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.

1.2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ОБЩАЯ СТРУКТУРА ЭВМ.

В основе функционирования ЭВМ лежат принципы программного управления и хранимой в памяти программы. Мы уже говорили, что в цифровых ЭВМ действия выполняются одним арифметическим устройством последовательно во времени. Поэтому любую задачу нужно представить сначала в виде последовательности этих простейших операций - алгоритмизировать ее.

Напомню, что алгоритмом называют последовательность арифметических и логических операций, которую надо произвести над исходными данными для получения решения.

Описание алгоритма в форме, воспринимаемой ЭВМ, называется программой. Программы записываются в виде некоторой последовательности команд, каждая из которых предписывает ЭВМ выполнить определенное действие (операцию) и указывает над какими словами (операндами)это действиепроизводится. В этом и состоит принцип программного управления.

Для обеспечения высокой скорости решения задачи программу записывают предварительно в память ЭВМ. Оттуда она извлекает ее сама, в своем темпе, чем и достигается высокая скорость решения задачи. Фактически, использование и, главное, возможность реализации второго принципа и обеспечили появление современных ЭВМ, хотя попытки их построения на основе только первого принципа относятся к прошлому веку.

Для реализации обоих принципов ЭВМ должна, таким образом, содержать: устройство для выполнения арифметических и логических операций над информацией, представленной кодами - машинными словами АЛУ; устройство для запоминания и промежуточного хранения информации ЗУ; устройство управления УУ, обеспечивающее автоматическое выполнение программы, устройства для ввода, отображения и регистрации информации (периферийные или внешние устройства) и т.п. УУ и АЛУ часто не разделяют и называют процессором (или центральным процессором, если другие в составе данной ЭВМ есть и другие АЛУ и УУ, выполняющие вспомогательные функции, например, некоторые специальные вычисления - сопроцессоры, или управление внешними устройствами и т.п.).

В структуре современных ЭВМ эти устройства включаются параллельно с помощью системы шин (рис.1.1). Шиной называют группу проводов (линий), разъемов и вспомогательных устройств (усилителей, разделителей и др.), по которым передаются сигналы одинакового функционального значения.

к ТОУ ВЗУ АЛУ ОЗУ УСО Контроллер   Системная шина Таймер Ад. Ад. Сетевой Ад.   Магистраль сети   ПУ Принтер Монитор Кл   Рис.1.1. Обобщенная структурная схема ЭВМ АЛУ - арифметико-логическое устройство; ОЗУ - оперативное запоминающее устройство; ВЗУ - внешние запоминающие устройства; ПУ - периферийные устройства; Кл -клавиатура; Ад, Контроллер - адаптер или контроллер - блоки управления соответствующими устройствами ЭВМ.

Совокупность шин и разъемов, связывающие устройства ЭВМ между собой, называется системной шиной. Методика и протокол связи устройств ЭВМ между собой (требования к сигналам, характер и последовательность их передачи), а также устройства обеспечивающие связь называются - интерфейсом. В этом смысле иногда употребляют и термин “шина”, т.е. его расширяют включением в это понятие и протокола обмена.

В современных ЭВМ принцип децентрализации и параллельной работы распространен как на периферийные устройства, так и на сами процессоры. Модульная конструкция ЭВМ сделала ее открытой системой, способной к совершенствованию, но она и потребовала унификации и стандартизации оборудования. Кроме того, децентрализация управления предопределила иерархическую структуру, где главный процессор лишь определяет последовательность работ подчиненных модулей, которые в свою очередь могут использовать специальные шины для обмена информацией - иерархия шин. Децентрализация управления позволила перейти к мультипрограммным режимам - работы сразу с несколькими программами пользователей (ранее этот режим назывался режимом разделения времени).

1.3. ОРГАНИЗАЦИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭВМ С МАГИСТРАЛЬНОЙ АРХИТЕКТУРОЙ

Управляющая работой ЭВМ программа перед началом работы загружается в оперативную память ОП. Адрес первой команды передается процессору и запоминается в счетчике команд, где хранится адрес очередной команды. Работа начинается с того, что адрес из счетчика команд выставляется на шину адреса ЭВМ, а на шину управления подается команда выборки из ОП.ОП считывает по полученному адресу информацию из соответствующей ячейки и выставляет ее на шину данных. Процессор вводит полученное число на внутреннюю свою магистраль и анализирует полученную команду, выделяя операционную и адресную части. Код первой части поступает в блок управления, настраивая МП на выполнение заданной команды и на определение адреса следующей команды, который записывается в счетчик команд. Адресная часть команды выставляется на шину адреса системной шины и используется для выборки из ОП информации, которая вводится в арифметическое устройство и участвует в операции. Результат операции и адрес, по которому его нужно сохранить в ОП, выставляются процессором на шины данных и адреса соответственно и производится запись. Получив сигнал об окончании записи, процессор начинает выборку очередной команды, выставляя адрес из счетчика команд на шину адреса ЭВМ и формируя сигнал обращения к ОП на шине управления.

В каждом цикле, получив очередную команду, процессор определяет к какому устройству она относится. Если она предназначена для выполнения не в процессоре, а в другом устройстве ЭВМ, то центральный процессор выставит на шину адрес это устройства, а по шине управления сигнал поиска устройства. Устройства подключены к шинам параллельно, поэтому все они прочтут адрес и сравнят со своим номером. При совпадении устройство выставит сигнал отклика и готовности. После этого процессор выставит команду на шину данных и передаст ее этому устройству. Получив квитирующий сигнал, процессор перейдет к выполнению следующей команды.

Таким образом, взаимодействие процессора с внешними устройствами предполагает выполнение логической последовательности действий (поиск устройства, определение его состояния, обмен командами, информацией). Характер выполнения этой последовательности и необходимые устройства для ее реализации и есть, как мы уже знаем, интерфейс. Если такие интерфейсы для разных устройств удается свести к одному универсальному, то такой интерфейс называется стандартным (например в ПК: параллельный Cetronics и последовательный RS232 или USB), хотя любой интерфейс предполагает ту или иную степень унификации.

Программа сейчас пишется на языке высокого уровня (алгоритмическом языке). Это исходный модуль и перед исполнением он должен быть переведен на внутренний язык машины. Эта операция выполняется трансляторами, которые бывают двух видов: интерпретаторами (после перевода каждого оператора алгоритмического языка полученная программа немедленно исполняется) и компиляторами (программа переводится полностью, а затем поступает на исполнение). В результате получают объектный модуль ОМ.

Однако ОМ еще не готовая программа. В нем содержатся ссылки на программы, которых нет в исходном модуле (например, на стандартные программы вычисления тригонометрических или иных функций и т.п.), программа в ОМ представлена в условных адресах (каждый модуль начинается с нулевого адреса), а исполняемая программа должна быть привязана к физическим адресам. Добавление стандартных программ выполняет редактор связей. В результате образуется загрузочный модуль. Привязка к памяти проводится программой выборки (Пят95), которая переносит загрузочный модуль с винчестера в ОП и во время переноса корректирует адреса. Теперь программа готова к исполнению.

1.4. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭВМ.

1. Разрядность (разрядная сетка машин) - количество разрядов, используемое для представления информации в ЭВМ. Исторически сложилось выбирать ее из ряда чисел, кратных 8 (это связано с появлением микропроцессоров, которые сначала были разработаны для калькуляторов, работающих в двоично-десятичном коде и имеющих дело с двоичными тетрадами). Разрядность измеряется в битах (б) или байтах (Б); 1Б = 8б.

Разрядность первых микропроцессоров была всего 4б; первых ПЭВМ и контроллеров - 8б=1Б; современных ПЭВМ - 32б и 64б (4 - 8Б соответственно).

2. Емкость ЗУ - количество бит (байт) или машинных слов, которое может запомнить ЗУ. Емкость иногда (обычно для БИС памяти) измеряется в килобитах (1кб = 10³б) или мегабитах (1Мб = 10³кб = 10⁶б). Для характеристики емкости ЗУ ЭВМ чаще сейчас используют килобайты (1кБ = 8кб) или мегабайты (1МБ = 10⁶Б = 8Мб. Иногда используют специальную единицу измерения К, равную 1К = 1024. Поэтому необходимо указывать к чему она относится. Обычно это байты, тогда 1КБ = 1024Б @ 1кБ.

3. Быстродействие. Выделяет несколько оценок скорости обработки информации ЭВМ:

а) Номинальное быстродействие - Vn число стандартных операций в секунду, при этом за стандартную принимают какую-либо короткую операцию. Например передачу регистр-регистр, простое сложение и т.п. Тогда:

Vn = 1/ t(с)

t - время выполнения стандартных операций. Современные микропроцессоры имеют номинальное быстродействие миллионы оп/с, ожидается появление совместно разработки фирм Intel и Hewlett Packard с Vп=1млд оп/с (1000MIPS - million instructions per second).

Быстродействие современных микропроцессоров и ПЭВМ обычно характеризуют рабочей тактовой частотой, но для сравнения производительности различных вычислительных устройств эта характеристика, как мы увидим ниже, не подходит: разные микропроцессоры, например, работая на одной и той же тактовой частоте дают разную производительность. Кроме того, значения быстродействия в MIPS меняется в зависимости от особенностей программ и састо противоречит другим характеристикам, например, производительности.

б) Среднее (реальное) быстродействие (фактически эта характеристика определяет производительность ЭВМ) - Vср число условных операций в секунду при выполнении конкретной задачи - более близко к действительности характеризует работу вычислительного устройства. Определяется оно по формуле:

где Ni - число операций i-ой группы в программе, ti - время выполнения операций i-ой группы.

Доля операций i-ой группы x_i в общем числе операций обладает устойчивостью при выполнении расчетов данного вида (например, при решении задач управления, выполнении инженерно-технических расчетов и т.п.) и приводится в справочниках.

Для определения реального быстродействия ЭВМ в эксперименте разработаны специальные программы, содержащие определенное число операций различной длины, например, так называемая стандартная смесь Гиббсона. Реальное быстродействие ЭВМ существенно зависит от эффективности системы команд, возможностей операционной системы, качества алгоритма вычислений и от языка программирования: чем выше уровень последнего, тем, как правило, дольше идет программа (до 3-4 раз, поэтому драйверы, а также ответственные программы, работающие в реальном времени, пишутся на ассемблере. Здесь драйвер - управляющая программа, хотя драйвером называют и пассивное управляющие устройство).

в) Быстродействие периферийных устройств. Периферийные устройства самые медленные устройства ЭВМ и могут ограничивать быстродействие комплекса в целом. Современные периферийные устройства в большинстве своем имеет буферную память и микропроцессорное управление. В результате после сеанса обмена информации с процессором ЭВМ или комплекса устройство выполняет свои функции автономно, освобождая процессор для решения других задач.

В управляющих комплексах существенное значение имеет быстродействие УСО, главным образом это - аналого-цифровые преобразователи АЦП, которые преобразуют выходной сигнал датчиков - напряжение или ток в код. Для АЦП важной скоростной характеристикой является число преобразований в единицу времени.

г) Характеристики надежности. Надежность - это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени (стандарт ISO 2382/14-78 - Пят-17). Для оценки надежностных свойств ЭВМ используются следующие характеристики:

· среднее время наработки на отказ Т - математическое ожидание времени до отказа аппаратуры. Одним из способов его оценки является учет интенсивности отказов элементов i -ой группы l_i. При этом значение Т определится как: , где А - коэффициент, t - текущее время.

Современные ЭВМ обеспечивают значения Т порядка (50-100) тысяч часов.

Коэффициент готовности: , где Т_восст - среднее время затрат на ремонт изделия. Для уменьшения Т_восст используется модульный принцип при конструировании ЭВМ, что позволяет довести К до К=0, 7-0, 9.

1.5. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК.

Историю развития ЭВМ принято измерять поколениями, каждое поколение имеет характерную для него элементную базу и архитектуру.

I-ое поколение, 50-е годы - ламповые универсальные ЭВМ, быстродействие до 1000 операций в секунду. БЭСМ-2, Минск-1, Урал-1, М-20. Оперативная память 1К. Большие потери мощности на накал электронных ламп; программирование в машинных кодах. Эти ЭВМ были коллективно пользования и устанавливались в вычисли тельных центрах.

II-ое поколение, 60-ые годы - элементная база полупроводники, до нескольких тысяч операций в секунду; память 16-32К; Минск 22, Урал 14, БЭСМ-4, М-220, появились языки высокого уровня. Появление миниЭВМ и использование ЭВМ для распределенной обработки данных.

III-ее поколение, до середины 70-х годов - интегральные схемы (ИС) малой степени интеграции - до 20 элементов на кристалл, память 64К и более, сотни тысяч операции. Ряды ЕС ЭВМ разной мощности: ЕС 1010 - самая маленькая; ЕС 1045 - самая большая, ряд малых ЭВМ - СМ ЭВМ: СМ1, СМ2 - для управления, СМ3, СМ4 - общего назначения. Развитие языков высокого уровня и операционных систем.

IV поколение, середина 70-х годов до настоящего времени, БИС, имеющие до несколько тысяч (в настоящее время - миллионов) элементов на кристалле, микропроцессоры, до одного миллиона операций в секунду, а при параллельных вычислениях до нескольких миллионов, режим разделения времени, появление микроЭВМ и персональных компьютеров.

ПК - это микроЭВМ, ориентированная на разработку и использование прикладных программ “непрограммирующим профессионалом”. Они предназначались для автоматизации рутинной части работы специалистов, занимающей более 75% их рабочего времени. ПК сейчас наиболее распространенный вид ЭВМ, что объясняется следующими причинами:

* высокой эффективностью применения по сравнению с другими классами ЭВМ при малой стоимости (т нескольких сотен до нескольких тысяч долларов в зависимости от комплектации);

* большими возможностями при обработке информации (быстродействие - сотни млн. оп/с, емкость ОЗУ - единицы - десятки МБ, внешней - сотни МБ - единицы ГБ);

* высокой надежностью и простотой в эксплуатации;

* возможностью расширения;

* наличием ПО, охватывающего практически все сферы человеческой деятельности, а также мощных систем для разработки нового ПО.

ПК (как и другие ЭВМ) выпускаются семействами, что позволяет перекрыть широкий диапазон производительностей и обеспечить преемственность. При этом боле 80% парка занято ПК типа PC. Различают младшие, средние и старшие модели ПК (Пят - 35). Старшие модели используются для обеспечения профессионально-ориентированных и интегрированных АРМов, а средние занимают промежуточной положение. К младшим относят модели с ограниченной конфигурацией, низкой стоимостью, но с широкими возможностями расширения. К ним можно также отнести сак называемые сетевые компьютеры СК. Их использование связано с широким развитием сетевых технологий, когда отпадает необходимость каждому пользователю иметь свои автономные средства обработки. СК и обеспечивают средства доступа к сетевым ресурсам, сами обладая минимальными вычислительными возможностями. особенно они будут полезны при компьютеризации образования. Для подключения СК в сеть нужны соответствующие каналы связи. наиболее дешевые - это телефонные линии (до 30 кБ/с).