|
|
ЭВМ и ПУ. Вычислительные машины, системы и сети - курс лекций. Вычислительные машины, системы и сети. Курс лекций
Вычислительные машины, системы и сети. Курс лекций.
1. Классификация ЭВМ »
2. История и этапы развития ЭВМ »
3. Понятие архитектуры ЭВМ. Примеры архитектур »
4. Функциональная и структурная организация типовой ЭВМ »
5. Аппаратные и программные средства для построения ЭВМ »
6. Основные характеристики ЭВМ »
7. Элементарные операционные узлы ЭВМ. Триггеры »
8. Элементарные операционные узлы ЭВМ. Шифраторы »
9. Элементарные операционные узлы ЭВМ. Дешифратор »
10. Элементарные операционные узлы ЭВМ. Мультиплексор »
11. Элементарные операционные узлы ЭВМ. Демультиплексор »
12. Элементарные операционные узлы ЭВМ. Регистр »
13. Элементарные операционные узлы ЭВМ. Счетчик »
14. Элементарные операционные узлы ЭВМ. Сумматор »
15. Элементарные операционные узлы ЭВМ. Арифметико–логическое устройство »
16. Иерархия запоминающих устройств. Полупроводниковые, магнитные и оптические ЗУ »
17. Оперативные запоминающие устройства »
18. Постоянные запоминающие устройства »
19. Центральный процессор ЭВМ. Характеристики ЦП »
20. Функциональная и структурная организация типового ЦП »
21. Понятие машинного такта, машинного цикла ЭВМ. Понятие машинной команды. Понятие кода операции. Способы адресации операндов в машинных командах »
22. Система команд ЦП ЭВМ. Классификация команд. Язык ассемблера »
23. Системная шина ЭВМ. Организация системной шины и арбитраж доступа к ней. Параллельные и последовательные системные шины »
24. Примеры системных шин современных персональных компьютеров. Характеристики системных шин »
25. Микропроцессоры и микроконтроллеры, назначение, сфера применения и архитектура. Структура типового микроконтроллера. Память и внешние устройства микроконтроллеров »
26. Организация и режимы ввода-вывода в ЭВМ. Программный опрос. Ввод-вывод по прерываниям. Прямой доступ к памяти. Программная модель операции ввода-вывода »
27. Системное программное обеспечение ЭВМ. Интерпретаторы, трансляторы, компиляторы »
28. Операционные системы. Виртуальные программные машины. Графический интерфейс пользователя »
29. Стандартные внешние интерфейсы ЭВМ. Параллельный интерфейс Centronix »
30. Стандартные внешние интерфейсы ЭВМ. Последовательный интерфейс RS-232 »
31. Стандартные внешние интерфейсы ЭВМ. Последовательный интерфейс USB »
32. Особенности в реализации рабочих станций и серверов (аппаратное и программное обеспечение). Многопроцессорные и многомашинные системы »
33. Телекоммуникационные и компьютерные сети. Локальные и глобальные сети. Топологии и стандарты локальных сетей »
34. Модель сетевого взаимодействия OSI »
35. Семейства протоколов для локальных и глобальных сетей. Способы адресации и маршрутизации в компьютерных сетях
1. Классификация ЭВМ
ЭВМ (электронная вычислительная машина) — машина для проведения вычислений, а также приёма, переработки, хранения и выдачи информации по заранее определённому алгоритму (компьютерной программе). На заре эры компьютеров считалось, что основная функция компьютера — вычисление. Однако в настоящее время полагают, что основная их функция — управление.
Классификация:
1) Типизация по назначению
Калькулятор
Консольный компьютер
Миникомпьютер
Мэйнфрейм
Персональный компьютер
Игровая приставка (Игровая консоль)
Карманный компьютер (КПК)
Рабочая станция
Настольный компьютер
Ноутбук (Лэптоп)
Сервер
Суперкомпьютер
Поверхностный характер представленного подхода к классификации компьютеров очевиден. Он обычно используется лишь для обозначения общих черт наиболее часто встречающихся компьютерных устройств. Быстрые темпы развития вычислительной техники означают постоянное расширение областей её применения и быстрое устаревание используемых понятий. Для более строгого описания особенностей того или иного компьютера обычно требуется использовать другие схемы классификаций.
2) Физическая реализация
Более строгий подход к классификации основан на отслеживании используемых при создании компьютеров технологий. Не секрет, что самые ранние компьютеры были полностью механическими системами. Тем не менее уже в 30-х годах XX века телекоммуникационная промышленность предложила разработчикам новые, электромеханические компоненты (реле), а в 40-х были созданы первые полностью электронные компьютеры, имевшие в своей основе вакуумные электронные лампы. В 50-х — 60-х годах на смену лампам пришли транзисторы, а в конце 60-х — начале 70-х годов — используемые и сегодня полупроводниковые интегральные схемы (кремниевые чипы).
Приведённый перечень технологий не является исчерпывающим; он описывает только основную тенденцию развития вычислительной техники. В разные периоды истории исследовалась возможность создания вычислительных машин на основе множества других, ныне позабытых и порою весьма экзотических технологий. Например, существовали планы создания гидравлических и пневматических компьютеров, между 1903 и 1909 годами некто Перси И. Луджет даже разрабатывал проект программируемой аналитической машины, работающей на базе пошивочных механизмов (переменные этого вычислителя планировалось определять при помощи ниточных катушек).
В настоящее время ведутся серьёзные работы по созданию оптических компьютеров, использующих вместо традиционного электричества световые сигналы. Другое перспективное направление подразумевает использование достижений молекулярной биологии и исследований ДНК. И, наконец, один из самых новых подходов, способный привести к грандиозным изменениям в области вычислительной техники, основан на разработке квантовых компьютеров.
Впрочем, в большинстве случаев технология исполнения компьютера является гораздо менее важной, чем заложенные в его основу конструкторские решения.
Квантовый компьютер
Механический компьютер
Оптический компьютер
Пневматический компьютер
Электронный компьютер
3) Конструктивные особенности
Современные компьютеры используют весь спектр конструкторских решений, разработанных за всё время развития вычислительной техники. Эти решения, как правило, не зависят от физической реализации компьютеров, а сами являются основой, на которую опираются разработчики. Ниже приведены наиболее важные вопросы, решаемые создателями компьютеров:
Фундаментальным решением при проектировании компьютера является выбор, будет ли он цифровой или аналоговой системой. Если цифровые компьютеры работают с дискретными численными или символьными переменными, то аналоговые предназначены для обработки непрерывных потоков поступающих данных. Сегодня цифровые компьютеры имеют значительно более широкий диапазон применения, хотя их аналоговые собратья все ещё используются для некоторых специальных целей. Следует также упомянуть, что здесь возможны и другие подходы, применяемые, к примеру, в импульсных и квантовых вычислениях, однако пока что они являются либо узкоспециализированными, либо экспериментальными решениями.
Примерами аналоговых вычислителей, от простого к сложному, являются: логарифмическая линейка, астролябия, осциллограф, телевизор, аналоговый звуковой процессор, автопилот, мозг.
Среди наиболее простых дискретных вычислителей известен абак, или обыкновенные счёты; наиболее сложной из такого рода систем является суперкомпьютер.
Двоичный
Десятичный
Троичный
Важнейшим шагом в развитии вычислительной техники стал переход к внутреннему представлению чисел в двоичной форме. Это значительно упростило конструкции вычислительных устройств и периферийного оборудования. Принятие за основу двоичной системы счисления позволило более просто реализовывать арифметические функции и логические операции.
Тем не менее переход к двоичной логике был не мгновенным и безоговорочным процессом. Многие конструкторы пытались разработать компьютеры на основе более привычной для человека десятичной системы счисления. Применялись и другие конструктивные решения. Так, одна из ранних советских машин работала на базе троичной системы счисления, использование которой во многих отношениях более выгодно и удобно по сравнению с двоичной системой (проект троичного компьютера Сетунь был разработан и реализован талантливым советским инженером Н. П. Брусенцовым.)
Примером компьютера на основе десятичной системы счисления является первая американская вычислительная машина Марк I.
В целом, однако, выбор внутренней системы представления данных не меняет базовых принципов работы компьютера — любой компьютер может эмулировать любой другой.
Способность машины к выполнению 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.
Хранящий программы и данные
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. Первоначально компьютерная память использовалась только для хранения промежуточных значений, но вскоре было предложено сохранять код программы в той же самой памяти (См. Архитектура фон Неймана), что и данные. Это удачное решение используется сегодня в большинстве компьютерных систем. Однако для управляющих контроллеров (микро-ЭВМ) более удобной оказалась схема, при которой данные и программы хранятся в различных разделах памяти (гарвардская архитектура).
4) Классификация по способностям
Одним из наиболее простых способов классифицировать различные типы вычислительных устройств является определение их способностей. Все вычислители могут, таким образом, быть отнесены к одному из трёх типов:
специализированные устройства, умеющие выполнять только одну функцию (например, Антикитерский механизм 87 год до н. э. или ниточный предсказатель Вильяма Томсона 1876 года);
устройства специального назначения, которые могут выполнять ограниченный диапазон функций (первая разностная машина Чарльза Бэббиджа и разнообразные дифференциальные анализаторы);
устройства общего назначения, используемые сегодня. Название компьютер применяется, как правило, именно к машинам общего назначения.
5) Современный компьютер общего назначения
При рассмотрении современных компьютеров наиболее важной особенностью, отличающей их от ранних вычислительных устройств, является то, что при соответствующем программировании любой компьютер может подражать поведению любого другого (хоть эта возможность и ограничена, к примеру, вместимостью средств хранения данных или различием в скорости). Таким образом, предполагается, что современные машины могут эмулировать любое вычислительное устройство будущего, которое когда-либо может быть создано. В некотором смысле эта пороговая способность полезна для различия компьютеров общего назначения и устройств специального назначения. Определение «компьютер общего назначения» может быть формализовано в требовании, чтобы конкретный компьютер был способен подражать поведению универсальной машины Тьюринга. Первым компьютером, удовлетворяющим такому условию, считается машина Z3, созданная немецким инженером Конрадом Цузе в 1941 году (доказательство этого факта было сделано в 1998).
ЦВМ (Цифровые вычислительные машины) :
Универсальные
Проблемноориентированные
Специализированные
ЦВМ:
Супер ЭВМ
Большие
Малые
Микро
Различия современных ЦВМ по классам:
|
МИКРО
|
МАЛЫЕ
|
БОЛЬШИЕ
|
СУПЕР ЭВМ
|
Производительность (MIPS)
|
1-100
|
10-1 000
|
100-10 000
|
1 000-1 000 000
|
Емкость ОЗУ (Mb)
|
32-512
|
128-2048
|
512-10 000
|
2 000-100 000
|
Емкость ЗУ (Gb)
|
10-50
|
20-500
|
100-10 000
|
500 – 50 000
|
Разрядность шины (bit)
|
32-128
|
32-128
|
64-128
|
64-256
| | |
|
|
Скачать 1.45 Mb.