Лекция 1 Принципы построения и архитектуры вычислительных машин.. Конспект лекций по курсу Вычислительные системы, сети и телекоммуникации для специальности Прикладная информатика в географии
 Скачать 79.14 Kb.
|
|
Конспект лекций по курсу «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации» для специальности ____________ «Прикладная информатика в географии», составил к.т.н., доцент кафедры «Вычислительная техника и электроника» АГТУ Щербатов И.А. Когда-то наш разум был вне конкуренции, но, возможно, придет день, когда вычислительные машины будут смеяться над нами и задавать вопрос о том, могут ли биологические информационные процессоры быть достаточно разумными. П. Уинстон Тема 1. Принципы построения и архитектуры вычислительных машинМесто и роль вычислительной техники, информационных систем и технологий на современном этапе. Основные характеристики вычислительных машин. Основные классы вычислительных машин. Общие принципы построения и архитектуры вычислительных машин. 1.1. Место и роль вычислительной техники, информационных систем и технологий на современном этапеВ далеком 1984 году в США во время президентских выборов один из сенаторов, узнав, что для реализации проекта СОИ (стратегическая оборонная инициатива, больше известная как концепция «звездных войн») необходимо использование быстродействующих компьютеров (выполняющих обработку информации мгновенно) для принятия решений, совершенно справедливо заключил, что это обстоятельство фактически исключает вмешательство президента США в этот процесс. Поэтому он предложил избрать на пост главы государства компьютер системы управления вооруженными силами США. Этот забавный эпизод мировой истории красноречиво доказывает, что вычислительная техника (ВТ) стала неотъемлемой частью этой самой истории, прочно обосновалась в настоящем и, наверняка, не упустит своего и в будущем. Избитая фраза о том, что «вычислительная техника и информационные технологии прочно вошли в нашу жизнь» переходит из одного учебника в другой, встречается почти во всех изданиях, посвященных компьютерам, с нее начинаются лекции и семинары и т.п. Поэтому и мы не станем от этого уходить, тем более что употребили ее в самом первом предложении, первого абзаца. Однако многочисленные примеры использования ВТ в повседневной жизни в качестве торговых терминалов, персональных компьютеров (этот список можно продолжать до бесконечности) мы приводить не будем. Любой мало-мальски грамотный человек начинает использовать плоды информатизации почти с самого рождения и с удовольствием (или отвращением, на что у многих из нас достаточно оснований) продолжит этот список. В 80-х гг. 20 в. журнал «Тайм» признал человеком года – ЭВМ. Наверняка многие из Вас, прочитав эту фразу, улыбнулись. Довольно забавно слышать, что «железка», которая стоит на вашем рабочем столе обладает таким высоким званием, однако не это ли верное доказательство тому, что ЭВМ не просто важная часть нашей жизни, без нее мы уже себя просто не мыслим. Компьютер часть нас самих, попробуйте опровергнуть это утверждение или согласится с ним, это уже не важно. Ясно одно от ЭВМ глупо отказываться, слишком много дел она взвалила на свои «плечи». Строго говоря, электронная вычислительная машина (ЭВМ) или компьютер – это комплекс аппаратно-программных средств, предназначенный для автоматической обработки информации необходимой для решения задачи, которую поставил пользователь. Аппаратную часть вычислительной техники и программное обеспечение мы рассмотрим далее, а сейчас хотелось бы подробнее остановиться на пользователе. В качестве пользователя всегда выступает человек. Очень примечательным является тот факт, что понятие «пользователь» постоянно эволюционировало. На заре появления вычислительной техники использовали ЭВМ, как правило, ученые, работавшие на военные ведомства своих стран (проект машины UNIVAC, США 1945г.). Затем, по мере того как единица времени работы на ЭВМ стала дешеветь, доступ к их вычислительным мощностям получили ученые и инженеры гражданских специальностей. С развитием микроэлектроники и информатики, а они поистине, двигались с колоссальной скоростью, стали появляться серийно выпускаемые компьютеры, чей размер уменьшался во столько же раз, на сколько порядков возрастала их производительность. Сейчас, персональные компьютеры доступны, практически, каждому. Они занимают площадь, которая равна нескольким десяткам квадратных сантиметров, вместо нескольких этажей огромного здания всего каких-то 60 лет назад. Пользователь стал единоличным обладателем персональной ЭВМ. ПРИМЕЧАНИЕ Само слово компьютер, как не трудно догадаться, происходит от английских слов «to compute», «computer», которые переводятся как «вычислять», «вычислитель». Интересным является тот факт, что первоначально в английском языке это слово означало человека, выполняющего арифметические вычисления с привлечением или без привлечения механических устройств. И только спустя много лет значение этот слова было перенесено на сами машины. Впервые определение слова компьютер было дано в 1897 году в Оксфордском английском словаре. Его составители тогда понимали компьютер, как механическое вычислительное устройство. Во всем многообразии и разнородности армий пользователей особая роль принадлежит трем категориям людей – заказчикам работ, которые должны быть выполнены на ЭВМ, проектировщикам программного обеспечения и программистам. Поэтому, очень часто, под словом «пользователь» подразумевается именно «конечный пользователь» того продукта, который необходим «заказчику», придуман «проектировщиком» и реализован «программистом». В последнее время обособилась еще одна категория пользователей ЭВМ – «инженер по знаниям» (когнитолог), который является ключевым звеном в процессе создания экспертных систем различного назначения. Как уже отмечалось выше, ЭВМ автоматически обрабатывают информацию, требуемую для решения поставленной задачи. Процесс обработки информации значительно более эффективен в том случае, когда он выполняется внутри некоторой системы. Информационная система (ИнС) – система, в которой предметом и продуктом труда является информация. Особенностью информационных систем является то, что они относятся к классу материальных систем, а их конечный продукт (информация) не материален. Любой материальный продукт производится по определенной технологии, которая объединяет методы и средства его получения. Так, например, одна из технологий получения серы из сероводородсодержащих газов основана на методе Клауса и использует установку, состоящую из двух термических и двух (реже трех) каталитических реакторов. Технология, которая использует методы преобразования информации и вычислительную технику для их реализации, а на выходе получает информацию, называется информационной технологией (ИТ). Современные ИТ обеспечивают получение, преобразование и передачу огромных массивов информации на большие расстояния за строго определенные промежутки времени с целью обеспечения своевременного решения задачи. В качестве сфер применения современных ИТ можно указать следующие: системы автоматизированного проектирования (САПР/CAD); системы управления производственными предприятиями (УПП/ERP); системы управления технологическими процессами и производствами (АСУТП/SCADA); банковские системы; издательские системы; цифровая сотовая связь и Интернет и.т.п. 1.2. Основные характеристики вычислительных машинВыбор вычислительной машины под конкретную задачу является очень ответственной задачей. С момента появления первой ВМ их было произведено больше миллиарда штук. Современные ВМ характеризуются рядом существенных параметров, которые становятся определяющими при их выборе. Здесь важно помнить, что денег стоит не только обработка информации, но и простой. Поэтому при оценке затратности поставленных перед ВМ задач следует выяснить необходимость покупки именно данной конфигурации, а не какой-то другой. Нет смысла покупать сервер (высокопроизводительный компьютер) для набора документов, также как и «офисного работягу» для обработки видеоинформации. Конечный пользователь всегда должен помнить о том, что качество полученного на ЭВМ результата зависит от трех групп характеристик. Классификация построена на параметрах, отражающих взаимодействия с ЭВМ именно пользователя. Итак, вот эти три группы характеристик:
Основные Технические и эксплуатационные характеристики предложены в таблице 1.1 Таблица 1.1. Технические и эксплуатационные характеристики
ПРИМЕЧАНИЕ В 1974 г. появилась первая в мире рекламная компания, целью которой было продвижение на рынке персонального компьютера, выпущенного под названием SCELBI (SCientific ELectronic and BIological). Построен он был на базе микропроцессора Intel 8008 (появился в апреле 1972 г., выполнял 45 команд, быстродействие 300 000 команд в секунду, адресация 16 Кб оперативной памяти) и стоил 565 долларов. Для сравнения в 1939 г. профессор Линдстрем (Lindstrom) выделил грант на создание вычислительной машины Джону Винсенту Атанасову в размере 650 долларов. Результатом работы Атанасова стала машина ABC (Atanasoff Berry Computer). Для комплексной оценки ЭВМ существуют различные тестовые наборы. 1.3. Основные классы вычислительных машинВ современной индустрии информатики происходит очень частая смена техпроцессов изготовления ЭВМ, увеличение их производительности и сокращение размеров, подобно бурному потоку воды, несущемуся в горах и сметающему любые предложенные классификации. Попытаться все же стоит, но мы используем для этого максимально обобщенные классификационные признаки. Таблица 1.3. Классификация вычислительных машин
ПРИМЕЧАНИЕ В 1971г. был изобретен первый микропроцессор, им стал созданный под руководством инженера фирмы Intel Теда Хоффа (Edward Hoff) 4-разрядный микропроцессор Intel 4004. 1.4. Общие принципы построения и архитектуры вычислительных машинВ основу построения любой ЭВМ положены два принципа – аппаратное и программное управление. Аппаратное управление применяется на «нижнем» уровне, например, для преобразования аналогового сигнала в цифровой или ввода символов с клавиатуры. Это так называемые процессоры с «жесткой логикой». В них имеется строго фиксированный набор команд. Каждая команда – это логическая схема, выполняющая определенную операцию и образующая отдельный узел. Связи между такими узлами устанавливаются при сборке и остаются неизменными, образуя нужную последовательность выполнения каждой операции. Программное управление используется при решении конкретных задач и функционировании ПО (на «верхнем» уровне). Название свое этот принцип управления получил из-за представления задачи требующей решения в виде некоторой программы вычислений. В основе любой программы лежит алгоритм7. Алгоритм – конечный набор предписаний, определяющий решений задачи посредством конечного количества операций. (Алгоритм – это метод (способ) решения задачи, записанный по определённым правилам, в виде конечной последовательности однозначных предписаний, исполнение которых позволяет с помощью конечного числа шагов получить решение задачи, однозначно определяемое исходными данными из некоторого множества значений.) Программа для ЭВМ – упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке (стандарт ISO 2382/1-84). Архитектура ЭВМ – это понятие, характеризующее принцип действия и конфигурацию входящих в ЭВМ программно-технических средств. Основные принципы построения и архитектуру первой ЭВМ, предложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Вот эти пять принципов:
Эти пять принципов без изменений использовались в первом и втором поколениях ЭВМ, функциональная схема таких ЭВМ в общем виде изображена на рис. 1.1. Обработка информации на ЭВМ выполняется в соответствии с алгоритмом решения задачи, представленном в виде программы, состоящей из последовательности команд. Команда – это управляющее слово (специфика определяется принципом №4). Оператор – это основной элемент языка программирования, представляющий собой законченную фразу и определяющий некоторый логически завершенный этап обработки данных. Существует также понятие операнда – это значение переменной используемое командой (или оператором) для преобразования данных. ПРИМЕЧАНИЕ По сути, истоком современной ЭВМ явилась опубликованная Д. фон Нейманом совместно с Г. Голдстайном и А. Берксом статья «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства».  Рис. 1.1. Функциональная схема цифровой ЭВМ (архитектура фон Неймана) Главным устройством ЭВМ является процессор, который осуществляет обработку информации, т.е. обрабатывает данные с помощью арифметических и логических операций, записанных в виде программ. Этот этап осуществляется в арифметико-логическом устройстве (АЛУ). Кроме этого процессор управляет выполнением команд с помощью устройства управления (УУ). УУ контролирует строгое соблюдение последовательности выполняемых команд, запрашивает из запоминающего устройства (ЗУ) следующую команду, инициирует выполнение соответствующей этой команде операции, вызывает из внутренней памяти операнды, по окончании выполнения операции помещает результат в ЗУ. ЗУ сохраняет всю необходимую информацию для работы процессора. В ЗУ хранятся требующие выполнения операции, операнды и результаты выполнения операций, а также их адреса. Устройства ввода-вывода (УВВ) служат для ввода подлежащей обработке информации (исходных данных и программ их обработки), а также вывода результатов работы ЭВМ в форме удобной пользователю. Например, ввод текстовой информации осуществляется с помощью клавиатуры, видео с использованием различных видео и web-камер, аудио с применением микрофонов. Все устройства ввода осуществляют преобразование информации понятной пользователю в машинный код (двоичный код, представленный электрическими сигналами). Обратное преобразование происходит в устройствах вывода, например, вывод на монитор, принтер и т.д. Обмен между основными функциональными устройствами ЭВМ заключается в передаче электрических сигналов по соединяющим их проводам. Для увеличения скорости передачи данных и управляющей информации используется множество параллельных проводников. Совокупность проводов (проводников на печатной плате) образует шину. Шины имеют различное назначение и в общем виде их можно условно разделить на три – шины данных (ШД), шины адреса (ША), шины управления (ШУ). Остановимся подробно на принципе №5. Дело в том, что при переходе от транзисторов к интегральным микросхемам, миниатюризации и расширении функциональных возможностей процессорных устройств ЭВМ, появилась возможность параллельной обработки команд. Это обстоятельство сделало пятый принцип фон Неймана не актуальным и на смену ВМ с управлением потоком команд пришли ЭВМ с управлением потоком данных. Особенность этих ЭВМ заключается в том, что процессор выполняет те команды, для которых готовы исходные данные (имеются все операнды). ПРИМЕЧАНИЕ Наряду с фон-Неймановской архитектурой известна также Гарвардская, которая имеет существенной отличие, заключающееся в том, что память данных и память программ разделены Колоссальный успех ЭВМ различных классов обусловлен, прежде всего, принципом открытой архитектуры. Открытость архитектуры позволяет пользователю улучшать функциональные характеристики своих ЭВМ с помощью установки дополнительных технических и программных средств или замены их на новые. Широкой известности среди пользователей ЭВМ этот принцип обязан компании IBM, выпустившей на рынок персональные компьютеры IBM PC8. Магистральная структура позволяет легко подсоединять к компьютеру именно те внешние устройства, которые нужны для данного пользователя. Благодаря ей удается скомпоновать из стандартных блоков любую индивидуальную конфигурацию компьютера. Архитектура ЭВМ — это абстрактное представление или определение физической системы (микропрограммы и комплекса аппаратных средств) с точки зрения программиста, разрабатывающего программы на машинно-ориентированном языке, или разработчика компилятора. Она определяет принципы организации вычислительной системы и функции процессора и не отражает такие проблемы, как управление и передача данных внутри процессора конструктивные особенности логических схем и специфика технологии их производства. Принцип открытой архитектуры В IBM PC была заложена возможность модернизации его отдельных частей и использования новых устройств. То есть IBM сделала РС не единым неразъемным устройством, а обеспечила возможность его сборки из независимо изготовленных частей аналогично детскому конструктору. При этом методы этой сборки не только не держались в секрете, но и были доступны всем желающим. Этот принцип - принципом открытой архитектуры. Эта открытость заключается в том, что все спецификации функционирования устройств компьютера и их взаимодействия между собой являются стандартными, и любой производитель может, руководствуясь этими стандартами, свободно начать производство какого-либо устройства не заботясь о его совместимости с устройствами других производителей. ЭВМ 4 поколения, имеет, как правило, шинную архитектуру, что означает подключение всех устройств к одной электрической магистрали, называемой шиной. Если устройство выставило сигнал на шину, другие могут его считать. Это свойство используется для организации обмена данными. С этой целью шина разделена на 3 адреса – шина адреса, шина данных и шина управляющего сигнала. Все современные ЭВМ также включают устройство, называемое арбитром шины, которое определяет очередность занятия ресурсов шины разными устройствами. В PC распространены шины ISA, EISA, PCI, VLB. ПРИМЕЧАНИЕ В тот момент, когда IBM выпустила на рынок свою первую «персоналку», компанией была опубликована книга (стоила она 59$), в которой были приведены принципы работы и устройство IBP PC, схемные реализации отдельных блоков и устройств. Это, по мнению IBM, должно было стимулировать появление сторонних разработчиков устройств расширения для их «детища». Однако вместо этого на свет появилось огромное количество «клонов», что дало сильный толчок бурному развитию производства персональных компьютеров. Существовавшие во время появления IBM PC компьютеры были выполнены в виде неразъемного устройства (небезызвестный Apple Macintosh компании Стива Джобса), что фактически исключало возможность модернизации (или как мы часто говорим upgrade – «апгрейд») и приводило к быстрому старению устройства. ЭВМ превратилась в некое подобие конструктора, собираемого из различных комплектующих, в том числе сторонних производителей. За несколько лет IBM «вырастила» целую индустрию и колоссальное количество компаний-разработчиков различных устройств расширения. Появилась возможность выпускать компьютеры различных модификаций удовлетворяющих текущие запросы пользователя, продавая вместе с ЭВМ еще и возможность ее модернизации. ПРИМЕЧАНИЕ В год рождения автора данной книги, а именно в 1981 году, компания IBM выпустила свой первый персональный компьютер IBM PC на базе микропроцессора Intel 8088, он умел адресовать 1 Мб памяти и работал на частоте 4.77 МГц, под управление операционной системы MS-DOS, производства компании Microsoft Примерно с этого момента все производители стали выпускать ЭВМ семействами. Внутри семейства существует определенная линейка моделей, от самой младшей до старшей. Внутри семейства обеспечивается программная, информационная и аппаратурная совместимость, обеспечивающая взаимозаменяемость моделей. Очень важным является аспект программной совместимости «снизу-вверх», когда ПО разработанное для ранних и младших моделей семейства выполняется и на старших. Для этого часто реализуется режим эмуляции, позволяющий запускать ПО на младших моделях (говоря проще, ЭВМ «притворяется»). Для установки нового устройства в ЭВМ требуется размещение во внешней памяти специальной программы, управляющей работой устройства. Эта программа называется драйвером. Принцип открытой архитектуры реализуется с помощью соблюдения определенных правил, без которых изготовление и нормальное функционирование устройств невозможно, они получили название протоколы. Принцип открытой архитектуры не отделим от принципа модульного построения, когда внутри ЭВМ выделяют автономное (с определенными допущениями), функционально законченное, конструктивно обособленное устройство. Например, процессор, системная плата, модуль оперативной памяти, внешний накопитель на жестких и гибких магнитных дисках и пр. И наконец, режим многопрограммности (мультипрограммности), когда в ЭВМ одновременно выполняется несколько программ пользователя. Здесь стоит сделать одну ремарку об однопроцессорных ЭВМ. Персональный компьютер (ПК), установленный у каждого из нас столе еще пару лет назад имел один вычислительный модуль, т.е. процессор (это можно утверждать со стопроцентной уверенностью), в то время как начиная с ОС Windows 95 софтверный гигант кричал на всех углах, что его ОС является многопользовательской и многозадачной. Так вот в этом случае имеет место псевдо многопрограммность. Сидя за ПК и набирая текст реферата по «Вычислительной технике» вы можете слушать музыку и распечатывать на принтере доклад по философии, при этом процессор не выполняет все три задачи одновременно, он просто переключается между их выполнением (переключение производит ОС), однако время переключения так мало, что мы этого не замечаем. Кстати, пресловутые «тормоза» это как раз перегруженность процессора и увеличение времени переключения между задачами, так что в конкретный момент времени он выполняет только одну задачу. 1 Giga- Floating Point Operations Per Second – миллиард операций с плавающей точкой в секунду 2 1Гб (1 Гига байт) = 230 байт 3 1Тб (1 Тера байт) = 240 байт 4 International Organization for Standardization – Международная организация по стандартизации 5 Далее говоря об ЭВМ, мы будем подразумевать цифровую ЭВМ 6 Electronic Numerical Integrator and Computer 7 Программный алгоритм является частным случаем математического алгоритма 8 International Business Machines (IBM) Personal Computer (PC) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||