Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Информатика arrow Информатика

Технические средства реализации информационных процессов

История развития ЭВМ. Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ

Задачи главы

  • 1. Ознакомиться с принципами архитектурного подхода к построению ЭВМ.
  • 2. Изучить принципы программного управления ЭВМ.
  • 3. Ознакомиться с историей развития и поколениями ЭВМ, типичными представителями ЭВМ различного поколения.
  • 4. Составить представление о развитии элементной базы для построения ЭВМ.
  • 5. Изучить классификацию и основные технические характеристики ЭВМ (большие, малые, микроЭВМ, суперкомпьютеры).

Принципы архитектуры ЭВМ Дж. фон Неймана

Термин "архитектура ЭВМ" используется для описания наиболее общего принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов электронно-вычислительной машины (ЭВМ). Это понятие раскрывается путем постулирования принципов и параметров ЭВМ, таких как: структура памяти; способы доступа к памяти и внешним устройствам; возможность изменения конфигурации компьютера; система команд; форматы данных; организация интерфейса и др. Под архитектурой ЭВМ понимается также совокупность свойств и характеристик, рассматриваемая с точки зрения пользователя.

Труды ученых Пенсильванского университета под руководством Д. Экерта, а также Норберта Винера и Джона фон Неймана заложили основу построения цифровых вычислительных машин. Концепцию классической архитектуры цифровой ЭВМ сформулировал Дж. фон Нейман в 1946 г., которую он изложил в работе "Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства". Фундаментальные положения по архитектуре ЭВМ состоят:

■ в применении двоичной системы счисления в работе ЭВМ;

■ программном управлении работой ЭВМ (программа содержит инструкции, исполняемые автоматически в заданной последовательности);

■ принципе хранимых программ и данных в запоминающем устройстве машины, обладающем высокой скоростью выборки и записи;

■ однотипном представлении в двоичном коде инструкций программ и обрабатываемых ими данных;

■ принципе иерархичности памяти в связи с техническими проблемами реализации емкого и быстродействующего запоминающего устройства – минимум два уровня (основная и внешняя память);

■ принципе адресности основной памяти (ячейки памяти доступны программе по двоичному адресу или по имени, которое присваивается в программе и сохраняется на протяжении всего времени выполнения программы).

Главным принципом построения современных ЭВМ является программное управление. Он основан на представлении алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений – набора инструкций (команд), определяющих решение задачи посредством конечного числа операций.

Программа – это упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке (стандарт ISO 2382/1–84).

Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию и место нахождения (адрес) операндов, участвующих в операциях преобразования данных.

Электронно-вычислительная машина имеет модульную архитектуру (рис. 5.1) и включает в себя: блок управления, арифметическое устройство, память, устройство ввода программ и данных, устройство вывода результатов, а также пульт ручного управления.

Блок управления обеспечивает управление всеми устройствами компьютера. Арифметическое (арифметико-логическое) устройство выполняет арифметические и логические операции обработки информации, хранящейся в памяти компьютера. В современных ЭВМ арифметико-логическое устройство и блок управления объединены в процессор, который выполняет обработку данных, а также осуществляет с помощью программы управление работой других блоков компьютера.

В памяти ЭВМ данные и программы представлены в двоичной форме. Для ввода и вывода информации используются специальные

Состав компонентов ЭВМ Дж. фон Неймана

Рис. 5.1. Состав компонентов ЭВМ Дж. фон Неймана

устройства, причем программы и данные имеют однотипный ввод в компьютер. Память компьютера структурирована на основную (оперативную) и внешнюю (запоминающие устройства).

Выделяют следующие устройства памяти, которые отличаются скоростью считывания и записи информации, а также емкостью:

■ сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ) – обеспечивает работу самой быстродействующей памяти малого объема, соответствует внутренней микропроцессорной памяти;

■ оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) обеспечивает работу быстродействующей памяти значительного объема, соответствует основной оперативной памяти компьютера (ячейкам блока памяти);

■ постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – обеспечивает работу быстродействующей памяти небольшого объема, которая сохраняет свое содержимое;

■ внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) – обеспечивает работу самой медленной памяти самой большой емкости.

В СОЗУ хранится небольшой объем данных, используемых процессором в ближайшие такты его работы. В ОЗУ представляется информация (программный код и данные), непосредственно используемая в текущем сеансе работы компьютера. Эта память является энергозависимой, при выключении компьютера она стирается, кроме памяти, находящейся под управлением ПЗУ, которое может быть перепрограммируемым (ППЗУ). Внешние запоминающие устройства имеют емкость, намного превосходящую основную память, но с существенно более медленным доступом; они позволяют длительно хранить большие объемы информации (файлы программ и данные различных форматов).

В качестве устройства ввода символьной информации наиболее часто используется клавиатура, а для ввода графической информации – сканеры, дигитайзеры, видео- и веб-камеры, графический планшет и световое перо; для ввода звуковой информации служит аккордовая клавиатура, спикеры (микрофоны), диктофон и др.

Устройства вывода информации весьма разнообразны в зависимости от вида выходной информации. Так, для вывода визуальной информации используется печатающее устройство (принтер) или монитор (дисплей), графопостроитель (плоттер). Вывод звуковой информации требует наличия специальной мультимедийной аппаратуры – динамиков, акустических колонок и наушников.

Концепции Н. Винера и Дж. фон Неймана быстро нашли свое воплощение в ЭВМ, созданных уже в конце 1940-х – начале 1950-х гг. (ЭВМ с хранимой программой UNIVAC, Universal Automatic Computer, появившаяся в 1949 г. в США; машины серии IBM 701 и др.). Первые ЭВМ имели следующие параметры (на примере ЭВМ UNIVAC):

■ устройства ввода данных с магнитной ленты и перфокарт;

■ длина машинного слова – 78 бит;

■ емкость основной памяти – 1000 слов;

■ использование 100 ртутных линий задержки с обратной связью для хранения данных;

■ производительность – одно сложение за 500 мкс, одно умножение за 2,5 мс;

■ обеспечение надежности обработки данных за счет дублирования важнейших схем;

■ контроль достоверности преобразования данных по методу контроля "четности".

В 1951 г. в Киеве под руководством академика С. А. Лебедева была создана первая отечественная малая электронно-счетная машина (МЭСМ); в 1952 г. появилась большая электронно-счетная машина (БЭСМ). Популярная машина БЭСМ 2 этой серии имела следующие характеристики:

■ разрядность машинного слова – 39 бит (в два раза меньше, чем для UNIVAC);

■ разрядность числа с плавающей точкой: мантисса – 32 бита, порядок – 5 бит, по 1 биту знаки мантиссы и порядка, что обеспечивало представление чисел в диапазоне 10~9–109; в формате с фиксированной запятой представлялись только числа меньше 1;

■ двоично-кодированное представление десятичных чисел, когда каждую десятичную цифру представляют 4 бита;

■ максимальное быстродействие –10 000 операций в секунду;

■ одно-, двух-, трехадресные и безадресные команды, всего 32 машинные команды: девять арифметических операций, шесть логических операций, восемь операций передачи кодов, девять операций управления;

■ разрядность адреса – 11 бит, разрядность кода операции – 6 бит;

■ ОЗУ на ферритовых сердечниках емкостью 2048 со временем обращения 10 мкс построено на магнитных барабанах, емкость ВЗУ – 5000 чисел, среднее время доступа – 40 мс, скорость считывания – 800 чисел в секунду;

■ ВЗУ на магнитных лентах: 4 шт. по 30 000 чисел со скоростью считывания 400 чисел в секунду;

■ ввод данных с перфоленты со скоростью 20 кодов в секунду;

■ вывод данных на перфоленту со скоростью 20 чисел в секунду.

Позже, в 1950–1960 гг., в СССР были разработаны отечественные ЭВМ "Стрела", "Урал", "Минск", М-20, М-220 и др. У истоков создания советской вычислительной техники стояли такие крупные отечественные ученые, как: С. А. Лебедев, Б. И. Рамеев, Ю. А. Базилевский, И. С. Брук, А. А. Ляпунов, В. М. Глушков, Б. Н. Наумов и др.

Архитектура ЭВМ Дж. фон Неймана полностью соответствует ЭВМ первого и второго поколений. Появление ЭВМ третьего поколения, основанных на применении интегральных схем, обострило противоречия в согласовании производительности структурных блоков ЭВМ. Возникла необходимость создания каналов ввода/ вывода, специальных электронных схем управления работой внешних устройств (контроллеров), которые являются специализированными процессорами и имеют собственную систему команд. Среди каналов ввода/вывода выделяли мультиплексные каналы, обслуживающие большое число медленно работающих устройств ввода/вывода, и селекторные каналы, обслуживающие в многоканальных режимах скоростные ВЗУ.

Появился и новый вид памяти – видеопамять. Это было обусловлено разработкой устройства визуального ввода и вывода – дисплея. Характерной чертой архитектуры ЭВМ нового поколения является общая шина. Переход к шинной архитектуре построения ЭВМ

Открытая шинная архитектура ЭВМ

Рис. 5.2. Открытая шинная архитектура ЭВМ

позволил реализовать открытую архитектуру для ЭВМ, содержащих небольшое число внешних устройств (рис. 5.2).

В следующих поколениях ЭВМ процессор перестал играть центральную роль в конструкции ЭВМ. Это позволило устройствам ЭВМ устанавливать прямые связи друг с другом, осуществлять обмен данными между внешним устройством и ОЗУ (без участия центрального процессора). Метод прямого доступа к памяти реализован на базе специального контроллера.

Архитектура ЭВМ постоянно развивается. Так, увеличение потоков информации между устройствами привело к использованию вместо одной нескольких специальных шин (шина для обмена данными с памятью, шина для связи с быстрыми внешними устройствами, шина для связи с медленными внешними устройствами и т.п.). В современной архитектуре ЭВМ наметились три тенденции:

  • 1) усложнение системы связи между узлами ЭВМ за счет расширения внешних устройств;
  • 2) создание многопроцессорных ЭВМ (сочетание центрального и специализированных процессоров, видеопроцессоров для ускорения визуализации информации и т.п.), которое связано с развитием методов параллельных вычислений, позволяющих усложнить структуру вычислительной системы;
  • 3) ускоряющееся возрастание роли межкомпьютерных коммуникаций, которое привело к появлению многомашинных комплексов, компьютерных сетей, понятия "архитектура вычислительной системы".

Следует также заметить, что ЭВМ, построенные на основе неймановской архитектуры и рассчитанные на последовательное выполнение команд, имеют предел роста производительности. Для совершенствования вычислительных процессов осуществляется переход на параллельную, отличную от неймановской, векторно-конвейерную архитектуру построения ЭВМ, многопроцессорных систем и сетей ЭВМ.

Наиболее характерными чертами архитектуры современных ЭВМ являются: модульность построения – наличие в структуре ЭВМ автономных, функционально и конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком магнитном диске); иерархическая организация структуры ЭВМ, основанная на наличии центрального процессора и совокупности подключаемых к нему контроллеров, каналов ввода/вывода, специальных шин или магистралей для передачи управляющих сигналов, адресов операндов и самих данных, передачи управляющих сигналов от центрального процессора и информации обратной связи вверх по иерархии с целью правильной координации работы всех узлов; децентрализация управления и структуры ЭВМ.

Для ЭВМ применяется система машинных команд, включающая в себя команды: передачи данных (пересылки), арифметические, логические, сдвигов двоичного кода влево и вправо (для выполнения умножения и деления), ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами, управления, специальные.

Процессор ЭВМ характеризуется: набором выполняемых команд, скоростью их выполнения, объемом адресуемой памяти, размерами машинных слов, разрядностью.

Производительность ЭВМ зависит от быстродействия процессора, класса решаемых задач и порядка прохождения задачи через ЭВМ. Ее характеризуют различные показатели:

■ число коротких операций в единицу времени (обычно берут операцию сложения, когда операнды хранятся во внутренних регистрах процессора), а для оценки числового выражения эффективности ЭВМ используют смеси команд;

■ скорость выполнения команд над числами с плавающей запятой;

■ тактовая частота генератора тактовых импульсов компьютера;

■ разрядность процессора.

Тактовая частота синхронизирует все операции процессора, но при этом любая операция в процессоре не может быть выполнена быстрее, чем за один такт импульсов.

Наиболее распространенными единицами измерения производительности ЭВМ являются: FLOPS (Floating point Operations Per Second) – число операций с плавающей запятой в секунду (флопс); MIPS (Million Instructions Per Second) – миллионы инструкций в секунду для операций с фиксированной запятой.

Рост производительности суперЭВМ представлен на рис. 5.3, а производительность ПК – на рис. 5.4.

Оперативная память компьютера рассматривается как массив ячеек, номер ячейки памяти называется ее адресом. Важнейшая характеристика процессора – разрядность адреса, которая определяет размерность адресного пространства. Единицей адресации является байт. Для обращения процессора к памяти используется

Рост производительности суперЭВМ

Рис. 5.3. Рост производительности суперЭВМ

Рост производительности ПК

Рис. 5.4. Рост производительности ПК

адрес, передаваемый по адресной шине. Разрядность шины адреса определяет максимальный номер байта, который может быть затребован процессором. Для 16-тиразрядной шины адреса адресное пространство составляет 64 Кбайт, при 32-хразрядной шине адреса – 4 Гбайт, 64-хразрядной шине адреса – 16 Тбайт. При этом чем больше разрядность шины адреса, тем шире и шина данных. Примерное соотношение ширины шины адреса в современных процессорах – от 0,5 до 2,0 ширины шины данных.

Машинное слово является машинно зависимой величиной и определяет:

■ разрядность шины данных, характеризующую число передаваемых битов данных за один такт работы процессора;

■ разрядность данных, обрабатываемых процессором;

■ максимальное значение целого без знака числа, равное 2n – 1, превышение этого размера приводит к переполнению;

■ максимальный объем оперативной памяти, напрямую адресуемой процессором.

Размер машинного слова равен разрядности регистров процессора, он определяется в битах или байтах. Число одновременно обрабатываемых битов называется разрядностью процессора: чем больше разрядность процессора, тем выше его производительность.

 
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы