1. Определение ЭВМ. Обобщенная структура ЭВМ. Принцип программного управления. Поколения ЭВМ.
Определение ЭВМ. Обобщенная структура ЭВМ.
ЭВМ (электронно-вычислительная машина) - это комплекс технических и программных средств, предназначенные для автоматизации подготовки и решения задач пользователей.
Под пользователем понимают человека, в интересах которого проводится обработка данных на ЭВМ.
Архитектура ЭВМ - это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение.
Обобщенная структура ЭВМ
Принцип действия обычной ЭВМ можно считать копией обычного процесса вычислений, например, с помощью калькулятора.
Этапы вычислений:
1. Определение и задание порядка вычислений.
2. Задание исходных данных.
3.Выполнение вычислений (для получения промежуточных результатов).
4. Получение конечного результата.
В основе функционирования любой ЭВМ лежат два фундаментальных понятия в вычислительной технике:
1. Понятие алгоритма.
2. Принцип программного управления.
2. Принцип программного управления. Поколения ЭВМ.
Определение. Алгоритм – некоторая однозначно определенная последовательность действий, состоящая из формально заданных операций над исходными данными, приводящая к решению за определенное число шагов.
Свойства алгоритмов:
1. Дискретность алгоритма (действия выполняются по шагам, а сама информация дискретна).
2. Детерминированность (сколько бы раз один и тот же алгоритм не реализовывался для одних и тех же данных – результат один и тот же).
3. Массовость (алгоритм «решает задачу» для различных исходных данных из допустимого множества и дает всегда правильный результат).
Программа. Описание алгоритма на каком-либо языке.
Принцип программного управления был впервые сформулирован венгерским математиком и физиком Джоном фон Нейманом в 1946 году.
Принцип программного управления включает в себя несколько архитектурно-функциональных принципов:
1.Любой алгоритм представляется в виде некоторой последовательности управляющих слов – команд. Каждая отдельная команда определяет простой (единичный) шаг преобразования информации.
2. Принцип условного перехода. В процессе вычислений в зависимости от полученных промежуточных результатов возможен автоматический переход на тот или иной участок программы.
3. Принцип хранимой команды. Команды в ЭВМ представляются в такой же кодируемой форме, как и любые данные и хранятся в таком же оперативном запоминающем устройстве. Это означает, что если рассматривать содержимое памяти, то без какой-либо команды невозможно различить данные и команды. Следовательно, любые команды можно принципиально обрабатывать как данные (информация в ЭВМ отличается не представлением, а способом ее использования).
4. Принцип двоичного кодирования.
5. Принцип иерархии запоминающих устройств.
Поколения ЭВМ
Первые ЭВМ появились немногим более 50 лет назад. В соответствии с элементной базой и уровнем развития программных средств выделяют четыре поколения ЭВМ, краткая характеристика которых приведена в таблице:
ЭВМ 1-го поколения
ЭВМ первого поколения обладали небольшим быстродействием в несколько десятков тыс. оп./сек. Они были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы и слабое программное обеспечение.
Языков программирования как таковых еще не было, и для кодирования своих алгоритмов программисты использовали машинные команды или ассемблеры. Это усложняло и затягивало процесс программирования.
ЭВМ 2-го поколения
Второе поколение ЭВМ – это переход к транзисторной элементной базе, появление первых мини-ЭВМ. Один транзистор уже способен трудиться за 40 электронных ламп и при этом работать с большей скоростью, выделять очень мало тепла и почти не потреблять электроэнергию. Одновременно с процессом замены электронных ламп транзисторами совершенствовались методы хранения информации. Получает дальнейшее развитие принцип автономии – он реализуется уже на уровне отдельных устройств, что выражается в их модульной структуре. Устройства ввода-вывода снабжаются собственными устройствами управления (УУ) (называемыми контроллерами), что позволило освободить центральное УУ от управления операциями ввода-вывода. В ЭВМ 2-го поколения добавился алфавитно-цифровой дисплей, появилась клавиатура.
Принципиальным изменением в структуре ЭВМ стало добавление аппаратного блока обработки чисел в формате с плавающей запятой.
Начинается разработка программного обеспечения на базе библиотек стандартных программ, обладающих свойством переносимости, т.е. функционирования на ЭВМ разных марок. Наиболее часто используемые программные средства выделяются в пакеты прикладных программ для решения задач определенного класса. Создаются специальные программные средства - системное программное обеспечение, изначально предназначенное для ускорения и упрощения перехода процессором от одной задачи к другой.
ЭВМ 3-го поколения
В 70-х годах возникают и развиваются ЭВМ третьего поколения. Данный этап - переход к интегральной элементной базе. Одна интегральная схема способна заменить тысячи транзисторов. В результате быстродействие ЭВМ третьего поколения возросло в 100 раз, а габариты значительно уменьшились.
ЭВМ этого поколения создавались на основе принципа унификации, что позволило использовать вычислительные комплексы в различных сферах деятельности.
Обеспечить режим разделения времени позволил новый вид операционных систем, поддерживающих многозадачность - способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько программ. Пока одна программа выполняет операцию ввода-вывода, процессор не простаивает, как это происходило при последовательном выполнении программ (однопрограммный режим), а выполняет другую программу (многопрограммный режим).
ЭВМ 4-го поколения
В конце 70-х годов развитие микроэлектроники привело к созданию возможности размещать на одном кристалле тысячи интегральных схем. Так появились большие интегральные схемы и 4-е поколение ЭВМ, для которого характерны создание серий недорогих микро-ЭВМ, разработка супер-ЭВМ для высокопроизводительных вычислений.
Наиболее значительным стало появление персональных ЭВМ, что позволило приблизить ЭВМ к своему конечному пользователю. Компьютеры стали широко использоваться неспециалистами, что потребовало разработки "дружественного" программного обеспечения. Возникают операционные системы, поддерживающие графический интерфейс, интеллектуальные пакеты прикладных программ. В связи с возросшим спросом на ПО совершенствуются технологии его разработки – появляются развитые системы программирования, инструментальные среды пользователя
2. Основные характеристики эвм. Основные области применения эвм различных классов. Классификация вычислительных систем.
Основные характеристики ЭВМ
Быстродействие - одна из важнейших характеристик ЭВМ, которая характеризуется числом команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду. Поскольку в состав команд ЭВМ включаются операции, различные по длительности выполнения и по вероятности их использования, то имеет смысл характеризовать его или средним быстродействием ЭВМ, или предельным (для самых “коротких” операций типа “регистр-регистр”).
Производительность - объем работ, осуществляемых ЭВМ в единицу времени. Реальное или эффективное быстродействие, обеспечиваемое ЭВМ, значительно ниже, и оно может сильно отличаться в зависимости от класса решаемых задач. Сравнение по быстродействию различных типов ЭВМ, резко отличающихся друг от друга своими характеристиками, не обеспечивает достоверных оценок.
Емкость запоминающих устройств - измеряется количеством структурных единиц информации, которое может одновременно находиться 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.
Надежность - это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени. 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.
Точность - возможность различать почти равные значения. Точность получения результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, а также используемыми структурными единицами представления информации (байтом, словом (2 байта), двойным словом и т.п.).
Основные области применения ЭВМ различных классов
В соответствии с Законом Мура основные характеристики компьютеров улучшаются приблизительно в 2 раза каждые 2 года. В этих условиях любая предложенная классификация ЭВМ очень быстро устаревает и нуждается в корректировке.
Существуют три глобальные сферы деятельности человека, которые требуют использования качественно различных типов ЭВМ:
1. Применение ЭВМ для автоматизации вычислений. Научно-техническая революция во всех областях науки и техники постоянно выдвигает новые научные, инженерные, экономические задачи, которые требуют проведения крупномасштабных вычислений (задачи проектирования новых образцов техники, моделирования сложных процессов, атомная и космическая техника и др.). Отличительной особенностью этого направления является наличие хорошей математической основы, заложенной развитием математических наук и их приложений. Первые, а затем и последующие вычислительные машины классической структуры в первую очередь и создавались для автоматизации вычислений.
2. Применение ЭВМ в системах управления. Это направление родилось примерно в 60-е годы, когда ЭВМ стали интенсивно внедряться в контуры управления автоматических и автоматизированных систем. Новое применение вычислительных машин потребовало видоизменения их структуры. ЭВМ, используемые в управлении, должны были не только обеспечивать вычисления, но и автоматизировать сбор данных и распределение результатов обработки. Сопряжение с каналами связи потребовало усложнения режимов работы ЭВМ, сделало их многопрограммными и многопользовательскими.
3. Применение ЭВМ для решения задач искусственного интеллекта. Напомним, что задачи искусственного интеллекта предполагают получение не точного результата, а чаще всего осредненного в статистическом, вероятностном смысле. Примеров подобных задач много: задачи робототехники, доказательства теорем, машинного перевода текстов, планирования с учетом неполной информации, составления прогнозов, моделирования сложных процессов и явлений и т.д. Это направление все больше набирает силу. Во многих областях науки и техники создаются и совершенствуются базы данных и базы знаний, экспертные системы. Для технического обеспечения этого направления нужны качественно новые структуры ЭВМ с большим количеством вычислителей (ЭВМ или процессорных элементов), обеспечивающих параллелизм в вычислениях. По существу, ЭВМ уступают место сложнейшим вычислительным системам.
Уже это небольшое перечисление областей применения ЭВМ показывает, что для решения различных задач нужна соответственно и различная вычислительная техника. Поэтому рынок компьютеров постоянно имеет широкую градацию классов и моделей ЭВМ.
Классификация вычислительных систем.
Супер ЭВМ
С развитием науки и техники постоянно выдвигаются новые крупномасштабные задачи, требующие выполнения больших объемов вычислений. Особенно эффективно применение суперЭВМ при решении задач проектирования, в которых натурные эксперименты оказываются дорогостоящими, недоступными или практически неосуществимыми. В этом случае ЭВМ позволяет методами численного моделирования получить результаты вычислительных экспериментов, обеспечивая приемлемое время и точность решения, т.е. решающим условием необходимости разработки и применения подобных ЭВМ является экономический показатель “производительность/стоимость”. Дальнейшее развитие суперЭВМ связывается с использованием направления массового параллелизма, при котором одновременно могут работать сотни и даже тысячи процессоров.
Большие ЭВМ (mainframe)
Данные ЭВМ представляют собой многопользовательские машины с центральной обработкой, с большими возможностями для работы с базами данных, с различными формами удаленного доступа. Новое их поколение предназначено для использования в сетях в качестве крупных серверов. Большими ЭВМ комплектуются ведомственные, территориальные и региональные вычислительные центры. В России основными потребителями являются государственные организации и крупные компании федерального уровня, такие, как РЖД (система резервирования мест и продажи билетов) или АвтоВАЗ. В свое время мейнфреймы были единственной вычислительной платформой, способной обслуживать предприятия такого масштаба, и эта платформа активно развивалась. За рубежом мейнфрейм считается классическим решением для определенного круга задач, например, в финансовой сфере.
Средние ЭВМ
Средние ЭВМ используются для управления сложными технологическими производственными процессами, ЭВМ этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой информации в качестве сетевых серверов, рабочих станций для работы с графикой. Существуют специальные ЭВМ, предназначенные в первую очередь для работы в финансовых структурах. В этих машинах особое внимание уделяется сохранности и безопасности данных.
Персональные ЭВМ
Персональные и профессиональные ЭВМ, позволяют удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса ЭВМ также строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня.
Встраиваемые микропроцессоры
Эти устройства, универсальные по характеру применения, могут встраиваться в отдельные машины, объекты, системы. Они находят все большее применение в бытовой технике (сотовых телефонах, телевизорах, музыкальных центрах, микроволновых печах и т.д.), в городском хозяйстве (энерго-, тепло- , водоснабжении, регулировке движения транспорта и т.д.), на производстве (робототехнике, управлении технологическими процессами).