Архитектура ЭВМ и принципы фон Неймана

Классификация ЭВМ

КОМПЬЮТЕР

СОВРЕМЕННЫЙ ПЕРСОНАЛЬНЫЙ

Классифицировать ПК можно по нескольким критериям.

1. Поколения ЭВМ. Идея делить машины на поколения вызвана к жизни тем, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию как в смысле элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в смысле изменения её структуры, появления новых возможностей, расширения областей применения и характера использования.

К первому поколению обычно относят машины, созданные на рубеже 50-х годов. В их схемах использовались электронные лампы. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла.

Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. Быстродействие порядка 10–20 тысяч операций в секунду. Примеры машин первого поколения – отечественные МЭСМ, БЭСМ, «Стрела», «Урал», М-20 (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Вычислительная машина «Стрела»

Второе поколение компьютерной техники - машины, сконструированные примерно в 1955–65 гг. Характеризуются использованием в них как электронных ламп, так и дискретных транзисторных логических элементов. Их оперативная память была построена на магнитных сердечниках. В это время стал расширяться диапазон применяемого оборудования ввода-вывода, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски. К ЭВМ второго поколения относятся: ЭВМ М-40, -50; «Минск»; БЭСМ-3 -4, -6; «Наири» и др. (рисунок 3.2)

Рисунок 3.2 - Вычислительная машина «Минск-22»

Машины третьего поколения созданы примерно после 60-x годов. Поскольку процесс создания компьютерной техники шел непрерывно и в нём участвовало множество людей из разных стран, имеющих дело с решением различных проблем, трудно и бесполезно пытаться установить, когда «поколение» начиналось и заканчивалось. Возможно, наиболее важным критерием различия машин второго и третьего поколений является критерий, основанный на понятии архитектуры.

Машины третьего поколения - это семейства машин с единой архитектурой, то есть программно совместимых. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы, которые также называются микросхемами.

Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина.

Примеры машин третьего поколения - семейства IBM-360, IBM-370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др. (рисунок 3.3). Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.

Рисунок 3.3 - Вычислительная машина ЕС-1050

Четвёртое поколение - это поколение компьютерной техники, разработанное после 1970 года.

Наиболее важный в концептуальном отношении критерий, по которому эти компьютеры можно отделить от машин третьего поколения, состоит в том, что машины четвёртого поколения проектировались в расчете на эффективное использование современных операционных систем и упрощение процесса программирования для конечного пользователя.

В аппаратурном отношении для них характерно широкое использование интегральных схем в качестве элементной базы, а также наличие быстродействующих запоминающих устройств с произвольной выборкой ёмкостью в десятки мегабайт.

C точки зрения структуры машины этого поколения представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Быстродействие составляет до нескольких десятков миллионов операций в секунду, ёмкость оперативной памяти порядка 1–64 Мбайт.

Для них характерны:

- применение персональных компьютеров;

- телекоммуникационная обработка данных;

- компьютерные сети;

- широкое применение систем управления базами данных;

- элементы интеллектуального поведения систем обработки данных и устройств.

2. По назначению компьютеры можно подразделить:

- мэйнфреймы, или большие ЭВМ, - компьютеры, созданные для обработки больших объемов информации. Отличаются исклю­чительной надежностью, высоким быстродействием, очень боль­шой пропускной способностью каналов ввода-вывода. Большин­ство крупных корпораций, банков, зарубежных правительственных учреждений обрабатывают свои данные именно на таких компью­терах;

- суперЭВМ - многопроцессорные компьютеры с большой оперативной памятью (более 10 Гбайт), обладают высокой производительностью при выполнении математических операций. Предназначены для решения задач, требующих объемных вычислений. В основном их использу­ют военные, метеорологи, геологи и другие ученые. Часто суперкомпьютеры объединяют в кластерные структуры (рисунок 3.4);

Рисунок 3.4 - Суперкомпьютеры фирмы GRAY,
объединенные в кластеры

- мини-ЭВМ - компьютеры, занимающие промежуточное по­ложение между персональными компьютерами и мэйнфреймами. За рубежом они используются в большинстве крупных фирм, в университетах, правительственных учреждениях, центрах обработ­ки данных и т.д. как для тех задач, для которых производительно­сти персональных компьютеров недостаточно, так и для обеспече­ния централизованного хранения и обработки данных;

- персональные − для обслуживания одного рабочего места. Персональные компьютеры в свою очередь подразделяются на массовые (большинство существующих на рынке); портативные (обязательно наличие средств компьютерной связи); рабочие станции (высокие требования к устройствам хранения данных); развлекательные (высокие требования к средствам воспроизведения графики и звука).

3. По уровню специализации существует следующая классификация:

- универсальные,на базе которых собираются вычислительные системы произвольного характера (для работы с текстами, графикой, музыкой);

- специализированные предназначены для узкого круга задач (бортовые ПК судов, самолетов, космических аппаратов).

4. По типоразмерам компьютерыподразделяют:

- на настольные (весом более 5 кг);

- на портативные - ноутбуки, блокнотные (удобны при транспортировке, массой от 1 до 5 кг);

- на карманные имеют функции интеллектуальных записных книжек (массой менее 1 кг) (рисунок 3.5);

- на наручные (рисунок 3.6);

Рисунок 3.5 - Карманный компьютер

Рисунок 3.6 - Наручный компьютер

- на книжные планшеты (компьютеры для чтения электронных книг);

- на web-планшеты (обеспечивают поиск и просмотр разнообразных по форме и содержанию информационных материалов) (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7 - Web-планшет

5. По совместимости. Большинство современных компьютеров является IBM PC-со­вместимыми персональными компьютерами. При этом имеется в виду, что они совместимы с компьютером IBM PC, разработанным в 1981 году фирмой IBM. Слово «совместимость» означает как возможность исполнения на любой модели IBM-совместимого компьютера любой программы, написанной для этого типа компьютеров (программная совместимость), так и возможность независимого подключения к различным компьютерам IBM различных внешних устройств (аппаратная совместимость).

Персональные IBM PC-совместимые компьютеры являются наи­более широко используемыми, их мощность постоянно увеличива­ется, а область применения растет. Однако их возможности все же ограничены, и не всегда их применение оправдано.

Распространены также компьютеры Macintosh фирмы Apple. Компьютеры типа Macintosh - один из видов персональных ком­пьютеров, не совместимых с IBM PC. В середине и конце 80-х го­дов компьютеры Macintosh, разработанные и производимые фир­мой Apple, явились конкурентами IBM PC-совместимым компью­терам, так как обеспечивали наглядный графический интерфейс для работы с пользователем и были значительно проще в эксплуатации. Однако когда в 90-х годах для IBM PC были разработаны операционные системы с графическим интерфейсом семейства Windows, а также многочислен­ные программы, рассчитанные на них, преимущества Macintosh в значительной мере исчезли. Тем не менее компьютеры Macintosh остаются востребованными в издательском деле, образовании, со­здании мультимедиапрограмм и во многих других областях.

Классическое построение цифровой ЭВМ сложилось в конце
40-х-начале 50-х гг. Существенное влияние на него оказали идеи математика Джона фон Неймана, который в 1945 г. в отчёте «Предварительный доклад о машине «Эдвак»» сформулировал основные принципы работы и компоненты современных компьютеров.

Согласно модели фон Неймана, в состав ЭВМ входят три основных устройства:

· арифметическое устройство (АУ);

· запоминающее устройство (ЗУ);

· устройство управления (УУ).

Кроме того, в состав машины входят внешние устройства, через которые в память вводится исходная информация для решения некоторой задачи и выводятся результаты вычислений, и пульт управления для первоначального запуска машины, контроля хода вычислений, остановки вычислений вручную при необходимости и т.д. Схематически машина фон Неймана показана на рисунке 3.8.

Память машины состоит из ряда ячеек (регистров), в каждой из которых может храниться одно машинное слово: число, с которым должна оперировать машина, либо инструкция (команда) - указание о том, что должна делать машина. В процессоре 8086/88, на котором построены первые компьютеры IBM, размер машинного слова составлял 2 байта. Последовательность инструкций составляет программу работы машины. Все ячейки занумерованы, номер ячейки называется ее адресом.

При запуске программы в общем случае сначала с пульта управления в память вводятся исходные данные для решения задачи, а также программа вычислений. Затем оператор производит запуск устройства управления.

Устройство управления посылает запоминающему устройству сигнал для чтения инструкции по заданному адресу и принимает ее в свой регистр. Далее устройство управления расшифровывает инструкцию и вырабатывает управляющие сигналы:

· запоминающему устройству для чтения чисел по указанным в инструкции адресам и передачи их в арифметическое устройство;

· арифметическому устройству для приема чисел от запоминающего устройства, выполнения над ними действий в соответствии с кодом команды и передачи результата в запоминающее устройство;

· запоминающему устройству для приема чисел.

Операции устройства управления состоят, главным образом, в изменении порядка следования инструкций (безусловная или условная передача управления).

Операции внешнего устройства состоят в передаче результатов вычислений из памяти внешним устройствам, например на печать, и получении от внешних устройств данных, записываемых в память по адресам, содержащимся в инструкциях (операции ввода-вывода).

Фон неймановское построение цифровой ЭВМ содержит фундаментальные идеи, которые сыграли выдающуюся роль в развитии вычислительной техники и не утратили своего значения по сей день.

Фундаментальные принципы фон Неймана

Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется в двоичной системе счисления.

Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Это обеспечивает оперативную перенастройку машины с одной задачи на другую без перекоммутаций и изменений в ее схеме, что делает машину универсальным вычислительным инструментом. Инструкции, составляющие программу вычислений, закодированы в виде чисел и ничем не отличаются от чисел, которыми оперирует машина. Это дает возможность прочесть инструкцию как число, переслать ее в арифметическое устройство, произвести с ней некоторые операции и вернуть ее в память. Таким образом, при выполнении программы может происходить ее модификация либо формирование новой программы.

Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

Рассмотренная классическая модель соответствует вычислительным машинам первого и второго поколений.

Для того чтобы перейти к рассмотрению архитектуры современного персонального компьютера, дадим понятие архитектуры.

Архитектура компьютера - это общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Для современного ПК характерна шинная архитектура, приведенная на рисунке 3.9. Различают внешнюю архитектуру ЭВМ – это то, что видит пользователь, и внутреннюю – это то, из чего состоит машина и на чем основано накопление, обработка и передача информации внутри ЭВМ и между компьютерами.

В ПК 3-го и 4-го поколений процессор освобожден от функций обмена, а эту работу стали выполнять контроллеры внешнего устройства (или просто контроллер).

Контроллер − это специализированный процессор, управ­ляющий работой «вверенного ему» внешнего устройства по специальным встроен­ным программам обмена.

Из рисунка 3.9 видно, что для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая шина (часто ее называют магистралью). Шина состоит из трех частей:

• шина данных, по которой передается информация;

• шина адреса, определяющая, куда передаются данные;

• шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.

Описанную схему легко пополнять новыми устройствами. Это свойство назы­вают открытостью архитектуры. Фирма IBM сделала компьютер не единым неразъем­ным устройством, а обеспечила возможность его сборки из незави­симо изготовленных частей. Для пользователя открытая архитектура означает возможность свободно конфигурировать компьютер в зависимости от круга решаемых задач.

Дата добавления: 2014-01-20