Основные характеристики ЭВМ. Классификация средств электронной вычислительной техники. 2

       Основные  характеристики ЭВМ.

       Классификация средств электронной  вычислительной техники. 

       Комплекс  технических и программных средств, предназначенные  для автоматизации  подготовки и решения задач пользователей. Пользователем понимают человека, в  интересах которого проводится обработка данных на ЭВМ. В качестве пользователя могут выступать, программисты работ, программисты, операторы. Структура – совокупность элементов и их связей. Различают структуры технических, программных и аппаратурно-программных средств. Выбирая ЭВМ для решения своих задач пользователь интересуется функциональными возможностями технических и программных модулей  при этом пользователь интересуется не конкретной технической реализацией отдельных модулей, а более общими вопросами возможности организации вычисления.

       Архитектура ЭВМ – это многоуровневая иерархия аппаратно- программных средств из которых состоит ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного  построения ЭВМ. Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной техники. Инженеры схемотехники проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы их сопряжения друг с другом. Системные программисты создают программы управления технического средства информационного взаимодействия между уровнями или программой вычислительного процесса. Программисты прикладники разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействия пользователей с ЭВМ и необходимый сервис при решении ими своих задач. Характеристики ЭВМ определяющих её структуру.

1. Технические и эксплутационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, указатель надёжности достоверности точность, ёмкость оперативной памяти, габаритные размеры, стойкость технических и программных средств, особенности эксплуатации).
2. Характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; возможность расширения состава технических и программных средств возможность изменения структуры.
3. Состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (оперативная система или среда, пакеты прикладных программ и средства автоматизации программирования).

(2)

Одно  из важнейших характеристик ЭВМ  является её быстродействие, в которой характеризуется числом команд, выполняемых ЭВМ за 1 сек.

Реальное  или эффективное быстродействие, обеспечиваемое ЭВМ значительно ниже оно может сильно отличаться в зависимости от класса решаемых задач. К сравнению по быстродействию достоверных оценок, поэтому вместо характеристики быстродействия часто используют связанную с ней характеристику производительности – объём работ осуществляемых ЭВМ в единицу времени. Ёмкость заполняющих устройств: ёмкость в памяти измеряется количеством структурных единиц информации, которая может одновременно размещаться в памяти. Структурной наименьшей единицей информации является бит – одна двоичная цифра. Обычно ёмкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения – байт.

     Надёжность – это способность ЭВМ при определённых условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени. 

    Высокая надёжность закладывается в процессе её производства переход на новую элементную базу сверх большие интегральные схемы (СБИС – сверх большие интегральные схемы резко сокращает число используемых интегральных схем, а значит использует число их соединений друг с другом).

Точность  – это возможность различать  почти равные значения, точность получение результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, а так же используемыми структурными единицами. Представление информации (байтом, словом, двойным словом).

Достоверность – свойство информации быть правильно  воспитанной. Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов. Заданный уровень достоверности обеспечивается аппаратурно-программными средствами контроля самой ЭВМ. 
 

Классификация средств ЭВТ. 

1.Традиционную ЭВТ разделяют на аналоговую и цифровую. В ЭВМ обрабатываемая информация представляет соответствующими знаниями аналоговых величин: тока, напряжения, угла поворота какого-то механизма и т.п. Обеспечивает приемлемое быстродействие за не очень высокую точность вычисления (0,001-0,01). Используются в основном в проектных и научно-исследовательских учреждениях в составе различных стендов для обработки сложных образцов техники. По своему назначению их можно рассматривать, как специализированные вычислительные машины. Цифровые вычислительные машины – в них информация кодируется двоичными кодами цифр, они являются самой массовой  вычислительной техники. 

2.В настоящее  время выпускается в основном 4 класса ПК.

1. Большие ЭВМ (main frain) они представляют собой многопользовательские машины с центральной обработкой, с большими возможностями для работы с базами данных  и с различными формами удалённого доступа.
2. Машины RS6000 – очень мощные по производительности, предназначенные для построения рабочих станций для работы с графикой, Unix с сервером кластерных комплексов.
3. Средние ЭВМ – предназначенные в первую очередь работать в финансовых структурах (ЭВМ типа AS\400-бизнес ПК 64-разрядный). Они используются в качестве серверов локальных сетей и сетей корпорации, успешно конструируют с многопроцессорными серверами других фирм.
4. Компьютеры на платформе микросхем фирмы Intel.
1. СуперЭВМ. 2.Большие ЭВМ. 3. средние ЭВМ. 4. Персональные и профессиональные  ЭВМ. 5. Встраиваемые микросхемы.

Общие принципы построения современных ЭВМ. 

1. Основной  принцип построения современных  ЭВМ.
2. Понятие алгоритма.
3. Понятие программы для ЭВМ.
4. Принцип программного управления.

1.Основным  принципом построения всех современных  ЭВМ является программное управление. В основе его лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычисления.

2.Алгоритм  – конечный набор предписаний, определяющий решение задачи по средством  конечного количества операций.

3.”Программа (для ЭВМ) – упорядоченная последовательность  команд подлежащей обработки”       стандарт ISO 2381/-84. Следует заметить, что строгого однозначного определения алгоритма равно, как однозначных методов преобразования алгоритмов в программу вычислений не существует.

4.Принцип  программного управления может   быть осуществлён различными способами: стандартом для построения практически всех ЭВМ стал способом, описанный Фон-Нейманом в 1945г. построений ещё первых образцов ЭВМ. Суть его заключается в следующем: все вычисления  предписанные алгоритмом решения задач  должны бать представлены в виде программы, состоящие из последовательности управляющих слов команд. Каждая команда содержит указание на конкретную выполняемую операцию места нахождения (адреса) операндов и ряд служебных признаков. Операнды – это переменные значения, которых участвуют в операциях преобразования данных, списков (массив) всех переменных (входных данных промежуточных значений и результатов вычислений) является ещё одним неотъемлемым вычислением другой программы. Для доступа к программам, командам и операциям используют их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ предназначенных для хранения объектов. Информация (командная и данные: числовые, текстовая, графическая и т.п.) копируется двоичными цифрами 0 и 1, поэтому различные типы информации, размещенные в памяти ЭВМ практически не различимы, идентификация их возможна только при выполнении программ согласно её логике по контексту. Последовательность битов в формате имеющая определённый смысл называется – полем. Например: каждой команде программы различают поле кода, операция поля адресов, операндов приблизительно к числовой информации выделяют знаковые разряды поля значащих разрядов чисел старшие и младшие разряды. Последовательность, состоящая из определённого принятого для данной ЭВМ числа байтов называется словом.  

Алгоритм  – конечный набор предписаний  определённых решений задачи посредством конечного количества операций.

Программа для ЭВМ – упорядоченная последовательность команд подлежащая обработке .

Операнды –  это переменные, значения которых  участвуют в операциях преобразования данных.

Поле – последовательность битов в формате, имеющие определённый смысл. 

Внутренняя  структура вычислительной машины. 

1.Основные устройства ЭВМ.

2.Процессор или микропроцессор.

3.Память ЭВМ.

4.Оперативная память.

5.Постоянная память

6.Устройство ввода/вывода.

7.Системные интерфейсы.

8.Внешняя память.

9.Пульт управления. 

    Любое ЭВМ неймоновской архитектуры содержит следующие основные устройства:

  1.Арифметическо-логическое  устройство (АЛХ)

  2.Устройство  управления (УУ).

  3.Заполняющее  устройство (ЗУ).

  4.Устройство  ввода/вывода (УВВ).

  5.Пульт управления (ПУ).

В современных  ЭВМ АЛУ и УУ объединены в общее  устройство и называются центральным процессором. 

      Процессор или микропроцессор является основным устройством ЭВМ он предназначен для выполнения вычислений по хранящейся в Запоминающем устройстве программы и обеспечения общего управления ЭВМ. Быстродействие ЭВМ в значительной мере определяется скорость работы процессора. Для её увеличения процессор использует собственную память небольшого объёма именуемую местной или сверхоперативной, что в некоторых случаях исключает необходимость обращения к запоминающему устройству ЭВМ. Вычислительный процесс должен быть предварительно представлен для ЭВМ в виде программы, последовательности инструкций (команд) записанных в порядке выполнения. ЭВМ выбирает определённую команду расшифровывает её, определяет какие действия и над какими операциями следует выполнить. Эту функцию осуществляет устройство управления, оно же помещает выбранные из ЗУ операнды в АЛУ, где они обрабатываются. Само АЛУ работает под управлением УУ.

2.2.Обрабатываемае  данные и выполняемые программы  должны находиться в ЗУ –  памяти ЭВМ, куда вводятся ч/3 устройство ввода. Ёмкость памяти  измеряется в величинах кратких  байту. Память представляет собой  сложную структуру, построенную по иерархическому принципу и включает в себя ЗУ различных типов, функционально она делится на 2 части: внутреннюю и внешнюю.

 Внутренняя  или основная память – это  ЗУ напрямую связанная с процессором и предназначенная для хранения выполняемых программ и данных непосредственно участвующих вычислению. Обращение к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием, но она имеет ограниченный объём определяемой системы адресации машин. В свою очередь делится на оперативную ОЗУ и постоянную ПЗУ память. Оперативная память по объёму составляющая большую часть внутренней памяти и служит для приёма хранения и выдачи информации. При включении питания ЭВМ содержимое оперативной памяти в большинстве случаев теряется. Постоянная память обеспечивает хранение и выдачу информации в отличии от содержимого оперативной памяти содержимое постоянной памяти заполняется при изготовлении ЭВМ и не может быть изменено в обычных условиях эксплуатации. В постоянной памяти хранятся часто используемые (универсальные) программы. Пример: некоторые программы операционной системы, программы тестирования оборудования ЭВМ и другие, при выключении ПК содержимое постоянной памяти сохраняется.

  Внешняя  память предназначена для размещения  больших объёмов информации (диски и ленты), которые к тому же являются переносимыми. Ёмкость этой памяти практически не имеет ограничений, а для обращения к ней требуется больше времени, чем ко внутренней. В ЗУ конструктивно отделены от центральных устройств ЭВМ процессора и внутренней памяти имеют собственное управление и выполняет запросы процессора без его непосредственного вмешательства. В качестве ВЗУ используют накопители на магнитных и оптических дисках, а так же накопители на магнитных лентах. ВЗУ по принципам функционирования разделяются на устройство прямого доступа ( накопители на оптических и магнитных дисках) и устройство последовательно доступа (накопители на магнитных лентах). Устройство прямого доступа обладает большим быстродействием поэтому они являются основными внешними запоминающими устройствами постоянно используемыми в процессе функционирования ЭВМ. Устройство последовательного действия используется для резервирования информации.

    4.Устройство ввода/вывода (УВВ) служит  для ввода информации ЭВМ и  вывода из неё, а так же  для обеспечения общения пользователя с машиной. Процессор ввода/вывода протекает с использованием внутренней памяти ЭВМ иногда устройство ввода/вывода называют периферийными к ним в частности относят дисплеи (мониторы), клавиатура, манипуляторы типа мышь, алфавитно цифровые печатающие устройство (принтер), графонакопители, сканеры и т.д. Для управления внешними устройствами в том числе и ВЗУ и согласование с их системным интерфейсом служат групповые устройства управления внешними устройствами, адаптеры или контролёры.

  Системный интерфейс – это конструктивная часть ЭВМ предназначенная для взаимодействия её устройств и обмена информации между ними. В больших средних и супер ЭВМ в качестве системного интерфейса используются сложные устройства имеющие встроенные процессоры ввода/вывода именуемые началами такие устройства обеспечивают высокую скорость обмена данными между компонентами ЭВМ является использованием в качестве системного интерфейса системных шин. Различают ЭВМ с многошинной  структурой и с общей шиной

I-Во-первых для обмена информации между устройствами используются отдельные группы шин.

II-Во-втором случае все устройства ЭВМ объединяются с помощью одной группы шин в которую входят подмножества шин для передачи данных, адреса и управляющих сигналов, при такой организации системы шин обмен информации между процессором памятью и периферийными устройствами выполняется с по единому правилу, что упрощает взаимодействие устройств машин.

   Пульт управления служит для управления оператором  ЭВМ или системным программистом системных операций в ходе управления вычислительного процесса, кроме того при техническом обслуживании ЭВМ за пультом управления работает инженерно технический персонал. Пульт управления конструктивно часто выполняется вместе с центральным процессором. 
 

    Общие принципы построения функциональной и структурной организации ЭВМ.

    Функциональную организацию ЭВМ образуют коды, система команд, алгоритмы выполнения машинных операций технология выполнения различных процедур и взаимодействия аппаратного и программного обеспечения, способы использования устройств при организации их совместной работы. Функционирование ЭВМ может быть реализовано по-разному: аппаратно-программно, аппаратными или или программными средствами.

1.При  аппаратно-программном и программными реализациями могут применены:       регистры, дешифраторы, сумматоры, блоки жёсткого и аппаратурного управления или блоки микропрограммного с управлением программами(комплексами микроопераций). Устройства или комплексы устройств, реализованными в виде автоположных систем (программируемых или с жёстким управлением).

     Регистр – это устройство в составе ЭВМ для приёма и запоминания одного числа, так же для выполнения определённых операций над ними. Регистр, представляет собой совокупность взаимосвязанных триггеров общей системой управления  входными и выходными сигналами. Разрядность регистра определяется числом используемых в нём триггеров. По виду выполняемых операций над числами различают регистры для приёма, передачи и сдвига.

2.При программной  реализации могут быть применены различные виды программ: обработчики прерывания, резидентные или загрузочные драйвера. 
 

-com,

-exe,      – программы

-tsr,           и подфайлы           

-bat.

Будем считать, что способы реализации функций  ЭВМ составляет структурную организацию ЭВМ. Тогда элементная база, функциональные узлы и устройство ЭВМ программные модули различных видов (обработчики прерываний, драйверы, com, exe, tsr, bat, программы и подфайлы и другие, являются структурными компонентами ЭВМ). При серьёзных конструктивных различиях, ЭВМ могут быть совместными, т.е. приспособленными к работе с одними и теми же программами (программная совместимость) и получению одних и тех же результатов при одной и той же однотипно представленной информации (информационная совместимость).

Если аппаратурная часть электронных вычислительных машин ЭВМ допускает их электрическое соединение для совместной работы и предусматривает обмен одинаковыми последовательности сигналов, то имеет место и техническая совместимость ЭВМ. Совместимые ЭВМ должны иметь одинаковую функциональную организацию:  информационные элементы (символы)должны одинаково представляться при вводе и выводе из ЭВМ, системе команд должна обеспечивать в этих ЭВМ получение одинаковых результатов при одинаковых преобразованиях информации. Работой таких машин должны управлять функционально-совместимые операционные системы (а для этого должны быть совместимы методы и алгоритмы планирования и управления работой аппаратурно-программного вычислительного комплекса). Аппаратурные средства должны иметь согласование  питающие напряжения, частотные параметры сигналов, а главное состав, структуру, и последовательность выработки управляющих сигналов. При неполной совместимости ЭВМ (при наличии различий в их функциональной реализации) применяют эмулятор т.е. программные преобразователи функциональных элементов. 

Организация функционирования ЭВМ  с магистральной  архитектурой

1.ЭВМ как совокупность  устройств.

2.Разделение  устройств ЭВМ.

3.Системная магистраль.

4.Однопрограммный  режим работы.

5.Многопрограммный  режим работы. 

1.ЭВМ представляет  собой совокупность устройств  выполненных на больших интегральных  схемах каждая из которых имеет  своё функциональное назначение. Комплект интегральных схем из которых состоит ЭВМ называется микропроцессорном комплектом. В состав микропроцессорных компонентов входят: системный таймер, микропроцессор, сопроцессоры, контролёр прерываний, контролёр прямого доступа к памяти. Контролёры устройств ввода/вывода.

2.В центральных  устройствах основным узлом связывающий микропроцессорный комплект в единое целое является системная магистраль. Она состоит из 3 узлов: шина данных, шина управления, шина адреса. В состав системной магистрали входят регистры защёлки, в которых запоминается передаваемая информация, шинные формирователи, шинные арбитры определяющие поочерёдность системной магистрали. Логика работы системной магистрали – количество разрядов в шинах данных адреса и управления порядок разрешения конфликтных систуаций возникающих при одновременном обращении различных устройств ЭВМ системной магистрали образуют интерфейс системной шины. Состав центральных устройств ЭВМ входят: центральный процессор, основная память и ряд дополнительных устройств (узлов), выполняющих служебные функции: контролёр прерываний, таймер, и контролёр прямого доступа к памяти. Периферийные устройства делятся на два вида: внешние запоминающие устройства (магнитные диски, носители на магнитных дисках), устройство ввода/вывода (клавиатура, адаптор каналов связи, принтер и др.).

    Взаимодействие микропроцессора с внешними устройствами предусматривает выполнение логической последовательности действий, связанных с поисками устройств, определения его технического состояния обмена командами и информацией. Это логическая последовательность действий вместе с устройствами реализующими её называется интерфейсом ввода/вывода. 
 
 

Организация работы ЭВМ при  выполнении задания  пользователя.

    Организация процессов ввода, преобразования и вывода (отображения) результатов относится к сфере системного программного обеспечения. Написанное задание (программы представляет собой исходный модуль сопровождаемый управляющими предложениями, указывающие ОС ЭВМ на каком языке написана программа, и что с неё надо делать. Если программа написана на алгоритмическом языке, то управляющие предложения на языке управления ОС.

    Исходный модуль пред исполнением должен быть переведён на внутренний язык машины. Эта операция выполняется специальной программой  транслятором. Трансляторы выполняются в виде 2 различных программ – интерпретаторы и компиляторы. Интерпретатор после перевода на язык машины каждого оператора алгоритмического языка немедленно исполняет поученную машинную программу представленную ему в виде исходного модуля (ИМ) на язык машины. Получаемая при этом машинная программа представляет собой объективный модуль (ОМ) результат работы компилятора может быть записан в библиотеку объёктных модулей (БОМ) или передан другим программам для дальнейшей обработке т.к. полученная машинная программа не готова к исполнению по двум причинам:

I. Она содержит не разрешённые внешние ссылки т.е. (обращение к программам, которые не содержатся в исходном модуле, но необходимы для работы основной программы) Например к стандартным программам алгоритмического языка таким как, вычисление корня квадратичного, вычисление тригонометрических функций и др.

II. Объектный модуль представляет собой машинную программу в условных адресах. Каждый объектный модуль начинается с адреса (0h), тогда, как для исполнения  программа должна быть привязана к конкретным физическим адресам основной памяти.

    Недостающие программы должны быть взяты из библиотек компилятора, которые могут быть написаны в виде исходных, либо в виде объектных модулей и добавлены к основной программе. Эту операцию выполняют редактор связей в результате работы редактора связей образуется загрузочный модуль (ЗМ), который помещает в соответствующую библиотеку ЗМ. В ЗМ все ссылки разрешены т.е. он содержит все необходимые стандартные программы, но  привязки к памяти у ЗМ нет.

    Привязка к памяти загрузочного модуля производится программой выборки, которая переносит ЗМ из БЗМ (обычно хранящейся на магнитном носителе) в основную память во время этого переноса корректирует адреса учитывая с какого адрес основной памяти  размещается загрузочный модуль. После перемещения ЗМ в основную память программе выборки инициирует её выполнение. Представление машинной программы в виде исходных, объектных и загрузочных модулей позволяет реализовать наиболее эффективные программные комплексы. 
 
 

Виртуальная память

   Имея иерархическую структуру запоминающих устройств на реальном объёме памяти значительно меньше максимального. Можно имитировать работу с максимальной памятью. В этом случае программист работает так, как будто ему предоставляется реальная память максимального объёма для данной ЭВМ, хотя имеющаяся реальная память значительно меньше по объёму. Такой режим работы называется режимом виртуальной памяти. Теоретически доступная пользователь оперативная память, объём которой определяется только разрядностью адресной части команды и которая не существует в действительности – называется виртуальной памятью. Виртуальная память имеет сегментно-стороничную организацию и реализована в иерархической системе памяти ЭВМ. Часть её размещается  в страничных блоках основной памяти, а часть в ячейках внешней страничной памяти. Внешняя страничная память является частью внешней памяти.

    Ячейка (слод) – это записываемая область  во внешней страничной памяти. Например на жёстком магнитном диске. Она того же размера, что и страница. Вычислительная система с 24-х разрядным адресом может иметь адресеное пространство 16777216 байт. С 23-х разрядным адресом – 4 Гб. Все программные страницы физически располагаются в ячейках внешней страничной памяти. Виртуальная память существует только, как продукт деятельности ОС функционирующей на основе совместного использования внешней и страничной памяти. Загрузить программу в виртуальную память, значит переписать несколько программных страниц из внешней страничной памяти в основную память. Если в процессе выполнения программы система обнаружит, что требуемой странице нет в реальной памяти она должна переслать копию этой страницы из внешней страничной памяти в реальную память – этот метод называется принудительным страничным обменом. 
 
 

Система прерываний ЭВМ.

1.Работа центрального  процессора в системе прерываний.

2.”Поле зрения”  ЦП.

3.Виды систем  прерывания.

4.Принцип действия  системы прерывания.

5Группы прерываний. 
 
 

2.Современная  ЭВМ представляет собой комплекс  автономных устройств, каждая из которых выполняет свой функции под управлением местного устройства управления независимо от других устройств, машины включают устройства в работу ЦП и передаёт устройству команду и все необходимое для её выполнения параметры. После начала работы устройства центральный процессор отключается от него и переходит к обслуживанию других устройств или к выполнению других функций. Для того, чтобы ЦП выполняя свою работу имел возможность реагировать на события происходящие вне его зоны, внимание, наступление, которых он не ожидает существует система прерываний ЭВМ. При отсутствии системы прерываний все заслуживающие внимания события должны находиться в поле зрения процессора. Что сильно усложняет программы и требует большой их избыточности. Кроме того поскольку момент наступления события заранее неизвестен, процессор в ожидании какого-либо события может находиться длительное время и чтобы не пропустить его появления ЦП не может откликаться на выполнение какой-либо другой работы. Такой режим работы (режим сканирования ожидаемого  события)связан с большими потерями времени ЦП на ожидание. Таким образом система прерываний  позволяет микропроцессору выполнять основную работу, не откликаясь на состояния сложных систем при отсутствии такой необходимости или прервать выполняемую работу и переключиться на анализ возникшей ситуации сразу после её выполнения. 

Работа системной  памяти проходит под управлением  ЦП. Основы центрального процессора персональной ЭВМ (ПЭВМ) составляет микропроцессор, обрабатывающие устройства служащие  для арифметических  и логических преобразований данных. Для организации обращения к ОП и внешним устройствам и для управления ходом вычислительного процессора. В настоящее время существует большое кол-во разновидностей микропроцессоров различающихся назначением функциональными возможностями структурой и исполнением. Чаще всего наиболее существенным классификационным различием между ними является кол-во разрядов в обрабатываемой информационной единице – 8-битовые, 16-битовые, 32-битовые и др. 

Арифметика  логического устройства.