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
По этапам создания и элементной базе ЭВМ условно делятся на поколения:
1-е поколение, 50-е годы: ЭВМ на электронных вакуумных лампах.
2-е поколение, 60-е годы: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах).
3-е поколение, 70-е годы: ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни - тысячи транзисторов в одном корпусе).
Интегральная схема – электронная схема специального назначения, выполненная в виде единого полупроводникового кристалла, объединяющего большое число активных элементов (диодов и транзисторов).
4-е поколение, 80 – 90-е годы: ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах (сотни тысяч - десятки миллионов активных элементов в одном кристалле).
5-е поколение, настоящее время: компьютеры со многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы.
6-е и последующие поколения: оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом и нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.
Вычислительная машина – это совокупность технических средств, служащих для автоматизированной обработки дискретных данных по заданному алгоритму.
В основу функционирования ЭВМ положен принцип программного управления. Один из способов реализации принципа программного управления был предложен американским математиком Джоном фон Нейманом. Принципы фон-Неймановской концепции вычислительной машины:
Принцип двоичного кодирования. Вся информация (команды и данные) кодируется двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат. Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. В числовой информации обычно выделяют поле знака и поле значащих разрядов. В формате команды можно выделить два поля: поле кода операции и поле адресов (адресную часть).
|
Код операции (КОП) |
адресная часть |
Код операции представляет собой указание, какая операция должна быть выполнена, и задается с помощью n-разрядной двоичной комбинации. Вид адресной части и число составляющих ее адресов зависят от типа команды:
- в командах преобразования данных адресная часть содержит адреса объектов обработки (операндов) и результата,
- в командах изменения порядка вычислений – адрес следующей команды программы,
- в командах ввода-вывода – номер устройства ввода-вывода.
Адресная часть также представляется двоичной последовательностью.
Принцип программного управления. Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов – команд. Каждая команда определяет некоторую операцию из набора операций, реализуемых вычислительной машиной. Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти вычислительной машины и выполняются в порядке их положения в программе. При необходимости, с помощью специальных команд, эта последовательность может быть изменена. Решение об изменении порядка выполнения команд программы принимается либо на основании анализа результатов предшествующих вычислений, либо безусловно.
Принцип однородности памяти. Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы. Распознать их можно только по способу использования. Это позволяет производить над командами те же операции, что и над числами.
Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек – адреса.
Большинство современных ЭВМ по своей структуре отвечают принципу программного управления. Типичная фон-Неймановская ВМ содержит: память, устройство управления, АЛУ и устройство ввода-вывода.
В любой ВМ имеются средства для ввода программ и данных к ним. Информация поступает из подсоединенных к ЭВМ периферийных устройств (ПУ) ввода. Результаты вычислений выводятся на периферийные устройства вывода. Связь и взаимодействие ЭВМ и ПУ обеспечивают порты ввода-вывода. Порт – это аппаратура сопряжения периферийного устройства с ЭВМ и управления им.
Введенная информация сначала запоминается в основной памяти, а затем передается во внешнюю память для длительного хранения. Доступ к любым ячейкам основной памяти может производиться в произвольной последовательности. Такой вид памяти называется памятью с произвольным доступом. Основная память ЭВМ состоит из полупроводниковых оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), обеспечивающих как считывание, так и запись информации. Для таких ЗУ характерна энергозависимость – хранимая информация теряется при отключении электропитания.
Для долговременного хранения программ и данных в ЭВМ используется внешняя память. Внешняя память энергонезависима. Информация в ней хранится в виде специальных программно поддерживаемых объектов – файлов.
Устройство управления – важнейшая часть ЭВМ, организующая автоматическое выполнение программ (путем реализации функций управления) и обеспечивающая функционирование ЭВМ как единой системы. Устройство управления ЭВМ следует рассматривать как совокупность элементов, между которыми происходит пересылка информации, в ходе которой эта информация может подвергаться определенным видам обработки. Пересылка информации между любыми элементами ЭВМ инициируется своим сигналом управления. Т. е. управление вычислительным процессом сводится к выдаче нужного набора сигналов управления в нужной временной последовательности. Основной функцией УУ является формирование управляющих сигналов, отвечающих за извлечение команд из памяти в порядке, определяемом программой, и последующее исполнение этих команд. Кроме того, УУ формирует сигналы управления для синхронизации и координации внутренних и внешних устройств ЭВМ.
АЛУ обеспечивает обработку данных. Помимо результата операции АЛУ формирует ряд признаков результата (флагов), характеризующих полученный результат и события, произошедшие в процессе получения результата (равенство нулю, знак, четность, перенос, переполнение и т.д.). Флаги могут анализироваться в УУ с целью принятия решения о дальнейшей последовательности выполнения команд программы.
УУ и АЛУ тесно взаимосвязаны и их обычно рассматривают как центральный процессор. Помимо УУ и АЛУ в процессор входит также набор регистров общего назначения (РОН), служащих для промежуточного хранения информации в процессе ее обработки.
Рисунок – Структура фон-Неймановской вычислительной машины
По назначению ЭВМ можно разделить на три группы
Универсальные ЭВМ предназначены для решения инженерно-технических, экономических, математических, информационных задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Характерными чертами универсальных ЭВМ являются:
- высокая производительность;
- разнообразие форм обрабатываемых данных при большом диапазоне их изменения и высокой точности их представления;
- большой набор выполняемых операций;
- большая емкость оперативной памяти;
- развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение различных видов внешних устройств.
Проблемно-ориентированные ЭВМ предназначены для решения узкого круга задач, связанных с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам. Проблемно-ориентированные ЭВМ обладают ограниченными, по сравнению с универсальными ЭВМ, аппаратными и программными ресурсами.
Специализированные ЭВМ предназначены для решения определенного узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными техническими устройствами, агрегатами и процессами; устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.
По принципу действия ВМ делятся на три больших класса. Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают.
Цифровые ВМ или вычислительные машины дискретного действия работают с информацией, представленной в цифровой форме.
Аналоговые ВМ или вычислительные машины непрерывного действия работают с информацией, представленной в аналоговой форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).
Гибридные ВМ или вычислительные машины комбинированного действия работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме. Гибридные вычислительные машины целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.
Наибольшее применение в экономике, науке и технике получили цифровые ЭВМ с электрическим представлением дискретной информации, обычно называемые электронными вычислительными машинами.
По размерам и вычислительной мощности ЭВМ делятся
Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции.
Малые ЭВМ или миниЭВМ ориентированы на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов для управления технологическими процессами.
МикроЭВМ – это средства обработки информации, построенные на основе микропроцессорных комплектов БИС.
По функциональному назначению выделяют 3 типа микроЭВМ:
Основными функциональными характеристиками микроЭВМ являются:
Производительность современных компьютеров измеряют в миллионах операций в секунду. Оценка производительности всегда приблизительная, т.к. ориентируется на некоторые усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально при решении различных задач используются различные наборы операций. Разработаны усредненные наборы операций (смеси Гибсона) для разных типов задач: экономических, технических, математических и т.д. По смесям Гибсона можно определять среднее быстродействие компьютера для этих типов задач. Существуют и более новые тесты: тестовые наборы фирм-изготовителей для определения быстродействия своих изделий – показатель iCOMP – Intel Comparative Microprocessor Performance для микропроцессоров фирмы Intel; специализированные тесты для конкретных областей применения компьютеров.
Для компьютеров, выполняющих самые разные задания, эти оценки будут неточными. Поэтому для характеристики микроЭВМ вместо производительности обычно указывают тактовую частоту. Каждая операция требует для своего выполнения определенного количества тактов. Зная тактовую частоту можно точно определить время выполнения любой машинной операции.
Разрядность – это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которыми одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации.
Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами микроЭВМ, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды.
Кэш-память – это буферная, быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Для ускорения операций с основной памятью организуется регистровая кэш-память внутри микропроцессора (кэш-память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате (кэш-память второго уровня).
PAGE 1
ЭВМ
Проблемно-
ориентированные
Специализированные
Универсальные
М
Гибридные
Цифровые
Аналоговые
ВМ
СуперЭВМ
Большие ЭВМ
Малые ЭВМ
МикроЭВМ
ПУ вывода
ПУ ввода
Центральный процессор
УУ
АЛУ
Порты ввода
Порты вывода
Основная память
Внешняя память