1. Понятие о структурной организации и архитектуре компьютерных систем

 Архитектура вычислительной машины - совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности вычислительных машин и систем при решении соответствующих классов задач.  Архитектура вычислительных машин и систем охватывает достаточно широкий круг проблем, которые связаны с построением аппаратного комплекса и которые учитывают множество факторов. Наиболее важные: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации.

 Основными компоненты архитектуры вычислительных машин и систем:

1.Вычислительные и логические возможности

1. Система команд

2. Формат команд - то, из чего состоит команда

3. Способы адресации

4. Назначение и состав регистров

1. Аппаратные средства

   1. Структура

   2. Организация памяти

   3. Организация ввода-вывода

   4. Принципы управления

2. Программное обеспечение

   1. ОС

   2. Языки программирования

   3. Прикладное ПО

Структура типовой ЭВМ

ЭВМ содержит следующие основные устройства: арифметическо - логическое устройство, память, устройство управления, устройства ввода вывода.

АЛУ – производит арифметические и логические преобразования над поступающими в него машинными словами, т.е. кодами определённой длины, представляющими ту или иную информацию.

Память - хранит информацию, передаваемую из других устройств. Память как правило состоит из двух частей: быстродействующую основную(оперативную) ОП и сравнительно медленную, но способную хранить значительно больший объём информации – временную ВП.

Управляющее устройство (УУ) автоматически без участия человека управляет вычислительным процессом, посылая всем другим устройствам сигналы, предписывающие им те или иные действия.

Устройства ввода предназначены для преобразования информации, поступающей в ЭВМ из внешнего мира(окружающей среды). А устройства вывода для преобразования обработанной ЭВМ информации, удобную для человека.

2. Принцип программного управления фон Неймана

В основу построения подавляющего большинства компьюте­ров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.

• Принцип программного управления. 

Программа состоит из набора команд, выполняющихся процессором автоматически в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного перехода, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп». Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

Принцип двоичного кодирования. Для представления данных и команд используется двоичная система счисления

Принцип однородности памяти. Как программы (команды), так и относящиеся к программам данные хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления). 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; память внутренняя.

Принцип жесткости архитектуры. Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.

3. Структура ЭВМ согласно принципу фон Неймана

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода.

Рис. 1. Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана. Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов от процессора к остальными узлам ЭВМ

4. Иерархическое описание ЭВМ

ЭВМ как сложная система может быть адекватно описана на нескольких уровнях с применением различных языков описания на каждом из уровней.

            Принципы структурного описания предполагают введение следующих понятий:

            • система — совокупность элементов, объединенных в одно целое для достижения определенных целей. Для полного описания системы следует определить ее функции и структуру;

            • структура системы — фиксированная совокупность элементов системы и связей между ними;

            • элемент — неделимая часть системы, структура которого не рассматривается, а определяются только его функции.

            Функции системы стремятся описывать в математической форме, иногда в словесной (содержательной форме). Структура системы может быть задана  в виде графа или эквивалентных ему математических форм (матриц). Инженерной формой задания структуры является схема (отличается от графа только формой). Различным уровням представления систем соответствуют различные виды схем.

            Свойства системы не являются простой суммой свойств входящих в нее элементов; за счет организации связей между элементами приобретается новое качество, отсутствующее в элементах. Например, радиокомпоненты → логические элементы → сумматор.

            Для сложных систем характерно, что функция, реализуемая системой, не может быть представлена как композиция функций, реализуемых наименьшими элементами системы (иначе говоря, функцию сложной системы нельзя адекватно описать на одном языке). Действительно, функционирование ЭВМ нельзя описать лишь на языке электрических процессов, в ней происходящих. Функции ЭВМ как системы выявляются лишь при рассмотрении информационных и логических аспектов ее работы.

            По этому в описании сложных систем используют несколько форм описания (языков) функций и структуры — иерархию функций и структуры. Иерархический подход к описанию сложных систем предполагает, что на высшем уровне иерархии система рассматривается как один элемент, имеющий входы и выходы для связи с внешней средой. В этом случае функция не может быть задана подробно и представляется как отображение состояний входов на со- стояние выходов системы.

            Чтобы раскрыть устройство и порядок функционирования системы, глобальная функция и сама система разделяются на части — функции и структурные элементы следующего более низкого уровня иерархии и т. д. до тех пор, пока функции и структура системы не будут раскрыты полностью, с необходимой степенью детализации.

            В этом случае элемент — это, прежде всего, удобное понятие, а не физическое свойство, т. к. один и тот же физический объект может рассматриваться как элемент на одном уровне иерархии и как система — на другом (более низком) уровне. В табл. 1.2 представлены основные уровни ЭВМ и языки описания этих уровней.

Таблица «Уровни описания ЭВМ»

Уровень описания	Объект	Структурный базис	Язык описания
Электрические схемы	Логические и запоминающие элементы	Электронные и радиокомпоненты – транзисторы, резисторы и др.	Соотношение теории электрических цепей
Логические схемы	Операционные элементы (счетчики, сумматоры, дешифраторы и др.) микропрограммные автоматы	Логические и запоминающие элементы	Булева алгебра, теория конечных автоматов
Операционные схемы	Операционные устройства (АЛУ, УУ, ЗУ и др)	Операционные элементы, микропрограммные автоматы	Языки описания микроопераций
Структурные схемы	ЭВМ и системы	Операционные устройства	Языки машинных команд, микропрограмм
Программный уровень	Операционные системы, вычислительный процесс	Команды и операторы	Алгоритмические языки

5. Классификация ЭВМ

по размерам и функциональным возможностям

Супер ЭВМ в этой иерархии уже обсуждалось. Определить их можно лишь относительно: это самая мощная вычислительная система, существующая в соответствующий исторический период.

Большие ЭВМ более доступны чем "супер". Они также требуют специального помещения, иногда весьма немалого, поддержания жесткого температурного режима, высококвалифицированного обслуживания.

МиниЭВМ  традиционное использование - либо для управления технологическими процессами, либо в режиме разделения времени в качестве управляющей машины небольшой локальной сети.

МикроЭВМ обязаны своим появлением микропроцессорам.

по принципу действия

Критерием деления вычислительных машин здесь является форма представления информации, с которой они работают

аналоговые (АВМ) - вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения). 

цифровые (ЦВМ) - вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.

гибридные (ГВМ) - вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами. 

по назначению

Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных.

Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами.

Специализированные ЭВМ используются для решения узкого крута задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.

По этапам развития

Характеристика	Поколения
	Первое	Второе	Третье	Четвертое	Пятое
Годы примения	1946-1960	1950-1964	1964-1970	1970-1990-e	С 1990
Основной элемент	Электронная лампа	Транзистор	Интегральная схема	Большая интегральная схема	Сверхбольшие интегральные схемы
Количество ЭВМ в мире, шт	Сотни	Тысячи	Сотни тысяч	Десятки миллионов	Сотни миллионов
Размеры	Очень большие (ENIAC, UNIVAC, EDSAC)	Значительно меньшие	Миникомпьютеры	Микрокомпьютеры	Микрокомпьютеры
Быстротдействие	1 (условно)	10	1 000	100 000	более100 000
Носитель информации	Перфорированная лента	Магнитный диск, м. лента	Диск	Гибкий диск	Компактдиск

6. Характеристики ЭВМ

Структуру ЭВМ определяет следующая группа характеристик:

·         технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, показатели надежности, достоверности, точности, емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и программных средств, особенности эксплуатации т.д.);

·         характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; возможность расширения состава технических и программных средств; возможность изменения структуры;

·         состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).

К основным характеристикам ЭВМ относятся:

Быстродействие это число команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду.

Сравнение по быстродействию различных типов ЭВМ, не обеспечивает достоверных оценок. Очень часто вместо характеристики быстродействия используют связанную с ней характеристику производительность.

Производительность это объем работ, осуществляемых ЭВМ в единицу времени.

Емкость запоминающих устройств.Емкость памяти измеряется количеством структурных единиц информации, которое может одновременно находится в памяти. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти.

Наименьшей структурной единицей информации является бит- одна двоичная цифра. Как правило, емкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения – байтах.

Емкость оперативной памяти (ОЗУ) и емкость внешней памяти (ВЗУ) характеризуются отдельно. Этот показатель очень важен для определения, какие программные пакеты и их приложения могут одновременно обрабатываться в машине.

Надежность это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени (стандартISO(Международная организация стандартов) 2382/14-78).

Высокая надежность ЭВМ закладывается в процессе ее производства. Применение сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) резко сокращают число используемых интегральных схем, а значит, и число их соединений друг с другом. Модульный принцип построения позволяет легко проверять и контролировать работу всех устройств, проводить диагностику и устранение неисправностей.

Надежность обеспечивается:

- Применением современной электронной базы (сокращение элементов приводит к увеличению надежности)

- Модульным принципом построения (ремонтопригодность)

- Обеспеченьем требуемых режимов работы (например, температурный режим)

Точность это возможность различать почти равные значения (стандартISO- 2382/2-76).

Точность получения результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, а также используемыми структурными единицами представления информации (байтом, словом, двойным словом).

Достоверность это свойство информации быть правильно воспринятой.

Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов. Заданный уровень достоверности обеспечивается аппаратурно-программными 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.

7. Оценка производительности ЭВМ

Производительность – число задач, выполняемых за единицу времени.

  Используемые при анализе показатели производительности, как правило, имеют количественный характер. При проведении анализа производительности, редко оценивают значение только одного какого-либо показателя. Обычно встает задача сделать заключение о производительности вычислительной машины по совокупности показателей, которые могут иметь взаимно противоречивый характер.              В настоящее время существует большое число подходов и методов анализа производительности. В первую очередь следует назвать экспериментальные методы, базирующиеся на непосредственном измерении значений показателей. При экспериментальном исследовании осуществляется загрузка ЭВМ работой и ведется наблюдение за тем, как с этой работой вычислительная машина справляется. 

   Процесс анализа производительности мультипрограммных ЭВМ условно может быть разделен на пять этапов:  1) выбор показателей, характеризующих производительность ЭВМ (частные или общие);  2) сбор информации о значениях параметров ЭВМ и параметров нагрузки;  3) оценка параметров и разработка функциональной схемы модели;  4) представление параметров в требуемом виде и создание математической модели;  5) моделирование и оценка значений показателей производительности. 

Тестовые программы:

• Тесты Гибсона (были с 60-х годов),

• SPEC int-92 (год разработки теста), SPEC fp – 92 (с плавающей запятой), SPEC 95,98,2000

• Смеси фирмы INTEL:

8. Форматы данных. Целые числа без знака.

Обычно  занимают  в  памяти  компьютера  один  или  два  байта.     В  однобайтовом  формате  принимают  значения  от  00000000₂   до   11111111₂.     В двубайтовом формате — от  00000000 00000000₂   до   11111111 11111111₂.