1.
Введение (принципы построения эвм)
1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ
ЭВМ - это комплекс технических и программных средств, предназначенный для решения задач пользователей (заказчиков вычислительных работ: программистов, исследователей, управленцев и т.п.), т.е. ЭВМ включает две взаимосвязанные части: техническое обеспечение (hardware) - аппаратура ЭВМ, периферийные устройства и т. п.; программное обеспечение ПО (software) - системное ПО (ОС, драйверы УСО, библиотека алгоритмических примитивов и т.п.) и прикладное ПО (пакеты программ для решения конкретных задач - функциональное назначение различных ПО мы рассмотрим позднее). Различие требований пользователей к характеру вычислительных работ удовлетворяются специальным подбором и настройкой технического и программного обеспечения ЭВМ,), обычно характеризуемых структурой ЭВМ.
Структура ЭВМ - совокупность блоков и устройств ЭВМ и их связей. Структуры имеют и технические и программные средства ЭВМ; может быть и смешанная, аппаратно-техническая структура. Однако, пользователя часто интересуют не связи модулей и элементов обеспечений между собой, а их функциональные возможности. Это позволяет оценить подходит ли ЭВМ для решения данного круга задач, насколько быстро их можно решить, возможности диалогового режима и др., т.е. определить возможности организации вычислительного процесса, - все это включается в понятие архитектуры ЭВМ, которой мы подробно займемся в дальнейшем.
Информация может быть представлена как непрерывным, так и дискретным сообщением.
Непрерывное сообщение – информация представляется некоторой физической величиной (напряжением), изменения которой отражают протекание данного процесса. При этом эта физическая величина может изменяться в произвольные моменты времени и принимать любые значения в определенном интервале.
Дискретное сообщение - характеризуется наличием набора (комбинации) информационных элементов, представляющего некоторую физическую величину. При этом информация определяется именно комбинацией (кодом), а не природой и точным значением этих элементов.
При кодовом представлении информации элемент кода называется символом, а группа возможных символов образуют алфавит. Преобразование непрерывного представления информации в цифровое осуществляются путем квантования непрерывного сообщения по уровню и времени. Минимально возможное при этом значение цифровой информации называется квантом.
Соответственно представлению информации возможны два класса ЭВМ. Аналоговые ЭВМ используют непрерывные представления информации. Для каждой операции они имеют соответствующие операционные устройства. Программирование состоит в составлении схемы соединения этих устройств соответственно решаемой задаче и масштабирования.
Достоинством АВМ является возможность высокой скорости обработки информации за счет параллельной работы решающих устройств; недостатком - крайне низкая точность решений из-за искажения значений сигнала помехами и нестабильности элементов операционных устройств, а также низкая устойчивость получаемых вычислительных схем при решении сложных задач. Это привело к тому, что АВМ оказались вытесненными цифровыми; они нашли ограниченное применение при моделировании объектов управления. Однако, аналоговая обработка информации применяется там где требуется высокие скорости обработки (например, в модемах)
Цифровые ВМ используют кодовое представление информации. Каждый разряд кода имеет свой провод, обрабатывающий элемент и т.д. Значение цифр в разряде кода представляются уровнями напряжения, существенно различающимися один от другого. Сбоя не происходит до тех пор пока помеха не исказит это напряжение так, что одна цифра будет принята за другую. Т.к. это происходит редко, то этим объясняется высокая надежность цифровых ЭВМ (или просто ЭВМ).
Т.о. достоинством этих ЭВМ является принципиально возможная высокая точность решения; недостатком - то обстоятельство, что обработка информации в них ведется последовательно во времени, а это требует больших затрат времени на решение, повышения быстродействия процессора или параллельного их включения (параллельные вычисления). Вторым недостатком является необходимость составления соответствующих программ, на что из-за их сложности также требуется значительные временные (и финансовые) затраты, намного большие, чем в случае АВМ.
Рынок современных ЭВМ различается большим разнообразием и любая их классификация будет в значительной степени условной и быстро устаревающей. Наиболее популярна классификация, в основу которой положено разделение ЭВМ по быстродействию с учетом особенностей основного назначения (применения).
СуперЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач и обслуживания крупнейших информационных банков данных (например, Gigaflop-11 (GF-11) фирмы IBM с быстродействием до 11 млрд. операций в секунду).
Большие ЭВМ для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров, АСУ верхнего уровня государственного управления, а также в качестве мощных серверов в сетях (например, IBM S/390 различных моделей с быстродействием до 200 млн. операций в секунду).
Средние ЭВМ широкого назначения для управления сложными технологическими производственными процессами и распределенной обработки информации в качестве серверов в локальных сетях (например, AS/400 фирмы IBM)
Персональные и профессиональные ЭВМ, ориентированные на удовлетворение индивидуальных потребностей пользователей (например, различные варианты РС). На базе этих ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места (АРМы) для специалистов различного уровня.
Специализированные ЭВМ и контроллеры, предназначенные для решения задач управления технологическими производственными процессами на уровне АСУ ТП (о их особенностях мы будем говорить отдельно в специальном курсе).
Встраиваемые микропроцессоры и микроконтроллеры, осуществляющие автоматизацию управления отдельными устройствами и механизмами.