Модуль 1. Вычислительные машины Лекция 1. Основные понятия вычислительной техники и принципы организации вычислительных машин и систем

Вычислительные машины и сети предназначены для автоматизации процессов обработки, хранения и передачи информации. В настоящее время они используются во всех сферах человеческой деятельности: для выполнения сложных расчётов, в управлении производственными процессами, здравоохранении, образовании и т.д. Вычислительные машины относятся к сложным системам, при их описании и проектировании используются понятия и принципы из общей теории систем.

1.1 Основные понятия и определения

Введём несколько определений /1/.

Система – это совокупность элементов, соединённых между собой для достижения определенной цели.

Вычислительная машина – это система, выполняющая заданную, чётко определённую последовательность операций (программу) в соответствии с выбранным алгоритмом обработки информации.

Алгоритм – набор предписаний, однозначно определяющий содержание и последовательность выполнения действий для решения задач.

Для наглядного представления вычислительных машин и сетей их изображают в виде схем, состоящих из блоков и связей между ними. Такие схемы представляют собой ориентированный граф, вершины которого – блоки.

В функциональной схеме блоки выделяются по функциональному признаку, в структурной схеме блоки соответствуют конструктивным компонентам – устройствам, узлам, интегральным схемам. Отдельные блоки функциональной и структурной схем могут совпадать. С каждым блоком связаны входы, выходы и функция, которая задаёт правила получения выходных последовательностей по входным последовательностям.

Структура – это совокупность элементов и их связей.

Функциональная организация вычислительной машины (сети) – это представление её как абстрактной системы в виде функциональной схемы, иллюстрирующей результат функциональной декомпозиции. Для сложных систем, таки как вычислительные машины и сети, часто используется иерархия представлений.

Структурная организация вычислительной машины (сети) - это представление её как системы в виде схемы, содержащей реально реализуемые устройства, узлы, элементы.

Функциональные схемы вычислительных машин и устройств состоят из блоков, каждый из которых является преобразователем информации.

Преобразователь информации – это некоторый блок, имеющий входы для поступления информации и некоторые выходы, на которых представлена выходная информация.

Информация на входах и выходах блоков представлена сигналами. Сигнал- это носитель информации в виде изменяющейся во времени физической величине, обеспечивающей передачу данных. В настоящее время подавляющее большинство преобразователей информации представляют собой электронные схемы, содержащие соединённые определённым образом между собой электронные ключи – вентили. Эти электронные схемы реализуются с использованием технологий современной микроэлектроники в виде интегральных схем. Для представления сигналов приняты два непересекающихся диапазона уровней напряжения. При напряжении 5В: диапазон 0 - 0,4В соответствует значению логического «0» в двоичной системе счисления, диапазон 2,4 – 5В соответствует значению логической «1».

Информация в вычислительных машинах в виде двоичных кодов фиксированной длины (машинных слов). Для получения, передачи, хранения и обработки информации используются аппаратные и программные средства, называемые вычислительными ресурсами.

Многоуровневая иерархия аппаратных и программных средств, из которых строится вычислительная машина, называется архитектурой вычислительной машины. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения вычислительных машин.

Несколько вычислительных машин или вычислительных систем, информационно связанных между собой, образуют вычислительный комплекс. При этом каждая машина самостоятельно управляет своими вычислительными процессами, и информационный обмен между вычислительными машинами комплекса не является интенсивным (например, цех, корабль и т.д.).

Вычислительная система – это информационная система, настроенная на решение задач конкретной области применения, т.е. в ней имеется аппаратная и программная специализация. Вычислительные системы бывают многопроцессорными (содержат несколько процессоров, между которыми происходит интенсивный обмен информацией; имеют единое управление вычислительными процессами) и микропроцессорными (строятся на базе микропроцессора или микроконтроллера, либо специализированного процессора цифровой обработки сигналов; используются для локального управления технологическим оборудованием в технических и бытовых системах).

Сеть (компьютерная, информационно- вычислительная) – это информационная система, которая состоит из множества абонентских систем и телекоммуникационной системы для их информационного взаимодействия. Отличительной особенностью сетей являются развитые функции информационного взаимодействия.

Множество операций над данными и порядок выполнения этих операций называется моделью вычислений. В рамках изучения принципов работы вычислительных машин, систем и сетей подразумевается модель вычислений, заложенная в оборудование и, следовательно, зависящая от их (вычислительных машин) структуры и архитектуры.

Ознакомившись с основными терминами, перейдем к рассмотрению подходов к организации вычислительных машин и систем, а также их характеристик.