Курс лекций по информатике _часть 1_

31

Надежность – это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного времени (стандарт ISO – международной организации стандартов – 2382/14-78).

Высокая надежность ЭВМ закладывается в процессе ее производства. Переход на новую элементную базу – сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) – резко сокращает число используемых интегральных схем, а значит, и число их соединений друг с другом. Хорошо продуманы компоновка компьютера и обеспечение требуемых режимов работы (охлаждение, защита от пыли). Модульный принцип построения позволяет легко проверять и контролировать работу всех устройств, проводить диагностику и устранять неисправности.

Точность – возможность различать почти равные значения (стандарт ISO – 2382/2-76). Точность получения результатов обработки определяется разрядностью ЭВМ, которая в зависимости от класса ЭВМ может составлять 32, 64 и 128 двоичных разрядов.

Во многих применениях ЭВМ не требуется большой точности (при обработке текстов и документов, при управлении технологическими процессами). В этом случае достаточно воспользоваться 8- и 16-разрядными двоичными кодами. При выполнении же сложных математических расчетов следует использовать высокую разрядность (32, 64 и даже более). Для работы с такими данными применяются соответствующие структурные единицы представления информации (байт, слово, двойное слово). Программными способами диапазон представления и обработки данных может быть увеличен в несколько раз, что позволяет достигать очень высокой точности.

Достоверность – свойство информации быть правильно воспринятой. Достоверность характеризуется вероятностью получе7ния безошибочных результатов. Заданный уровень достоверности обеспечивается аппаратнопрограммными средствами контроля самой ЭВМ. Возможны методы контроля достоверности путем решения эталонных задач и повторных расчетов. В особо ответственных случаях проводятся контрольные решения на других ЭВМ и сравнение результатов.

4.3. Классификация ЭВМ

Чтобы судить о возможностях ЭВМ, их принято разделять на группы по определенным признакам, то есть классифицировать. Сравнительно недавно классифицировать ЭВМ по различным признакам не составляло большого труда. Важно было только определить признак классификации, например, по назначению, по габаритам, по производительности, по стоимости, по элементной базе и т.д.

С развитием технологии производства ЭВМ классифицировать их стало все более затруднительно, ибо стирались грани между такими важными характеристиками, как производительность, емкость внутренней и внешней памяти, габариты, вес, электропотребление и др. Например, персональный компьютер, для размещения которого достаточно стола, имеет практически те же возмож-

32

ности и технические характеристики, что и достаточно совершенная в недавнем прошлом ЭВМ Единой системы (ЕС), занимающая машинный зал в сотни квадратных метров. Поэтому разделение ЭВМ по названных признакам нельзя воспринимать как классификацию по техническим параметрам. Это, скорее, эвристический подход, где большой вес имеет предполагаемая сфера применения компьютеров.

С этой точки зрения классификацию вычислительных машин по таким показателям, как габариты и производительность, можно представить следующим образом:

сверхпроизводительные ЭВМ и системы (супер-ЭВМ);большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения);средние ЭВМ;малые или мини-ЭВМ;микро-ЭВМ;

персональные компьютеры;микропроцессоры.

Отметим, что понятия "большие", "средние" и "малые" для отечественных ЭВМ весьма условны и не соответствуют подобным категориям зарубежных ЭВМ.

33

ЛЕКЦИЯ 5. ЭВМ КАК СРЕДСТВО ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ (ОКОНЧАНИЕ)

5.1. Общие принципы построения современных ЭВМ

Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. В его основе лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

В соответствии со стандартом ISO 2382/1-84 г., "алгоритм – конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количество операций". "Программа для ЭВМ – упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке". Следует отметить, что строгого, однозначного определения алгоритма, равно как и однозначных методов его преобразования в программу вычислений, не существует. Принцип программного управления может быть осуществлен различными способами. Стандартом для построения практически всех ЭВМ стал способ, описанный Дж. фон Нейманом в 1945 г. при построении еще первых образцовЭВМ. Сутьегозаключаетсявследующем.

Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов – команд. Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, местонахождение (адреса) операндов и ряд служебных признаков. Операнды – переменные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных. Список (массив) всех переменных (входных данных, промежуточных значений и результатов вычислений) является еще одним неотъемлемым элементом любой программы.

Для доступа к программам, командам и операндам используются их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ, предназначенных для хранения объектов. Информация (командная и данные: числовая, текстовая, графическая и т.п.) кодируется двоичными цифрами "0" и "1". Поэтому различные типы информации, размещенные в памяти ЭВМ, практически не различимы, идентификация их возможна лишь при выполнении программы, согласно ее логике, по контексту.

Каждый тип информации имеет свои форматы – структурные единицы информации, закодированные двоичными цифрами "0" и "1". Обычно все форматы данных, используемые в ЭВМ, кратны байту, то есть состоят из целого числа байтов.

Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, представлена полем. Например, в каждой команде программы различают поле кода операций, поле адресов операндов. Применительно к числовой информации выделяют знаковые разряды, значащие разряды чисел, старшие и младшие разряды.

Последовательность, состоящая из определенного, принятого для данной ЭВМ числа байтов, называется словом. Для больших ЭВМ размер слова составляет 4 байта, для ПЭВМ – 2 байта. В качестве структурных элементов информации различают также полуслово, двойное слово и др.

34

Схема ЭВМ, отвечающая программному принципу управления, логично вытекает из последовательного характера преобразований, выполняемых человеком по некоторому алгоритму (программе). Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поколений представлена на рис. 5.1.

УВв

ОЗУ

УВыв

Исходные данные

Результаты

АЛУ

ВЗУ

УУ

Рис. 5.1. Структурная схема ЭВМ первого поколения

В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВв), с помощью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним. Сначала введенная информация частично или полностью запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации, где преобразуется в специальный программный объект – файл. Файл – это имеющий имя информационный массив (программа, данные, текст и т.п.), размещенный во внешней памяти и рассматриваемый как неделимый объект при пересылках и обработке.

При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления.

Устройство управления (УУ) предназначается для автоматического управления программ путем принудительной координации работы всех остальных устройств ЭВМ. Цепи сигналов управления показаны на рис. 5.1 штриховыми линиями. Вызываемые из ОЗУ команды дешифрируются УУ: определяются код операции, которую необходимо выполнить, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др. Оно каждый раз перестраивается на выполнение очередной операции. Результаты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записывают-

35

ся в память. Отдельные признаки результатов (результат = 0, результат < 0, результат > 0 и др.) УУ использует для изменения порядка выполнения команд программы. Результаты, полученные после выполнения все программы вычислений, передаются на устройства вывода (УВыв) информации. В качестве УВыв могут использоваться экран дисплея, принтер, графопостроитель и др.

Современные ЭВМ имеют достаточно развитые системы машинных операций. Например, ЭВМ типа IBM PC имеют около 200 различных операций (от 170 до 230 в зависимости от типа микропроцессора). Любая операция в ЭВМ выполняется по определенной микропрограмме, реализуемой в схемах АЛУ соответствующей последовательностью сигналов управления (микрокоманд). Каждая отдельная микрокоманда – это простейшее преобразование данных типа алгебраического сложения, сдвига, перезаписи информации и т.п.

Уже в первых ЭВМ для увеличения их производительности широко применялось совмещение операций. При этом последовательные фазы выполнения отдельных команд программы (формирование адресов операндов, выборка операндов, выполнение операции, отсылка результата) выполнялись отдельными функциональными блоками. В своей работе они образовывали своеобразный конвейер, а их параллельная работа позволяла обрабатывать различные фазы целого блока команд. Этот принцип получил дальнейшее развитие в ЭВМ следующих поколений. Но все же первые ЭВМ имели очень сильную централизацию управления, единые стандарты форматов команд и данных, "жесткое" построение циклов выполнения отдельных операций, что во многом объясняется ограниченными возможностями используемой в них элементной базы. Центральное УУ обслуживало не только вычислительные операции, но и операции ввода-вывода, пересылок данных между ЗУ и др. Все это позволило в какой-то степени упростить аппаратуру ЭВМ, но значительно сдерживало рост их производительности.

В ЭВМ 3-го поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и процесса ее обработки.

УВВ УВВ

Процессор								….

КВВ

АЛУ

ОЗУ

УУ								КВВ			…..

ВЗУ ВЗУ

Рис. 5.2. Структурная схема ЭВМ 3-го поколения

36

Сильно связанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор. В структуре ЭВМ появились дополнительные устройства, которые стали называться: процессоры ввода-вывода, устройства управления обмена информацией, каналы ввода-вывода (КВВ). Последние получили наибольшее распространение применительно к большим ЭВМ. Здесь наметилась тенденция в децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств, что позволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом.

Среди каналов ввода-вывода выделяли мультиплексные каналы, способные обслуживать большое количество медленно работающих устройств вводавывода, и селекторные каналы, обслуживающие в монопольных режимах скоростные внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

5.2. Программное обеспечение ЭВМ и его функции

Электронные вычислительные машины являются универсальными техническими средствами автоматизации вычислительных работ, то есть они способны решать любые задачи, связанные с преобразованием информации. Однако подготовка задач к решению на ЭВМ была и остается до настоящего времени достаточно трудоемким процессом, требующим от пользователя во многих случаях специальных знаний и навыков.

Для снижения трудоемкости подготовки задач к решению, более эффективного использования отдельных технических, программных средств и ЭВМ в целом, а также облегчения их эксплуатации каждая ЭВМ имеет специальный комплекс программных средств регулярного применения. Эти средства обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и являются своеобразным "посредником" между ними. Они получили название программного обеспечения ЭВМ.

Под программным обеспечением будем понимать комплекс программных средств регулярного применения, предназначенный для подготовки и решения задач пользователей.

Программное обеспечение (ПО) отдельных ЭВМ и вычислительных систем (ВС) может сильно различаться составом используемых программ, который определяется классом задействованной вычислительной техники, режимами ее применения, содержанием вычислительных работ пользователей и т.п. Развитие ПО современных ЭВМ и ВС в значительный степени носит эволюционный и эмпирический характер, но можно выделить закономерности в его построении.

В общем случае процесс подготовки и решения задач на ЭВМ пользователями предусматривает выполнение следующей последовательности этапов:

формулировка проблемы и математическая постановка задачи;выбор метода и разработка алгоритма решения;

программирование (запись алгоритма) с использованием некоторого алгоритмического языка;планирование и организация вычислительного процесса – порядка и по-

следовательности использования ресурсов ЭВМ и ВС;

37

формирование "машинной программы", то есть программы, которую непосредственно будет выполнять ЭВМ;собственно решение задачи – выполнение вычислений по готовой программе.

По мере развития ВТ автоматизация этих этапов идет снизу вверх. В ЭВМ 1-го поколения автоматизации подлежал только шестой этап. Все пять предыдущих этапов пользователь должен был готовить вручную самостоятельно. Трудоемкий и рутинный характер этих работ был источником большого количества ошибок в заданиях. Поэтому в ЭВМ следующих поколений появились сначала элементы, а затем целые системы, облегчающие процесс подготовки задач к решению.

Для ЭВМ 2-го поколения характерно широкое применение алгоритмических языков (Автокоды, Алгол, Фортран и др.) и соответствующих трансляторов, позволяющих автоматически формировать машинные программы по их описанию. На алгоритмическом языке. Здесь же стали широко внедряться библиотеки стандартных программ, что позволило строить машинные программы блоками, используя накопленный и приобретенный программистами опыт. Отметим, что временные границы появления всех нововведений достаточно размыты. Обычно их истоки можно обнаружить в недрах ЭВМ предыдущих поколений.

ЭВМ 3-го поколения характеризуются расцветом операционных систем, отвечающих за организацию и управление вычислительным процессом. Именно здесь слово "ЭВМ" все чаще стало заменяться понятием "вычислительная система", что в большей степени отражало усложнение как аппаратной, так и программной части ЭВМ. Стоимость ПО стала расти и в настоящее время намного опережает стоимость аппаратуры.

В ЭВМ 4-го поколения продолжается усложнение технических и программных структур (иерархия управления средствами, увеличение их количества). Следует отметить заметное повышение "интеллектуальности" машин. Особенно это стало видно при появлении персональных ЭВМ (ПЭВМ), ориентированных на определенные категории пользователей. ПО этих машин создает "дружественную" среду общения человека и компьютера. Оно, с одной стороны, управляет процессом обработки информации, а с другой – создает необходимый сервис для пользователя, снижая трудоемкость его рутинной работы и предоставляя ему возможность больше уделять внимание творчеству.

Подобные тенденции будут сохраняться и в ЭВМ последующих поколений. ПО мнению некоторых исследователей машины будущего будут иметь встроенный в них "искусственный интеллект", что позволит пользователям обращаться к машинам (системам) на естественном языке, вводить и обрабатывать тексты, документы, иллюстрации, создавать системы обработки знаний и т.д. Все это приводит к необходимости разработки сложного, многоэшелонного иерархического программного обеспечения систем обработки данных.

38

5.3. Состав и назначение основных элементов ПК, их характеристики

5.3.1. Общие сведения о ПЭВМ и их классификация

Успехи в развитии микропроцессоров и микро-ЭВМ привели к появлению персональных ЭВМ (ПЭВМ), предназначенных для индивидуального обслуживания пользователя и ориентированных на решение различных задач неспециалистами в области вычислительной техники. Все оборудование персональной ЭВМ размещается в пределах стола.

Появление в 1975 г. в США первого серийного персонального компьютера (персональной ЭВМ – ПЭВМ) вызвало революционный переворот во всех областях человеческой деятельности.

Первые персональные компьютеры создавались в виде электронных блоков, обеспечивающих возможность конструировать различные ЭВМ из отдельных узлов. Такие наборы пользовались большим успехом у любителейэлектронщиков. Однако уже в 1981 г. стали выпускаться ПЭВМ, имеющие блочно-модульную конструкцию. Эти машины, простые в эксплуатации и сравнительно дешевые, предназначались для потребителей, не обладающих знаниями в области вычислительной техники и программирования.

ПЭВМ относится к классу микроЭВМ и является машиной индивидуального пользования. Это общедоступный и универсальный инструмент, многократно повышающий производительность интеллектуального труда специалистов различного профиля. ПЭВМ предназначена для автономной работы в диалоговом режиме с пользователем. Общедоступность ПЭВМ определяется сравнительно низкой стоимостью, компактностью, отсутствием специальных требований как к условиям эксплуатации, так и степени подготовленности пользователя.

Основой ПЭВМ является микропроцессор (МП). Развитие техники и технологии микропроцессоров определило смену поколений ПЭВМ:

		Таблица 5.1. Поколения ПЭВМ
Поколение	Годы разработки	Разрядность МП
1	1975-1980	на базе 8-разрядного МП
2	1981-1985	на базе 16-разрядного МП
3	1986-1992	на базе 32-разрядного МП
4	1993 – по настоящее время	на базе 64-разрядного МП

Большую роль в развитии ПЭВМ сыграло появление компьютера IBM PC, произведенного корпорацией IBM (США) на базе микропроцессора Intel-8086 в 1981 г. Этот персональный компьютер занял ведущее место на рынке ПЭВМ. Его основное преимущество – так называемая "открытая архитектура", благодаря которой пользователи могут расширять возможности приобретенной ПЭВМ, добавляя различные периферийные устройства и модернизируя компьютер.

39

Вдальнейшем другие фирмы начали создавать компьютеры, совместимые с IBM PC и, таким образом, компьютер IBM PC стал как бы стандартом класса ПЭВМ. В наши дни около 85% всех продаваемых ПЭВМ базируется на архитектуре IBM PC.

Бытовые ПЭВМ предназначены для массового потребителя и используются в домашних условиях для развлечений (видеоигры), для обучения и тренировки, управления бытовой техникой.

Персональные ПЭВМ общего назначения применяются для решения задач научно-технического и экономического характера, а также для обучения и тренировки. Они размещаются на рабочих местах пользователей: на предприятиях,

вучреждениях, в магазинах, на складах и т.п. Этот класс ПЭВМ получил наибольшее распространение на рынке.

Профессиональные ПЭВМ используются в научной сфере, для решения сложных информационных и производственных задач, где требуется высокое быстродействие, эффективная передача больших массивов информации, достаточно большая емкость оперативной памяти.

ВLAPTOP-компьютере ("наколенный" компьютер) клавиатура и системный блок выполнены в одном корпусе, закрываемом сверху, как крышкой, жидкокристаллическим дисплеем, неразъемно соединенным со своим электронным основанием.

NOTEBOOK (компьютеры-блокноты) имеют размеры одного листа бумаги стандарта А4 (297х210), обладают неполной клавиатурой (около 80 клавиш). В них используются НЖМД и НГМД. Могут использоваться в деловых поездках, не требуют места на рабочем столе, могут храниться в ящике для бумаг, в портфеле.

ПЭВМ HANDHELD – ПЭВМ, размер которой меньше листа бумаги стандарта А4, поэтому они всегда под рукой (в кармане) в готовом к работе состоянии. Эти модели могут работать независимо от электросети. Программы при автономной работе вводятся с помощью твердой карточки (ROM CARD). Для хранения результатов расчета, введенного текста, составленных электронных таблиц и других результатов пользователь применяет ROM CARD со встроенной батарейкой.

5.3.2. Структурная схема ПЭВМ

ПЭВМ включает три основных устройства: системный блок, клавиатуру и дисплей (монитор). Однако для расширения функциональных возможностей ПЭВМ можно подключить различные дополнительные периферийные устройства, в частности: печатающие устройства (принтеры), накопители на магнитной ленте (стримеры), различные манипуляторы (мышь, джойстик, трекбол, световое перо), устройства оптического считывания изображений (сканеры), графопостроители (плоттеры) и др.

Системная магистраль выполняется в виде совокупности шин (кабелей), используемых для передачи данных, адресов и управляющих сигналов.

40

Системный блок является главным в ПЭВМ и включает в состав центральный микропроцессор, сопроцессор, модули оперативной и постоянной памяти, контроллеры, накопители на магнитных дисках и другие функциональные модули. Набор модулей определяется типом ПЭВМ. Пользователи могут по своему желанию изменять конфигурацию ПЭВМ, подключая дополнительные периферийные устройства.

Контроллеры служат для управления внешними устройствами. Микропроцессор (МП) является ядром любой ПЭВМ и выполняет функ-

ции обработки информации и управления работой всех блоков ПЭВМ. Конструктивно микропроцессор, как правило, выполнен на одном кри-

сталле (на одной СБИС). В состав МП входят:центральное устройство управления;арифметико-логическое устройство;внутренняя регистровая память;КЭШ-память;

схема формирования действительных адресов операндов для обращения к оперативной памяти;схемы управления системной шиной и др.

5.3. Структурная схема ПЭВМ

5.3.3. Внешние устройства ПЭВМ

Клавиатура (клавишное устройство) реализует диалоговое общение пользователя с ПЭВМ:

ввод команд пользователя, обеспечивающих доступ к ресурсам ПЭВМ;запись, корректировку и отладку программ;ввод данных и команд в процессе решения задач.