Классификация компьютеров. Принципы функционирования компьютера фон Неймана

Во многих случаях с задачами специализированных компьютерных систем могут справляться и обычные универсальные компьютеры, но считается, что использование специализированных систем все-таки эффективнее. Критерием оценки эффективности выступает отношение производительности оборудования к величине его стоимости.

  2. Принципы функционирования компьютеров фон Неймана.   

 В 1946 году Нейман на основе  критического анализа конструкции ENIAC предложил ряд новых идей  организации ЭВМ, в том числе  концепцию хранимой программы, он  предложил записывать и хранить  в памяти алгоритм вычислений  вместе с данными. Принципы Дж.фон Неймана показались вначале простыми и очевидными и лишь в дальнейшем они приобрели статус фундаментальных положений, надолго определивших направление развития вычислительной техники. В результате реализации идей фон Неймана была создана архитектура ЭВМ, во многих чертах сохранившаяся до настоящего времени. 

В отчете "Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства" Дж. фон Нейман опубликовал основные принципы, которые заключались в следующем:

1. Компьютеры на электронных  элементах должны работать не  в десятичной, а в двоичной  системе счисления.

2. Компьютер управляется программой, составленной из отдельных шагов - команд. Программа должна размещаться  в одном из блоков компьютера - в запоминающем устройстве, обладающем  достаточной емкостью и скоростью  выборки команд.

3. Команды, так же как и числа, с которыми оперирует компьютер, записываются в двоичном коде. Это обстоятельство приводит  к следующим важным последствиям:

а) промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа могут размещаться в том же запоминающем устройстве, что и программа;

б) числовая форма записи программы позволяет производить операции над величинами, которыми закодированы команды программы;

в) появляется возможность перехода в процессе вычислений на тот или иной участок программы в зависимости от результатов вычислений, условных переходов.

4. Трудности физической реализации  запоминающего устройства, быстродействие  которого соответствует скорости работы логических схем требует иерархической организации памяти.

5. Арифметическое устройство конструируется  на основе схем, выполняющих операцию  сложения - создание специальных  устройств для выполнения других операций нецелесообразно.

6. Необходимо использовать параллельный  принцип организации вычислительного  процесса (операции над словами  производятся одновременно во  всех разрядах слова)        

 Принцип использования двоичной  системы счисления расширил набор  физических приборов и явлений, которые можно использовать для  представления информации в операционных  и запоминающих устройствах компьютера. Две цифры для отображения "1" и "0" могут отображаться состоянием  любой двухстабильной системы. Например, открытое и закрытое состояние электронного ключа (ламповой схемы), два состояния триггера, намагниченным или не намагниченным состоянием ферромагнитной поверхности. Ну, а в настоящее время набор электронных приборов и физических явлений, позволяющих получить два состояния для записи и обработки информации стал намного шире, но об этом поговорим позже. В двоичной системе счисления возможно построение логических схем и реализация функций алгебры логики или Булевой алгебры. 
    Принцип хранимой в памяти программы, представленной в двоичном коде, позволяет производить не только вычисления, направляя команду в устройство управления, а данные в арифметическое устройство, но и преобразовывать сами команды, например в зависимости от результатов вычислений, используя для преобразования коды команд и оперируя с ними, как с данными. 
    Принцип реализации условных переходов позволяет осуществлять программы с циклическими вычислениями с автоматическим выходом из цикла. Благодаря принципу условного перехода сокращается число команд, в программе, так как не требуется повторять одинаковые участки программы. 
    Принцип иерархической организации памяти был сформулирован в связи с тем, что с самого первого компьютера с сохраняемой программой существовало несоответствие между быстродействием арифметического устройства и оперативной памяти. Противоречия бы не существовало, если выполнить память на тех же элементах, что и арифметическое устройство, но такая память получалась слишком дорогой, кроме того, непомерно увеличивалось количество радиоламп, что заметно снижало надежность компьютера. Иерархическое построение оперативного запоминающего устройства позволяет иметь быстродействующую память небольшого объема только для данных и команд, подготовленных к выполнению. Все остальное хранится в запоминающем устройстве более низкого уровня, для этого стали использоваться появившиеся вскоре магнитные носители информации. 
    Параллельный принцип организации вычислений позволяет значительно увеличить скорость вычислений, хотя это и приводит к более значительным затратам оборудования.

Арифметико-логические устройства АЛУ (ALU, Arithmetic-Logic Unit) выполняют над словами ряд действий. Основой АЛУ служит сумматор, схема которого дополнена логикой, расширяющей функциональные возможности АЛУ и обеспечивающей его перестройку с одной операции на другую.

Оперативно запоминающие устройства (ОЗУ) предназначены для временного хранения множества двоичных кодов. Следует иметь в виду, что ОЗУ обеспечивает хранение записываемой информации только во включенном состоянии. Отключение питания приведет к полной потере всей хранимой в ОЗУ информации.

Архитектура компьютеров первого поколения. 
    Архитектура компьютеров первого поколения - это типичная фон-Неймановская архитектура. Команды и данные представляются в двоичном коде. Выполняемая программа и оперативные данные выполняемой программы  хранятся в оперативной памяти (ОЗУ). Постояное запоминающее устройство (ПЗУ) используется для хранения постоянных данных и программ. Так, например, в  ПЗУ хранятся служебные программы, обеспечивающие взаимодействие оператора (пользователя) с компьютером при помощи устройств ввода-вывода ( УВВ) и устройства управления (УУ). При вводе и выводе данных в компьютерах первого поколения процессор простаивает. Среди устройств ввода-вывода важное место занимает пульт управления, предназначенный для  оператора. Оператор может прервать выполнение программы, внести необходимые изменения, и вновь выполнить программу или перейти к решению другой задачи. Пульт управления связан с процессором при помощи устройства управления, формирующего необходимые управляющие сигналы. Условно структура компьютера первого поколения представлена на рисунке 1.1.  

                                  Архитектура компьютера первого поколения.    

Архитектура компьютеров второго поколения.  
    Второе поколение ЭВМ создавалось в период с 1955 по 1964гг. Успехи полупроводниковой технологии и связанные с этим возможности совершенствования структуры ЭВМ, расширения выполняемых функций и усложнения решаемых задач привели к смене элементной базы. Запоминающие устройства на магнитных сердечниках , магнитных барабанах и магнитных лентах вытеснили полностью запоминающие устройства на электронно-лучевых трубках и ртутных ультразвуковых линиях задержки, применяемых в ЭВМ первого поколения. Быстродействие  и надежность машин повысилась в несколько раз, транзисторная ЭВМ IBM7090 позволила решать задачи в 5 раз быстрее, чем ее ламповый аналог IBM709. Переход к полупроводниковой технологии позволил значительно уменьшить габариты и потребляемую ЭВМ мощность. В структуру ЭВМ второго поколения был введен специализированный процессор, управляющий обменом данных между устройствами ввода/вывода и основной памятью. Это управление осуществляется программой ввода/вывода, которая считывается из основной памяти и выполняется процессором ввода/вывода автономно. Для обеспечения возможности совместной работы  процессора ввода/вывода и центрального процессора были введены прерывания работы центрального процессора по сигналу от процессора ввода/вывода об окончании операции.  
В командах можно было указывать адрес операнда  непосредственно или использовать команды, формирующие адрес при помощи индексного регистра. 

Контроллер - специализированное техническое устройство, предназначенное для управления другими устройствами путем получения информации в виде цифровых данных или аналого-дискретного сигнала от внешнего устройства (ЭВМ, датчики или иное устройство), преобразования этой информации по специальному алгоритму и выдачи управляющих воздействий в виде цифрового или аналого-дискретного сигнала. Чаще всего контроллеры представляют собой программируемые устройства, имеющие в своем составе программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) или специализированные процессоры. 
Примеры контроллеров:  
- контроллер информационной шины (PCI, SCSI и т. п.); 
- контроллер видеомонитора (видеоадаптер); 
- контроллер газораспределительной системы и системы зажигания в автомобиле; 
- контроллер управления стиральной машиной, кондиционером и т. д.

Монитор – это устройство, которое служит для отображения текстовой и графической информации.

Шина (в компьютере) – (по-английски, computer bus, bidirectional universal switch – двунаправленный универсальный коммутатор) – в общем значении, подсистема, отвечающая за обмен данных между различными блоками компьютера. Как правило, компьютерная шина управляется драйвером (компьютерной программой для управления аппаратными средствами). 
Архитектура компьютеров 3-го поколения:  
    Третье поколение  ЭВМ разрабатывалось с 1964 по 1974год на новой элементной базе, осуществился переход к интегральной технологии. 
Совершенствование технологии позволило усложнить микросхемы, появились микросхемы средней интеграции (СИС).  Затем из всего многообразия микросхем были выделены  функционально - полные комплекты интегральных схем, предназначенные для построения контроллеров и вычислительных машин. Для вычислительной техники характерно использование большого количества однотипных логических элементов, особенно в устройствах памяти. Технология изготовления интегральных схем памяти проще, отличается повторяемостью соединений, поэтому первыми  большими интегральными схемами стали БИС памяти. БИС содержали от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч элементов на кристалле. Благодаря интегральным схемам удалось значительно улучшить технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ. В ЭВМ третьего поколения появился расширенный набор внешних устройств. Были разработаны устройства внешней памяти с увеличенной емкостью и скоростью передачи данных. Первые устройства внешней памяти на магнитных дисках  появились в начале 60-х годов, после того как в 1956г. фирма IBM разработала плавающие магнитные головки на магнитной подушке. Емкость магнитных дисков была на порядок больше, чем емкость магнитных барабанов, применявшихся ранее. Появились устройства ввода графической информации с чертежа, оптические читающие устройства, графопостроители, устройства для чтения перфокарт или перфолент. 
Для повышения быстродействия в супер-ЭВМ использовались методы конвейерной и параллельной обработки при помощи процессора сложной структуры, состоящего из матрицы процессоров обработки данных и специального управляющего процессора, который распределяет задачи и управляет потоком данных в системе. 
В начале 70-х годов были выпущены первые машины класса мини-ЭВМ, предназначенные для управления технологическими процессами, семейства PDP11, объединенные единой архитектурой, отличающиеся не очень высокой производительностью и, соответственно, ценой. Эта архитектура стала образцовой в классе мини-ЭВМ.

Архитектура компьютеров 4-го поколения. 
       Четвертое поколение компьютеров создавалось на БИС и СБИС. Быстрыми темпами развивалась технология производства больших интегральных схем. В 1971 году фирма Intel выпустила первый 4-разрядный микропроцессор, выполненный на одном кристалле и способный выполнять набор из 45 команд, в то время его называли микропрограммным компьютером на одном кристалле. 
Высокая степень интеграции БИС, повышенное быстродействие, высокая степень надежности, снижение стоимости, все это позволило значительно уменьшить размеры компьютеров, достигнуть быстродействия порядка сотен миллионов операций в секунду, объем основной памяти достиг десятков Мбайт. Появился новый класс машин - микро-ЭВМ. 
    Впервые была применена концепция ²открытой архитектуры², которая позволила пользователям добавлять новые компоненты к их компьютерам без замены всего устройства.  
    В 1983 году  фирма IBM выпустила компьютер PC/XT, он был укомплектован жестким диском на10 Мбайт, с памятью до 640 Кбайт и операционной системой MS-DOS. Начиная с XT произошел взрыв в индустрии персональных компьютеров. Появились такие компьютеры, как графические станции, домашние компьютеры, Desktop- компьютеры (доска объявлений), Laptop компьютеры (наколенники), блокнотные персональные компьютеры (Notebook), Palmtop - компьютеры (наладонники). 
    Две тенденции - распределение вычислительных ресурсов , оснащение персональными компьютерами рабочих мест и необходимость объединения вычислительных ресурсов для решения общих задач большого объема - привели к сетевому буму. Для объединения рабочих групп (вычислительных станций, в качестве которых чаще всего используют персональные компьютеры)  в вычислительные сети  необходимы  специализированные машины - серверы. 
В архитектуре серверов и суперсерверов используется несколько процессоров, высокоскоростная система шин. 
Технология заказных СБИС позволила перейти к ЭВМ на специализированных процессорах, процессорах ассоциативного типа, основной операцией которых является операция сравнения.

3.Аппаратное обеспечение компьютера

К аппаратному обеспечению относятся устройства, образующую конфигурацию компьютера. Различают внутренние и внешние устройства. Согласование между отдельными узлами и блоками выполняется с помощью аппаратно-логических устройств, называемых аппаратными интерфейсами. Стандарты на аппаратные интерфейсы называют протоколами. Протокол - это совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств.

Устройства ввода — периферийное оборудование для занесения (ввода) данных или сигналов в компьютер либо другое электронное устройство во время его работы.