2) Классы вычислительных машин и их основные характеристики

ЭВМ или компьютер – это комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Вычислительные машины могут быть классифицированы по ряду признаков. По размерам и функциональным характеристикам ЭВМ можно разделить на суперЭВМ, большие ЭВМ малые и микроЭВМ.

Большие ЭВМ (универсальная ЭВМ) – это мощные компьютеры с элементной базой СБИС, имеющие значительные габаритные размеры и функциональные характеристики, отличающиеся от других классов ЭВМ.

Архитектура: многопроцессорная система с центральными и периферийными процессорами и общей памятью, процессоры связаны между собой высокоскоростными магистралями передачи данных. Центральные пр-ры занимаются основными вычислениями, а периферийные – обеспечивают работу с широким спектром периферийных устройств.

Параметры: производительность не менее 100 MIPS, основная память – 512 -10 000 Мбайт, внешняя память - >100 Гбайт, многопользовательский режим работы – до 1000 польз-й.

Большие ЭВМ обеспечивают обработку данных, требующую сложных расчетов, работу с БД большого объема, управление вычислительными сетями, исп-ся в кач-ве серверов инф-но-вычислительных сетей

Малые и микроЭВМ. (появились в 1970е в связи с прогрессом в области производства элементной базы ЭВМ). Были предназначены для оптимизации вычислительной мощности под потребности бизнеса.

Отличительные особенности: производительность до 1000 MIPS, емкость основной памяти – до 8 Гбайт, емкость дисковой памяти – до 1 Тбайт, число поддерживаемых пользователей – 16 – 1024.

К достоинствам мини-компьютеров можно отнести модульную архитектуру, лучшее соотношение производительность/цена, повышенная точность вычислений.

Мини-компьютеры ориентированы на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов, имеют разнообразные периферийные устройства, блоки межпроцессорной связи для реализации вычислительных систем с изменяемой структурой. Они применяются для управления технологическими процессами, для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, системах автоматизированного проектирования, искусственного интеллекта.

4. Понятие и основные виды архитектуры эвм.

Термин архитектура ЭВМ используется для описания наиболее общего принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов ЭВМ.

Архитектура ЭВМ – совокупность свойств и характеристик, рассматриваемая с точки зрения пользователя.

Джон фон Нейман в 1946 г.: концепция классической архитектуры цифровой ЭВМ. Фундаментальные положения по архитектуре ЭВМ состоят в:

- применении двоичной системы в работе ЭВМ;

- программном управлении работой ЭВМ (программа содержит инструкции, исполняемые автоматически в заданной последовательности);

- принципе хранимых программ и данных в запоминающем устройстве машины, обладающем высокой скоростью выборки записи;

- однотипном представлении в двоичном коде инструкций программ и обрабатываемых ими данных;

- принципе иерархичности памяти в связи с техническими проблемами реализации емкого и быстродействующего запоминающего устройства – минимум 2 уровня (основная и внешняя память);

- принципе адресности основной памяти (ячейки памяти доступны программе по двоичному адресу или по имени, которое присваивается в программе и сохраняется на протяжении всего времени выполнения программы).

Главный принцип построения современных ЭВМ – программное управление. Он основан на представлении алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений – набора инструкций (команд), определяющих решение задачи посредством конечного числа операций.

Программа – это упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке.

Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию и место нахождения (адрес) операндов, участвующих в операциях преобразования данных.

ЭВМ имеет модульную архитектуру и включает в себя: блок управления, арифметическое устройство, память, устройство ввода программ и данных, устройство вывода результатов, пульт ручного управления.

ПАМЯТЬ

Арифметическое устройство

Блок управления

Вывод

Ввод

Блок управления обеспечивает управление всеми устройствами компьютера. Арифметическое (арифметико-логическое) устройство выполняет арифметические и логические операции обработки информации, хранящейся в памяти компьютера. В современных ЭВМ блок управления и арифметическое устройство объединены в процессор, который выполняет обработку данных, а также осуществляет с помощью программы управление работой других блоков компьютера.

В памяти ЭВМ данные и программы представлены в двоичной форме. Для ввода и вывода информации используются специальные устройства, причем программы и данные имеют однотипный ввод в компьютер. Память компьютера структурирована на основную (оперативную) и внешнюю (запоминающие устройства).

Устройства памяти (отличаются скоростью считывания и записи информации, емкостью):

- сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ) – обеспечивает работу самой быстродействующей памяти малого объема, соответствует внутренней микропроцессорной памяти;

- оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) - обеспечивает работу быстродействующей памяти значительного объема, соответствует основной оперативной памяти компьютера (ячейкам блока памяти);

- постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – обеспечивает работу быстродействующей памяти небольшого объема, которая сохраняет свое содержимое;

- внешнее запоминающее устройство ВЗУ) – обеспечивает работу самой медленной памяти самой большой емкости.

В качестве устройства ввода символьной информации используется клавиатура, а для ввода графической информации – сканеры, дигитайзеры, видео- и веб-камеры, графический планшет и световое перо; для ввода звуковой информации служит аккордовая клавиатура, спикеры (микрофоны), диктофон и др.

Для вывода визуальной информации используется печатное устройство (принтер) или монитор (дисплей), графопостроитель (плоттер). Вывод звуковой информации требует наличия специальной мультимедийной аппаратуры – динамиков, акустических колонок и наушников.

Архитектура ЭВМ Дж. Фон Неймана полностью соответствует ЭВМ первого и второго поколений. Появление ЭВМ третьего поколения, основанных на применении интегральных схем, обострило противоречия в согласовании производительности структурных блоков ЭВМ.

ЭВМ, построенные на основе неймановской архитектуры и рассчитанные на последовательное выполнение команд, имеют предел роста производительности. Происходит переход на векторно-конвейерную архитектуру построения ЭВМ, многопроцессорных сетей и сетей ЭВМ.

В современной архитектуре ЭВМ наметились три тенденции:

- усложнение системы связи между узлами ЭВМ за счет расширения внешних устройств;

- создание многопроцессорных ЭВМ (сочетание центрального и специализированных процессоров, видеопроцессоров для ускорения визуализации информации и т.п.), которое связано с развитием методов параллельных вычислений, позволяющих усложнить структуру вычислительной системы;

- ускоряющееся возрастание роли межкомпьютерных коммуникаций, которое привело к появлению многомашинных комплексов, компьютерных сетей, понятия «архитектура вычислительной системы».

Характерные черты архитектуры современных ЭВМ:

- модульность построения – наличие в структуре ЭВМ автономных, функционально и конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком магнитном диске);

- иерархическая организация структуры ЭВМ, основанная на наличии центрального процессора и совокупности подключаемых к нему контроллеров, каналов ввода/вывода, специальных шин или магистралей для передачи управляющих сигналов, адресов операндов и самих данных, передачи управляющих сигналов от центрального процессора и информации обратной связи вверх по иерархии с целью правильной координации работы всех узлов;

- децентрализация управления и структуры ЭВМ.

Для ЭВМ применяется система машинных команд, включающая в себя команды: передачи данных (пересылки), арифметические, логические, сдвигов двоичного кода влево и вправо (для выполнения умножения и деления), ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами, управления, специальные.

Процессор ЭВМ характеризуется: набором выполняемых команд, скоростью их выполнения, объемом адресуемой памяти, размерами машинных слов, разрядностью.

Производительность ЭВМ зависит от быстродействия процессора, класса решаемых задач и порядка прохождения задачи через ЭВМ. Ее характеризуют следующие показатели:

- число коротких операций в единицу времени (обычно берут операцию сложения, когда операнды хранятся во внутренних регистрах процессора), а для оценки числового выражения эффективности ЭВМ используют смеси команд;

- скорость выполнения команд над числами с плавающей запятой;

- тактовая частота генератора тактовых импульсов компьютера;

- разрядность процессора.

Оперативная память компьютера рассматривается как массив ячеек, номер ячейки памяти называется ее адресом. Важнейшая характеристика процессора – разрядность адреса, которая определяет размерность адресного пространства. Единица адресации – байт. Для обращения процессора к памяти используется адрес, передаваемый по адресной шине. Разрядность шины адреса определяет максимальный номер байта, который может быть затребован процессором. Для 16-тиразрядной шины адреса адресное пространство составляет 64 Кб, при 32-хразрядной – 4 Гб, при 64-хразрядной – 16 Тбайт. Чем больше разрядность шины адреса, тем шире шина данных.

Машинное слово – машинно зависимая величина, определяющая:

- разрядность шины данных, характеризующую число передаваемых битов данных за один такт работы процессора;

- разрядность данных, обрабатываемых процессором;

- максимальное значение целого без знака числа, равное 2ⁿ – 1, превышение этого размера приводит к переполнению;

- максимальный объем оперативной памяти, напрямую адресуемой процессором.

Размер машинного слова равен разрядности регистров процессора, он определяется в битах или байтах. Число одновременно обрабатываемых битов называется разрядностью процессора.

5. Состав, назначение, характеристики и принципы работы основных элементов персонального компьютера.