КЛ_АВС

Рассмотрено на заседании кафедры автоматики и телемеханики

протокол № 6 от " 31 " января 2012 г.

Зав. кафедрой________________А.А. Фомичев

2

4

Введение.

Основные понятия и определения.

Изучение любого вопроса принято начинать с договоренностей о терминологии. В нашем случае определению подлежат понятия

вычислительная машина (ВМ) и вычислительная система (ВС). В

литературе можно найти множество самых различных определений терминов «вычислительная машина» и «вычислительная система». Причина такой терминологической неопределенности кроется в невозможности дать удовлетворяющее всех четкое определение, достойное роли стандарта. Приведем несколько определений термина «вычислительная машина», взятых из различных литературных источников. Итак, вычислительная машина — это:

1.Устройство, которое принимает данные, обрабатывает их в соответствии с хранимой программой, генерирует результаты и обычно состоит из блоков ввода, вывода, памяти, арифметики, логики и управления.

2.Функциональный блок, способный выполнять реальные вычисления, включающие множественные арифметические и логические операции, без участия человека в процессе этих вычислений.

3.Устройство, способное:

хранить программу или программы обработки и по меньшей мере информацию, необходимую для выполнения программы;

быть свободно перепрограммируемым в соответствии с требованиями пользователя;

выполнять арифметические вычисления, определяемые пользователем;

выполнять без вмешательства человека программу обработки, требующую изменения действий путем принятия логических решений в процессе обработки.

4.Согласно ГОСТ 15971-90, вычислительная машина (ВМ, Computer) — совокупность технических средств, создающая возможность проведения обработки информации и получение результата в необходимой форме. Примечание. Как правило, в состав ВМ входит и системное программное обеспечение

5

Термином вычислительная машина будем обозначать комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей.

В свою очередь, вычислительную систему определим как совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или вычислительных машин, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для подготовки и решения задач пользователей.

Таким образом, формально отличие ВС от ВМ выражается в количестве вычислителей. Множественность вычислителей позволяет реализовать в ВС параллельную обработку. С другой стороны, современные вычислительные машины с одним процессором также обладают определенными средствами распараллеливания вычислительного процесса. Иными словами, грань между ВМ и ВС часто бывает весьма расплывчатой, что дает основание там, где это целесообразно, рассматривать ВМ как одну из реализаций ВС. И напротив, вычислительные системы часто строятся из традиционных ВМ и процессоров, поэтому многие из положений, относящихся к ВМ, могут быть распространены и на ВС.

Под архитектурой вычислительной машины обычно понимается логическое построение ВМ, то есть то, какой машина представляется программисту. Впервые термин «архитектура вычислительной машины» (computer architecture) был употреблен фирмой IBM при разработке машин семейства IBM 360 для описания тех средств, которыми может пользоваться программист, составляя программу на уровне машинных команд. Подобную трактовку называют «узкой», и охватывает она перечень и формат команд, формы представления данных, механизмы ввода/вывода, способы адресации памяти и т. п. Из рассмотрения выпадают вопросы физического построения вычислительных средств: состав устройств, число регистров процессора, емкость памяти, наличие специального блока для обработки вещественных чисел, тактовая частота центрального процессора и т. д. Этот круг вопросов принято определять понятием организация или структурная организация.

Архитектура (в узком смысле) и организация — это две стороны описания ВМ и ВС. Поскольку для наших целей, помимо теоретической строгости, такое деление не дает каких-либо преимуществ, то в дальнейшем будем пользоваться термином «архитектура», правда, в «широком» его толковании, объединяющем как архитектуру в узком смысле, так и организацию ВМ. Применительно к вычислительным системам термин «архитектура» дополнительно распространяется на вопросы распределения функций между составляющими ВС и взаимодействия этих составляющих.

Уровни абстракции при описании вычислительных машин

Как и большинство сложных систем, компьютеры разрабатываются с использованием разных уровней абстракции. Эти уровни меняются от машины к машине. Некоторые из них соответствуют программному

6

обеспечению, а другие представляют аппаратные средства. Например, на большинстве машин язык высокого уровня будет переведен при помощи программного обеспечения (компилятора) в машинный код, но в Zilog Z8000, машинным языком был BASIC.

Некоторые машины имеют операционную систему и программных библиотек времени выполнения, которые обеспечивают абстракции поверх аппаратного обеспечения, в то время как другие (например, цифровые сигнальные процессоры) могут не иметь практически никакого программного обеспечения на этом уровне абстракции. Некоторые машины реализованы с помощью микрокода, который является одной из форм программного обеспечения, которое зафиксировано аппаратно (так называемые прошивки). Другие реализованы на основе логических схем, которые создаются системами автоматизированного проектирования (САПР), с различными абстракциями.

Аппаратные средства вычислительной техники (ВТ) строятся по иерархической схеме (от низших уровней к высшим):

1.Элементарные логические схемы (базовые вентили), в свою очередь построенные на нескольких интегральных транзисторах.

2.Типовые схемотехнические узлы - комбинационные схемы (триггеры,

3.регистры, дешифраторы, одноразрядные и параллельные сумматоры).

4.Функциональные узлы ЭВМ, состоящие из нескольких типовых схем (блок

5.регистров, запоминающее устройство, матричный умножитель, АЛУ и т.д.)

4. Подсистемы ЭВМ (процессор, числовой сопроцессор, контроллер внешнего

6. устройства, система памяти, подсистема ввода-вывода и т.д.)

5.Автономные вычислительные машины.

6.Вычислительные системы, комплексы и сети.

Построение современных ВМ и систем тесно связано с понятием “уровень абстракции”.

7

7. Отдельные уровни абстракции должны быть как можно меньше связаны между собой. При помощи такого разделения обеспечивается возможность изменения отдельных элементов ВМ\С без изменения всей структуры в целом.

Уровни детализации структуры ВМ

ВМ как законченный объект представляет собой плод усилий специалистов в самых разных областях человеческих знаний. Каждый специалист рассматривает ВМ с позиции стоящей перед ним задачи, абстрагируясь от несущественных, по его мнению деталей. В соответствии с этим уровней детализации структуры может быть достаточно много. Однако,

ЛФУ

Этапы развития и поколения вычислительных машин

Этапы развития ЭВМ

Со времени появления первых ВМ (50-е гг. XX в.) сменилось пять поколений, отличающихся элементной базой, функциональными возможностями, быстродействием, архитектурой. В процессе развития расширялась сфера использования ВМ, совершенствовались информационные технологии, изменялись концептуальные принципы организации обработки данных. Статистический анализ показывает, что рост производства средств вычислительной техники (в стоимостном выражении) имеет экспоненциальный характер, но отмечаются периоды спада темпов роста. Эти периоды связаны с пересмотром концепций развития и коренной технологической перестройкой производства средств вычислительной техники. Соответственно можно выделить три этапа.

На первом этапе (50 —70-е гг. XX в.) преобладала централизованная обработка данных на универсальных ВМ в вычислительных центрах. Основной целью развития была экономия машинного времени.

Второй этап (с середины 70-х гг. до середины 80-х гг. XX в.) связан с массовым применением мини и микроЭВМ, созданием и совершенствованием МП и микропроцессорных средств. Основной задачей для использования быстро развивающихся средств вычислительной техники стала разработка эффективной технологии программирования. Этому способствовало создание средств автоматизации разработки программ: в первую очередь языков высокого уровня, режима разделения времени работы ВМ и интерактивных систем отладки.

9

Третий этап (со второй половины 80-х гг. XX в.) связан с массовым распространением ПК. Особенностью этого этапа стало создание высокоразвитого «доброжелательного» системного ПО. ПК в значительной мере ориентированы на использование готовых прикладных программ для информационного обслуживания в различных сферах деятельности. Для эффективного использования ПК во многих областях человеческой деятельности не требуется быть профессионалом-программистом.

Краткая история развития вычислительной техники.

(Полезными ресурсами для изучения истории компьютерной техники являются:

Проект Эдуарда Пройдакова. Виртуальный компьютерный музей. http://www.computer-museum.ru; Очень краткий путеводитель по другим музеям: Сергей Артюхов. Виртуальные музеи компьютеров. «Мир ПК» , №

03, 2002, http://www.osp.ru/pcworld/2002/03/163068/ )

Нулевое поколение. Механические вычислители

Предпосылки к появлению компьютера формировались, наверное, с древних времен, однако нередко обзор начинают со счетной машины Блеза Паскаля, которую он сконструировал в 1642 г. Эта машина могла выполнять лишь операции сложения и вычитания. В 70-х годах того же века Готфрид Вильгельм Лейбниц построил машину, умеющую выполнять операции не только сложения и вычитания, но и умножения и деления.

ВXIX веке большой вклад в будущее развитие вычислительной техники сделал Чарльз Бэббидж. Его разностная машина, хотя и умела только складывать и вычитать, зато результаты вычислений выдавливались на медной пластине (аналог средств ввода-вывода информации). В дальнейшем описанная Бэббиджем аналитическая машина должна была выполнять все четыре основные математические операции. Аналитическая машина состояла из памяти, вычислительного механизма и устройств вводавывода (прямо таки компьютер … только механический), а главное могла выполнять различные алгоритмы (в зависимости от того, какая перфокарта находилась в устройстве ввода). Программы для аналитической машины писала Ада Ловлейс (первый известный программист). На самом деле машина не была реализована в то время из-за технических и финансовых сложностей. Мир отставал от хода мыслей Бэббиджа.

ВXX веке автоматические счетные машины конструировали Конрад Зус, Джорж Стибитс, Джон Атанасов. Машина последнего включала, можно сказать, прототип ОЗУ, а также использовала бинарную арифметику. Релейные компьютеры Говарда Айкена: «Марк I» и «Марк II» были схожи по архитектуре с аналитической машиной Бэббиджа.

Первое поколение. Компьютеры на электронных лампах (194х-1955)

Быстродействие: несколько десятков тысяч операций в секунду.

10