Принципы работы вычислительной системы

Принципы работы вычислительной системы. Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ

12131415

Основные понятия вычислительной системы

С

овокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных, называют вычислительной техникой.

Вычислительная система– этоконкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ (программно-аппаратный комплекс), предназначенный для обслуживания одного рабочего места. Любой компонент вычислительной системы (центральный процессор, оперативная или внешняя память, внешнее устройство, программа и т. д.) и предоставляемые им возможности называетсяресурсом. Структуру ВС можно представить в виде пирамиды.

Прикладное программное обеспечение

Системное программное обеспечение

Управление логическими устройствами

Управление физическими устройствами

Аппаратные средства

Аппаратные средства включают в себя физические устройства (состав оборудования), участвующие в автоматизированной обработке информации пользователя.

Управление физическими устройствами осуществляется программами, взаимодействующими с аппаратными структурами.

Управление логическими устройствами осуществляют программы, ориентированные на пользователя и не зависящие от физических устройств. На базе этого уровня могут создаваться новые логические ресурсы. Например, на одном жестком диске может быть создано несколько логических дисков, работа с которыми, с точки зрения пользователя, ничем не отличается от работы с несколькими физическими дисками.

Системное программное обеспечение – это комплекс программ, предназначенных для обеспечения работы компьютеров и сетей ЭВМ. Неотъемлемой частью системного программного обеспечения являются системы программирования, которые служат для поддержки всего технологического цикла разработки программного обеспечения.

Прикладное программное обеспечение – это комплекс взаимосвязанных программ для решения задач определенного класса конкретной предметной области.

Центральным звеном вычислительной системы является компьютер.

Компьютер – это электронный прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки данных. В основе работы любого современного компьютера лежит генератор тактовых импульсов, вырабатывающий электрические сигналы (импульсы), частота которых определяет тактовую частоту. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы компьютера (или просто такт работы). Тактовая частота достаточно объективно определяет быстродействие ЭВМ. Зная тактовую частоту и количество тактов, требуемых для выполнения какой-либо операции, можно точно определить время выполнения этой операции. Управление компьютером фактически сводится к управлению распределением сигналов между устройствами. Управление может быть программным или интерактивным.

Программное управлениераспределением сигналов осуществляется автоматически.

Управление распределением сигналов может производиться вручную с помощью внешних органов управления – кнопок, переключателей и т. п. В современных компьютерах внешнее управление в значительной степени автоматизировано благодаря использованию специальных аппаратно-логических интерфейсов, к которым подключаются внешние устройства управления и ввода данных: мышь, джойстик, клавиатура и др. Такое управление называют интерактивным.

Конфигурацией вычислительной системы называют ее состав, включающий аппаратные и программные средства, которые принято рассматривать отдельно. Принцип разделения вычислительной системы на аппаратную и программную конфигурацию имеет для информатики особое значение, так как очень часто решение одной и той же задачи может обеспечиваться как аппаратными, так и программными средствами. Критерием выбора при этом являются производительность и эффективность. Однако нельзя забывать, что такое разделение является условным, поскольку программное и аппаратное обеспечение работают в компьютере в неразрывной связи и в непрерывном взаимодействии.

Аппаратную конфигурацию вычислительной системы образует совокупность оборудования, подключенного к компьютеру. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную конструкцию (аппаратную конфигурацию), которую можно собирать из готовых узлов и блоков.

Программной конфигурацией вычислительной системы называют совокупность программ, установленных на компьютере. Программы для ЭВМ это форма представления данных и команд, предназначенных для получения определенных результатов. Работа компьютерных программ имеет многоуровневый характер.

На каждом рабочем месте программно-аппаратная конфигурация создается такой, чтобы наиболее эффективно решать конкретные практические задачи. Разные компьютеры могут быть близкими по своей архитектуре и функциональному назначению, но иметь разную программно-аппаратную конфигурацию.

Наряду с аппаратным и программным обеспечением в вычислительных системах в некоторых случаях рассматривают информационное и математическое обеспечение.

Под информационным обеспечением понимают совокупность программ и предварительно подготовленных данных для работы этих программ. Например, в текстовом редакторе для работы системы автоматической проверки орфографии, кроме аппаратного и программного обеспечения, необходимо иметь специальные наборы словарей, содержащие заранее заготовленный эталонный массив данных.

Математическое обеспечение вычислительной системы представляет собой совокупность программного и информационного обеспечения. Как правило, оно «жестко» записывается в микросхемы ПЗУ и используется в специализированных компьютерных системах (бортовых компьютерах автомобилей, самолетов, судов и т. п.).

Аппаратное обеспечение вычислительной системы

К

аппаратному обеспечению вычислительной системы относится совокупность устройств и приборов, необходимых для выполнения конкретных видов работ. По способу расположения устройств относительно центрального процессорного устройства (ЦПУ) различают внутренние и внешние устройства. Внешними устройствами являются большинство устройств ввода-вывода данных (их также называют периферийными устройствами) и некоторые устройства длительного хранения данных (внешняя память). Для работы системы аппаратные средства должны быть согласованы друг с другом с помощью аппаратных интерфейсов, как на физическом уровне, так и на логическом. Физически аппаратные средства согласуются с помощьюразличных устройств (механических и электрических разъемов, шин, контроллеров), логически – с помощью программ, называемых драйверами устройств.

Аппаратные интерфейсы – это стандартизированные аппаратно-логические устройства, обеспечивающие согласование работы между устройствами, узлами и блоками вычислительной системы. Стандарты на аппаратные интерфейсы называются протоколами, в которых определяется совокупность технических условий, необходимых для согласованной работы устройств. Наличие стандартных интерфейсов позволяет унифицировать передачу данных между устройствами независимо от их особенностей.

В архитектуре любой вычислительной системы существует множество аппаратных интерфейсов, которые условно можно разбить на две группы: последовательные и параллельные.

Параллельные интерфейсы – устройства, которые служат для одновременной передачи группы бит. Количество бит, участвующих в одной посылке, определяется разрядностью интерфейса. Например, восьмиразрядные параллельные интерфейсы передают за один цикл один байт данных. Производительность параллельных интерфейсов измеряют байтами в секунду (байт/с; Кбайт/с; Мбайт/с). Их применяют там, где важна скорость передачи данных: для подключения печатающих устройств, устройств ввода графической информации, устройств записи данных на внешний носитель.

Последовательные интерфейсы – более простые устройства. Обмен данными производится последовательно бит за битом. Их производительность измеряют битами в секунду (бит/с; Кбит/с; Мбит/с). Последовательные интерфейсы часто называют асинхронными интерфейсами, поскольку для них не надо синхронизировать работу передающего и принимающего устройств. Из-за отсутствия синхронизации передача полезных данных сопровождается служебными посылками, то есть на один байт полезных данных могут приходиться 1–3 служебных бита. Первоначально пропускная способность последовательных интерфейсов была меньше параллельных, а коэффициент полезного действия – ниже. Поэтому их применяли для подключения «медленных устройств» (простейших устройств печати низкого качества, устройств ввода-вывода знаковой и сигнальной информации, контрольных датчиков, малопроизводительных устройств связи и т. п.), а также в тех случаях, когда отсутствовали ограничения на продолжительность обмена данными. Однако с развитием техники в настоящее время появились высокоскоростные последовательные интерфейсы, не уступающие параллельным, а нередко и превосходящие их по пропускной способности.

Классификация компьютеров

С

уществует достаточно много различных методов классификации компьютеров. К наиболее часто употребляемым в технической литературе и средствах массовой информации методам относятся следующие:

– по назначению;

– по уровню специализации;

– по типоразмерам;

– по совместимости;

– по типу используемого процессора.

Классификация по назначению – один из наиболее ранних методов классификации. По этому принципу различают большие ЭВМ, мини-ЭВМ, микро-ЭВМ и персональные компьютеры (ПК).

Большие ЭВМ (mainframe или суперкомпьютеры). Их применяют в очень крупных корпорациях, банках или в отраслях народного хозяйства. Сверхпроизводительные суперкомпьютеры используются для решения задач оборонного комплекса, ядерной физики, космических задач, метеорологии, фармакологии сейсморазведки. На базе суперкомпьютера создают вычислительные центры, включающие в себя несколько отделов (групп):

– группа системного программирования, обеспечивающая программно-аппаратный интерфейс вычислительной системы;

– группа прикладного программирования, обеспечивающая пользовательский интерфейс вычислительной системы;

– группа технического обслуживания;

– группа подготовки данных;

– группа информационного обеспечения, создающая архивы данных в виде библиотеки программ и банков данных;

– отдел выдачи данных, получающий данные от центрального процессора и преобразующий их в форму, удобную для заказчика, например, распечатывает на принтерах.

Большие ЭВМ отличаются высокой стоимостью оборудования и обслуживания. Центральный процессор такой вычислительной системы представляет собой несколько стоек аппаратуры и размещается в отдельном помещении. Для повышения эффективности суперкомпьютер работает одновременно с несколькими задачами и, естественно, с несколькими пользователями. Такое распределение ресурсов вычислительной системы получило название принципа разделения времени.

Мини-ЭВМ. От больших ЭВМ компьютеры этой группы отличаются уменьшенными размерами и, соответственно, меньшей производительностью и стоимостью. Такие компьютеры используются крупными предприятиями, научными учреждениями и вузами, в которых учебная деятельность сочетается с научной работой. Мини-ЭВМ часто применяют для управления производственными процессами, одновременно решая другие задачи. Например, он может использоваться экономистами в осуществлении контроля над себестоимостью продукции, в бухгалтерии для учета первичной документации и подготовки регулярных отчетов для налоговых органов и др. Работа с мини-ЭВМ организуется также с помощью вычислительного центра, хотя и не такого многочисленного как на больших ЭВМ.

Микро-ЭВМ. Компьютеры данного класса доступны многим предприятиям. Для обслуживания такого компьютера не требуется вычислительный центр. Достаточно иметь небольшую вычислительную лабораторию, в состав которой обязательно входят программисты высокой квалификации, которые сочетают в себе качества системных и прикладных программистов. Микро-ЭВМ находят применение и в крупных вычислительных центрах для выполнения вспомогательных операций, например, операций по предварительной подготовке данных.

Персональные компьютеры (ПК). Этот класс компьютеров получил особо бурное развитие в последние 20 лет. Он предназначен для обслуживания одного рабочего места. Несмотря на небольшие размеры и относительно низкую стоимость, современные ПК обладают высокой производительностью. Многие модели ПК превосходят по производительности большие ЭВМ 70-х годов, мини-ЭВМ 80-х годов и микро-ЭВМ первой половины 90-х годов. ПК вполне может удовлетворить потребности малых предприятий и отдельных лиц. Особенно широкую популярность приобрели ПК после 1995 г. в связи с бурным развитием Интернета. На персональных компьютерах наиболее часто применяются игры, редакторы текстов, базы данных, информационные системы, электронные таблицы, системы программирования и т. п. ПК также являются удобным средством автоматизации учебного процесса по любым дисциплинам, средством организации дистанционного (заочного) обучения и средством организации досуга. Их нередко используют для надомной работы, что особенно важно в условиях ограниченной трудозанятости. До 2002 г. в области ПК действовали международные стандарты, которые устанавливали следующие категории персональных компьютеров:

– массовый ПК (Consumer PC);

– портативный ПК (Mobile PC);

Workstation PC);

Entertainment).

Развитие аппаратных средств привело к постепенному размытию границ между категориями, поэтому обновление стандартов было прекращено, хотя при приобретении ПК для конкретных задач эту классификацию полезно знать.

Классификация по уровню специализации. Компьютеры по уровню специализации делятся на универсальные и специализированные. Конфигурация (состав компьютерной системы) универсального компьютера может быть произвольной. Так, например, один и тот же ПК можно использовать для работы с текстом, музыкой, графикой, фото- и видеоматериалами. Специализированные компьютеры предназначены для решения конкретного круга задач. К ним относятся, например, бортовые компьютеры автомобилей, судов, самолетов, космических аппаратов. Специализированные мини-ЭВМ, ориентированные на работу с графикой, называются графическими станциями. Их используют при подготовке кино- и видеофильмов, а также рекламной продукции. Специализированные компьютеры, объединяющие компьютеры предприятия в одну сеть, называются файловыми серверами. Компьютеры, обеспечивающие передачу информации по сети Интернет, называют сетевыми серверами.

Классификация по типоразмерам относится к персональным компьютерам. В зависимости от типоразмеров ПКделятся на настольные (desktop), портативные (notebook), карманные (palmtop), мобильные вычислительные устройства (сочетают в себе функции карманного ПК и средств мобильной связи). В настоящее время стали широко использоваться ноутбуки.

Ноутбук (по-английски notebook – блокнот, блокнотный ПК) – портативный персональный компьютер, в корпусе которого объединены типичные компоненты ПК, включая дисплей, клавиатуру с сенсорной панелью, колонки, микрофон, веб-камеру, а также аккумуляторные батареи. Ноутбук благодаря своим небольшим размерам, весу, современным батареям очень удобен в эксплуатации, позволяет брать с собой в дорогу и работать без подзарядки от 1 до 14 часов. Первая в мире общедоступная модель ноутбуков Osborne-1 была создана изобретателем Адамом Осборном и выпущена на рынок в 1981 г. Спрос на первые ноутбуки оказался чрезвычайно высоким, благодаря чему корпорация Osborne Computer стала в свое время самой быстрорастущей компанией. По своему назначению и техническим характеристикам существует следующая классификация ноутбуков: бюджетные ноутбуки, ноутбуки среднего класса, бизнес-ноутбуки, мультимедийные ноутбуки, игровые ноутбуки, мобильная рабочая станция, имиджевые ноутбуки, защищенные ноутбуки, ноутбуки с сенсорным дисплеем.

Классификация по совместимости. От совместимости зависит взаимозаменяемость узлов и приборов, предназначенных для разных компьютеров, возможность переноса программ с одного компьютера на другой и возможность совместной работы разных типов компьютеров с одними и теми же данными. По аппаратной совместимости различают так называемые аппаратные платформы. На сегодня наиболее распространены две аппаратные платформы – IBM PC и Apple Macintosh. Кроме аппаратной совместимости существуют другие виды совместимости: программная совместимость, совместимость на уровне операционной системы, совместимость на уровне данных.

Классификация по типу используемого процессора. Тип используемого процессора в значительной мере характеризует технические свойства компьютера. Даже если компьютеры принадлежат одной аппаратной платформе, они могут различаться по типу используемого процессора.

Н

есмотря на успехи, достигнутые в области технологии, существенных изменений в базовой структуре и принципах работы современных компьютеров не произошло. Большинство современных компьютеров основано на общих логических принципах функционирования вычислительных устройств

Принцип двоичного кодирования

Принцип программного управления. Требуемый порядок вычислений однозначно задается алгоритмом и описывается последовательностью команд, образующих программу

Принцип однородности памяти.

Принцип адресности заключается в том, что структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек. Номер ячейки определяет ее адрес, который является машинным идентификатором

фон-неймановской архитектуры

Основные устройства такого компьютера: процессор, память (запоминающее устройство), устройства ввода-вывода. Все устройства соединены каналами связи (или шинами), по которым передается информация. Процессор определяет поколение, производительность компьютера: от процессора во многом зависит быстродействие. Процессор включает в себя арифметико-логическое устройство и устройство управления. Арифметико-логическое устройствоУстройство управления (УУ) выполняет функции управления всеми устройствами компьютера и организует процесс выполнения программы. К функциям памяти (ЗУ) относятся: прием информации из других устройств, хранение информации, выдача информации по запросу в другие устройства машины. Устройства ввода-вывода

2015-05-075773

Принцип работы вычислительной системы

Принципы работы вычислительной системы. Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ - фотография 1 - изображение 1

В этой главе рассматривается принцип действия цифровых устройств, процессора, приведена историческая справка, относящаяся к хронологии развития процессоров, описан принцип работы арифметико-логического устройства, оперативной памяти, внешних запоминающих устройств, устройств ввода информации в ЭВМ и устройств вывода информации.

Основными элементами современных ЭВМ являются цифровые устройства. Это объясняется тем, что при разработке новых конструкций компьютеров проверялись на практике различные варианты их построения. Изобретались вычислительные средства, в которых сигналы могли изменяться непрерывно (аналоговые ЭВМ). Были созданы конструкции, в которых основные элементы компьютера могли находиться в трех различных устойчивых состояниях (в отечественной ЭВМ «Сетунь» использовалась троичная система счисления). Существуют элементы, которые могут принимать только два устойчивых состояния (например, реле). Их контакты могут быть либо замкнуты, либо разомкнуты. Первые вычислительные машины были сконструированы с использованием реле. Работу таких элементов удобно описывать с помощью двоичной системы счисления и алгебры логики.

Радиоэлектронные элементы, которые могут принимать только два устойчивых состояния, являются цифровыми устройствами (ЦУ). Два устойчивых состояния удобно обозначать такими терминами: включено–выключено, открыто–закрыто, да–нет, истина– ложь или единица–ноль.

Достоинство цифровых устройств их высокая помехоустойчивость и стабильность. Такие элементы надёжно работают при случайном изменении напряжения питания, окружающей температуры, при действии электромагнитных помех.

Сигналы, представленные в цифровой форме, можно копировать, передавать и хранить практически без искажений. В то же время аналоговые сигналы таковы, что их копии всегда отличаются от оригинала (искажаются).

Все цифровые устройства делятся на два класса: комбинационные ЦУ и последовательностные ЦУ (или цифровые автоматы).

В комбинационных цифровых устройствах выходной сигнал в каждый момент времени зависит только от сочетания (комбинации) входных сигналов. К таким ЦУ относятся: шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры, преобразователи кодов, сумматоры, арифметико-логические устройства, логические элементы (И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, Исключающее ИЛИ и др.).

Состояние последовательностных ЦУ зависит не только от входных сигналов, имеющихся в данный момент времени, но и от предшествующего состояния ЦУ. Эти элементы обладают памятью. К последовательностным цифровым устройствам относятся триггеры, счетчики, регистры.

Аппаратно-цифровые устройства могут быть реализованы на различных элементных базах: электромагнитных реле, электровакуумных ламп, дискретных транзисторов, в виде микросхем, выполненных по интегральной полупроводниковой технологии.

При работе цифровых устройств их элементы в какой-то момент времени проводят электрический ток (открытое состояние), а в другой момент времени не проводят (закрытое состояние). Таким образом, формируются сигналы логической единицы и логического нуля (цифровые сигналы).

Принцип действия логических элементов рассмотрим на примере работы устройства, выполняющего логическую операцию И-НЕ (рис. 7.3).

Принцип работы вычислительной системы - изображение 2 - изображение 2

Рис. 7.3. Схема устройства, выполняющего логическую функцию И-НЕ

Заметим, что схемотехническое построение элемента может быть различным: с использованием технологий РТЛ, РЕТЛ, ДТЛ, ТТЛ, ЭСЛ, КМОП, И2Л. Эти технологии позволяют получить элементы, отличающиеся друг от друга быстродействием, нагрузочной способностью и потребляемой мощностью (экономичностью).

Рассматриваемый элемент построен на комплементарных металл-окисел полупроводниках (полевых транзисторах, выполненных по КМОП-технологии). Термин «комплементарные» означает, что используемые транзисторы взаимно дополняют друг друга. В этих конструкциях применяются транзисторы двух типов. Транзисторы одного типа открываются высоким, а запираются низким напряжением (VT3, VT4). А другие транзисторы наоборот: запираются высоким напряжением, а низким напряжением открываются (VT1, VT2). Такие полупроводниковые элементы носят специальное название – полевые транзисторы с p-каналом и n-каналом.

На рис. 7.4. показан полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа. Внутренняя часть транзистора между истоком и стоком называется каналом. Транзисторы работают в так называемом ключевом режиме. При этом каждый транзистор либо полностью открыт и проводит электрический ток, либо закрыт и практически ток не проводит. Переключение транзисторов из одного предельного состояния в другое происходит достаточно быстро.

Понятие и принцип работы вычислительной системы - изображение 3 - изображение 3

Рис. 7.4. Полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа

Если попытаться изложить принцип работы транзистора с помощью метафоры, то транзистор можно сравнить с водопроводным краном. Поток воды, протекающий по трубе (каналу) от истока к стоку можно перекрывать с помощью крана. Таким краном в полевом транзисторе является затвор. Управляющее напряжение на затворе позволяет либо открыть канал (пропустить воду), либо перекрыть этот поток.

Как известно, логический элемент И-НЕ работает в соответствии со следующей таблицей истинности (табл. 7.2).

Таблица 7.2. Таблица истинности

  2 x 1 x y

Если входные сигналы x1 и x2 равны нулю, то транзисторы VT1 и VT2 будут открыты, а транзисторы VT3 и VT4 закрыты. Термин «открытый транзистор» означает, что сопротивление канала транзистора становится небольшим и между истоком и стоком протекает ток. Через открытые транзисторы VT3 и VT4 высокий потенциал (примерно равный напряжению питания Ucc) передается на выходной зажим Y. Высокое выходное напряжение условно обозначено логической единицей (см. верхнюю строку табл. 7.2).

Если входные сигналы x1 и x2 одновременно равны высоким потенциалам (единицам), то транзисторы VT1 и VT2 будут закрыты, а транзисторы VT3 и VT4 – открыты. В результате этого через открытые транзисторы VT3 и VT4 на выходную шину Y будет подан потенциал, близкий к нулю вольт (см. нижнюю строку табл. 7.2).

Если на входы элемента И-НЕ подать сигналы x1 = 1 и x2 = 0, то транзисторы VT3 и VT1 будут открыты, а транзисторы VT2 и VT4 закрыты. Через открытый транзистор VT1 от источника питания Ucc на выходной зажим Y поступит высокий потенциал, который соответствует логической единице.

На рис. 7.5 схематично проиллюстрирована работа устройства при четырёх возможных комбинациях входных сигналов. При этом открытые транзисторы изображаются в виде замкнутых контактов переключателей, а закрытые транзисторы в виде разомкнутых контактов.

Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ. Принципы работы вычислительной системы - фото 4 - изображение 4

Тема: Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ. Принципы работы вычислительной системы - изображение 5 - изображение 5

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ, ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ - изображение 6 - изображение 6

Уроки 25 - 26Информационные процессы в компьютере - фото 7 - изображение 7

Рис. 7.5. Четыре возможных комбинации входных сигналов

Управляющие сигналы x1 и x2 подаются на затворы полевых транзисторов (на рис. 7.5 цепи управления не показаны). Такое изображение допустимо, так как транзисторы работают в ключевом режиме, а входное сопротивление полевого транзистора высокое. Заметим, что номера комбинаций на рис. 7.5 совпадают с номерами строк в таблице истинности. Рассмотренные примеры показывают, как аппаратно (схемотехнически) реализуются некоторые логические операции.

Раздел 2 Архитектура и принципы работы основных логических блоков вычислительных систем (ВС) - фотография 8 - изображение 8

Рис. 7.6. Условное графическое обозначение элемента И-НЕ

Условное графическое обозначение элемента И-НЕ показано на рис. 7.6. Кружок на выходе логического элемента говорит о том, что элемент выполняет операцию инверсии (отрицание, НЕ). Символ & внутри прямоугольника свидетельствует о том, что данный элемент выполняет логическую операцию конъюнкции (логическое умножение, И). Два указанных символа совместно обозначают логическую операцию И-НЕ.

Элементы, реализующие другие логические функции, имеют иную конфигурацию (иную схему построения).

Заметим, что на базе логических элементов строятся все цифровые устройства: дешифраторы, сумматоры, триггеры, регистры и т.д.

Рассмотрим принцип действия ещё одного важного элемента цифровых ЭВМ – триггера (рис. 7.7).

ВЫЧИСЛИ́ТЕЛЬНАЯ СИСТЕ́МА - изображение 9 - изображение 9

Рис. 7.7. Условное графическое обозначение RS-триггера

Существует несколько широко распространенных типов триггеров: RS-, D-, T-, JK- триггеры и др. Простейшими являются RS-триггеры, причем они входят в состав более сложных конструкций. Триггеры D-типа используются для построения регистров. T-триггеры являются счетными, они делят частоту входного сигнала на два и служат для построения двоичных счетчиков. JK-триггеры универсальны. На их основе можно реализовать любой из перечисленных типов триггеров. Условное графическое обозначение RS-триггера показано на рис. 7.7. Буквы RS являются аббревиатурой английских слов Reset (сброс) и Set (установка). Триггер управляется сигналом логического нуля (активный сигнал 0). Если на S-вход подать сигнал логического нуля, а на R-вход сигнал логической единицы, то триггер установится в единичное состояние. При этом на прямом выходе Q будет присутствовать сигнал логической единицы, а на инверсном выходе

История развития вычислительной техники. Отечественная вычислительная техника. Первая ЭВМ - фото 10 - изображение 10

сигнал логического нуля. Если теперь на оба входа триггера подать сигналы логической единицы, то он перейдет в режим хранения информации. Его состояние не изменится до прихода новых управляющих сигналов, поступающих на входы R и S.

Основные этапы развития вычислительной техники - фото 11 - изображение 11

Рис. 7.8. Принцип действия RS-триггера

Принцип действия RS-триггера удобно пояснить с помощью рис. 7.8., на котором изображен триггер, построенный на логических элементах И-НЕ.

С помощью переключателей 1 и 2 легко изменять сигналы на входах логических элементов DD1 и DD2. Показанное на рисунке состояние соответствует подаче логического нуля на элемент DD1 и логической единицы на элемент DD2. Заметим, что логическому нулю соответствует потенциал, близкий к нулю (поэтому переключатель 1 подсоединен к корпусу, земле устройства). Логической единице соответствует некоторое положительное напряжение. По этой причине вход R триггера через переключатель 2 и резистор подсоединен к источнику напряжения +U. В соответствии с таблицей истинности для логического элемента И-НЕ (табл. 7.2) на выходе Q элемента DD1 появится сигнал логической единицы (светодиод Н1 загорится). Сигнал логической единицы с выхода элемента DD1 подается на верхний вход элемента DD2, на нижний вход которого в это время также подается сигнал логической единицы.

В соответствии с таблицей истинности элемента И-НЕ (табл. 7.2) на выходе DD2 появится логический ноль (светодиод Н2 погаснет). Триггер установится в единичное состояние. Такая комбинация входных сигналов соответствует режиму установки триггера в единичное состояние.

Если теперь переключатель 1 переместить в верхнее положение (подать сигнал логической единицы на вход S), то триггер перейдет в режим хранения информации. Его состояние останется прежним, так как на нижний вход элемента DD1 подается сигнал логического нуля.

Чтобы изменить состояние триггера (перевести его в нулевое состояние), следует на вход R подать сигнал логического нуля. Для этого нужно переключатель 2 перевести в нижнее положение. Сигнал логического нуля на нижнем входе элемента DD2 вызовет появление логической единицы на инверсном выходе триггера NQ. В результате загорится светодиод Н2, а сигнал логической единицы с выхода DD2 попадет на нижний вход элемента DD1. В соответствии с таблицей истинности (табл. 7.2), наличие двух единиц на входах приведет к появлению логического нуля на выходе элемента И-НЕ. Триггер перейдет в нулевое состояние. Указанная комбинация входных сигналов соответствует режиму записи нуля.

Триггеры являются основными элементами, из которых состоит статическая оперативная память. На триггерах строят счетчики и регистры. С помощью регистров, например, осуществляется операция сдвига, которая нужна для реализации операции умножения. С помощью регистров преобразуют параллельный код в последовательный (и наоборот). Это необходимо, на-пример, для работы модема (многоразрядные слова, циркулирующие внутри ЭВМ, нужно передавать по двухпроводной линии связи).

На рисунке 7.9. показан четырехразрядный регистр памяти, построенный на синхронных D-триггерах. Информация в триггеры DD1…DD4 записывается при поступлении на входы C1 разрешающего (синхронизирующего) импульса. Синхронизирующий сигнал формируется с помощью ключа С. В каждый триггер записывается та информация, которая присутствует на входе D. Например, на входе D триггера DD1 присутствует сигнал логической единицы, поэтому он установится в единичное состояние и светодиод Н1 загорится. В это же время триггер DD2 установится в нулевое состояние, так как на его D-входе присутствует логический ноль. Этот сигнал сформирован с помощью ключа 2.

Самые первые приспособления для счёта - изображение 12 - изображение 12

Рис. 7.9. Четырехразрядный регистр памяти

Контрольные вопросы и задания

Контрольные вопросы и задания

1. Что такое ЭВМ?

2. Расскажите об основных элементах ЭВМ.

3. Какую систему счисления применил для своей вычислительной машины Готфрид Лейбниц?

4. Перечислите основные составные части счетной машины Бэббиджа.

5. Кем была создана первая электронная вычислительная машина в 1942 году?

6. Кто первым применил для своей машины двоичную систему счета?

7. Кто и в каком году первым создал автоматическую вычислительную машину?

8. Каковы отличия между процессором и системным блоком компьютера?

9. Приведите перечень компонентов компьютерной системы.

10. Каковы функции компонентов компьютерной системы?

11. Какие виды памяти ЭВМ вы знаете?

12. Расскажите о функциях памяти ЭВМ.

13. Поясните понятие работы ЭВМ.

14. Расскажите о работе центрального процессора ЭВМ.

15. Кем была построена первая механическая машина?

16. Какие операции может выполнять механическая счетная машина Блеза Паскаля?

17. Будет ли утеряна информация, хранящаяся в ПЗУ, при отключении электропитания?

18. Что относится к устройствам ввода информации?

19. Что относится к устройствам вывода информации?

20. Общий принцип работы ЭВМ.

21. Перечислите достоинства цифровых устройств.

22. Кто впервые применил двоичную систему счисления?

23. Кто впервые предложил хранить программу - последовательность команд управления ЭВМ в памяти машины?

24. Какую структуру ЭВМ имеет архитектура фон Неймана?

25. Какие базовые элементы были у машины Дж. Фон Неймана?

26. Отличие хранения информации на ПЗУ и ОЗУ.

27. Назовите устройства, входящие в состав процессора ЭВМ.

28. Объясните принцип работы ЭВМ.

29. Поясните различия между работой комбинированных и последовательных цифровых устройств.

30. Расскажите о вычислительной машине Чарльза Бэббиджа.

31. Каковы основные этапы развития вычислительной техники?

32. Представьте структуру и расскажите как работает вычислительная машина Дж. фон Неймана.

33. Поясните понятие основного вектора развития вычислительной техники.

34. Расскажите об архитектуре ЭВМ.

35. Какие основные виды цифровых устройств вы знаете?

36. Расскажите о принципах действия логических устройств.

37. Триггеры, определение, примеры использования в ЭВМ.

8. Состав и назначение основных элементов персонального компьютера. Центральный процессор. Системные шины и слоты расширения

Понятие и принцип работы вычислительной системы

Первые механические счётные устройства - изображение 13 - изображение 13

Совокупность аппаратных и программных средств вычислительной техники называется вычислительной системой (ВС). Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Аппаратные и программные средства вычислительной техники рассматривают отдельно, в связи с этим различают аппаратную и программную конфигурацию. Такой принцип разделения обусловлен тем, что часто решение одних и тех же задач может обеспечиваться или аппаратными или программными средствами. Критериями выбора аппаратного или программного решения являются производительность и эффективность.

1) Аппаратное обеспечение (hardware) ВС включает устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную конструкцию.

По способу расположения относительно центрального процессора CPU различают внутренние и внешние устройства.

Внутренние устройства - системная (материнскую) плата; процессор; видеоконтроллер; звуковая карта и т.д.

Внешнимиявляются большинство устройств ввода-вывода данных (периферийные устройства), а также устройства для длительного хранения данных. Устройства, связанные с процессором через шину, а не напрямую, называют периферийными.

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняется с помощью аппаратно-логических устройств – аппаратных интерфейсов.

Интерфейс – это стандарт присоединения компонентов к системе. В качестве компонента выступает отдельный узел (устройство), выполняющий определенную функцию в составе системы.

Стандарты на аппаратные устройства называются протоколами.

Протокол – это совокупность технических условий, которые должны быть соблюдены разработчиками для успешного согласования устройств между собой.

Интерфейсы в архитектуре ВС условно делят на две группы–последовательные и параллельные.

Последовательный (асинхронный) интерфейс характеризуется тем, что данные через него передаются последовательно, бит за битом. В связи с этим последовательные интерфейсы характеризуются низкой пропускной способностью (на один байт полезных данных приходится 1-3 служебных бита). Последовательные интерфейсы применяют для подключения «медленных» устройств (печати, ввода-вывода и т. п.).

При использовании параллельного интерфейса передача данных происходит группами битов. Количество битов, передаваемых в одной посылке, определяется разрядностью интерфейса. Например, восьмиразрядные параллельные интерфейсы передают один байт (8 бит) за один цикл. Параллельные интерфейсы более сложны, но обеспечивают большую производительность по сравнению с последовательными интерфейсами. Производительность параллельных интерфейсов измеряют байтами в секунду (байт/с, Мбайт/с). Параллельные интерфейсы применяют в случаях, когда необходимы высокие скорости передачи данных (устройства ввода графической информации, устройства записи данных на внешние носители).

2) Программное обеспечение (software) ВС имеет целью управление аппаратными средствами. Программное и аппаратное обеспечение находятся в непрерывном взаимодействии.

Состав программного обеспечения ВС называется программной конфигурацией. Между программами существует взаимосвязь. Возможность взаимодействия программ обусловлена техническими условиями и протоколами взаимодействия, при этом программное обеспечение распределяется по взаимодействующим между собой уровням.

Уровни программного обеспечения представляют собой пирамиду, в которой каждый следующий уровень опирается на предшествующие ему уровни.

Иерархия ПО приведена на рисунке 4.4.

Разработка первых аналогов компьютера - фотография 14 - изображение 14

Рисунок 4.4– Структура ПО

1) Базовый уровень является самым низким уровнем программного обеспечения и отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Программные средства этого уровня хранятся в специальных микросхемах – постоянных запоминающих устройствах ПЗУ. Базовая система Ввода/вывода BIOS содержит:

- драйверы стандартных внешних устройств (клавиатура, монитор);

- программа начальной загрузки;

- тестовые программы для контроля работоспособности оборудования.

2) Системный уровень – переходный. Программы этого уровня обеспечивают взаимодействие прочих программ с программами базового уровня и аппаратным обеспечением. Программное обеспечение системного уровня обуславливает эксплуатационные показатели ВС.

Совокупность программного обеспечения системного уровня образует ядро операционной системы.

Операционная система – программа, обеспечивающая управление аппаратными средствами.

Кроме этого, системный уровень содержит программы для обеспечения взаимодействия аппаратных ресурсов (драйверы устройств) и средства ввода и управления ВС (средства обеспечения пользовательского интерфейса). Пользовательский интерфейс – средства взаимодействия пользователя с программами и аппаратным обеспечением.

3) Служебный уровень предназначен для автоматизации работ по проверке, отладке и настройке компьютерной системы. Программное обеспечение служебного уровня (утилиты) также используется для улучшения или расширения функций системных программ. Программы этого уровня взаимодействуют как с программами базового уровня, так и с программами системного уровня. Некоторые служебные программы (программы обслуживания) сразу входят в состав операционной системы, дополняя ее ядро, но большинство являются внешними программами и расширяют функции операционной системы.

4) Прикладной уровень представляет собой комплекс программ, предназначенных для решения производственных, творческих или развлекательно-обучающих задач.

Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ. Принципы работы вычислительной системы

Начало компьютерной эры - фотография 15 - изображение 15

1. Схема конвейера

Разработка архитектуры - фотография 16 - изображение 16

Основные элементы конвейера

1.__________________________________________________________________

2.__________________________________________________________________

3.__________________________________________________________________

4.__________________________________________________________________

5.__________________________________________________________________

6.__________________________________________________________________

7.__________________________________________________________________

8.__________________________________________________________________

9.__________________________________________________________________

10._________________________________________________________________

11._________________________________________________________________

2. Измеряемые параметры цепного конвейера.

№ п/п Наименование параметра Обозначение и размерность Результат
1. Длина конвейера L, м  
2. Цепь: - тип - шаг - масса 1 м цепи ( по ГОСТу ) pц ,, мм mц, кг/м  
3. Расстояние между направляющими h, мм    
4. Расстояние от катков до оси груза а, мм    
5. Электродвигатель: - мощность - частота вращения   Pэл, кВт nэл,1/мин  
6. Ременная передача: диаметр ведущего шкива диаметр ведомого шкива d1, мм d2, мм  
7. Редуктор: тип  
8. Муфта: тип  
9. Число зубьев звездочки z, шт  
10. Полка – этажерка : - шаг - высота - ширина - масса pпэ, мм Hпэ, мм Впэ, мм Mпэ, кг  
11. Масса стойки mст, кг  
12. Масса катка mк, кг  
13. Груз: наименование - масса - количество mгр, кг n, шт  
14. Частота вращения ведомого шкива n2,1/мин  
15. Время одного оборота звездочки t, с  
16. Мощность потребляемая Pэ, кВт  

3. Расчетные параметры цепного конвейера.

№ п/п Наименование параметра Формула Результат
1. Передаточное число ременной передачи uрем=    
2. Частота вращения звездочки, 1/мин nзв=  
3. Передаточное число редуктора uред=  
  4.   Диаметр звездочки, мм Dзв=  
5. Сила тяжести 1 метра: Н/м - цепи - полки-этажерки - стойки - катка - груза   qц= qпэ= qст= qк= qгр=    
  6.   Скорость цепи, м/с νц=  
7. Коэффициент полезного действия: - редуктора - приводной станции ηред= ηприв=  
8. Мощность: кВт - на приводном валу - электродвигателя   Pпр= Pэл =  
9. Производительность конвейера: - массовая, т/ч - штучная, шт/ч   Q= Z =  

4. Эскиз полки-этажерки

5. Расчет мощности конвейера (Определение расчетной мощности электродвигателя).

6. Сравнение мощностей и выводы.

Зав. кафедрой, проф. Андреенков Е.В.

Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ. Принципы работы вычислительной системы

1. Классические принципы построения архитектуры ЭВМ были предложены в 40-х годах ХХ века Дж. фон Нейманом. Принцип однородности памяти заключается в том, что …

Транзисторы. Выпуск первых серийных компьютеров - фото 17 - изображение 17

программы и данные хранятся в одной и той же памяти
  основная память состоит из пронумерованных ячеек, и процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка
  память хранит информацию (данные) и программы
  программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности

Классические принципы построения архитектуры ЭВМ были предложены в 40-х годах ХХ века Дж. фон Нейманом. К этим принципам относятся:

1) использование двоичной системы представления данных;

2) принцип программного управления;

3) принцип однородности памяти;

4) принцип хранимой программы;

5) принцип адресности.

Принцип однородности памяти заключается в том, что программы и данные (числа, тексты) хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в конкретных ячейках памяти – данные для обработки или команды. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

2. Среди архитектур ЭВМ выделяют …

Появление интегральных микросхем - изображение 18 - изображение 18

    однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные
      цифровые, аналоговые, электронные
      звезду, шину, кольцо
      ламповые, транзисторные, микропроцессорные

3. Архитектура современного персонального компьютера подразумевает такую логическую организацию аппаратных компонент компьютера, при которой …

Персональные компьютеры - изображение 19 - изображение 19

    все устройства связываются друг с другом через магистраль, включающую в себя шины данных, адресов и управления
      устройства связываются друг с другом в определенной строго фиксированной последовательности
      связь устройств осуществляется через центральный процессор, к которому они все подключаются
      каждое устройство связывается с другим напрямую

4. Основными компонентами архитектуры персонального компьютера являются процессор, внутренняя память, видеосистема, устройства ввода-вывода, …

Классы вычислительной техники - фото 20 - изображение 20

    внешняя память
      корпус компьютера
      драйверы
      контроллеры

5. К положениям классической архитектуры (фон-неймановской) не относится

Принципы работы вычислительной системы - фотография 21 - изображение 21

    организация интерфейса
      использование двоичной системы представления данных
      принцип адресности
      принцип однородности памяти

6. Принципами фон Неймана функционирования компьютера являются следующие

Принципы работы вычислительной системы - фото 22 - изображение 22

представления данных и команд.

Принцип программного управления.

Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности.

Принцип однородности памяти.

Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления – чаще всего двоичной). Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Принцип адресуемости памяти.

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка

7. Важной составной частью архитектуры ЭВМ является система команд. К системе команд электронно-вычислительных машин не относятся

Принципы работы вычислительной системы - изображение 23 - изображение 23

команды программирования
  арифметические операции
  команды передачи данных
  команды управления

Решение: Важной составной частью архитектуры ЭВМ является система команд. Несмотря на большое число разновидностей ЭВМ, на самом низком («машинном») уровне они имеют много общего. Система команд любой ЭВМ обязательно содержит следующие группы команд обработки информации.

1. Команды передачи данных, копирующие информацию из одного места в другое.

2. Арифметические операции. К основным арифметическим действиям обычно относятся сложение и вычитание (вычитание в конечном счете чаще всего тем или иным способом также сводится к сложению). Умножение и деление во многих ЭВМ выполняются по специальным программам.

3. Логические операции, позволяющие компьютеру анализировать обрабатываемую информацию: сравнение, а также известные логические операции И, ИЛИ, НЕ (инверсия). Кроме того, к ним часто добавляются анализ отдельных битов кода, их сброс и установка.

4. Сдвиги двоичного кода влево и вправо. Для доказательства важности этой группы команд достаточно вспомнить правило умножения столбиком: каждое последующее произведение записывается в такой схеме со сдвигом на одну цифру влево. В некоторых частных случаях умножение и деление вообще может быть заменено сдвигом (вспомните, что, дописав или убрав ноль справа, то есть, фактически осуществляя сдвиг десятичного числа, можно увеличить или уменьшить его в 10 раз).

5. Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами.

6. Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы.

8. Архитектура персонального компьютера, основными признаками которой являются наличие общей информационной шины, модульное построение, совместимость новых устройств и программных средств с предыдущими версиями по принципу «сверху-вниз», носит название …

Тема: Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ. Принципы работы вычислительной системы

Принципы работы вычислительной системы - фото 24 - изображение 24

Стр 1 из 3Следующая ⇒

ДЕ 2. Технические средства реализации информационных процессов

Тема: История развития ЭВМ

ЗАДАНИЕ 1

Первый арифмометр, выполнявший четыре арифметических действия, сконструировал в XVII веке …

Принципы работы вычислительной системы - фотография 25 - изображение 25

Готфрид Вильгельм Лейбниц
  Чарльз Бэббидж
  Блез Паскаль
  Герман Холлерит

ЗАДАНИЕ 2

Успех семейства машин IBM PC в первую очередь обеспечивается …

Принципы работы вычислительной системы - фотография 26 - изображение 26

построением по принципу открытой архитектуры
  наличием мощного микропроцессора
  наличием современной видеосистемы
  большим объемом оперативной памяти

Решение: В 1981 г. фирма IBM выпустила первый персональный компьютер IBM PC. В IBM PC впервые был применен принцип открытой архитектуры, то есть способ построения, регламентирующий и стандартизирующий только описание принципа действия компьютера и его конфигурации, что позволяет собирать его из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-производителями. Принцип открытой архитектуры также предусматривает наличие в компьютере внутренних слотов расширения. ПК легко расширяется и модернизируется с использованием этих гнезд, к которым пользователь может подключать разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым конфигурировать свою машину в соответствии с личными предпочтениями.

ЗАДАНИЕ 3

В 1974 г. Эдвард Робертс создал микрокомпьютер «Альтаир», явившийся, по сути, первым коммерчески реализуемым персональным компьютером. В 1975 г. Билл Гейтс и ___________ создали для него интерпретатор языка Бейсик, заработанные средства от которого стали стартовым капиталом фирмы Microsoft Corporation.

Принципы работы вычислительной системы - фото 27 - изображение 27

Пол Аллен
  Эдвард Робертс
  Джон фон Нейман
  Стивен Джобс

Принципы работы вычислительной системы - изображение 28 - изображение 28

Решение: В 1974 г. фирма «Intel» разработала первый универсальный восьмиразрядный микропроцессор 8080 с 4500 транзисторами.В 1974 г.Эдвард Робертс, молодой офицер ВВС США, инженер-электронщик, построил на базе процессора 8080 микрокомпьютер «Альтаир», имевший огромный коммерческий успех, продававшийся по почте и широко использовавшийся для домашнего применения. Компьютер назван по имени звезды, к которой был запущен межпланетный корабль «Энтерпрайз» из телесериала «Космическая одиссея». У «Альтаира» не было ни клавиатуры, ни экрана, а емкость оперативной памяти составляла всего лишь 256 байт.

В 1975 г. молодой программист Пол Аллен (1953 г.р.) и студент Гарвардского университета Билл Гейтс (1955 г.р.) создали для «Альтаира» интерпретатор языка Бейсик, средства от реализации которого стали стартовым капиталом фирмы Microsoft Corporation, являющейся сегодня крупнейшим в мире производителем программного обеспечения.

ЗАДАНИЕ 4

В 1896 г. ___________ основывает фирму по производству табуляционных машин, которая в 1924 г. после серии слияний и переименований превратилась в знаменитую фирму ИБМ (IBM, International Business Machines Corporation).

Принципы работы вычислительной системы - изображение 29 - изображение 29

Герман Холлерит
  Конрад Цузе
  Клод Шеннон
  Алан Тьюринг

ЗАДАНИЕ 5

Принцип «открытой архитектуры» при разработке персональных компьютеров, серийное производство которых было начато в 80-х гг. XX в., реализован фирмой …

Принципы работы вычислительной системы - изображение 30 - изображение 30

Принципы работы вычислительной системы - фото 31 - изображение 31

 

Принципы работы вычислительной системы - фотография 32 - изображение 32

 

Принципы работы вычислительной системы - фото 33 - изображение 33

 

Принципы работы вычислительной системы - изображение 34 - изображение 34

Решение: В 1981 г. фирма IBM выпустила первый персональный компьютер «IBM PC», в котором впервые был применен принцип «открытой архитектуры», то есть способ построения, регламентирующий и стандартизирующий только описание принципа действия компьютера и его конфигурации, что позволяет собирать его из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-производителями. Принцип «открытой архитектуры» также предусматривает наличие в компьютере внутренних слотов расширения. ПК легко расширяется и модернизируется с использованием этих гнезд, к которым пользователь может подключать разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым конфигурировать свою машину в соответствии с личными предпочтениями.

ЗАДАНИЕ 6

Основоположником отечественной вычислительной техники является …

Принципы работы вычислительной системы - фотография 35 - изображение 35

С.А. Лебедев
  М.В. Ломоносов
  С.П. Королев
  Д.И. Менделеев

ЗАДАНИЕ 7

Свое современное название фирма

Принципы работы вычислительной системы - фотография 36 - изображение 36

получила в _______ году.

Принципы работы вычислительной системы - фото 37 - изображение 37

 
 
 

Решение: В 1890 г. немецкий эмигрант Герман Холлерит, работающий в Бюро переписи населения США, предлагает автоматизировать статистический учет иммигрантов при помощи перфорированных карточек. Для осуществления своей идеи Герман изобретает электрическую машину для обработки данных. Образец оказался настолько удачным, что в 1896 г. Г. Холлерит основывает свою фирму – Tabulating Machine Co. Вскоре табуляторы Г. Холлерита начинают поставляться за рубеж, в том числе и в Россию. В 1911 г. компания вошла в объединение с компаниями Computing Scale и Time Recording. Вновь созданная компания была зарегестрирована под названием Computing-Tabulating-Recording Company, или C-T-R, и в 1924 г. переименована в International Business Machines Corporation (IBM).

ЗАДАНИЕ 8

Первая в континентальной Европе ЭВМ называлась …

Принципы работы вычислительной системы - изображение 38 - изображение 38

МЭСМ
  MARK-1
  КОЛОСС
  Z1

Решение: МЭСМ (Малая электронная счетная машина) – первая в СССР и континентальной Европе ЭВМ разработана в Институте электротехники Академии наук Украины под руководством академика Сергея Алексеевича Лебедева. В 1952–1953 гг. МЭСМ была самой быстродействующей и практически единственной регулярно эксплуатируемой ЭВМ в Европе.

Тема: Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ. Принципы работы вычислительной системы

ЗАДАНИЕ 1

Архитектура персонального компьютера, основными признаками которой являются наличие общей информационной шины, модульное построение, совместимость новых устройств и программных средств с предыдущими версиями по принципу «сверху-вниз», носит название …

Принципы работы вычислительной системы - фотография 39 - изображение 39

открытой
  суперскалярной
  иерархической
  конвейерной

ЗАДАНИЕ 2

Архитектура современного персонального компьютера подразумевает такую логическую организацию аппаратных компонент компьютера, при которой …

Принципы работы вычислительной системы - изображение 40 - изображение 40

все устройства связываются друг с другом через магистраль, включающую в себя шины данных, адресов и управления
  устройства связываются друг с другом в определенной строго фиксированной последовательности
  связь устройств осуществляется через центральный процессор, к которому они все подключаются
  каждое устройство связывается с другим напрямую

Решение: Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации. Магистраль (системная шина) – это набор электронных линий, связывающих воедино центральный процессор, системную память и периферийные устройства. Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производится по трем многоразрядным шинам (многопроводным линиям связи), соединяющим все модули, – шине данных, шине адресов, шине управления.

ЗАДАНИЕ 3

Идею механической машины с идеей программного управления соединил …

Принципы работы вычислительной системы - изображение 41 - изображение 41

Чарльз Беббидж
  Джон фон Нейман
  Билл Гейтс
  Блез Паскаль

ЗАДАНИЕ 4

Среди архитектур ЭВМ выделяют …

Принципы работы вычислительной системы - фото 42 - изображение 42

однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные
  цифровые, аналоговые, электронные
  звезду, шину, кольцо
  ламповые, транзисторные, микропроцессорные

Решение: Среди архитектур персональных компьютеров выделяют: - по разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-разрядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности); - по особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW; - по количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные.

ЗАДАНИЕ 5

Важной составной частью архитектуры ЭВМ является система команд. К системе команд электронно-вычислительных машин не относятся

Принципы работы вычислительной системы - фотография 43 - изображение 43

команды программирования
  арифметические операции
  команды передачи данных
  команды управления

Решение: Важной составной частью архитектуры ЭВМ является система команд. Несмотря на большое число разновидностей ЭВМ, на самом низком («машинном») уровне они имеют много общего. Система команд любой ЭВМ обязательно содержит следующие группы команд обработки информации. 1. Команды передачи данных, копирующие информацию из одного места в другое. 2. Арифметические операции. К основным арифметическим действиям обычно относятся сложение и вычитание (вычитание в конечном счете чаще всего тем или иным способом также сводится к сложению). Умножение и деление во многих ЭВМ выполняются по специальным программам. 3. Логические операции, позволяющие компьютеру анализировать обрабатываемую информацию: сравнение, а также известные логические операции И, ИЛИ, НЕ (инверсия). Кроме того, к ним часто добавляются анализ отдельных битов кода, их сброс и установка. 4. Сдвиги двоичного кода влево и вправо. Для доказательства важности этой группы команд достаточно вспомнить правило умножения столбиком: каждое последующее произведение записывается в такой схеме со сдвигом на одну цифру влево. В некоторых частных случаях умножение и деление вообще может быть заменено сдвигом (вспомните, что, дописав или убрав ноль справа, то есть, фактически осуществляя сдвиг десятичного числа, можно увеличить или уменьшить его в 10 раз). 5. Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами. 6. Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы.

ЗАДАНИЕ 6

Наибольшую скорость обмена информацией среди перечисленных устройств имеет …

Принципы работы вычислительной системы - фото 44 - изображение 44

оперативная память
  DVD-привод
  накопитель на жестких магнитных дисках (HDD)
  дисковод для гибких дисков

ЗАДАНИЕ 7

В пустой блок общей схемы компьютера необходимо вписать устройство …

Принципы работы вычислительной системы - изображение 45 - изображение 45

Принципы работы вычислительной системы - фото 46 - изображение 46

оперативная память
  контроллер ввода-вывода
  устройство управления
  арифметико-логическое устройство

ЗАДАНИЕ 8

Классические принципы построения архитектуры ЭВМ были предложены в 40-х годах ХХ века Дж. фон Нейманом. Принцип однородности памяти заключается в том, что …

Принципы работы вычислительной системы - фотография 47 - изображение 47

программы и данные хранятся в одной и той же памяти
  основная память состоит из пронумерованных ячеек, и процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка
  память хранит информацию (данные) и программы
  программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности

123Следующая ⇒

Рекомендуемые страницы: Воспользуйтесь поиском по сайту:

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ, ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ

Принципы работы вычислительной системы - фото 48 - изображение 48

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ, ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ

Современное представление о компьютере

Научно-технические достижения XX в. показали возможность автоматизации работ с данными за счет использования устройств не механического, а электронного типа. Это позволило повысить их надежность и производительность. Характерное отличие электронных устройств от механических заключается в том, что они регистрируют не перемещения элементов конструкции (реек, шестерен и т. п.), а состояния элементов устройства (электронных компонентов).

Устойчивых различимых перемещений в механических устройствах может быть сколько угодно, и механики всегда старались сделать свои механизмы так, чтобы число этих состояний было кратно десяти — это удобно для работы с числами, записанными в привычной для нас десятичной системе. Для электронных устройств количество удобных различимых состояний меньше. Сегодня уверенно различимыми считают только два состояния: включено — выключено; заряжено — разряжено; есть контакт — нет контакта. Поэтому характерной особенностью электронных устройств является удобство работы с двоичным кодом. Числа, записанные в двоичном коде, не слишком наглядны для человека, но этот недостаток компенсируется тем, что электронные устройства сами переводят данные из любой системы в двоичную.

Однако у двоичного кода есть и преимущества. Так, например, в предыдущей главе мы видели, как с помощью двоичного кода можно выражать не только числа, но и тексты, изображения, музыку, видео и другие типы данных. Благодаря этой возможности современные компьютеры предназначены отнюдь не только для автоматизации вычислительных операций, но и для множества других операций с данными, представленными в самой разной форме.

Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных, называют вычислительной техникой. Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка, называют вычислительной системой. Центральным устройством большинства вычислительных систем является компьютер.

В современном понимании компьютер — это универсальный электронный прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки, транспортировки и воспроизведения данных.

Разнообразие современных компьютеров очень велико, но в основу построения подавляющего большинства разработок положены общие принципы, сформулированные американским ученым Джоном фон Нейманом.

Рис. 1.1. Функциональная схема универсальной ЭВМ

В современных компьютерах арифметико-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединяются в одно устройство, называемое центральным процессором.

Классическая неймановская структура построения ЭВМ за последнее время претерпела существенные изменения. Это связано с постоянным! обновлением элементной базы и совершенствованием технологии изготов­ления ЭВМ.

Архитектура компьютера

Архитектурой компьютера называется совокупность принципов действия, системы команд, информационных связей основных узлов компьютера: процессора, оперативной памяти, внешней памяти и периферийных устройств и т.д. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Наиболее широкое применение находят следующие архитектурные решения.

Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — это однопроцессорная система, через которую проходит поток команд и данных. К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера.

Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что одновременно может выполняться несколько программ, составляющих фрагменты одной задачи, и обслуживаться несколько потоков данных.

Многомашинная вычислительная система. Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру. Такая система применяется достаточно широко при решении задач, состоящих из слабо связанных подзадач.

Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько потоков данных обрабатываются по одной программе. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на так называемых разветвляющихся алгоритмах, в которых одинаковые вычислительные операции, выполняются одновременно на многих однотипных наборах данных.

Классификация компьютеров

По производительности и характеру использования компьютеры можно условно подразделить на:

■микрокомпьютеры, в том числе — персональные;

■миникомпьютеры;

■мэйнфреймы — универсальные компьютеры;

■суперкомпьютеры.

Микрокомпьютеры — это компьютеры, в которых центральный процессор выполнен в виде микропроцессора, его быстродействие - порядка 1-100 миллионов операций в секунду. Микрокомпьютеры универсального назначения, рассчитанные на одного пользователя, получили название персональных компьютеров (ПК).

Миникомпьютерами называются компактные по размерам, высокопроизводительные ЭВМ, оснащенные разнообразными периферийными устройствами, ориентированные на решение большого круга задач и способные обслуживать десятки рабочих мест.

Мэйнфреймы предназначены для решения широкого класса объемных задач создания и эксплуатации баз данных и являются дорогими машинами. Их применяют в больших системах при наличии не менее 200-300 рабочих мест.

Суперкомпьютеры — это очень мощные компьютеры с производительностью свыше 100 мегафлопов (1 мегафлоп — миллион операций с плавающей точкой в секунду). Эти машины имеют десятки процессоров, работающих с общей памятью. В них параллельно, то есть одновременно, выполняется множество однотипных операций (это называется мультипроцессорной обработкой). Суперкомпьютеры используются для решения сложных и больших научных задач, задач управления, обработки метеоданных, разведданных и т.д.

Классификация компьютеров

Существует достаточно много систем классификации компьютеров. Мы рассмотрим лишь некоторые из них, сосредоточившись на тех, о которых наиболее часто упоминают в доступной технической литературе и средствах массовой информации.

Классификация по назначению

Классификация по назначению — один из наиболее ранних методов классификации. Он связан с тем, как компьютер применяется. По этому принципу различают большие ЭВМ (электронно-вычислительные машины), мини -ЭВМ, микро -ЭВМ и персональные компьютеры, которые, в свою очередь, подразделяют на массовые, деловые, портативные, развлекательные и рабочие станции.

Большие ЭВМ.Это самые мощные компьютеры. Их применяют для обслуживания очень крупных организаций и даже целых отраслей народного хозяйства. За рубежом компьютеры этого класса называют мэйнфреймами {mainframe). В России за ними закрепился термин большие ЭВМ. Штат обслуживания большой ЭВМ составляет до многих десятков человек. На базе таких суперкомпьютеров создают вычислительные центры, включающие в себя несколько отделов или групп.

Несмотря на широкое распространение персональных компьютеров, значение больших ЭВМ не снижается. Из-за высокой стоимости их обслуживания при работе больших ЭВМ принято планировать и учитывать каждую минуту. Для экономии времени работы больших ЭВМ малопроизводительные операции ввода, вывода и первичной подготовки данных выполняют с помощью персональной техники. Подготовленные данные передают на большую ЭВМ для выполнения наиболее ресурсоемких операций.

Центральный процессор — основной блок ЭВМ, в котором непосредственно и происходит обработка данных и вычисление результатов. Обычно центральный процессор представляет собой несколько стоек аппаратуры и размещается в отдельном помещении, в котором соблюдаются повышенные требования по температуре, влажности, защищенности от электромагнитных помех, пыли и дыма.

Группа системного программирования занимается разработкой, отладкой и внедрением программного обеспечения, необходимого для функционирования самой вычислительной системы. Работников этой группы называют системными программистами. Они должны хорошо знать техническое устройство всех компонентов ЭВМ, поскольку их программы предназначены в первую очередь для управления физическими устройствами. Системные программы обеспечивают взаимодействие программ более высокого уровня с оборудованием, то есть группа системного программирования обеспечивает программно-аппаратный интерфейс вычислительной системы.

Принципы работы вычислительной системы - фото 49 - изображение 49

Группа прикладного программирования занимается созданием программ для выполнения конкретных операций с данными. Работников этой группы называют прикладными программистами. В отличие от системных программистов им не надо знать техническое устройство компонентов ЭВМ, поскольку их программы работают не с устройствами, а с программами, подготовленными системными программистами. С другой стороны, с их программами работают пользователи, то есть конкретные исполнители работ. Поэтому можно говорить о том, что группа прикладного программирования обеспечивает пользовательский интерфейс вычислительной системы.

Группа подготовки данных занимается подготовкой данных, с которыми будут работать программы, созданные прикладными программистами. Во многих случаях сотрудники этой группы сами вводят данные с помощью клавиатуры, но они могут выполнять и преобразование готовых данных из одного вида в другой. Так, например, они могут получать иллюстрации, нарисованные художниками на бумаге, и преобразовывать их в электронный вид с помощью специальных устройств, называемых сканерами.

Группа технического обеспечения занимается техническим обслуживанием всей вычислительной системы, ремонтом и наладкой устройств, а также подключением новых устройств, необходимых для работы прочих подразделений.

Группа информационного обеспечения обеспечивает технической информацией все прочие подразделения вычислительного центра по их заказу. Эта же группа создает и хранит архивы ранее разработанных программ и накопленных данных. Такие архивы называют библиотеками программ или банками данных.

Отдел выдачи данных получает данные от центрального процессора и преобразует их в форму, удобную для заказчика. Здесь информация распечатывается на печатающих устройствах (принтерах) или отображается на экранах дисплеев.

Большие ЭВМ отличаются высокой стоимостью оборудования и обслуживания, поэтому работа таких суперкомпьютеров организована по непрерывному циклу. Наиболее трудоемкие и продолжительные вычисления планируют на ночные часы, когда количество обслуживающего персонала минимально. В дневное время ЭВМ исполняет менее трудоемкие, но более многочисленные задачи. При этом для повышения эффективности компьютер работает одновременно с несколькими задачами и, соответственно, с несколькими пользователями. Он поочередно переключается с одной задачи на другую и делает это настолько быстро и часто, что у каждого пользователя создается впечатление, будто компьютер работает только с ним. Такое распределение ресурсов вычислительной системы носит название принципа разделения времени.

Мини-ЭВМ

От больших ЭВМ компьютеры этой группы отличаются уменьшенными размерами и, соответственно, меньшей производительностью и стоимостью. Такие компьютеры используются крупными предприятиями, научными учреждениями, банками и некоторыми высшими учебными заведениями, сочетающими учебную деятельность с научной.

На промышленных предприятиях мини-ЭВМ управляют производственными процессами, но могут сочетать управление производством с другими задачами. Например, они могут помогать экономистам в осуществлении контроля себестоимости продукции, нормировщикам в оптимизации времени технологических операций, конструкторам в автоматизации проектирования станочных приспособлений, бухгалтерии в осуществлении учета первичных документов и подготовки регулярных отчетов для налоговых органов. Для организации работы с мини-ЭВМ тоже требуется специальный вычислительный центр, хотя и не такой многочисленный, как для больших ЭВМ.

Микро-ЭВМ

Компьютеры данного класса доступны многим предприятиям. Организации, использующие микро-ЭВМ, обычно не создают вычислительные центры. Для обслуживания такого компьютера им достаточно небольшой вычислительной лаборатории в составе нескольких человек. В число сотрудников вычислительной лаборатории обязательно входят программисты, хотя напрямую разработкой программ они не занимаются. Необходимые системные программы обычно покупают вместе с компьютером, а разработку нужных прикладных программ заказывают более крупным вычислительным центрам или специализированным организациям.

Программисты вычислительной лаборатории занимаются внедрением приобретенного или заказанного программного обеспечения, выполняют его доводку и настройку, согласовывают его работу с другими программами и устройствами компьютера. Хотя программисты этой категории и не разрабатывают системные и прикладные программы, они могут вносить в них изменения, создавать или изменять отдельные фрагменты. Это требует высокой квалификации и универсальных знаний. Программисты, обслуживающие микро-ЭВМ, часто сочетают в себе качества системных и прикладных программистов одновременно.

Несмотря на относительно невысокую производительность по сравнению с большими ЭВМ, микро-ЭВМ находят применение и в крупных вычислительных центрах. Там им поручают вспомогательные операции, для которых нет смысла использовать дорогие суперкомпьютеры.

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ, ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ

Уроки 25 - 26Информационные процессы в компьютере

Принципы работы вычислительной системы - изображение 50 - изображение 50

Главная | Информатика и информационно-коммуникационные технологии | Планирование уроков и материалы к урокам | 10 классы | Планирование уроков на учебный год | Информационные процессы в компьютере

Принципы работы вычислительной системы - фото 51 - изображение 51

Принципы работы вычислительной системы - фото 52 - изображение 52

Принципы работы вычислительной системы - фотография 53 - изображение 53

Из курса основной школы вам известно:

• Компьютер (ЭВМ) — автоматическое, программно-управляемое устройство для работы с информацией.

• В состав компьютера входят устройства памяти (хранение данных и программ), процессор (обработка информации), устройства ввода/вывода (прием/передача информации).

• В 1946 году Джоном фон Нейманом были сформулированы основные принципы устройства ЭВМ, которые называют фон-неймановской архитектурой.

• Современный компьютер представляет собой единство аппаратуры (hardware) и программного обеспечения (software).

Серийное производство электронных вычислительных машин (ЭВМ) начинается в разных странах в 1950-х годах. Историю развития ЭВМ принято делить на поколения. Переход от одного поколения к другому связан со сменой элементной базы, на которой создавались машины, с изменением архитектуры ЭВМ, с развитием основных технических характеристик (скорости вычислений, объема памяти и др.), с изменением областей применения и способов эксплуатации машин.

Принципы работы вычислительной системы - фотография 54 - изображение 54

Под архитектурой ЭВМ понимаются наиболее общие принципы построения компьютера, реализующие программное управление его работой и взаимодействие основных функциональных узлов.

В основе архитектуры ЭВМ разных поколений лежат принципы Джона фон Неймана. Однако в процессе развития происходят некоторые отклонения от фон-неймановской архитектуры.

Однопроцессорная архитектура ЭВМ

Элементной базой ЭВМ первого поколения (1950-годы) были электронные лампы, а ЭВМ второго поколения (1960-е годы) создавались на базе полупроводниковых элементов. Однако их архитектура была схожей. Она в наибольшей степени соответствовала принципам фон Неймана. В этих машинах один процессор управлял работой всех устройств: внутренней и внешней памяти, устройств ввода и вывода, как показано на рис. 2.4.

Принципы работы вычислительной системы - фото 55 - изображение 55

Согласно принципам фон Неймана, исполняемая программа хранится во внутренней памяти — в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). Там же находятся данные, с которыми работает программа. Каждая команда программы и каждая величина (элемент данных) занимают определенные ячейки памяти, как показано на рис. 2.5.

Принципы работы вычислительной системы - фотография 56 - изображение 56

Процессор начинает выполнение программы с первой команды и заканчивает на команде остановки, назовем ее STOP. При выполнении очередной команды процессор извлекает из памяти обрабатываемые величины и заносит их в специальные ячейки внутренней памяти процессора — регистры. Затем выполняется команда, например складываются два числа, после чего полученный результат записывается в определенную ячейку памяти. Процессор переходит к выполнению следующей команды. Исполнение программы закончится, когда процессор обратится к команде STOP.

Среди команд программы существуют команды обработки данных и команды обращения к внешним устройствам. Команды обработки данных выполняет сам процессор с помощью входящего в него арифметико-логического устройства — АЛУ, и этот процесс происходит сравнительно быстро. А команды управления внешними устройствами выполняются самими этими устройствами: устройствами ввода/вывода, внешней памятью. Время выполнения этих команд во много раз больше, чем время выполнения команд обработки данных. При однопроцессорной архитектуре ЭВМ, показанной на рис. 2.4, процессор, отдав команду внешнему устройству, ожидает завершения ее выполнения. При большом числе обращений к внешним устройствам может оказаться, что большую часть времени выполнения программы процессор «простаивает» и, следовательно, его КПД оказывается низким. Быстродействие ЭВМ с такой архитектурой находилось в пределах 10-20 тысяч операций в секунду (оп./с).

Использование периферийных процессоров

Следующим шагом в развитии архитектуры ЭВМ стал отказ от однопроцессорного устройства. Уже на последних моделях машин второго поколения, помимо центрального процессора (ЦП), выполнявшего обработку данных, присутствовали периферийные процессоры, которые назывались каналами ввода/вывода (рис. 2.6). Их задача состояла в автономном управлении устройствами ввода/вывода и внешней памяти, что освобождало от этой работы центральный процессор. В результате КПД центрального процессора существенно возрос. Быстродействие некоторых моделей машин с такой архитектурой составляло от 1 до 3 млн оп./с.

Принципы работы вычислительной системы - изображение 57 - изображение 57

На всех моделях ЭВМ третьего поколения, которые создавались на базе интегральных схем (1970-80-е годы), использовалась архитектура с одним центральным процессором и периферийными процессорами внешних устройств. Такая многопроцессорная архитектура позволяла реализовать мультипрограммный режим работы: пока одна программа занята вводом/выводом данных, которым управляет периферийный процессор, другая программа занимает центральный процессор, выполняя вычисления. Благодаря совершенствованию элементной базы и других аппаратных средств на некоторых моделях ЭВМ третьего поколения достигалось быстродействие до 10 млн оп./с.

Для разделения ресурсов ЭВМ между несколькими выполняемыми программами потребовалось создание специального программного обеспечения: операционной системы (ОС). К разделяемым ресурсам, прежде всего, относятся время работы центрального процессора и оперативная память. Задача ОС состоит в том, чтобы разные программы, выполняемые одновременно на ЭВМ, «не мешали» друг другу и чтобы КПД центрального процессора был максимальным, иначе говоря, чтобы ЦП не «простаивал». ОС берет на себя также заботу об очередности использования несколькими программами общих внешних устройств: внешней памяти, устройств ввода/вывода.

Архитектура персонального компьютера

Персональный компьютер (ПК) — самый распространенный в наше время тип компьютера. Появление ПК связано с созданием микропроцессоров, которое началось в 1970-х годах. До недавнего времени в устройстве ПК существовал один центральный процессор и множество периферийных процессоров, управляющих внешними устройствами, которые называются контроллерами. Архитектура такого ПК изображена на рис. 2.7.

Принципы работы вычислительной системы - фото 58 - изображение 58

Для связи между отдельными функциональными узлами ПК используется общая информационная магистраль, которая называется системной шиной.

Системная шина состоит из трех частей:

• шина данных (для передачи данных); • шина адреса (для передачи адресов устройств, которым передаются данные); • шина управления (для передачи управляющих сигналов, синхронизирующих работу разных устройств).

Важное достоинство такой архитектуры возможность подключения к компьютеру новых устройств или замена старых устройств на более современные. Это называется принципом открытой архитектуры. Для каждого типа и модели устройства используется свой контроллер, а в составе операционной системы имеется управляющая программа, которая называется драйвером устройства.

Принципы работы вычислительной системы - фото 59 - изображение 59

Открытая архитектура персонального компьютера — это архитектура, предусматривающая модульное построение компьютера с возможностью добавления и замены отдельных устройств».

Важное событие в совершенствовании архитектуры ПК произошло в 2005 году: был создан первый двухъядерный микропроцессор. Каждое ядро способно выполнять функции центрального процессора. Эта особенность архитектуры позволяет производить на ПК параллельную обработку данных, что существенно увеличивает его производительность. Выпускаемые в настоящее время микропроцессоры содержат до 8 ядер.

Архитектура ненеймановских вычислительных систем

Несмотря на стремительно нарастающую производительность ЭВМ, которая каждые 4 5 лет по важнейшим показателям практически удваивается, всегда есть классы задач, для которых никакой производительности не хватает. Укажем некоторые из них.

1. Математические расчеты, лежащие в основе реализации математических моделей многих процессов. Гигантские вычислительные ресурсы, которые можно реализовать очень быстро (как иногда говорят, в реальном масштабе времени), необходимы для более надежного и долгосрочного прогноза погоды, для решения аэрокосмических задач, в том числе и оборонных, для решения многих инженерных задач и т. д.

2. Поиск информации в гигантских базах данных, в информационном пространстве Интернета.

3. Моделирование интеллекта — при всех фантастических показателях, объем оперативной памяти современных компьютеров составляет лишь малую долю объема памяти человека.

Быстродействие компьютера с одним центральным процессором имеет физическое ограничение: повышение тактовой частоты процессора ведет к повышению тепловыделения, которое не может быть неограниченным. Перспективный путь повышения производительности компьютера лежит на пути отказа от единственности главных устройств компьютера: либо процессора, либо оперативной памяти, либо шины, либо всего этого вместе. Это путь еще большего отступления от архитектуры фон Неймана.

Чтобы стало понятнее, зачем компьютеру несколько процессоров, обсудим алгоритм решения простейшей математической задачи. Есть массив из 100 чисел: a1, а2, ... , а100. Требуется найти их сумму.

Нет ничего проще! И на компьютере, и без него мы, скорее всего, поступим так: сложим первые два числа, как-то обозначим их сумму (например, S), затем прибавим к ней третье, и будем делать это еще 98 раз. Это пример последовательного вычислительного процесса. Его блок-схема приведена на рис. 2.8.

Принципы работы вычислительной системы - изображение 60 - изображение 60

Поскольку у человека нет второй головы, иначе эту задачу в одиночку не решить. Но представим, что мы решаем ее не в одиночку, а всем классом (25 человек). Тогда возникает возможность совсем иной последовательности действий.

1. Объединим числа в пары — по два на каждого (итого распределили 50 чисел); например, ученик № 1 берет себе а1 и а2, ученик № 2 — а3 и а4, и т. д.

2. Даем команду «складывай!» — и каждый складывает свои числа.

3. Даем команду «записывай!» — и каждый записывает мелом на классной доске свой результат.

4. Поскольку у нас осталось еще 50 необработанных чисел (а51, ..., а100), повторяем пункты 1 - 3. После этого имеем на доске 50 чисел b1 = а1 + а2, ..., b50 = а99 + а100 — результаты парных сложений.

5. Объединим в пары числа bi и повторим выполнение пунктов 2 - 4.

Продолжаем этот процесс (2 - 5) до тех пор, пока не останется одно число — искомая сумма.

Первое впечатление, что очень сложно, гораздо сложнее, чем алгоритм на рис. 2.8. Если бы мы захотели записать этот алгоритм в виде блок-схемы, то нам бы пришлось кроме описания порядка и объектов действий сделать то, что мы никогда при записи алгоритмов не делали, — предусмотреть синхронизацию параллельных процессов по времени. Например, выполнение команд 2 и 3 должно завершиться всеми участниками вычислений до того, как они будут продолжены (до перехода к п. 4), иначе даже при решении этой простой задачи наступит хаос.

Но сложность не есть объективная причина отвергнуть такой путь, особенно если речь идет о возможности значительного ускорения компьютерных вычислений. То, что мы предложили выше, называется на языке программистов распараллеливанием вычислений и вполне поддается формальному описанию. Эффект ускорения вычислений очевиден: пункт 2 в приведенном выше алгоритме ускоряет соответствующий этап работы в 25 раз!

Следующий вопрос: что надо изменить в устройстве компьютера, чтобы он смог так работать? Для реализации подобной схемы вычислений компьютеру потребуется 25 процессоров, объединенных в одну архитектуру и способных работать параллельно.

Такие многопроцессорные вычислительные комплексы — реальность сегодняшней вычислительной техники.

Вернемся, однако, к описанной выше последовательности действий — в ней еще есть источники проблем. Представим себе, что в схеме на рис. 2.7 мы дорисовали еще 24 центральных процессора, соединенных с шиной. При реализации в таком компьютере команды 3 произойдет одновременное обращение 25 процессоров к системной шине для пересылки результатов сложения в оперативную память. Но поскольку шина одна, числа по ней могут пересылаться только по одному! Значит, для выполнения команды 3 придется организовать очередь на передачу чисел в память. Тут же возникает вопрос: не сведет ли к нулю эта очередь все преимущества от параллельности выполнения операций на шаге 2? А если преимущества останутся, то насколько они велики? Окупятся ли расходы на 24 дополнительных процессора?

Принципы работы вычислительной системы - фото 61 - изображение 61

В возникшей ситуации естественен следующий шаг «изобретательской мысли»: ввод в архитектуру нескольких системных шин. А если еще подумать над возможными проблемами, то и нескольких устройств оперативной памяти.

Как видите, все это очень непросто! Обсуждаемые изменения в устройстве компьютера приводят к «ненеймановским» архитектурам. Изобретателям таких систем приходится искать компромисс между возрастающей сложностью (и, как следствие, — стоимостью) и ускорением их работы.

Варианты реализации ненеймановских вычислительных систем

В самом общем смысле под параллельными вычислениями понимаются процессы обработки данных, в которых одновременно могут выполняться нескольких машинных операций. Параллельные вычисления реализуются как за счет новой архитектуры вычислительной техники, так и за счет новых технологий программирования. Такие технологии называются параллельным программированием.

Принципы работы вычислительной системы - изображение 62 - изображение 62

Распределенные вычисления — способ реализации параллельных вычислений путем использования множества компьютеров, объединенных в сеть. Такие вычислительные системы еще называют мультикомпьютерными.

Распределенные вычисления часто реализуются с помощью компьютерных кластеров — нескольких компьютеров, связанных в локальную сеть и объединенных специальным программным обеспечением, реализующим параллельный вычислительный процесс. Распределенные вычисления могут производиться и с помощью многомашинных вычислительных комплексов, образуемых объединением нескольких отдельных компьютеров через глобальные сети.

Принципы работы вычислительной системы - фото 63 - изображение 63

Мультипроцессорные системы образуют единый компьютер, который относится к классу суперкомпьютеров. Достижение параллелизма в них происходит благодаря возможности независимой работы отдельных устройств и их дублирования: несколько процессоров, блоков оперативной памяти, шин и т. д. Мультипроцессорная система может использовать разные способы доступа к общей для всей системы памяти. Если все процессоры имеют равный (однородный) доступ к единой памяти, то соответствующая вычислительная система называется векторным суперкомпьютером.

Один из самых мощных в мире суперкомпьютеров под названием «Ломоносов» (рис. 2.9) произведен в России и работает в Московском государственном университете. Его быстродействие составляет более ста триллионов операций в секунду.

Принципы работы вычислительной системы - фото 64 - изображение 64

Принципы работы вычислительной системы - фотография 65 - изображение 65

Вопросы и задания

1. Расскажите о смене элементной базы компьютеров, происходившей при переходе от одного поколения к другому. Как при этом менялись основные характеристики ЭВМ?

2. В чем состоял отход от архитектуры фон Неймана на ЭВМ второго и третьего поколений?

3. Что позволило реализовать мультипрограммный режим работы на ЭВМ третьего поколения?

4. Чем принципиально отличается архитектура ПК от классической архитектуры компьютеров первых поколений?

5. Какие функции выполняют контроллеры внешних устройств на ПК?

6. В чем состоит принцип открытости архитектуры ПК?

7. Какие функции выполняли первые операционные системы?

8. Для каких классов задач нужны сверхпроизводительные вычислительные системы?

9. Что такое параллельные вычисления?

10. Для примера со сложением чисел 25 учениками попробуйте проанализировать следующие ситуации: в классе всего 1 кусочек мела; в классе 5 кусочков мела; в классе 25 кусочков мела. Оцените, как от этого зависит время решения задачи (учтите еще ширину доски и время перемещения учеников по классу). Попробуйте построить модель такого процесса. Переведите эту ситуацию на язык компьютерной терминологии для многопроцессорных систем.

11. Чем отличаются мультикомпьютерные системы от мультипроцессорных? По какому принципу работают суперкомпьютеры?

Принципы работы вычислительной системы - фотография 66 - изображение 66

Раздел 2 Архитектура и принципы работы основных логических блоков вычислительных систем (ВС)

Принципы работы вычислительной системы - изображение 67 - изображение 67

Логические основы ЭВМ, элементы и узлы

Базовые логические операции и элементы. Таблицы истинности. Логические узлы ЭВМ и их классификация. Сумматоры, дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры. Триггеры: УГО и таблицы истинности RS-, JK- и Т-триггера. Регистры.

Элементами ЭВМ называют устройства, выполняющие логические функции, запоминающие информацию, преобразующие её и формирующие и усиливающие сигналы.

В качестве устройства, запоминающего информацию в элементах, используют триггер - устройство, обладающее двумя устойчивыми состояниями. Одно состояние триггера принимается за логическую 1, а другое за логический 0. По способу переключения и по закону функционирования триггеры можно разделить на следующие группы: RS-триггеры с раздельной установкой 0 и 1, D-триггеры задержки, универсальные JK-триггеры, счётные Т-триггеры.

Принципы работы вычислительной системы - фотография 68 - изображение 68

Выход триггера принято обозначать буквой Q. Состояние триггера определяется логическим уровнем на этом выходе

прямой

Принципы работы вычислительной системы - изображение 69 - изображение 69

инверсный

Принципы работы вычислительной системы - изображение 70 - изображение 70

Название триггеров определяется первыми буквами английских слов: S (set - установить); R (reset - выключить): Т (toggle - релаксатор); J (jerk - резко включить); К (kill - резко выключить): D (delay - задержка).

RS-триггеры с раздельной установкой 0 и 1. Простейший RS-триггер имеет два входа: R и S. При комбинации входных сигналов S=1, R=0 триггер устанавливается в единичное состояние Q=l, при входных сигналах S=0, R=l - в состояние Q=0, при S=0, R=0 триггер сохраняет своё состояние. Если на входы: R и S подать 1, то его выходной сигнал не определён, так как триггер при этом находится в неустойчивом состоянии. В связи с этим комбинация входных сигналов R=l, S=1 для RS-триггера является запрещённой.

Синхронный (тактируемый) RS-триггер имеет управляющий сигнал С на входе (clock - основная синхронизация), который при С=1 разрешает переключение по закону RS-триггера, при С=0 триггер сохраняет своё состояние.

D-триггер задержки. D-триггер имеет один информационный вход D и вход для синхронизирующего импульса С. Основное назначение D-триггера - задержка и хранение сигнала, поданного на вход D при С=1.

Принципы работы вычислительной системы - фотография 71 - изображение 71

JK-триггер универсальный. JK-триггер работает по правилу RS-триггера и отличается от последнего тем, что комбинация сигналов J=K=1 не является запретной. При этих сигналах JK -триггер изменяет своё состояние на обратное тому, в котором он находился. Условное графическое обозначение этого триггера приведено на рисунке 5.

Принципы работы вычислительной системы - фото 72 - изображение 72

знать:

уметь:

Основы построения ЭВМ

Понятие архитектуры и структуры компьютера. Принципы (архитектура) фон Неймана. Основные компоненты ЭВМ, их назначение и взаимодействие. Основные типы архитектур ЭВМ.

ВЫЧИСЛИ́ТЕЛЬНАЯ СИСТЕ́МА

Принципы работы вычислительной системы - изображение 73 - изображение 73

ВЫЧИСЛИ́ТЕЛЬНАЯ СИСТЕ́МА, совокупность аппаратно-программных средств, образующих единую среду, предназначенную для решения задач обработки информации (вычислений). Первоначально универсальные В. с. создавались на основе однопроцессорных ЭВМ с целью увеличения их быстродействия. В первых ЭВМ процессоры сами управляли операциями ввода-вывода. Однако скорость работы внешнего устройства значительно меньше скорости работы процессора, поэтому во время операций ввода-вывода процессор фактически простаивал. Чтобы сбалансировать их работу, в кон. 1950-х – нач. 1960-х гг. ЭВМ начали комплектовать независимыми процессорами ввода-вывода для параллельного выполнения вычислений и операций обмена данными, тогда и появился термин «В. с.». Осн. преимуществами В. с. по сравнению с однопроцессорной ЭВМ являются: значительное повышение производительности за счёт статического или динамического распараллеливания процесса решения задачи (напр., выполнение отд. частей задачи на разл. процессорах); увеличение эффективности использования оборудования за счёт более полной его загрузки; повышение надёжности системы и др.

Постоянное увеличение степени интеграции и быстродействия элементов совр. микропроцессоров, высокий уровень их надёжности и относительная дешевизна позволяют строить В. с. путём объединения необходимого числа микропроцессоров и организации параллельной обработки данных. Параллелизм в вычислениях в значит. степени усложнил управление вычислит. процессом, а также распределение аппаратных и программных ресурсов. Поэтому важная роль в В. с. стала отводиться операционной системе, выполняющей функции планирования вычислит. процесса и распределения ресурсов (оперативной и внешней памяти, процессоров, периферийного оборудования и др.), а также оптимизирующим компиляторам с языков высокого уровня, позволяющим в наибольшей степени использовать архит. особенности микропроцессоров. Большую роль в достижении высокой эффективности работы В. с. играет система коммутации, связывающая процессоры между собой или с модулями оперативной памяти. Как правило, для этого применяют общую шину, с которой соединены процессоры и модули памяти. В В. с., состоящих из нескольких процессоров, обычно используют матричные коммутаторы, а также топологию связи – кольцо, звезда и др. При объединении большого числа процессоров применяют более сложные топологии связи – тор, гиперкуб и др.

Современные В. с. сильно отличаются друг от друга своими возможностями и характеристиками, и этим обусловлено разнообразие признаков, по которым классифицируют В. с. (напр., по типам и числу ЭВМ или процессоров, архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы). Так, В. с. бывают разделимые (включающие неск. ЭВМ, которые способны работать независимо друг от друга) и неразделимые (или многопроцессорные, состоящие из процессоров, каждый из которых может выполнять свои функции только в составе В. с.). Одним из видов неразделимых В. с. являются кластеры, состоящие из нескольких связанных между собой ЭВМ, которые находятся в едином корпусе или соединены скоростным каналом связи.

В. с. делят также на однородные и неоднородные. Однородная В. с. строится на базе однотипных процессоров или ЭВМ, а неоднородная состоит из ЭВМ или процессоров разл. типов. Выделяют многомашинные и многопроцессорные В. с. В многомашинных В. с. каждый из процессоров имеет свою локальную оперативную память и работает, как правило, под управлением своей операционной системы, а в многопроцессорных В. с. процессоры работают с общей оперативной памятью под управлением единой операционной системы. Также выделяют классы параллельных В. с.: SMP (симметричная мультипроцессорная обработка данных – группа процессоров работает с общей памятью), MPP (В. с. с массовым параллелизмом – процессоры, число которых практически не ограничено, работают каждый со своей памятью), NUMA (промежуточная архитектура, сочетающая свойства классов SMP и MPP).

Если в состав В. с. кроме цифровых вычислительных машин входят аналоговые вычислительные машины, то она относится к гибридным В. с. Эти В. с. обычно используются при моделировании сложных систем, динамич. процессов и др., напр. при разработке геолого-технологич. моделей нефтяных и газовых месторождений, систем управления полётом самолёта.

В 1966 М. Флинн (США) предложил классифицировать В. с. по числу потоков команд и потоков данных. Он выделил 4 класса: SISD (один поток команд – один поток данных), к которому относятся системы с одним процессором; SIMD (один поток команд – много потоков данных), включающий однородные векторные и матричные В. с.; MISD (много потоков команд – один поток данных); MIMD (много потоков команд – много потоков данных), в котором каждый процессор работает по своей программе и со своими данными. Эта классификация до сих пор актуальна, однако она не позволяет достаточно полно и точно охарактеризовать все виды В. с. (напр., потоковые), поэтому попытки более точно систематизировать всё разнообразие В. с. продолжаются. Напр., классификация Базу (США, 1987) основана на последовательном определении принятых при проектировании В. с. решений: уровня параллелизма (данные, команды или задачи), метода реализации алгоритмов (аппаратный или программный), способа параллельного выполнения команд (конвейеризация или одновременное независимое), а также способа управления процессом выполнения команд (синхронный или асинхронный). Кришнамурти (Индия, 1989) предложил классифицировать В. с. по четырём характеристикам: уровню параллелизма; способу реализации параллелизма (аппаратный или аппаратно-программный), топологии (матрица, линейный массив, тор, дерево, звезда и др.), степени связи процессоров (сильная, слабая, средняя) и механизму взаимодействия процессоров (посредством передачи сообщений, разделяемых переменных или по готовности операндов), способу управления (синхронный, асинхронный, потоком данных).

Важными вехами в развитии В. с. стало создание таких систем, как ILLIAC IV (сдана в эксплуатацию в 1974; матричная В. с. из 64 процессоров), векторно-конвейерные «Cray-1» (1976, США), «Cyber 205» (1981, США), «Cray C90» (1991, США), В. с. с массовым параллелизмом «Connection Machine-1» (объединяла 65 536 одноразрядных процессоров, связанных через гиперкуб, 1985), «Cray T3E» (1995) и др. В России выпускались В. с. ПС-2000 (произ-во с 1981) и ПС-3000 (произ-во в 1984–87), многопроцессорные вычислит. комплексы «Эльбрус-1» (1980), «Эльбрус-2» (1985). Самая быстродействующая В. с. в России на середину 2015 – «Ломоносов-2» производства компании «Т-Платформы», установленная в МГУ им. М. В. Ломоносова. Она занимает 31-е место в июньском выпуске международного рейтинга суперкомпьютеров TOP500, достигая производительности 1,8 Пфлопс (1 Пфлопс=1015 операций над вещественными числами в секунду) в тесте LINPACK при теоретическом пределе используемого оборудования в 2,6 Пфлопс. Первое место в TOP500 c рекордной производительностью в 33,8 Пфлопс занимает В. с. «Тяньхэ-2», спроектированная Оборонным научно-техническим университетом Народно-освободительной армии КНР.

История развития вычислительной техники. Отечественная вычислительная техника. Первая ЭВМ

Принципы работы вычислительной системы - фотография 74 - изображение 74

Как только человек открыл для себя понятие "количество", он сразу же принялся подбирать инструменты, оптимизирующие и облегчающие счёт. Сегодня сверхмощные компьютеры, основываясь на принципах математических вычислений, обрабатывают, хранят и передают информацию – важнейший ресурс и двигатель прогресса человечества. Нетрудно составить представление о том, как происходило развитие вычислительной техники, кратко рассмотрев основные этапы этого процесса.

Основные этапы развития вычислительной техники

Самая популярная классификация предлагает выделить основные этапы развития вычислительной техники по хронологическому принципу:

  • Ручной этап. Он начался на заре человеческой эпохи и продолжался до середины XVII столетия. В этот период возникли основы счёта. Позднее, с формированием позиционных систем счисления, появились приспособления (счёты, абак, позднее - логарифмическая линейка), делающие возможными вычисления по разрядам.
  • Механический этап. Начался в середине XVII и длился почти до конца XIX столетия. Уровень развития науки в этот период сделал возможным создание механических устройств, выполняющих основные арифметические действия и автоматически запоминающих старшие разряды.
  • Электромеханический этап – самый короткий из всех, какие объединяет история развития вычислительной техники. Он длился всего около 60 лет. Это промежуток между изобретением в 1887 году первого табулятора до 1946 года, когда возникла самая первая ЭВМ (ENIAC). Новые машины, действие которых основывалось на электроприводе и электрическом реле, позволяли производить вычисления со значительно большей скоростью и точностью, однако процессом счёта по-прежнему должен был управлять человек.
  • Электронный этап начался во второй половине прошлого столетия и продолжается в наши дни. Это история шести поколений электронно-вычислительных машин – от самых первых гигантских агрегатов, в основе которых лежали электронные лампы, и до сверхмощных современных суперкомпьютеров с огромным числом параллельно работающих процессоров, способных одновременно выполнить множество команд.

Принципы работы вычислительной системы - фото 75 - изображение 75

Этапы развития вычислительной техники разделены по хронологическому принципу достаточно условно. В то время, когда использовались одни типы ЭВМ, активно создавались предпосылки для появления следующих.

Самые первые приспособления для счёта

Наиболее ранний инструмент для счёта, который знает история развития вычислительной техники, – десять пальцев на руках человека. Результаты счёта первоначально фиксировались при помощи пальцев, зарубок на дереве и камне, специальных палочек, узелков.

С возникновением письменности появлялись и развивались различные способы записи чисел, были изобретены позиционные системы счисления (десятичная – в Индии, шестидесятиричная – в Вавилоне).

Примерно с IV века до нашей эры древние греки стали вести счёт при помощи абака. Первоначально это была глиняная плоская дощечка с нанесёнными на неё острым предметом полосками. Счёт осуществлялся путём размещения на этих полосах в определённом порядке мелких камней или других небольших предметов.

В Китае в IV столетии нашей эры появились семикосточковые счёты – суанпан (суаньпань). На прямоугольную деревянную раму натягивались проволочки или верёвки - от девяти и более. Ещё одна проволочка (верёвка), натянутая перпендикулярно остальным, разделяла суанпан на две неравные части. В большем отделении, именуемом "землёй", на проволочки было нанизано по пять косточек, в меньшем – "небе" – их было по две. Каждая из проволочек соответствовала десятичному разряду.

Традиционные счёты соробан стали популярными в Японии с XVI века, попав туда из Китая. В это же время счёты появились и в России.

Принципы работы вычислительной системы - изображение 76 - изображение 76

В XVII столетии на основании логарифмов, открытых шотландским математиком Джоном Непером, англичанин Эдмонд Гантер изобрёл логарифмическую линейку. Это устройство постоянно совершенствовалось и дожило до наших дней. Оно позволяет умножать и делить числа, возводить в степень, определять логарифмы и тригонометрические функции.

Логарифмическая линейка стала прибором, завершающим развитие средств вычислительной техники на ручном (домеханическом) этапе.

Первые механические счётные устройства

В 1623 году немецким учёным Вильгельмом Шиккардом был создан первый механический "калькулятор", который он назвал считающими часами. Механизм этого прибора напоминал обычный часовой, состоящий из шестерёнок и звёздочек. Однако известно об этом изобретении стало только в середине прошлого столетия.

Качественным скачком в области технологии вычислительной техники стало изобретение суммирующей машины "Паскалины" в 1642 году. Её создатель, французский математик Блез Паскаль, начал работу над этим устройством, когда ему не было и 20 лет. "Паскалина" представляла собой механический прибор в виде ящичка с большим количеством взаимосвязанных шестерёнок. Числа, которые требовалось сложить, вводились в машину поворотами специальных колёсиков.

В 1673 году саксонский математик и философ Готфрид фон Лейбниц изобрёл машину, выполнявшую четыре основных математических действия и умевшую извлекать квадратный корень. Принцип её работы был основан на двоичной системе счисления, специально придуманной учёным.

В 1818 году француз Шарль (Карл) Ксавье Тома де Кольмар, взяв за основу идеи Лейбница, изобрёл арифмометр, умеющий умножать и делить. А ещё спустя два года англичанин Чарльз Бэббидж приступил к конструированию машины, которая способна была бы производить вычисления с точностью до 20 знаков после запятой. Этот проект так и остался неоконченным, однако в 1830 году его автор разработал другой – аналитическую машину для выполнения точных научных и технических расчётов. Управлять машиной предполагалось программным путём, а для ввода и вывода информации должны были использоваться перфорированные карты с разным расположением отверстий. Проект Бэббиджа предугадал развитие электронно-вычислительной техники и задачи, которые смогут быть решены с её помощью.

Принципы работы вычислительной системы - фото 77 - изображение 77

Примечательно, что слава первого в мире программиста принадлежит женщине – леди Аде Лавлейс (в девичестве Байрон). Именно она создала первые программы для вычислительной машины Бэббиджа. Её именем впоследствии был назван один из компьютерных языков.

Разработка первых аналогов компьютера

В 1887 году история развития вычислительной техники вышла на новый этап. Американскому инженеру Герману Голлериту (Холлериту) удалось сконструировать первую электромеханическую вычислительную машину – табулятор. В её механизме имелось реле, а также счётчики и особый сортировочный ящик. Прибор считывал и сортировал статистические записи, сделанные на перфокартах. В дальнейшем компания, основанная Голлеритом, стала костяком всемирно известного компьютерного гиганта IBM.

Принципы работы вычислительной системы - фото 78 - изображение 78

В 1930 году американец Ванновар Буш создал дифференциальный анализатор. В действие его приводило электричество, а для хранения данных использовались электронные лампы. Эта машина способна была быстро находить решения сложных математических задач.

Ещё через шесть лет английским учёным Аланом Тьюрингом была разработана концепция машины, ставшая теоретической основой для нынешних компьютеров. Она обладала всеми главными свойствами современного средства вычислительной техники: могла пошагово выполнять операции, которые были запрограммированы во внутренней памяти.

Спустя год после этого Джордж Стибиц, учёный из США, изобрёл первое в стране электромеханическое устройство, способное выполнять двоичное сложение. Его действия основывались на булевой алгебре – математической логике, созданной в середине XIX века Джорджем Булем: использовании логических операторов И, ИЛИ и НЕ. Позднее двоичный сумматор станет неотъемлемой частью цифровой ЭВМ.

В 1938 году сотрудник университета в Массачусетсе Клод Шеннон изложил принципы логического устройства вычислительной машины, применяющей электрические схемы для решения задач булевой алгебры.

Начало компьютерной эры

Правительства стран, участвующих во Второй мировой войне, осознавали стратегическую роль вычислительных машин в ведении военных действий. Это послужило толчком к разработкам и параллельному возникновению в этих странах первого поколения компьютеров.

Пионером в области компьютеростроения стал Конрад Цузе – немецкий инженер. В 1941 году им был создан первый вычислительный автомат, управляемый при помощи программы. Машина, названная Z3, была построена на телефонных реле, программы для неё кодировались на перфорированной ленте. Этот аппарат умел работать в двоичной системе, а также оперировать числами с плавающей запятой.

Первым действительно работающим программируемым компьютером официально признана следующая модель машины Цузе – Z4. Он также вошёл в историю как создатель первого высокоуровневого языка программирования, получившего название "Планкалкюль".

Принципы работы вычислительной системы - фотография 79 - изображение 79

В 1942 году американские исследователи Джон Атанасов (Атанасофф) и Клиффорд Берри создали вычислительное устройство, работавшее на вакуумных трубках. Машина также использовла двоичный код, могла выполнять ряд логических операций.

В 1943 году в английской правительственной лаборатории, в обстановке секретности, была построена первая ЭВМ, получившая название "Колосс". В ней вместо электромеханических реле использовалось 2 тыс. электронных ламп для хранения и обработки информации. Она предназначалась для взлома и расшифровки кода секретных сообщений, передаваемых немецкой шифровальной машиной "Энигма", которая широко применялась вермахтом. Существование этого аппарата ещё долгое время держалось в строжайшей тайне. После окончания войны приказ о его уничтожении был подписан лично Уинстоном Черчиллем.

Разработка архитектуры

В 1945 году американским математиком венгерско-немецкого происхождения Джоном (Яношем Лайошем) фон Нейманом был создан прообраз архитектуры современных компьютеров. Он предложил записывать программу в виде кода непосредственно в память машины, подразумевая совместное хранение в памяти компьютера программ и данных.

Архитектура фон Неймана легла в основу создаваемого в то время в Соединённых Штатах первого универсального электронного компьютера – ENIAC. Этот гигант весил около 30 тонн и располагался на 170 квадратных метрах площади. В работе машины были задействованы 18 тыс. ламп. Этот компьютер мог произвести 300 операций умножения или 5 тыс. сложения за одну секунду.

Первая в Европе универсальная программируемая ЭВМ была создана в 1950 году в Советском Союзе (Украина). Группа киевских учёных, возглавляемая Сергеем Алексеевичем Лебедевым, сконструировала малую электронную счётную машину (МЭСМ). Её быстродействие составляло 50 операций в секунду, она содержала около 6 тыс. электровакуумных ламп.

В 1952 году отечественная вычислительная техника пополнилась БЭСМ - большой электронной счётной машиной, также разработанной под руководством Лебедева. Эта ЭВМ, выполнявшая в секунду до 10 тыс. операций, была на тот момент самой быстродействующей в Европе. Ввод информации в память машины происходил при помощи перфоленты, выводились данные посредством фотопечати.

В этот же период в СССР выпускалась серия больших ЭВМ под общим названием "Стрела" (автор разработки – Юрий Яковлевич Базилевский). С 1954 года в Пензе началось серийное производство универсальной ЭВМ "Урал" под руководством Башира Рамеева. Последние модели были аппаратно и программно совместимы друг с другом, имелся широкий выбор периферических устройств, позволяющий собирать машины различной комплектации.

Транзисторы. Выпуск первых серийных компьютеров

Однако лампы очень быстро выходили из строя, весьма затрудняя работу с машиной. Транзистор, изобретённый в 1947 году, сумел решить эту проблему. Используя электрические свойства полупроводников, он выполнял те же задачи, что и электронные лампы, однако занимал значительно меньший объём и расходовал не так много энергии. Наряду с появлением ферритовых сердечников для организации памяти компьютеров, использование транзисторов дало возможность заметно уменьшить размеры машин, сделать их ещё надёжнее и быстрее.

Принципы работы вычислительной системы - изображение 80 - изображение 80

В 1954 году американская фирма "Техас Инструментс" начала серийно производить транзисторы, а два года спустя в Массачусетсе появился первый построенный на транзисторах компьютер второго поколения – ТХ-О.

В середине прошлого столетия значительная часть государственных организаций и крупных компаний использовала компьютеры для научных, финансовых, инженерных расчётов, работы с большими массивами данных. Постепенно ЭВМ приобретали знакомые нам сегодня черты. В этот период появились графопостроители, принтеры, носители информации на магнитных дисках и ленте.

Активное использование вычислительной техники привело к расширению областей её применения и потребовало создания новых программных технологий. Появились языки программирования высокого уровня, позволяющие переносить программы с одной машины на другую и упрощающие процесс написания кода ("Фортран", "Кобол" и другие). Появились особые программы-трансляторы, преобразовывающие код с этих языков в команды, прямо воспринимаемые машиной.

Появление интегральных микросхем

В 1958-1960 годах, благодаря инженерам из Соединённых Штатов Роберту Нойсу и Джеку Килби, мир узнал о существовании интегральных микросхем. На основе из кремниевого или германиевого кристалла монтировались миниатюрные транзисторы и другие компоненты, порой до сотни и тысячи. Микросхемы размером чуть более сантиметра работали гораздо быстрее, чем транзисторы, и потребляли намного меньше энергии. С их появлением история развития вычислительной техники связывает возникновение третьего поколения ЭВМ.

В 1964 году фирмой IBM был выпущен первый компьютер семейства SYSTEM 360, в основу которого легли интегральные микросхемы. С этого времени можно вести отсчёт массового выпуска ЭВМ. Всего было произведено более 20 тыс. экземпляров данного компьютера.

В 1972 году в СССР была разработана ЕС (единая серия) ЭВМ. Это были стандартизированные комплексы для работы вычислительных центров, имевшие общую систему команд. За основу была взята американская система IBM 360.

В следующем году компания DEC выпустила мини-компьютер PDP-8, ставший первым коммерческим проектом в этой области. Относительно низкая стоимость мини-компьютеров дала возможность использовать их и небольшим организациям.

В этот же период постоянно совершенствовалось программное обеспечение. Разрабатывались операционные системы, ориентированные на то, чтобы поддерживать максимальное количество внешних устройств, появлялись новые программы. В 1964 году разработали Бейсик – язык, предназначенный специально для подготовки начинающих программистов. Через пять лет после этого возник Паскаль, оказавшийся очень удобным для решения множества прикладных задач.

Персональные компьютеры

После 1970 года начался выпуск четвёртого поколения ЭВМ. Развитие вычислительной техники в это время характеризуется внедрением в производство компьютеров больших интегральных схем. Такие машины теперь могли совершать за одну секунду тысячи миллионов вычислительных операций, а ёмкость их ОЗУ увеличилась до 500 миллионов двоичных разрядов. Существенное снижение себестоимости микрокомпьютеров привело к тому, что возможность их купить постепенно появилась у обычного человека.

Одним из первых производителей персональных компьютеров стала компания Apple. Создавшие её Стив Джобс и Стив Возняк сконструировали первую модель ПК в 1976 году, дав ей название Apple I. Стоимость его составила всего 500 долларов. Через год была представлена следующая модель этой компании – Apple II.

Компьютер этого времени впервые стал похожим на бытовой прибор: помимо компактного размера, он имел изящный дизайн и интерфейс, удобный для пользователя. Распространение персональных компьютеров в конце 1970 годов привело к тому, что спрос на большие ЭВМ заметно упал. Этот факт всерьёз обеспокоил их производителя – компанию IBM, и в 1979 году она выпустила на рынок свой первый ПК.

Принципы работы вычислительной системы - фотография 81 - изображение 81

Два года спустя появился первый микрокомпьютер этой фирмы с открытой архитектурой, основанный на 16-разрядном микропроцессоре 8088, производимом компанией "Интел". Компьютер комплектовался монохромным дисплеем, двумя дисководами для пятидюймовых дискет, оперативной памятью объемом 64 килобайта. По поручению компании-создателя фирма "Майкрософт" специально разработала операционную систему для этой машины. На рынке появились многочисленные клоны IBM PC, что подтолкнуло рост промышленного производства персональных ЭВМ.

В 1984 году компанией Apple был разработан и выпущен новый компьютер – Macintosh. Его операционная система была исключительно удобной для пользователя: представляла команды в виде графических изображений и позволяла вводить их с помощью манипулятора - мыши. Это сделало компьютер ещё более доступным, поскольку теперь от пользователя не требовалось никаких специальных навыков.

ЭВМ пятого поколения вычислительной техники некоторые источники датируют 1992-2013 годами. Вкратце их основная концепция формулируется так: это компьютеры, созданные на основе сверхсложных микропроцессоров, имеющие параллельно-векторную структуру, которая делает возможным одновременное выполнение десятков последовательных команд, заложенных в программу. Машины с несколькими сотнями процессоров, работающих параллельно, позволяют ещё более точно и быстро обрабатывать данные, а также создавать эффективно работающие сети.

Развитие современной вычислительной техники уже позволяет говорить и о компьютерах шестого поколения. Это электронные и оптоэлектронные ЭВМ, работающие на десятках тысяч микропроцессоров, характеризующиеся массовым параллелизмом и моделирующие архитектуру нейронных биологических систем, что позволяет им успешно распознавать сложные образы.

Принципы работы вычислительной системы - фото 82 - изображение 82

Последовательно рассмотрев все этапы развития вычислительной техники, следует отметить интересный факт: изобретения, хорошо зарекомендовавшие себя на каждом из них, сохранились до наших дней и с успехом продолжают использоваться.

Классы вычислительной техники

Существуют различные варианты классификации ЭВМ.

Так, по назначению компьютеры делятся:

  • на универсальные – те, которые способны решать самые различные математические, экономические, инженерно-технические, научные и другие задачи;
  • проблемно-ориентированные – решающие задачи более узкого направления, связанные, как правило, с управлением определёнными процессами (регистрация данных, накопление и обработка небольших объёмов информации, выполнение расчётов в соответствии с несложными алгоритмами). Они обладают более ограниченными программными и аппаратными ресурсами, чем первая группа компьютеров;
  • специализированные компьютеры решают, как правило, строго определённые задачи. Они имеют узкоспециализированную структуру и при относительно низкой сложности устройства и управления достаточно надёжны и производительны в своей сфере. Это, к примеру, контроллеры или адаптеры, управляющие рядом устройств, а также программируемые микропроцессоры.

По размерам и производительной мощности современная электронно-вычислительная техника делится:

  • на сверхбольшие (суперкомпьютеры);
  • большие компьютеры;
  • малые компьютеры;
  • сверхмалые (микрокомпьютеры).

Таким образом, мы увидели, что устройства, сначала изобретённые человеком для учёта ресурсов и ценностей, а затем – быстрого и точного проведения сложных расчётов и вычислительных операций, постоянно развивались и совершенствовались.

Источники:

Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Оставить комментарий:

Отправить

Полезные сервисы:

Опрос: Насколько Вам помогла информация на нашем сайте? (Кол-во голосов: 636)
Сразу все понял
Не до конца понял
Пришлось перечитывать несколько раз
Вообще не понял
Как я сюда попал?
Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты