Предмет и основные разделы информатики

Тактовые импульсы вырабатываются генератором тактовых импульсов ЭВМ и используются для синхронизации процессов передачи информации между устройствами. Базовая последовательность импульсов задает тактовую частоту работы процессора и во многом определяет скорость работы ЭВМ. 

Внешние устройства ввода-вывода и хранения данных подключаются к ЭВМ через адаптеры или контроллеры. Основное назначение адаптера состоит в управлении и синхронизации работы внешнего устройства с работой других устройств ЭВМ.  

Устройства ввода обеспечивают считывание данных с определенных устройств (клавиатуры, сканера, графических манипуляторов и других) и преобразование их в последовательности электрических сигналов, воспринимаемых другими устройствами ЭВМ. 

Устройства вывода представляют результаты обработки информации в форме, удобной для визуального восприятия. К таким устройствам относятся принтеры, мониторы, графопостроители. 

Внешние устройства хранения предназначаются для организации долговременного хранения данных и программ. К устройствам внешнего хранения относятся накопители на жестких и гибких дисках, DVD (Digital Video Disk) и CD (Compact Disk) накопители, накопители на магнитных лентах  (стримеры), Flasch - память и другие.  

Управление работой  внутренних и внешних устройств  ЭВМ производится устройством управления процессора через основной набор  логических схем компьютера.  

Выполнение команд программы процессором.

Рассмотрим выполнение  процессором команд программы.

В общем случае формат машинной команды состоит  из двух частей. Одна часть содержит код операции, которую команда  должна выполнить. Другая часть - адресная, содержащая адреса оперативной памяти операндов, над которыми эта операция должна быть выполнена и по какому адресу должен быть помещен результат  выполнения команды. На рис. 4.3 представлен  пример двухадресной команды ЭВМ. 

 

 

 

Выполнение программы  начинается с загрузки программы  и исходных данных в оперативную  память с внешнего устройства хранения (если программа не резидентная) и  происходит под управлением Операционной системы.

 Процесс начинается  с чтения и выборки первой  команды программы из оперативной  памяти. С этой целью в счетчике  команд по управляющему сигналу  процессора <+1> формируется адрес  первой выполняемой команды. 

В конце цикла  выполнения любой команды в счетчике команд всегда формируется адрес  следующей команды, которая должна выполняться вслед за текущей.

 

 

В случае, если текущей  командой была команда перехода, то в качестве адреса следующей команды  в счетчик команд, помещается адрес  перехода.

Из счетчика команд адрес передается в регистр адреса, а оттуда поступает в адресную шину оперативной памяти для доступа  к ячейкам памяти, содержащим команду.

Команда выбирается из оперативной памяти и через  шину данных и команд поступает сначала  в регистр данных процессора и  далее в регистр команд.

Регистр данных выполняет роль буфера между памятью и остальными регистрами процессора; через него пересылаются команды и операнды из памяти и передаются в память результаты обработки.  

Устройство управления считывает из регистра команд код выполняемой команды и переходит к ее выполнению.  Выдается управляющий сигнал по которому из регистра команд адреса операндов последовательно передаются в регистр адреса, а затем в адресную шину.

Код операции из регистра команд передается в арифметико-логическое устройство. Операнды выбираются из памяти и помещаются сначала в регистр данных, а после в операционные регистры 1,:, регистры N процессора.

Устройство управления формирует и передает в арифметико-логическое устройство (АЛУ) сигнал на выполнение команды. Операнды последовательно  выбираются в АЛУ, выполняется операция, результат которой помещается в  один из операционных регистров и  далее в регистр данных.

По сигналу устройства управления адрес результата передается из регистра команд в регистр адреса и далее в шину данных. Одновременно из регистра данных по шине данных передается и записывается в память результат  решения. В цикле выполнения следующей команды все действия повторяются.                        

Классификация ЭВМ.

Классификация ЭВМ по принципу действия. По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших  класса: аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ). 

Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма  представления информации, с которой  они работают. 

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

Аналоговые вычислительные машины (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).  

Аналоговые вычислительные машины весьма просты и удобны в  эксплуатации; программирование задач  для решения на них, как правило, нетрудоемкое; скорость решения задач  изменяется по желанию оператора  и может быть сделана сколь  угодно большой (больше, чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность 2-5 %).

На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики. 

 

Две формы  предоставления информации в машинах: а- аналоговая; б- цифровая импульсная. 

Гибридные вычислительные машины (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. 

Общепринятой классификацией компьютеров является классификация  по поколениям ЭВМ, в основе которой  лежит элементная база.

Первое поколение - электронные вакуумные лампы (1946-до середины 50-х годов ХХ века);

Второе поколение - полупроводниковые приборы, транзисторы (до середины 60-х годов ХХ века);

Третье поколение - интегральные схемы  на полупроводниковых  элементах (до конца 70-х годов);

Четвертое поколение - сверхбольшие интегральные схемы (с начала 80-х годов по настоящее время).

Пятое поколение отличительными чертами ЭВМ этого поколения являются новые технологии производства, переход к новым многопроцессорным архитектурам, новые способы ввода-вывода, искусственный интеллект и т.д. 

Классификация компьютеров по назначению

Специализированные - предназначены для решения узкого круга специальных задач, например по управлению конкретными техническими устройствами, технологическими процессами (станками с числовым программным управлением, роботами и т.д.).

Универсальные - используются в различных сферах человеческой деятельности для решения самых разнообразных задач: инженерно-технических, экономических, математических, информационно-поисковых и других.

Традиционная классификация  производится по:

производительности, функциональному назначению и размерам, которая позволяет условно выделить два класса ЭВМ: большие ЭВМ (мэйнфреймы) и персональные компьютеры (мини-ЭВМ). Для каждого класса ЭВМ отличительными признаками также являются области применения, размерность решаемых задач, организационные формы использования, особенности технической архитектуры.  

Современные большие ЭВМ. Современные большие ЭВМ называются мэйнфреймами или суперкомпьютерами. Эти ЭВМ характеризуются наивысшим уровнем производительности и надежности, рассчитанные на практически любые уровни нагрузки, обладающие высокой устойчивостью к сбоям и авариям. Они обеспечивают решение любых задач, требующих больших вычислительных ресурсов: от метеорологических прогнозов и изучения управляемого термоядерного синтеза до исследований генома человека и разведки нефти и газодобычи. 

Название <мэйнфрейм> (mainframe) происходит от названия корпусов центрального процессора ЭВМ IBM System/360. Именно компьютеры первых моделей семейства ЭВМ System/360, о создании которых фирма IBM объявила в 1964 году, являются родоначальниками мэйнфреймов и первыми компьютерами третьего поколения. В России аналогичная серия машин носит название машин серии ЕС.  

При разработке мэйнфреймов особое внимание уделяется техническим и технологическим решениям, которые обеспечивают принцип параллельного (одновременного) выполнения двух или более процессов (программ). Именно возможность параллельной работы различных устройств больших ЭВМ является основой ускорения выполнения вычислительных операций. Создаваемые в настоящее время мэйнфрейм (или суперЭВМ) относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов - десятки миллиардов операций в секунду.  

Создать такую высокопроизводительную ЭВМ по современной технологии на одном микропроцессоре не представляется возможным ввиду ограничения, обусловленного конечным значением скорости распространения  электромагнитных волн (300 000 км/с), ибо  время распространения сигнала  на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны МП) при  быстродействии 100 млрд. оп/с становится соизмеримым с временем выполнения одной операции. Поэтому мэйнфрейм создается в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС). 

 

Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей:  

- магистральные(конвейерные) МПВС, в которых процессоры одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных; по принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД или MISD - Multiple Instruction Single Data);  

- векторные МПВС, в которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными - однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД или SIMD - Single Instruction Multiple Data);  

- матричные МПВС, в которых МП одновременно выполняют разные операции над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных - многократный поток команд с многократным потоком данных (МКМД или MIMD - Multiple Instruction Multiple Data).  

Условные структуры  однопроцессорной (SISD - Single Instruction Single Data) и названных многопроцессорных вычислительных систем показаны на рисунке ниже. 

Крупнейшими российскими  проектами в области создания суперкомпьютеров являются российский проект МВС и российско-белорусский  СКИФ. Крупнейший суперкомпьютер МВС-15000ВМ отечественной разработки включает 924 процессора Power PC и имеет пиковую производительность 8100 Gflops. Суперкомпьютер установлен в Межведомственном Суперкомпьютерном центре РАН (МСЦ). Основными заказчиками машинного времени на суперкомпьютерах выступают атомная, автомобильная, судостроительная, авиационная и нефтегазовая промышленность.  

Суперпараллельные компьютеры (massively parallel computers), схема работы которых показана на рисунке включают в себя сложнейшие цепи процессоров.

Вместо методов  параллельной обработки, где небольшое  количество мощных, но дорогих специализированных процессоров связаны между собой, суперпараллельные компьютеры содержат сотни и тысячи недорогих обычных процессоров.

Такие ЭВМ достигают  производительности суперкомпьютеров. Например, Wal-Mart Stores использует суперпараллельную машину для учета товаров и продаж, обслуживая базу данных размером 1.8 триллионов байт.  

 

 

 

 

 Компьютерная  архитектура. Сравнение последовательной, параллельной и суперпараллельной обработки данных.  

Назначение, особенности и классификация  персональных компьютеров.

Персональные компьютеры представляют наиболее многочисленный и разнообразный по составу класс  ЭВМ. Они используются при решении  самых разных задач не только профессиональными  программистами, но и специалистами  других областей знаний и деятельности.  

К ПК (или ПЭВМ) относится  ЭВМ, управляемая одним пользователем  и предоставляющая пользователю в каждом сеансе работы все свои ресурсы. К особенностям, отличающим ПК от других ЭВМ, следует отнести:

1. Универсальный характер использования, в соответствии с которым на ПК могут решаться экономические, научные, производственно-технические, конструкторско-технологические и другие задачи в различных сферах человеческой деятельности.

2.                       Модульный характер построения  архитектуры ПК, позволяющий формировать техническую конфигурацию, определять состав внутренних и внешних устройств ПК в зависимости от характера решаемых задач, требований пользователя и финансовых возможностей.

3.                       Развитость и разнообразие программного обеспечения (ПО), направленные на решение задач из различных областей знаний и деятельности человека.

4.                       Небольшие габариты, высокая надежность работы, отсутствие специальных требований к условиям эксплуатации и наличие <дружественного> человеко-машинного интерфейса, дающие возможность устанавливать ПК на рабочие места пользователя.

Первоначально основным признаком ПК служило наличие  в нем микропроцессора (МП), выполненного в виде одной микросхемы. В настоящее  этот признак перестал быть определяющим, так как МП используются во всех классах ЭВМ. 

ПК классифицируются по следующим  признакам: 

1.  По размеру ПК делятся на стационарные (Desktop) и переносные ПК. В состав переносных ПК включаются портативные (Laptop), блокнотного типа (Notebook) и карманные (Palmtop) ПК. 

2. По типу используемых  МП различают ПК, построенные  на процессорах с расширенной системой команд - CISC-процессорах (CISC - Complete Instruction Set Computer), и ПК, основанные на процессорах с сокращенным набором команд - RISC-процессорах (RISC - Reduce Instruction Set Computer).