых вычислительных машинах (АВМ) обрабатываемая информация представляется соответствующими значениями аналоговых величин: тока, напряжения, угла поворота механизма и т.п. По своему назначению их можно рассматривать как специализированные вычислительные машины.

В настоящее время под словом ЭВМ понимают цифровые вычислительные машины, в которых информация кодируется двоичными кодами чисел. Именно эти машины благодаря универсальным возможностям и являются самой массовой вычислительной техникой.

Академик Г.М. Глушков указал, что существуют три глобальные сферы деятельности человека, которые требуют использования качественно различных типов ЭВМ.

Первое направление является традиционным - применение ЭВМ для автоматизации вычислений.

Вторая сфера применения ЭВМ связана с использованием их в системах управления.

Третье направление связано с применением ЭВМ для решения задач искусственного интеллекта (это задачи роботехники, машинный перевод языков, составление прогнозов, моделирование сложных процессов и т.д.).

Классификация средств вычислительной техники по быстродействию:

• суперЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач, для обслуживания крупнейших информационных банков данных;

• большие ЭВМ для формирования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров;

• средние ЭВМ широкого назначения для управления сложными технологическими производственными процессами;

• -персональные и профессиональные ЭВМ, позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей;

• встраиваемые микропроцессоры, осуществляющие автоматизацию управления отдельными устройствами и механизмами.

С развитием сетевых технологий все больше начинает использоваться другой классификационный признак, отражающий место и роль ЭВМ в сети:

• мощные машины и вычислительные системы для управления гигантскими сетевыми хранилищами информации - мейнфреймы;

• кластерные структуры;

• рабочие станции;

• сетевые компьютеры.

Мощные машины и вычислительные системы предназначаются для обслуживания крупных сетевых банков данных и банков знаний. По своим характеристикам их можно отнести к классу суперЭВМ, но в отличие от них они являются более специализированные мощных потоков информации.

Кластерные структуры представляют собой многомашинные распределенные вычислительные системы, объединяющие несколько серверов. Это позволяет управлять ресурсами сети, обеспечивая необходимую производительность, надежность, готовность и другие характеристики.

Серверы - это вычислительные машины и системы, управляющие определенным видом ресурсов в сети. Различают файл-серверы, серверы приложений, факс-серверы, постовые, коммуникационные, Web-серверы и др.

Термины рабочая станция отражает факт наличия в сетях абонентских пунктов, ориентированных на работу профессиональных пользователей с сетевыми ресурсами. Этот термин как бы отделяет их от ПЭВМ, обеспечивающей работу основной массы профессиональных пользователей, работающих обычно в автономном режиме.

Сетевые компьютеры представляют собой упрощенный персональный компьютер (ПК), вплоть до карманных ПК. Их основным назначением является обеспечение доступа к сетевым информационным ресурсам, вычислительные возможности у них достаточно низкие.

Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. В его основе лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

Алгоритм - совокупность четко определенных правил, процедур или команд, обеспечивающих решение поставленной задачи за конечное число шагов. Он обладает обязательными свойствами: дискретность или расчлененность; определенность или однозначность; выполнимость или результативность; массовость или инвариантность.

Обобщенная структурная схема ЭВМ показана на рис. 15.

В любой ЭВМ имеются устройства ввода-вывода информации «УВВ» по каналом ввода-вывода «КВВ», с помощью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним. Введенная информация запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации.

Устройство управления (УУ) предназначено для автоматического выполнения программ путем принудительной координации работы всех остальных устройств ЭВМ. Цепи сигналов управления показаны на рис. 15 штриховыми линиями.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет логические и арифметические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др.

Сильно связанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор.