Информатика_Ч1

Вторая мировая война дала толчок к усовершенствованию вычислительных устройств и технологии их производства. В 1944 г. Говард Айкен из IBM создал первую в мире ЭВМ на релейных элементах – Havard Mark I. В 1946 г. сотрудники IBM Дж. Эккерт и Дж. Мочли создали первый компьютер на электронных лампах – ENIAC.

В1951 г. началось массовое производство машин серии UNIVAC – этот год принято считать годом появления технологии ЭВМ первого поколения.

В1960 г. появились ЭВМ второго поколения – на полупроводниковых элементах.

Достижения в области полупроводниковой технологии – разработка технологии производства интегральных схем – привели к тому, что в 60-х гг. были созданы ЭВМ третьего поколения (1964 г.) на основе БИС (больших интегральных схем), а затем ЭВМ четвертого поколения (1970 г.) на основе СБИС (сверхбольших интегральных схем).

Вконце 70-х развитие микроэлектроники привело к созданию персональных компьютеров на основе микропроцессоров.

Успехи в разработке оборудования сопровождались достижениями в области программирования.

В1955 г. создан первый язык высокого уровня – Фортран, включавший многие элементы алгебры. Были созданы другие языки для решения разных классов задач: КОБОЛ (для решения экономических задач), АЛГОЛ (для решения научных задач), PL/I (единый язык для решения задач прикладного и системного программирования).

Помимо языков программирования в 60-х гг. XX в. был разработан ряд операционных систем. Развивается в эти годы технология программирования, т. е. методы построения трансляторов языков (см. раздел 1.3. Программное обеспечение информатики).

Вначале 80-х гг. XX в. японские специалисты выступили с амбициозным проектом создания ЭВМ пятого поколения, устройство которой позволило бы пользователю ставить задачу ЭВМ на своем профессиональном языке, а специальный блок такой ЭВМ, так называемый «интеллектуальный интерфейс», выполнил бы всю ту работу, которую раньше делал программист.

Классификация ЭВМ

Под ЭВМ понимается большое число разнообразных машин, различающихся размерами, производительностью, стоимостью, назна-

11

чением. Возможны разные типы классификаций вычислительных устройств. Если в качестве основания взять производительность, то можно построить следующую классификацию ЭВМ:

–суперЭВМ;

–большие ЭВМ;

–миниЭВМ;

–микроЭВМ и микропроцессоры, встраиваемые в механизмы, приборы и машины.

Супер- и большие ЭВМ предназначены для решения сложных научных и технических задач. МиниЭВМ используются в системах автоматизации управления и проектирования. МикроЭВМ, или персональные ЭВМ, решают конкретные пользовательские задачи.

Классическая архитектура ЭВМ общего назначения

Классическая архитектура ЭВМ разработана американским инженером фон Нейманом, поэтому ее еще называют неймановской архитектурой. Согласно Нейману, в состав ЭВМ входит пять функционально независимых блоков: устройство ввода информации в ЭВМ (Увв), запоминающее устройство (ЗУ), арифметико-логи- ческое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ) и устройство вывода информации из ЭВМ (Увыв) (рис. 2).

Рис. 2. Неймановская архитектура ЭВМ

12

Устройство ввода принимает кодированную информацию из внешней среды от человека-оператора или электромеханического прибора. Информация запоминается в ЗУ для последующего использования или сразу обрабатывается АЛУ. Шаги обработки информации определены программой, хранящейся в памяти ЭВМ. Результаты обработки возвращаются во внешнюю среду через устройство вывода. Все эти действия координируются устройством управления.

Обычно схемы АЛУ компонуются вместе со схемами УУ в виде одного блока, называемого центральным процессором (ЦП). Оборудование ввода и вывода объединяется термином «устройство вводавывода» (Увв-выв).

В ЭВМ информация поступает двух типов: в виде команд и в виде данных. Команды, или инструкции, выполняют две функции: 1) управляют передачей информации внутри ЭВМ, а также между ЭВМ и внешней средой; 2) указывают, какие арифметические и логические операции должны быть выполнены. Последовательность команд, которые обеспечивают решение задачи, называется программой. Обычно решение задачи начинается с загрузки программы в память. Затем ЦП извлекает команды из ЗУ и выполняет предусмотренные операции. Таким образом, ЭВМ находится под полным управлением выполняемой программы, кроме тех случаев, когда поступают сигналы прерывания от оператора или электронных устройств, связанных с ЭВМ.

Определим данные как кодированную информацию, которая обрабатывается командами программы.

Информация в ЭВМ должна быть представлена в соответствующем формате. Поскольку ЭВМ состоит из электронных и цифровых схем, элементы которых имеют два устойчивых состояния, то используется двоичная система счисления для кодирования информации: каждое число, символ текста или команда кодируются цепочкой двоичных цифр – бит (см. раздел 2.2. Системы счисления).

Рассмотрим более подробно назначение и примеры отдельных устройств ЭВМ.

Устройство ввода информации. Функция этого устройства очевидна – ввод информации в ЭВМ из внешней среды. В качестве Увв выступают клавиатура, дисплей (монитор), вспомогательные дисплейные устройства ввода (различного типа манипуляторы, световое перо).

Запоминающее устройство (память). Единственная функция ЗУ – хранение программ и данных. Различают три класса устройств памяти: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное за-

13

поминающее устройство (ОЗУ) и внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

ПЗУ – это неизменяемая память ЭВМ, назначение которой хранить служебные программы, необходимые для работы системы.

ОЗУ – это быстродействующее запоминающее устройство. Оно содержит большое количество ячеек памяти, каждая из которых хранит 1 бит информации. Ячейки связаны в группы фиксированных размеров, называемые машинными словами. ОЗУ организовано таким образом, чтобы содержимое из n бит можно было найти или запомнить при помощи одной операции. Для облегчения доступа к любому слову ОЗУ с положением каждого слова связано некоторое имя (адрес). Длина машинного слова определяется разрядностью ЦП.

Для хранения большого объема данных применяются более дешевые ВЗУ, использующие в качестве носителей информации магнитные ленты и диски, оптические диски или электронные носители.

Устройство вывода информации. Выполняет обратную функцию по сравнению с устройствами ввода. Некоторые устройства совмещают обе функции, поэтому часто используется общий термин – устройство ввода-вывода. К устройствам вывода относятся дисплеи, печатающие устройства (принтеры), графопостроители (плоттеры).

Центральный процессор. Большинство операций в ЭВМ выполняется в АЛУ. Например, необходимо сложить два числа в оперативной памяти – они передаются в АЛУ, в нем складываются. Аналогично выполняется любая другая арифметическая или логическая операция. Для ускорения вычислений ЦП имеет высокоскоростные ячейки памяти – регистры – для временного хранения данных. ЦП – наиболее скоростное устройство ЭВМ, поэтому один ЦП может управлять рядом внешних устройств.

Все описанные устройства обеспечивают необходимые средства для хранения и обработки информации. Действия этих устройств должны быть согласованы, что является функцией УУ.

Структура шин

Существуют разные способы организации структуры ЭВМ. Набор проводов, обеспечивающих необходимые связи между отдельными блоками ЭВМ, называются шинами. Шина содержит линии данных и линии управления. Рассмотрим сначала одношинную однопроцессорную организацию ЭВМ (рис. 3).

14

Рис. 3. Одношинная однопроцессорная архитектура ЭВМ

Все устройства связаны с одной шиной. Поскольку шина может использоваться только для одной передачи, то в данный момент времени только одно устройство может быть активным. Подобная структура обеспечивает низкую стоимость ЭВМ и легкость подключения внешних устройств.

Недостатки однопроцессорной одношинной структуры в том, что при использовании одной шины общая продуктивность системы, во-первых, диктуется производительностью процессора, во-вторых, ограничивается последовательным характером процесса обмена информацией процессора с прочими устройствами. Увеличение производительности системы за счет повышения быстродействия элементов системы (процессора, памяти) дает положительный результат только до определенных пределов, так как ограничивается сверху пропускной способностью общей шины.

Впростейшей одношинной двухпроцессорной архитектуре эффект «узкого места» шины в известной степени нейтрализуется. Каждый процессор имеет собственную память, в которой хранятся некоторые управляющие программы (рис. 4). Дополнительно в системе имеется общая память, доступная в данный момент одному из процессоров.

Однако наличие общей магистрали и обмен с памятью в режиме разделения времени (в два такта) все же создают определенные ограничения.

Двухшинная структура позволяет повысить производительность системы. Существует два варианта двухшинной однопроцессорной структуры.

Впервом варианте (рис. 5, а) ввод-вывод данных происходит под прямым управлением центрального процессора, во втором (рис. 5, б) – без участия процессора. В такой структуре реализуется параллельная работа нескольких устройств ЭВМ.

15

Общее

ОЗУ

Рис. 4. Одношинная двухпроцессорная архитектура ЭВМ

Недостатки приведенных выше структур снимаются в многошинной многопроцессорной организации ЭВМ. Рассмотрим один из примеров такой организации (рис. 6).

В данной системе имеется три процессора, причем два из них выполняют вспомогательные функции обслуживания внешних устройств. Поскольку имеется несколько шин, то одновременно в системе может работать несколько устройств.

а

Увв

Увыв

16

б

Увв

Увыв

Рис. 5. Двухшинная однопроцессорная архитектура ЭВМ

Многопроцессорная многошинная архитектура является базой для построения суперЭВМ, по своим характеристикам превосходящих большинство современных ЭВМ.

Рис. 6. Многошинная многопроцессорная архитектура ЭВМ Структура ЭВМ 5-го поколения

Работу пользователя ЭВМ в настоящее время можно представить с помощью схемы, представленной на рис. 7.

17

В состав интеллектуального интерфейса (ИИ) входят: 1 – процессор общения; 2 – планировщик («автоматический программист»); 3 – база знаний. Пользователь ставит задачу такой ЭВМ на естественном языке (возможно, в рукописной или речевой форме); процессор общения переводит задание в форму, понятную планировщику, который, используя знания из базы знаний, разрабатывает программу, решающую поставленную задачу. Затем программа выполняет-

18

ся той частью ЭВМ 5-го поколения, которая обозначена на рис. 8 как обычная ЭВМ.

Системы обработки данных

Отдельная ЭВМ или процессор являются элементами, позволяющими строить сложные вычислительные системы обработки данных. Система обработки данных (СОД) – это совокупность технических средств и программного обеспечения, предназначенная для информационного обслуживания пользователей и технических объектов.

В состав технических средств СОД входит оборудование для ввода, хранения, преобразования и вывода данных, в том числе ЭВМ, устройства сопряжения ЭВМ с объектами, аппаратура передачи данных и линии связи. Программное обеспечение СОД – это совокупность программ, реализующих возложенные на систему функции. Функции СОД состоят в выполнении требуемых актов обработки данных: ввода, хранения, преобразования и вывода.

Классификация СОД

СОД можно классифицировать на основе способа построения. На рис. 9 представлена такая классификация.

СОД

Рис. 9. Классификация СОД

19

Одномашинные СОД. Исторически первыми были одномашинные СОД, построенные на базе единственной ЭВМ с классической однопроцессорной структурой. К настоящему времени накоплен значительный опыт проектирования и эксплуатации таких СОД. Однако производительность и надежность таких систем оказывается удовлетворительной для ограниченного применения, когда требуется относительно невысокая производительность и допускается простой системы в течение нескольких часов из-за отказов оборудования. К настоящему времени мы пришли к физическому пределу быстродействия элементов электронных схем ЭВМ, а стало быть, к пределу производительности систем на базе таких ЭВМ. Кроме того, при любом уровне технологии невозможно обеспечить абсолютную надежность элементной базы и поэтому нельзя исключить для таких СОД возможность потери работоспособности.

Вычислительные комплексы. Начиная с 60-х гг. XX в. для повышения надежности и производительности СОД несколько ЭВМ связывались между собой, образуя многомашинный вычислительный комплекс (ВК). В ранних ВК связь между ЭВМ обеспечивалась через ВЗУ, т.е. за счет доступа к общим наборам данных. Такая связь называется косвенной и оказывается эффективной только тогда, когда ЭВМ взаимодействуют редко (рис. 10, а).

Более оперативное взаимодействие ЭВМ достигается за счет прямой связи через адаптер, обеспечивающий обмен данными и передачу сигналов прерывания через каналы ввода-вывода (КВВ) двух ЭВМ (рис. 10, б). За счет этого создаются хорошие условия для координации процессов обработки данных и повышается оперативность обмена данными, что позволяет вести параллельную обработку данных и существенно увеличить производительность СОД.

Рис. 10. Способы связи отдельных ЭВМ в вычислительном комплексе: а – косвенная связь; б – прямая связь

20