Лекция. Курс лекций Лекция вычислительные машины содержание типы вычислительных устройств 1 1 Счёты
 Скачать 1.46 Mb.
|
|
1.5.7 Компьютеры на элементах струйной автоматики Струйная автоматика - приборы, приводимые в движение при помощи жидкости и газа, а также система контроля этими приборами процессов и оборудования. Струйные (пневмонические) системы имитируют работу электрического тока, но используют вместо электронов газ либо жидкость. Струйные устройства используются для управления ракетами и самолетами. Струйная техника, пневмогидроавтоматика, область автоматики, основанная на использовании взаимодействия струй жидкости или газа. Струйная техника аналогична электронике в отношении как основных принципов построения, так и практического применения. Устройства и системы струйной техники не имеют подвижных деталей и используются в компьютерах, насосах аппаратов искусственного кровообращения, системах управления ракет, подводных лодок, металлорежущих станков и т.п. Струйные элементы. В устройствах пневмогидроавтоматики управление осуществляется путём взаимодействия струй жидкости или газа в рабочей камере. Из сопла питания в камеру поступает основная струя; на неё воздействует менее мощная управляющая струя. Простое устройство, в котором происходит взаимодействие управляющей и основной струй, называется струйным переключателем. Такой переключатель является основным элементом струйной схемы, подобно транзисторам -основным компонентам электронных схем. В настоящее время применяются струйные элементы двух основных типов: пропорциональные (с непрерывной характеристикой) и двухпозиционные (с релейной характеристикой). Пропорциональный струйный элемент показан на Рис. 16. В отсутствие управляющей струи основная струя разделяется поровну на два выходных канала. Управляющая же струя отклоняет основную пропорционально своему количеству движения и тем самым перераспределяет её между двумя выходными каналами. Поскольку количество движения у основной струи больше, чем у управляющей, такой струйный элемент представляет собой усилитель. Направляя выходную струю одного пропорционального струйного элемента во входной канал другого, можно построить цепь усилителей с очень большим общим коэффициентом усиления мощности. В двухпозиционном переключателе основная струя не разделяется; она поступает в один из выходных каналов. Для каждого из выходных каналов возможны лишь два варианта: «включено» или «выключено», «0» или «1», «Да» или «Нет». Струйные элементы специальной конструкции и комбинации элементов могут выполнять многие другие логические и арифметические операции. Рис. 16. Пропорциональный струйный элемент. Предельные состояния: а - основная струя в отсутствие управляющей разделяется поровну между выходными каналами; б - основная струя под действием управляющей полностью поступает в один из выходных каналов. На основе двухпозиционных струйных переключателей изготавливают цифровой компьютер, а на основе пропорциональных - аналоговый. Правда, такие компьютеры менее компактны, чем электронные, и уступают им в быстродействии. Кроме того, они, как и все системы струйной техники, непрерывно расходуют рабочее тело. Известны такие струйные элементы, как формирователи, диоды, генераторы, триггеры, счётчики, усилители и т.п. Струйные усилители имеют ряд преимуществ перед электронными. Они более надежны при температурах выше 150 и ниже −50°С, а также при высоких уровнях радиации, например в ядерных реакторах, и более стойки к механическим нагрузкам и вибрации, что немаловажно в ракетах, где системы управления и наведения подвергаются воздействию значительных нагрузок и вибраций при старте и на активном участке. Компьютеры на элементах струйной автоматики применяются в ракетах, имеющих шанс попасть под действие гамма- или рентгеновских лазеров обороняющейся стороны, а также в спасательной технике, работающих на аварийных участках предприятий ядерной индустрии. Использование в таких условиях ЭВМ в таких условиях совершенно не возможно – в радиационных полях они «сходят с ума». Не менее важно, что компьютеры на элементах струйной автоматики взрывобезопасны: струя аргона взрыва не http://profbeckman.narod.ru/ вызовет, а электрический ток в ЭВМ, вызываемая им искра – запросто. Поэтому «струйные» компьютеры применяются на взрывоопасных производствах – в цехах по производству водорода, пороховых заводах, системах безопасности АЭС и др. Конечно, они работают со скоростью звука, а не света, как компьютеры, но для многих задач большого быстродействия не нужно. Пример – станки с программным управлением. Одна из важнейших проблем в области струйной техники проблема миниатюризации. Одно из возможных решений этой проблемы дает применение фотолитографии при их изготовлении. Рис. 17. Струйная плата для компьютера, полученная химическим травлением пластмассы. 2. УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРА Далее в лекциях мы будем рассматривать исключительно цифровые компьютеры причём исключительно электронные и, конкретно - персональные. Все они имеют аналогичные компоненты для получения, сортировки, обработки и передачи информации и используют относительно небольшое число базовых функций для выполнения своих задач. Наиболее важными характеристиками цифровых компьютеров являются быстродействие, способность работать повторяющимися способами, воспроизводимость результатов и универсальность. Благодаря этим характеристикам цифровые компьютеры находят широчайшее применение в диапазоне от наручных часов до космических кораблей. , Компьютер - устройство, выполняющее математические и логические операции над символами и другими формами информации и выдающее результаты в форме, воспринимаемой человеком или машиной. Первые компьютеры использовались для расчетов, т. е. сложения, вычитания, умножения, деления и т.д. Сегодня компьютеры применяются для решения многочисленных и разнообразных других задач, таких, как обработка текста, графика и переработка больших массивов информации. Рис. 18. Персональный компьютер. При помощи вычислений компьютер способен обрабатывать информацию по заранее определённому алгоритму. Своё название компьютеры получили по основной функции - проведению вычислений. В настоящее время большинство компьютеров используются для обработки и управления информацией, а также игр, но и эти задачи для компьютера также являются последовательностью вычислений. http://profbeckman.narod.ru/ Современный персональный компьютер может быть настольным, портативным или карманным, при этом его устройство может быть отображено с помощью упрощенной функциональной схемы. Хотя зачастую компьютеры управляются командами, вводимыми с клавиатуры, их основные функции обычно регулируются командами, хранимыми внутри машины, и известными как программное обеспечение, или программы. Действие компьютеров сводится к манипулированию символами некоторого вида. В большинстве современных компьютеров проблема сначала описывается в понятном им виде (при этом вся необходимая информация как правило представляется в двоичной форме - в виде единиц и нулей, хотя существовали и компьютеры на троичной системе счисления), после чего действия по её обработке сводятся к применению простой алгебры логики. Поскольку практически вся математика может быть сведена к выполнению булевых операций, достаточно быстрый электронный компьютер может быть применим для решения большинства математических задач, а также и большинства задач по обработке информации, которые могут быть сведены к математическим. Было обнаружено, что компьютеры могут решить не любую математическую задачу. Впервые задачи, которые не могут быть решены при помощи компьютеров, были описаны английским математиком Аланом Тьюрингом. Результат выполненной задачи может быть представлен пользователю при помощи различных устройств ввода-вывода информации, таких, как ламповые индикаторы, мониторы, принтеры, проекторы и т. п. Способность машины к выполнению определённого изменяемого набора инструкций (программы) без необходимости физической переконфигурации является фундаментальной особенностью компьютеров. Дальнейшее развитие эта особенность получила, когда машины приобрели способность динамически управлять процессом выполнения программы. Это позволяет компьютерам самостоятельно изменять порядок выполнения инструкций программы в зависимости от состояния данных. 2.1 Архитектура компьютера Термин архитектура по отношению к компьютеру означает то же самое, что по отношению к сооружению. Например, цифровые компьютеры, подобно большинству зданий, имеют общую базовую архитектуру. Базовая схема для цифровых компьютеров предложена в конце 1940-х Дж. фон Нейманом. Компьютер является системой, т. е. логическим соединением основных блоков, каждый из которых имеет специфическое назначение. Часто эти укрупненные блоки называются подсистемами и состоят из меньших блоков, служащих какой-то конкретной цели, которые зачастую включают в себя ещё меньшие блоки и компоненты. К архитектуре компьютера относится: структура памяти ЭВМ; способы доступа к памяти и внешним устройствам; возможность изменения конфигурации компьютера; система команд; форматы данных; организация интерфейса. http://profbeckman.narod.ru/ Блок-схема, отражающая основные функциональные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи Архитектура – наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов. Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Он подключился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944, когда её конструкция была уже выбрана. В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 учёные изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства». В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел (ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде). Авторы убедительно продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации – текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера. Ещё одной революционной идеей является предложенный Нейманом принцип «хранимой программы». Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы машины ENIAC требовалось несколько дней (в то время как собственно расчёт не мог продолжаться более нескольких минут – выходили из строя лампы). Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причём в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений. Рис. 19. Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана. Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов от процессора к остальными узлам ЭВМ. ч я Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил её структуру. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Схема устройства такой ЭВМ представлена на Рис.19. Следует отметить, что внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, то данные в неё заносятс в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Так, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, а клавиатура – устройство ввода, дисплей и печать – устройства вывода. В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. http://profbeckman.narod.ru/ Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счётчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры. Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название «фон-неймановской архитектуры». Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день – фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины). Возможно, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы. Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями. Основные компоненты ПК: процессор, устройства ввода информации, устройства вывода информации, оперативная память, долговременная память. В состав цифрового компьютера входит пять основных подсистем: устройство управления, арифметико-логическое устройство, подсистемы памяти, ввода-вывода и внутренних связей. Память. Во время выполнения вычислений часто бывает необходимо сохранить промежуточные данные для их дальнейшего использования. Производительность многих компьютеров в значительной степени определяется скоростью, с которой они могут читать и писать значения в (из) памяти и её общей ёмкости. Компьютерная память бывает двух видов: основная и внешняя. Основная память устроена подобно почтовому офису: она состоит из микроскопических ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный адрес, или номер. Элемент информации сохраняется в памяти с назначением ему некоторого адреса. Чтобы отыскать эту информацию, компьютер «заглядывает» в ячейку и копирует её содержимое в свой «командный» пункт. Ёмкость отдельной ячейки памяти называется словом. Обычно длина слова для персонального компьютера составляет 16 двоичных цифр, или битов. Длина в 8 бит называется байтом. Типичные большие компьютеры оперируют словами длиной от 32 до 128 бит (от 4 до 16 байт), тогда как миникомпьютеры имеют дело со словами в 16-64 бит (2-8 байт). Микрокомпьютеры используют, как правило, слова длиной 8, 16 или 32 бит (1,2 или 4 байт соответственно). Внешняя память обычно располагается вне центральной части компьютера. Поскольку внешняя память работает медленнее основной, она используется для хранения информации, которая не требуется компьютеру срочно. Чтобы использовать внешнюю память, «командный пункт» компьютера передает нужное содержимое части внешней памяти в основную. Основная память ограничена по объёму, поэтому конструкторы компьютеров стремятся хранить во внешней памяти как можно больше информации. Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее устройство у современных компьютеров «многоярусно» и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необходимых для неё данных, некоторые управляющие программы), и внешние запоминающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом (и значительно меньшей стоимостью в расчете на 1 байт хранимой информации). На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается – определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство), и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), и другие подвиды компьютерной памяти Оперативная память выполняется на микросхемах. Она состоит из определенного количества ячеек памяти, каждая из которых имеет свой собственный адрес или просто номер в двоичном коде. Оперативная память предназначена в основном для хранения выполняемых программ и их данных в течение всего времени, пока компьютер работает. Она подобна грифельной доске, информация на которой постоянно вытирается, заменяется новой и полностью исчезает после выключения компьютера. Бывает ОЗУ объемом 0,64, 1, 4, 8, 16, 32, 64 и более Мбайт. Информация в оперативной памяти хранится до момента выключения компьютера Системная плата любого компьютера содержит, ПЗУ - постоянное запоминающее устройство (BIOS - Basic Input/Output System) - микросхему с записанным набором программ: программу первоначальной http://profbeckman.narod.ru/ загрузки компьютера; она получает управление после успешного завершения тестов и делает первый шаг для загрузки операционной системы; программу первоначального тестирования компьютера, которая получает управление сразу после включения компьютера и проверяет все подсистемы компьютера (в случае обнаружения ошибки или неисправности компьютера отображает на экране соответствующее сообщение); базовую систему ввода-вывода, представляющую собой набор программ, используемых для управления основными устройствами компьютера. Базовая система ввода-вывода позволяет отображать на экране компьютера символы и графику, записывать и читать данные с магнитных дисков, печатать на принтере и решать много других важных задач. Различные параметры конфигурации компьютера, например количество и тип дисковых накопителей, тип видеоадаптера, наличие сопроцессора и некоторые другие данные, хранятся в энергонезависимой, CMOS-памяти (Complementary Metal-Oxid-Semicondactor |