1. Определение понятий вычислительная машина, вычислительная система, архитектура вычислительной системы

Вычислительная машина – это искусственная (инженерная) система, предназначенная для выполнения вычислений на основе алгоритмов [Майоров].

Вычислительная машина – это комплекс технических и программных средств, предназначенных для автоматизации подготовки и решения задач пользователя.

Вычислительная система – это совокупность взаимосвязанных и взаимосоединенных процессоров или вычислительных машин, периферийного оборудования и программного обеспечения для решения задач пользователя.

Основной отличительной чертой вычислительных систем является наличие в них средств, реализующих параллельную обработку за счет построения параллельных ветвей вычисления, что как правило не предусматривается в вычислительных машинах.

Архитектура ВС – совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логичную и структурно-организованную систему и затрагивающих в основном уровень параллельно работающих вычислителей. Понятие архитектуры охватывает общие принципы построения и функционирования, наиболее существенные для пользователя

2. Уровни детализации структуры вычислительной машины

На первом уровне вычислительная машина рассматривается как устройство, способное хранить и обрабатывать информацию, а также обмениваться данными с внешним миром. ВМ представляется «черным ящиком», который может быть подключен к коммуникационной сети и к которому, в свою очередь, могут подсоединяться периферийные устройства.

Уровень общей архитектуры предполагает представление ВМ в виде четырех составляющих: центрального процессора (ЦП), основной памяти (ОП), устройства ввода/вывода (УВВ) и системы шин.

На третьем уровне детализируется каждое из устройств второго уровня. Для примера взят центральный процессор. В простейшем варианте в нем можно выделить:

арифметико-логическое устройство (АЛУ), обеспечивающее обработку целых чисел; блок обработки чисел в формате с плавающей запятой (БПЗ); регистры процессора, использующиеся для краткосрочного хранения команд, данных и адресов; устройство управления (УУ), обеспечивающее совместное функционирование устройств ВМ; внутренние шины.

На четвертом уровне детализируются элементы третьего уровня. УУ представлено в виде четырех составляющих: логики программной последовательности — электронных схем, обеспечивающих выполнение команд программы в последовательности, предписываемой программой; регистров и дешифраторов устройства управления; управляющей памяти; логики формирования управления, генерирующей все необходимые управляющие сигналы.

Применительно к параллельным и распределенным многопроцессорным и многомашинным вычислительным системам зачастую вводят понятие «метауровня».

3. Эволюция вычислительных систем

К настоящему времени сменилось четыре поколения машин. Все они фон Неймановские по принципу построения:

Нулевое поколение (1492-1945). Механическая» эра (нулевое поколение) в эволюции ВТ связана с механическими, а позже — электромеханическими вычислительными устройствами. Основным элементом механических устройств было зубчатое колесо. Начиная с XX века роль базового элемента переходит к электромеханическому реле.

1 поколение – ламповые ЭВМ. (1945-1955гг) Использование электронной лампы в качестве основного элемента ЭВМ создавало множество проблем. Машины были огромных размеров. Каждые 7-8 мин. одна из ламп выходила из строя (а в компьютере их было 15 - 20 тысяч). Кроме того, они выделяли огромное количество тепла, и для эксплуатации компьютера требовались специальные системы охлаждения. Однако у электронных компонентов имелось одно важное преимущество: выполненные на них ключи могли переключаться примерно в тысячу раз быстрее своих электромеханических аналогов.

2 поколение (1955-1965гг) – ЭВМ на основе транзисторов и интегральных схем (ИС) малой и средней степени интеграции. Это был точечно-контактный прибор, в котором три металлических "усика" контактировали с бруском из поликристаллического германия.

3 поколение. Интегральные схемы. (1965-1980) – ЭВМ на основе ИС. Изобретена Робертом Нойсом в 1958 г. Программная совместимость внутри семейства, многозадачность, 16 Мб, 16 регистров по 32 бита. В области программного обеспечения определяющими вехами стали первые операционные системы и реализация режима разделения времени.

4 поколение – ЭВМ на основе микропроцессорных больших ИС (БИС). Вычислительные системы обеспечивают такое распределение задач по множеству процессоров, при котором каждый из процессоров может выполнять задачу отдельного пользователя.