Главная страница
Навигация по странице:

  • Программа для ЭВМ

  • Рис. 1.1.

  • Задание 1.3.

    		•

    Тема 1 Принципы построения и архитектуры вычислительных машин.. П. Уинстон Тема Принципы построения и архитектуры вычислительных машин


    Скачать 199.5 Kb.
    НазваниеП. Уинстон Тема Принципы построения и архитектуры вычислительных машин
    Дата09.10.2019
    Размер199.5 Kb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлаТема 1 Принципы построения и архитектуры вычислительных машин..doc
    ТипДокументы
    #89264
    страница2 из 2
    1   2

    1.3. Основные классы вычислительных машин


    В 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

    Название
    Описание

    По принципу действия (форме представления информации)

    Аналоговые
    В аналоговых ВМ (АВМ) обрабатывается информация представленная в непрерывной (аналоговой) форме. Информация поступает в виде значений некоторой физической величины, чаще всего электрического тока или напряжения. Имеют высокую производительность, но крайне низкую точность, относительная погрешность может доходить до 5%. Применяются редко, как правило, в проектных и научно-исследовательских институтах, эффективно решают некоторые математические задачи, в том числе дифференциальные уравнения

    Цифровые
    В цифровых ВМ (ЦВМ) обрабатывается информация представленная в дискретной (цифровой) форме. Информация кодируется последовательностью нулей и единиц, т.е. используется двоичный код. Такие машины имеют высокую точность производимых вычислений, являются универсальными6.

    Гибридные
    Гибридные ВМ (ГВМ) работают как с аналоговой, так и с цифровой информацией. Сочетают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. Используются для управления быстротекущими технологическими процессами (ТП)

    По назначению

    Универсальные
    Само название говорит о том, что эти ЭВМ могут использоваться для решения самого широкого круга прикладных задач на производстве, в экономике, при проектировании и т.д. Используются в вычислительных центрах для обработки значительных объемов информации (в том числе символьной), имеют высокую производительность и большой объем памяти, мощное ПО

    Проблемно-ориентированные
    Узкая ориентация на одно направление этих ЭВМ предполагает более скромные вычислительные возможности, урезанное ПО, работу с малыми объемами информации с использованием несложных алгоритмов. Примером таких ЭВМ служат промышленные компьютеры, имеющие специальное конструктивное исполнение, к ним предъявляются повышенные требования по надежности

    Специализированные
    Применяются для выполнения строго ограниченного набора функций, за счет этого достигается низкая стоимость и высокая надежность, т.к. появляется возможность существенно снизить сложность их производства и используемого ПО. Примером таких ЭВМ служат программируемые микроконтроллеры, устройства сопряжения и согласования

    По поколениям

    1-е поколение
    50-е годы XX века. ЭВМ строились на электронных вакуумных лампах, имели огромные габаритные размеры, чудовищное энергопотребление и очень низкую надежность, позволить приобрести себе такую ЭВМ могла только крупная корпорация. Примером зарубежной машины, построенной в 1946г. является американская ENIAC7, а отечественной – МЭСМ в 1951г.

    2-е поколение
    60-е годы XX века. ЭВМ строились на полупроводниковых транзисторах. В качестве носителей информации применялись магнитные ленты, появились первые языки программирования высокого уровня, мониторные системы. Примером отечественной ЭВМ является БЭСМ-6

    3-е поколение
    60-70-е годы XX века. ЭВМ строились на полупроводниковых интегральных схемах, когда на одном кристалле размещаются миллионы транзисторов и диодов. В это время был изобретен первый микропроцессор. Первыми компьютерами 3-го поколения стали шесть ЭВМ IMB 360

    4-е поколение
    70-е годы XX века– настоящее время. ЭВМ строятся на сверхбольших интегральных схемах (СБИС). Отличительной особенностью являются параллельные вычисления, когда используется несколько процессоров совместно или несколько ядер внутри одно процессора. Создаются системы управления знаниями

    5-е поколение
    Интенсивные разработки по созданию ЭВМ 5-го поколения уже активно ведутся, все работы в этом направлении направлены на «интеллектуализацию» ЭВМ. Создаются био, квантовые и оптические компьютеры

    По размерам и вычислительной мощности

    СуперЭВМ
    Применяются для решения крупномасштабных задач, таких как моделирование погоды, создание новых типов вооружений, проведение имитационного моделирования, когда дорогостоящий натурный эксперимент заменяется расчетами аналитических моделей на ЭВМ. Известен японский суперкомпьютер Nec Earth Simulator (35.9 TFLOP), занимающий одно из лидирующих мест в TOP 500

    Большие ЭВМ
    Используются в крупных организациях в качестве основы построения крупных вычислительных центров (научные организации, министерства и пр.). Примером может служить 8-ми процессорный кластер IBM RS/6000

    Малые ЭВМ
    Используются в качестве серверов для управления распределенными вычислениями в различных организациях, например, банках, страховых компаниях. Примером является IBM AS/400

    МикроЭВМ
    К ним относятся персональные, многопользовательские компьютеры (оборудованные несколькими терминалами для организации работы нескольких пользователей), рабочие станции (профессиональные компьютеры), а также мобильные компьютеры. При работе в вычислительных сетях выделяют также серверы, предназначенные для управления различными сетевыми ресурсами, например, существуют серверы приложений, файл-серверы, серверы электронной почты, web-серверы и т.д.

    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 машин


    В 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 алгоритм8.

    Алгоритм – конечный набор предписаний, определяющий решений задачи посредством конечного количества операций.

    Программа для ЭВМ – упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке (стандарт ISO 2382/1-84) [2].

    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 [6]:

    • информация представляется в двоичном коде, ее отдельные элементы называются словами;

    • при обращении к словам разного назначения их различают не по способу кодирования, а по необходимости использования;

    • слова размещаются в памяти и определяются адресами соответствующих ячеек;

    • алгоритм представляется в виде последовательности команд, определяющих наименование операции и адрес слова;

    • команды выполняются в той последовательности, в какой они размещены в памяти.

    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). Существует также понятие операнда – это значение переменной используемое командой 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 PC9.

    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.

    Подробное рассмотрение случая ЭВМ с несколькими процессорами рассматривается в теме 4.

    Контрольные вопросы


    1. Каковы место и роль информационных систем и технологий на современном этапе развития общества?

    2. Что такое ЭВМ, охарактеризуйте категории пользователей ЭВМ?

    3. Что называется информационной системой?

    4. Что такое информационные технологии, укажите сферы их применения?

    5. По каким группам характеристик осуществляется оценка и выбор ЭВМ?

    6. Дайте определение основным техническим и эксплуатационным характеристикам ЭВМ.

    7. Какие тестовые наборы используются для оценки и выбора ЭВМ?

    8. Приведите основные классификационные признаки ЭВМ.

    9. Охарактеризуйте классы ЭВМ по вычислительной мощности.

    10. В чем заключается принцип аппаратного управления?

    11. Поясните суть принципа программного управления.

    12. Дайте определение алгоритм и программа, в чем их отличие?

    13. Что такое архитектура ЭВМ, приведите основные принципы фон-Неймановской архитектуры?

    14. Охарактеризуйте понятия «слово», «команда», «операнд».

    15. Каковы основные устройства ЭВМ фон-Неймановской архитектуры?

    16. Что такое управление потоком команд и управление потоком данных, в чем их отличия?

    17. Охарактеризуйте принцип открытой архитектуры.

    18. Что такое принцип модульного построения?

    19. Объясните суть режима мультипрограммности.

    Тест


    1. Число команд, выполняемых ЭВМ за единицу времени (за одну секунду), это:

      1. быстродействие;

      2. производительность;

      3. тактовая частота микропроцессора.

    2. Фирма Intel для оценки производительности использует:

      1. Linpack;

      2. iComp;

      3. CPU-Z.

    3. Программируемые микроконтроллеры относятся к:

      1. универсальные;

      2. проблемно-ориентированные;

      3. специализированные.

    4. Конечный набор предписаний, определяющий решений задачи посредством конечного количества операций это:

      1. программа;

      2. алгоритм.

    5. Что не входит в состав ЭВМ фон-Неймановской архитектуры:

      1. устройства ввода-вывода;

      2. процессор;

      3. контроллер;

      4. шины;

      5. запоминающее устройство.

    6. Для управления работой любого устройства в составе ЭВМ используется специальная программа:

      1. интерфейс;

      2. протокол;

      3. драйвер.

    7. Для построения современных ЭВМ не используют:

      1. принцип закрытой архитектуры;

      2. принцип модульности;

      3. принцип открытой архитектуры.

    Практические задания


    Задание 1.1. Определение характеристик персонального компьютера

    Используя, входящую в состав пакета DirectX тестовую программу DxDiag определить характеристики своего домашнего компьютера. Внимательно просмотреть отчеты, сформированные программой, изучить информацию, представленную на всех закладках главного окна программы.

    Задание 1.2. Сравнение характеристик персональных компьютеров

    С использованием представленных в таблице 1.2 тестовых программ провести сравнение двух компьютеров – домашнего и установленного в учебной аудитории. Проанализировать, полученные результаты, сделать выводы о скорости выполнения различных операций при обработке информации (текстовой, графической и пр.).

    Задание 1.3. Преобразование задачи в программу

    Напишите алгоритм двойного преобразования, отражающий схему «задача - алгоритм - программа».

    Задание 1.4. Смена парка компьютеров

    Ваша компания, начиная с 1991 года, успешно работает на рынке продажи некоторой специфической услуги. ПО для правильного выполнения работы было написано вашим сотрудников в далеком 1992 году, когда в самом разгаре были продажи ПК на базе процессора 80486. Помня о каких принципах и режимах вы будете подбирать модели ПК для обновления своего устаревшего компьютерного парка в 2009 году. Что это будут за модели? Аргументируйте свой ответ.

    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

    5 В соответствии с методикой тестирования, разработанной журналом IXBT.com

    6 Далее говоря об ЭВМ, мы будем подразумевать цифровую ЭВМ

    7 Electronic Numerical Integrator and Computer

    8 Программный алгоритм является частным случаем математического алгоритма

    9 International Business Machines (IBM) Personal Computer (PC)


    1   2

    написать администратору сайта