Навігація
Головна
 
Головна arrow Інформатика arrow Інформатика
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

РОЗДІЛ II. ТЕХНІЧНІ ЗАСОБИ РЕАЛІЗАЦІЇ ІНФОРМАЦІЙНИХ ПРОЦЕСІВ

Історія розвитку ЕОМ. Поняття і основні види архітектури ЕОМ

завдання глави

  • 1. Ознайомитися з принципами архітектурного підходу до побудови ЕОМ.
  • 2. Вивчити принципи програмного управління ЕОМ.
  • 3. Ознайомитися з історією розвитку і поколіннями ЕОМ, типовими представниками ЕОМ різного покоління.
  • 4. Скласти уявлення про розвиток елементної бази для побудови ЕОМ.
  • 5. Вивчити класифікацію і основні технічні характеристики ЕОМ (великі, малі, мікроЕОМ, суперкомп'ютери).

Принципи архітектури ЕОМ Дж. Фон Неймана

Термін "архітектура ЕОМ" використовується для опису найбільш загального принципу дії, конфігурації і взаємного з'єднання основних логічних вузлів електронно-обчислювальної машини (ЕОМ). Це поняття розкривається шляхом постулирования принципів і параметрів ЕОМ, таких як: структура пам'яті; користувач може отримати доступ до пам'яті і зовнішніх пристроїв; можливість зміни конфігурації комп'ютера; система команд; формати даних; організація інтерфейсу і ін. Під архітектурою ЕОМ розуміється також сукупність властивостей і характеристик, що розглядається з точки зору користувача.

Праці вчених Пенсільванського університету під керівництвом Д. Екерта, а також Норберта Вінера і Джона фон Неймана заклали основу побудови цифрових обчислювальних машин. Концепцію класичної архітектури цифрової ЕОМ сформулював Дж. Фон Нейман в 1946 р, яку він виклав у роботі "Попередній розгляд логічної конструкції електронно-обчислювального пристрою". Фундаментальні положення по архітектурі ЕОМ складаються:

■ в застосуванні двійкової системи числення в роботі ЕОМ;

■ програмному управлінні роботою ЕОМ (програма містить інструкції, що виконуються автоматично в заданій послідовності);

■ принципі збережених програм і даних в пристрої машини, що володіє високою швидкістю вибірки і записи;

■ однотипному поданні в двійковому коді інструкцій програм і оброблюваних ними даних;

■ принципі ієрархічності пам'яті в зв'язку з технічними проблемами реалізації ємного і швидкодіючого накопичувача - мінімум два рівня (основна і зовнішня пам'ять);

■ принципі адресності основний пам'яті (осередки пам'яті доступні програмі за допомогою бінарного адресою або по імені, яке присвоюється в програмі і зберігається протягом усього часу виконання програми).

Головним принципом побудови сучасних ЕОМ є програмне керування. Він заснований на представленні алгоритму розв'язання будь-якої задачі у вигляді програми обчислень - набору інструкцій (команд), що визначають рішення задачі за допомогою кінцевого числа операцій.

Програма - це впорядкована послідовність команд, що підлягає обробці (стандарт ISO 2 382 / 1-84).

Кожна команда містить вказівки на конкретну виконувану операцію і місце знаходження (адреса) операндів, що беруть участь в операціях перетворення даних.

Електронно-обчислювальна машина має модульну архітектуру (рис. 5.1) і включає в себе: блок управління, арифметичний пристрій, пам'ять, пристрій введення програм і даних, пристрій виведення результатів, а також пульт ручного управління.

Блок управління забезпечує управління всіма пристроями комп'ютера. Арифметичне ( арифметико-логічне ) пристрій виконує арифметичні і логічні операції обробки інформації, що зберігається в пам'яті комп'ютера. У сучасних ЕОМ арифметико-логічний пристрій і блок керування об'єднані в процесор, який виконує обробку даних, а також здійснює за допомогою програми управління роботою інших блоків комп'ютера.

У пам'яті ЕОМ дані і програми представлені в двійковій формі. Для введення і виведення інформації використовуються спеціальні

Склад компонентів ЕОМ Дж. Фон Неймана

Мал. 5.1 . Склад компонентів ЕОМ Дж. Фон Неймана

пристрою, причому програми і дані мають однотипний введення в комп'ютер. Пам'ять комп'ютера структурована на основну (оперативну) і зовнішню (пристрої, що запам'ятовують).

Виділяють наступні пристрої пам'яті, які відрізняються швидкістю зчитування і запису інформації, а також ємністю:

■ сверхоператівное пристрій (СОЗУ) - забезпечує роботу найшвидкодіючою пам'яті малого обсягу, відповідає внутрішній мікропроцесорної пам'яті;

■ оперативний пристрій (ОЗУ) забезпечує роботу швидкодіючої пам'яті значного обсягу, відповідає основної оперативної пам'яті комп'ютера (осередкам блоку пам'яті);

■ постійне запам'ятовуючий пристрій (ПЗУ) - забезпечує роботу швидкодіючої пам'яті невеликого обсягу, яка зберігає свій вміст;

■ зовнішній пристрій (ВЗУ) - забезпечує роботу самої повільної пам'яті найбільшою ємності.

У СОЗУ зберігається невеликий обсяг даних, які використовуються процесором в найближчі такти його роботи. У ОЗУ подається інформація (програмний код і дані), безпосередньо використовується в поточному сеансі роботи комп'ютера. Ця пам'ять є енергозалежною, при виключенні комп'ютера вона стирається, крім пам'яті, що знаходиться під управлінням ПЗУ, яке може бути перепрограмувальний (ППЗУ). Зовнішні запам'ятовуючі пристрої мають ємність, набагато перевершує основну пам'ять, але з істотно більш повільним доступом; вони дозволяють тривалий час зберігати великі обсяги інформації (файли програм і дані різних форматів).

Як пристрій введення символьної інформації найбільш часто використовується клавіатура, а для введення графічної інформації - сканери, дигітайзери, відео- і веб-камери, графічний планшет і світлове перо; для введення звукової інформації служить аккордовая клавіатура, спікери (мікрофони), диктофон і ін.

Пристрої виведення інформації досить різноманітні в залежності від виду вихідної інформації. Так, для виведення візуальної інформації використовується принтер (принтер) або монітор (дисплей), графічний пристрій (плоттер). Висновок звукової інформації вимагає наявності спеціальної мультимедійної апаратури - динаміків, акустичних колонок і навушників.

Концепції Н. Вінера і Дж. Фон Неймана швидко знайшли своє втілення в ЕОМ, створених вже в кінці 1940-х - початку 1950-х рр. (ЕОМ з програмою, що зберігається UNIVAC, Universal Automatic Computer, що з'явилася в 1949 р в США; машини серії IBM 701 і ін.). Перші ЕОМ мали такі параметри (на прикладі ЕОМ UNIVAC):

■ пристрої введення даних з магнітної стрічки і перфокарт;

■ довжина машинного слова - 78 біт;

■ ємність основної пам'яті - 1000 слів;

■ використання 100 ртутних ліній затримки зі зворотним зв'язком для зберігання даних;

■ продуктивність - одне додавання за 500 мкс, одне множення за 2,5 мс;

■ забезпечення надійності обробки даних за рахунок дублювання найважливіших схем;

■ контроль достовірності перетворення даних за методом контролю "парності".

У 1951 р в Києві під керівництвом академіка С. А. Лебедєва була створена перша вітчизняна мала електронно-обчислювальна машина (МЕСМ); в 1952 р з'явилася велика електронно-рахункова машина (БЕСМ). Популярна машина БЕСМ 2 цієї серії мала наступні характеристики:

■ розрядність машинного слова - 39 біт (в два рази менше, ніж для UNIVAC);

■ розрядність числа з плаваючою точкою: мантиса - 32 біта, порядок - 5 біт, по 1 біту знаки мантиси і порядку, що забезпечувало уявлення чисел в діапазоні 10 ~ 9-109; в форматі з фіксованою комою представлялися тільки числа менше 1;

■ двійковій-кодоване подання десяткових чисел, коли кожну десяткову цифру представляють 4 біта;

■ максимальну швидкодію -10 000 операцій в секунду;

■ одно-, дво-, трехадресние і безадресні команди, всього 32 машинні команди: дев'ять арифметичних операцій, шість логічних операцій, вісім операцій передачі кодів, дев'ять операцій управління;

■ розрядність адреси - 11 біт, розрядність коду операції - 6 біт;

■ ОЗУ на феритових сердечниках ємністю 2048 згодом звернення 10 мкс побудовано на магнітних барабанах, ємність ВЗУ - 5000 чисел, середній час доступу - 40 мс, швидкість зчитування - 800 чисел в секунду;

■ ВЗУ на магнітних стрічках: 4 шт. по 30 000 чисел зі швидкістю зчитування 400 чисел в секунду;

■ введення даних з перфострічки зі швидкістю 20 кодів в секунду;

■ висновок даних на перфоленту зі швидкістю 20 чисел в секунду.

Пізніше, в 1950-1960 рр., В СРСР були розроблені вітчизняні ЕОМ "Стріла", "Урал", "Мінськ", М-20, М-220 і ін. Біля витоків створення радянської обчислювальної техніки стояли такі великі вітчизняні вчені, як : С. А. Лебедєв, Рамєєв, Ю. А. Базилевський, І. С. Брук, А. А. Ляпунов, В. М. Глушков, Б. Н. Наумов та ін.

Архітектура ЕОМ Дж. Фон Неймана повністю відповідає ЕОМ першого і другого поколінь. Поява ЕОМ третього покоління, заснованих на застосуванні інтегральних схем, загострило протиріччя в узгодженні продуктивності структурних блоків ЕОМ. Виникла необхідність створення каналів введення / виводу, спеціальних електронних схем управління роботою зовнішніх пристроїв (контролерів), які є спеціалізованими процесорами і мають власну систему команд. Серед каналів вводу / виводу виділяли мультиплексні канали, які обслуговують велику кількість повільно працюють пристроїв введення / виводу, і селекторні канали, які обслуговують в багатоканальних режимах швидкісні ВЗУ.

З'явився і новий вид пам'яті - відеопам'ять. Це було обумовлено розробкою пристрою візуального введення і виведення - дисплея. Характерною рисою архітектури ЕОМ нового покоління є загальна шина. Перехід до шинної архітектури побудови ЕОМ

Відкрита шинна архітектура ЕОМ

Мал. 5.2. Відкрита шинна архітектура ЕОМ

дозволив реалізувати відкриту архітектуру для ЕОМ, що містять невелику кількість зовнішніх пристроїв (рис. 5.2).

У наступних поколіннях ЕОМ процесор перестав грати центральну роль в конструкції ЕОМ. Це дозволило пристроям ЕОМ встановлювати прямі зв'язки один з одним, здійснювати обмін даними між зовнішнім пристроєм і ОЗУ (без участі центрального процесора). Метод прямого доступу до пам'яті реалізований на базі спеціального контролера.

Архітектура ЕОМ постійно розвивається. Так, збільшення потоків інформації між пристроями призвело до використання замість однієї кількох спеціальних шин (шина для обміну даними з пам'яттю, шина для зв'язку з швидкими зовнішніми пристроями, шина для зв'язку з повільними зовнішніми пристроями і т.п.). У сучасній архітектурі ЕОМ намітилися три тенденції:

  • 1) ускладнення системи зв'язку між вузлами ЕОМ за рахунок розширення зовнішніх пристроїв;
  • 2) створення багатопроцесорних ЕОМ (поєднання центрального і спеціалізованих процесорів, видеопроцессоров для прискорення візуалізації інформації і т.п.), яке пов'язане з розвитком методів паралельних обчислень, що дозволяють ускладнити структуру обчислювальної системи;
  • 3) прискорене зростання ролі межкомпьютерних комунікацій, яке призвело до появи багатомашинних комплексів, комп'ютерних мереж, поняття "архітектура обчислювальної системи".

Слід також зауважити, що ЕОМ, побудовані на основі неймановской архітектури і розраховані на послідовне виконання команд, мають межа зростання продуктивності. Для вдосконалення обчислювальних процесів здійснюється перехід на паралельну, відмінну від неймановской, векторно-конвеєрну архітектуру побудови ЕОМ, багатопроцесорних систем і мереж ЕОМ.

Найбільш характерними рисами архітектури сучасних ЕОМ є: модульність побудови - наявність в структурі ЕОМ автономних, функціонально і конструктивно закінчених пристроїв (процесор, модуль пам'яті, накопичувач на жорсткому або гнучкому магнітному диску); ієрархічна організація структури ЕОМ, заснована на наявності центрального процесора і сукупності підключаються до нього контролерів, каналів введення / виводу, спеціальних шин або магістралей для передачі керуючих сигналів, адрес операндів і самих даних, передачі керуючих сигналів від центрального процесора і інформації зворотного зв'язку вгору по ієрархії з метою правильної координації роботи всіх вузлів; децентралізація управління і структури ЕОМ.

Для ЕОМ застосовується система машинних команд, що включає в себе команди: передачі даних (пересилання), арифметичні, логічні, зрушень двійкового коду вліво і вправо (для виконання множення і ділення), введення і виведення інформації для обміну з зовнішніми пристроями, управління, спеціальні.

Процесор ЕОМ характеризується: набором виконуваних команд, швидкістю їх виконання, об'ємом пам'яті, що адресується, розмірами машинних слів, розрядністю.

Продуктивність ЕОМ залежить від швидкодії процесора, класу вирішуваних завдань і порядку проходження завдання через ЕОМ. Її характеризують різні показники:

■ число коротких операцій в одиницю часу (зазвичай беруть операцію складання, коли операнди зберігаються у внутрішніх регістрах процесора), а для оцінки числового виразу ефективності ЕОМ використовують суміші команд;

■ швидкість виконання команд над числами з плаваючою комою;

■ тактова частота генератора тактових імпульсів комп'ютера;

■ розрядність процесора.

Тактова частота синхронізує всі операції процесора, але при цьому будь-яка операція в процесорі не може бути виконана швидше, ніж за один такт імпульсів.

Найбільш поширеними одиницями виміру продуктивності ЕОМ є: FLOPS (Floating point Operations Per Second) - число операцій з плаваючою комою в секунду (флопс); MIPS (Million Instructions Per Second) - мільйони інструкцій в секунду для операцій з фіксованою комою.

Зростання продуктивності суперЕОМ представлений на рис. 5.3, а продуктивність ПК - на рис. 5.4.

Оперативна пам'ять комп'ютера розглядається як масив осередків, номер комірки пам'яті називається її адресою. Найважливіша характеристика процесора - розрядність адреси, яка визначає розмірність адресного простору. Одиницею адресації є байт. Для звернення процесора до пам'яті використовується

Зростання продуктивності суперЕОМ

Мал. 5.3. Зростання продуктивності суперЕОМ

Зростання продуктивності ПК

Мал. 5.4. Зростання продуктивності ПК

адреса, що передається по адресній шині. Розрядність шини адреси визначає максимальний номер байта, який може бути затребуваний процесором. Для 16-тіразрядной шини адреси адресний простір складає 64 Кбайт, при 32-хразрядной шині адреси - 4 Гбайт, 64-хразрядной шині адреси - 16 Тбайт. При цьому чим більше розрядність шини адреси, тим ширше і шина даних. Приблизне співвідношення ширини шини адреси в сучасних процесорах - від 0,5 до 2,0 ширини шини даних.

Машинне слово є машинно залежною величиною і визначає:

■ розрядність шини даних, що характеризує число переданих бітів даних за один такт роботи процесора;

■ розрядність даних, які обробляються процесором;

■ максимальне значення цілого без знака числа, рівне 2n - 1, перевищення цього розміру призводить до переповнення;

■ максимальний обсяг оперативної пам'яті, безпосередньо адресується процесором.

Розмір машинного слова дорівнює розрядності регістрів процесора, він визначається в бітах або байтах. Число одночасно оброблюваних бітів називається розрядністю процесора: чим більше розрядність процесора, тим вище його продуктивність.

 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Аудит та Бухоблік
Банківська справа
БЖД
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Нерухомість
Менеджмент
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
Соціологія
Статистика
Техніка
Страхова справа
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Пошук