Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
17
Лекция 7 . Компьютерная техника
Развитие Вычислительной Техники (ВТ) обусловлено успехами в 3-х областях:
1. В технологии производства, как элементарной базы ВТ, так и самих машин в целом.
2. В принципах организации ВМ (успехи в развитии архитектуры).
3. В разработке математического и программного обеспечения.
История создания и поколения ЭВМ
Реальный отсчет ВТ ведется с перехода от реле к триггерам. Триггер был изобретен в 1918 году в России Бонч-Бруевичем.
Первая ЭВМ, разработанная на электронных компонентах, изготовлена в 1942 году (“Эниак”). ENIAC содержал 18000 электронных ламп и потреблял 150 квт электроэнергии. Однако эта машина еще не использовала принцип хранимой программы. Серийный выпуск в 1945-1946 годах..
В 1943 году под руководством Тьюринга была разработана ЭВМ “Колос”. После рассекречивания архивов в 70-х годах оказалось, что первая ЭВМ была разработана в 1939 году выходцем из Германии Антоносовым, которая получила название “ABC”.
Большой вклад в разработку ЭВМ внес американский математик Джон фон Нейман. Один из важнейших принципов конструирования ЭВМ предложенный Нейманом — принцип хранимой программы был впервые реализован в Англии в 1949 году в машине EDSAC и используется и в современных компьютерах. Этот принцип требует, чтобы программа вводилась в память компьютера так же, как в нее вводятся данные.
Первая отечественная ЭВМ (МЭСМ) была создана в 1951 г. под руководством С.А. Лебедева. В середине 60-х создана машина БЭСМ, бывшая базовой в СССР в научных, оборонных, космических исследованиях. Из других ЭВМ следует упомянуть "Минск", "Урал", "Мир" и др., созданные под руководством И.С. Брука, В.М. Глушкова и других.
Первое поколение ЭВМ.
Электронная лампа Компьютер "Эниак".
Ламповые ЭВМ, промышленный выпуск начат в начале 50-х годов. В нашей стране началом выпуска можно считать начало 50-х годов “МЭСМ”. Разработана под руководством Лебедева. В 1952-1953 годах на этой основе, под руководством Мельникова и Бурцева была разработана “БЭСМ-1” (Большая электронная счетная машина).
А на ее основе был произведен серийный выпуск машины “БЭСМ-2”. В это же время в США выпускают машину “Эдвак”. Технические характеристики машины “БЭСМ-2” были гораздо выше. Это было связано с тем, что в “БЭСМ-2”, использовались два совершенно новых принципа: конвейеризации и стека. Для “БЭСМ-2”, быстродействие АЛУ составляло порядка 10000 операций в секунду.
В 1953 году была разработана машина “Стрела” под руководством Василевского. А так же в Московском Энергетическом институте под руководством академика Брука были разработаны ЭВМ получившие название “М”. В Минске был создан завод по производству ЭВМ, серийное производство машин “Минск”. В городе Пензе было создано ОКБ (опытное конструкторское бюро) под руководством академика Рамеева, где разработали и выпускали серийно ЭВМ “Урал”.
Структура ЭВМ первого поколения полностью соответствовали машине фон Неймана. Технические характеристики машин были значительно ниже характеристик современных ПК. Быстродействие порядка 10-20 тысяч операций в секунду.
Программирование велось в машинных кодах. Емкость ОЗУ – 2 тысячи слов. Ввод информации с перфоленты и кинопленки.
Второе поколение ЭВМ.
ТранзисторБЭСМ—6.
Связывают с переходом от ламповых к транзисторным ЭВМ. Транзисторы позволяли обеспечить большую надежность, быстродействие и меньшее энергопотребление (среднее время отказа около 100 часов, тогда как на машинах первого поколение около 10 часов, энергоемкость на два порядка ниже, по сравнению с машинами первого поколения). Переход к печатному монтажу также улучшило надежность.
Начинается бурное развитие математического и программного обеспечения. Высшая точка: создание алгоритмических языков (Fortran, ALGOL). Создаются простейшие компиляторы и интерпретаторы. Становится нецелесообразна работа пользователя у пульта управления. Основным режимом становится работа через операторов. Появляются многопрограммные ЭВМ. Многопрограммность достигается за счет программной обработки. Для работы в пакетном режиме создаются первые мониторы и supervisor’ы. Вследствие чего происходит резкое увеличение использование ЭВМ второго поколения.
Третье поколение ЭВМ.
В конце 60-х годов появляются первые машины третьего поколения. Переход к третьему поколению ЭВМ связывают с серьезными архитектурными изменениями. Изменение технической базы связано с переходом на интегральные схемы, микросхемы.
Интегральная схема
Правда степень интеграции была небольшой. Вследствие чего произошло заметное увеличение надежности. В машинах третьего поколения формируется концепция канала, начинается работа с распараллеливанием процессора, появляется микропрограммное управление, иерархируется память, впервые вводится понятие агрегатирования.
Примеры машин третьего поколения — семейства IBM—360, IBM—370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др.
Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.
Самое главное в тот период: унификация ЭВМ по конструктивно – технологическим параметрам. ЭВМ третьего поколения начинают выпускаться сериями или семействами, совместимыми моделями.
Дальнейшее развитие математического и программного обеспечения приводит к созданию пакетных программ для решения типовых задач, проблемно – ориентированных программных языков (для решения задач отдельной категории) и впервые создаются уникальные программные комплексы, – операционные системы (разработаны IBM).
Четвертое поколение ЭВМ.
В конце 70-х кодов появляются первые ЭВМ четвертого поколения. Связано с переходом на интегральные схемы средней и большой степени интеграции.
C точки зрения структуры машины этого поколения представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Быстродействие составляет до нескольких десятков миллионов операций в секунду, ёмкость оперативной памяти порядка 1 — 64 Мбайт.
Для них характерны:
Пятое поколение ЭВМ.
Разработка последующих поколений компьютеров производится на основе больших интегральных схем повышенной степени интеграции, использования оптоэлектронных принципов (лазеры, голография).
Развитие идет также по пути "интеллектуализации" компьютеров, устранения барьера между человеком и компьютером. Компьютеры будут способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой.
|
В компьютерах пятого поколения произойдёт качественный переход от обработки данных к обработке знаний. |
Архитектура компьютеров будущего поколения будет содержать два основных блока. Один из них — это традиционный компьютер. Но теперь он лишён связи с пользователем. Эту связь осуществляет блок, называемый термином "интеллектуальный интерфейс". Его задача — понять текст, написанный на естественном языке и содержащий условие задачи, и перевести его в работающую программу для компьютера.
Будет также решаться проблема децентрализации вычислений с помощью компьютерных сетей, как больших, находящихся на значительном расстоянии друг от друга, так и миниатюрных компьютеров, размещённых на одном кристалле полупроводника.
Классификация компьютеров, исходящая из производительности и функционального назначения показана на рисунке.
Классическая архитектура ЭВМ и принципы фон Неймана
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 г., когда ее 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 г. ученые изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье "Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства”. С тех пор прошло полвека, но выдвинутые в ней положения сохраняют актуальность и сегодня.
Основной принцип построения ЭВМ носит название архитектуры фон Неймана - американского ученого венгерского происхождения Джона фон Неймана, который ее предложил.
Современную архитектуру компьютера определяют следующие принципы:
На основании этих принципов можно утверждать, что современный компьютер - техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных в виде цифровых кодов и программы их обработки, выраженной тоже цифровыми кодами, способно автоматически осуществить вычислительный процесс, заданный программой, и выдать готовые результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия человеком.
Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. 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. 1. Следует отметить, что внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся 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.
Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана.
Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов от процессора к остальным узлам ЭВМ
Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок – процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (сюда относятся выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифметических, операций, согласование работы узлов компьютера). Более детально функции процессора будут обсуждаться ниже.
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 нее 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.
В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой 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).
По-видимому, 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.
В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами.
Общая схема компьютера
|
Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, "вырезать" отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами. |
Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд двоичного кода).
|
Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления. |
Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:
|
Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя. |
|
Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации. |
Наиболее распространены следующие архитектурные решения.
Классическая архитектура (архитектура фон Неймана). Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.
|
Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления. |
Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами.
|
Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования. |
Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров, представлена на рисунке.
Архитектура многопроцессорного компьютера
Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.
Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.
Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе — то есть по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных.
Архитектура с параллельным процессором
В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и такие архитектурные решения, которые радикально отличаются от рассмотренных выше.
Работой внешних устройств уже в машинах 3 и 4 поколения стали управлять «периферийные процессоры» – контроллеры. Контроллер – устройство, аппаратно согласовывающее работу системы и дополнительного устройства. Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой «вверенного ему» внешнего устройства по специальным программам обмена. Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия центрального процессора.
Один из самых важных контроллеров – ПДП-контроллер (ПДП – прямой допуск к памяти) обеспечивает прямой доступ к оперативной памяти. При считывании информации с диска в память и наоборот процессор должен запустить системную шину, выбрать несколько байт информации, поместить в свою внутреннюю память, снова запустить шину и эту информацию поместить в устройство, обслуживающее диск. Процесс выполнения программ замедляется за счет потери времени на эти операции. ПДП-контроллер выполняет эти операции, не загружая процессор и системную шину. Выполнение программы и пересылка информации идут одновременно.
Наличие интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой машин 3-го и 4-го поколения.
Для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая шина (часто ее называют магистралью). Шина — это линия для передачи сигналов, к которой могут параллельно подключаться несколько устройств компьютера. Шина состоит из трех частей:
шина данных, по которой передается информация;
шина адреса, определяющая, куда передаются данные;
шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.
Описанную схему легко пополнять новыми устройствами. На практике такая структура применяется только для компьютеров с небольшим числом внешних устройств. При увеличении потоков информации между устройствами компьютера единственная магистраль перегружается, что существенно тормозит работу. В состав компьютера могут вводиться одна или несколько дополнительных шин. Например, одна шина может использоваться для обмена с памятью, вторая – для связи с «быстрыми», а третья – с «медленными» внешними устройствами.
В центральный процессор кроме регистров общего назначения (РОН) добавлена кэш-память. Промежуточные результаты при выполнении арифметических и логических операций над данными сохраняются в РОН. Кэш-память используется для ускорения выполнения операций за счет запоминания на некоторое время полученных ранее данных, которые будут использоваться процессором в ближайшее время. Введение в компьютер кэш-памяти позволяет сэкономить время, которое без нее тратилось на пересылку данных и команд из процессора в оперативную память и обратно. Кэш-память имеет большее быстродействие, чем оперативная память.
Принципиально новым в структуре современного компьютера и принципе его действия является понятие прерываний. Прерывание – это остановка работы ПК при возникновении определенного события. Прерывания появились в связи с переходом от математических вычислений, которые не зависят от внешних условий, к обработке информации в реальном масштабе времени. Компьютер должен реагировать на изменение внешних условий иногда немедленно, запоминая эти события или даже меняя алгоритм его обработки. Если в процессор извне поступает сигнал запроса на прерывание, которое обрабатывается всегда, выполнение текущей программы приостанавливается. В заранее определенной области ОЗУ сохраняются все промежуточные результаты и адрес останова в программе. Микропроцессор выполняет специальную программу обработки прерывания, в которой указано, что надо сделать в этом случае. После ее завершения восстанавливаются все промежуточные результаты, и микропроцессор продолжает выполнение текущей программы с запомненного ранее адреса.
В современных компьютерах возможна также параллельная работа нескольких процессоров. За счет распараллеливания выполнения одной задачи или параллельного выполнения многих задач достигается увеличение общей производительности компьютера. Для этого предусматривают цепи, связывающие между собой отдельные процессоры.
|
|
|
|
|
Структура современного персонального компьютера |
|
Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера. |
Центральный процессор в общем случае содержит в себе:
Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.
Микропроцессор Core i7 — наиболее совершенный и мощный процессор выпуска 2012 г. 4 ядра, 8 Кэш 1,3, техпроцесс 22 нм. Он предназначен для работы приложений, требующих высокой производительности процессора, таких, как передача видео и звука по Интернет, создание видео-материалов, распознавание речи, обработка трехмерной графики, игры.
Современные компьютеры имеют много разнообразных запоминающих устройств, которые сильно отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объёму хранимой информации и стоимости хранения одинакового объёма информации. Различают два основных вида памяти — внутреннюю и внешнюю.
В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и специальная память.
|
Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory — память с произвольным доступом) — это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами. |
Объем ОЗУ обычно составляет до нескольких Гбайт.
Микросхемы памяти SRAM и DRAM
|
Кэш (англ. cache), или сверхоперативная память — очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью. |
Кэш-памятью управляет специальное устройство — контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как "попадания", так и "промахи". В случае попадания, то есть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.
Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем DRAM (SDRAM). Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память, так называемый кэш первого уровня размером 8, 16 или 32 Кбайт. Кроме того, на системной плате компьютера может быть установлен кэш второго уровня ёмкостью 256, 512 Кбайт и выше.
К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (ROM), перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды памяти.
|
Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory — память только для чтения) — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом "зашивается" в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать. |
|
Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого с дискеты. |
Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.
Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти — модуль BIOS. Роль BIOS двоякая: с одной стороны это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с другой строны — важный модуль любой операционной системы.
|
BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) — совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память. |
Разновидность постоянного ЗУ — CMOS RAM.
|
CMOS RAM — это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы. |
Интегральные схемы BIOS и CMOS
Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS (англ. Set-up — устанавливать, читается "сетап").
Для хранения графической информации используется видеопамять.
Архитектура - совокупность свойств и характер ВМ, рассматриваемая с точки зрения пользователя.
В основе функционирования любой ВМ лежат два фундаментальных понятия в вычислительной технике.
1. понятие алгоритма.
2. принцип программного управления.
Алгоритм – некоторая однозначно определенная последовательность действий, состоящая из формально заданных операций над исходными данными, приводящая к решению за конечное число шагов.
Свойства алгоритмов:
1. дискретность алгоритма (действия выполняются по шагам, а сама информация дискретна)
2. детерминированность (сколько бы раз один и тот же алгоритм не реализовывался для одних и тех же данных результат один и тот же)
3. массовость (алгоритм “решает задачу” для различных исходных данных из допустимого множества и дает всегда правильный результат)
Программа – описание алгоритма на каком-либо языке.
Принцип программного управления (ППУ) впервые был сформулирован Венгерским математиком и физиком Джоном фон Нейманом, при участии Гольцтайна и Берца в 1946 году.
ППУ включает в себя несколько архитектурно – функциональных принципов.
1. Любой алгоритм представляется в виде некоторой последовательности управляющих слов – команд. Каждая отдельная команда определяет простой (единичный) шаг преобразования информации.
2. Принцип условного перехода. В процессе вычислений в зависимости от полученных промежуточных результатов возможен автоматический переход на тот или иной участок программы.
3. Принцип хранимой программы. Команды в ЭВМ представляются в такой же кодируемой форме, как и любые данные и хранятся в таком оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). Это значит, что если рассматривать содержимое памяти, то без какой-то команды невозможно различить данные и команды. Следовательно, любые команды можно принципиально обрабатывать как данные (информация в ЭВМ отличается не представлением, а способом ее использования).
4. Принцип двоичного кодирования.
5. Принцип иерархии запоминающих устройств (ЗУ).
Основные характеристики ЭВМ
Характеристики:
1. Операционные ресурсы ЭВМ – это (грубо говоря) перечень возможностей ЭВМ. Сюда включаются:
Операционные ресурсы ЭВМ напрямую связаны с аппаратными средствами, которые характеризуют степень приспособленности ЭВМ для решения тех или иных задач.
2. Емкость памяти (внешняя и основная). Основная память, какой бы большой она не была, всегда ограничена. Внешняя память не ограничена. Для характеристики компьютера используют емкость основной памяти. Использование памяти идет многобайтно, следовательно, доступ измеряется в байтах (максимальная память 4Гб). Внешняя память – суммарная емкость всех накопительных устройств. Следовательно, необходимо использовать косвенную характеристику – количество накопителей подключаемых к ЭВМ. В современных компьютерах есть также и сверхоперативная память (cashe), ее объем – один из важнейших параметров влияющих на время решения задачи.
3. Быстродействие ЭВМ характеризует скорость обработки информации компьютером (число операций в секунду (V), время выполнения (τ=1/v)). Но для различных операций эти показатели различны, следовательно, реальная характеристика – номинальное быстродействие (Vн)– количество коротких операций в единицу времени (обычно берут операцию “+”, а операнды хранятся во внутренних регистрах процессора (R-R)). Иногда также используют в качестве характеристики быстродействия – цикл обращения к основной памяти, а также эффективное быстродействие (Vф) Vф=1/ ∑piτ i , где pi - вероятность выполнения i-ой операции. По содержанию производительность ЭВМ – это среднее число операций в единицу времени.
Производительность ЭВМ зависит от:
1. Быстродействия процессора
2. Класса решаемых задач
3. Порядка прохождения задачи через ЭВМ
Для оценки числового выражения эффективности ЭВМ используют смеси команд. Для научно-технических расчетов используют “Смесь Гибсона”
Надежность ЭВМ. Надежность – свойство ЭВМ выполнять возложенные на нее функции в течение заданного промежутка времени, необходимого для решения поставленной задачи. В процессе функционирования ЭВМ возникают отказы, связанные с неисправностью отдельных элементов либо соединений между ними.
По характеру проявлений отказы могут быть:
1. Внезапный отказ (механическое разрушение элементов)
2. Постепенный отказ (деградация параметров ЭВМ)
С точки зрения математического подхода – отказы это случайное событие. Используется самая простейшая математическая модель – “Простейший поток отказов”. Если поток отказов простейший, то в качестве характеристики надежности используется величина интенсивности потоков отказа. λ=1/Тр, Тр – среднее время безотказной работы между двумя очередными отказами. Если ЭВМ можно ремонтировать, то после находки отказа – работоспособность компьютера восстанавливается (Тв – среднее время восстановления) Тв – фактически время, которое происходит от момента обнаружения отказа до полного восстановления работоспособности. Для компьютеров с простейшим потоком отказов в качестве показателя используют показатель готовности: Кг = Тр/(Тр +Тв) который характеризует вероятность того, что в данный момент времени компьютер готов к решению требуемой задачи.
5. Показатель стоимости – суммарная стоимость всего оборудования, входящего в состав ЭВМ. Если возрастает количество оборудования ЭВМ, то в конечном итоге, будет расти не только стоимость, но будет расти и ее производительность. Путем статистического анализа была выведена связь между стоимостью и производительностью. Впервые это было установлено Найтом и получило название “Закон Гроша”. (V=kS2) k – константа определяется эмпирически
Вывод, если не менять технологическую базу компьютеров, то:
1. При росте стоимости ЭВМ растет количество оборудования и, следовательно, снижается скорость решения задачи.
2. При росте стоимости ЭВМ растет объем оборудования и, следовательно, увеличивается время ремонта.
Т∑ = Тсч +Tр т.е. для данного уровня технологии всегда есть некоторая оптимальная стоимость, которая дает лучшие технические характеристики.
Классификация ЭВМ
ЭВМ классифицируются по:
1. Назначению. Обычно выделяют ЭВМ общего применения и ЭВМ ориентированные на вполне определенный класс задач.
2. Производительности: ЭВМ подразделяются по величине производительности.
3. Режимам работы:
а) однопрограммные ЭВМ
б) мультипрограммные ЭВМ (Эти ЭВМ должны иметь большую оперативную память, средства управления временем, ввода-вывода, средства позволяющие исключить влияния программ друг на друга)
в) ЭВМ для построения много машинных и многопроцессорных вычислительных систем (дополнительно к мультипрограммным ЭВМ должны реализовывать функции взаимного обмена между ЭВМ)
г) ЭВМ для работы в системах реального времени. (Говоря о машинах реального времени наиболее очевиден пример, когда ЭВМ управляет техническим объектом (автопилот). К ним предъявляют требования быстродействия и способность получать массу сигналов от внешних источников)
4. Способ структурной организации.
Для увеличения скорости ЭВМ в ее состав включают несколько процессоров. Различают:
а) Однопроцессорные ЭВМ
б) Мультипроцессорные ЭВМ
Контрольные вопросы: