Типография ОмГТУ

Издательство ОмГТУ. 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

© В.Ф. Нестерук, 2005

© Омский государственный

технический университет, 2005

Назначение и классификация ЭВМ

Электронные вычислительные машины (ЭВМ) предназначены для автоматизации интеллектуальной и управленческой деятельности человека.

Различают следующие основные классы ЭВМ: аналоговые вычислительные машины (АВМ), цифровые вычислительные машины (ЦВМ) и гибридные – цифро-аналоговые (ЦАВМ) и аналого-цифровые (АЦВМ) вычислительные машины.

Так как предметом курса являются ЦВМ, то для машин других классов ниже будут даны только общие определения без подробного рассмотрения принципов их организации.

АВМ классифицируются как машины непрерывного действия, в которых и входные воздействия (аргументы) и выходные результаты (функции) непрерывны во времени. Для представления аргументов и функций используются токовые или потенциальные электрические сигналы. Вычислительный процесс реализуется на аппаратной модели, воспроизводящей требуемые функциональные зависимости. Модель строится путём композиции базовых функциональных элементов (сумматоров, интеграторов, масштабирующих и дифференцирующих устройств, иных типов функциональных преобразователей), которые могут быть активного и пассивного типа. Активные элементы выполняются на основе специальных усилителей постоянного тока (УПТ) с линейными и нелинейными обратными связями. В пассивных элементах используются лишь параметрические свойства компонентов (резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, диодов).

АВМ характеризуются высоким быстродействием – непрерывная выходная функция формируется с небольшим временным сдвигом, равным задержке на электронной цепи прохождения сигнала со входа на выход модели. Это качество позволяет использовать АВМ для управления технологическим оборудованием в реальном масштабе времени. В то же время, точность вычислений невысока, так как зависит от точности изготовления базовых функциональных элементов и в эквиваленте не превышает точности ЦВМ с двенадцатиразрядной двоичной сеткой.

ЦВМ относятся к машинам дискретного действия, для которых характерны дискретное представление данных (операндов и результатов) и дискретный ход вычислительного процесса. ЦВМ оперируют с цифровыми кодами чисел, преимущественно двоичными. Дискретность представления чисел определяется весом младшего разряда кода, а точность – половиной веса младшего разряда. Теоретически можно обеспечить любую требуемую точность, но на практике длина разрядной сетки цифровых машин не превышает 128 двоичных разрядов.

Дискретность хода вычислительного процесса определяется в основном использованием численных методов при вычислении различных функциональных зависимостей через малый базовый набор операций в форме временного процесса, а также дискретным типом применяемых электронных элементов. Элементы ЦВМ должны иметь минимум два различимых состояния, и переход из одного состояния в другое осуществляется с определённой параметрической задержкой. Суммарные задержки от последовательных цепочек элементов, участвующих в операции, и от последовательного набора этих операций при вычислении одного значения функции создают существенную временную задержку, определяющую временной интервал дискретности представления значений результирующей функции. В свою очередь, если ЦВМ используется для моделирования функциональных зависимостей без привязки к реальному масштабу времени, точечные значения функции можно определить для всех возможных значений аргументов, но при вычислении в реальном масштабе времени может наблюдаться прореживание точечной функции на временной интервал дискретности. Соответственно придётся прореживать значения аргументов с неменьшим временным интервалом, а значения функции внутри этих интервалов будут неопределёнными. По данной причине ЦВМ имеют меньшее быстродействие, чем АВМ.

Гибридные вычислительные машины в зависимости от процентного соотношения цифровой и аналоговой частей в общем конструктиве подразделяются на ЦАВМ (преимущественная цифровая часть) и АЦВМ (преимущественная аналоговая часть). Эти машины используются в основном в системах управления в реальном масштабе времени и позволяют наиболее эффективно сочетать свойства аналоговых и цифровых вычислительных средств при решении конкретных задач.

Рассмотрим подробнее наиболее характерные признаки классификации ЦВМ.

По основным архитектурным признакам различают:

1. Классические машины, или машины фон-неймановского типа. Характеризуются наличием устройства командного управления, осуществляющего управление по хранимой в памяти ЦВМ программе (иначе – машины, управляемые контроллерами). Для машин данного типа характерно преимущественно упорядоченное исполнение команд программы.

2. Машины, управляемые данными. В этих машинах любая команда программы может активизироваться и выполняться, если готовы данные для этой команды. Возможно параллельное выполнение ряда команд (в пределе - до всех команд программы). Число параллельно исполняемых команд зависит от возможного количества параллельно работающих операционных устройств (ОУ) и от реального потока данных. Для этих машин характерно преимущественно неупорядоченное исполнение команд.

3. Машины, управляемые заданиями. Это машины, реализующие принцип объектных вычислений. Подобные машины являются многоранговыми древовидными иерархическими структурами, в каждом ранге которых размещаются функциональные устройства (объекты) равного уровня сложности, с уменьшением уровня сложности объектов от высшего ранга к низшему. Объекты текущего ранга способны принимать задания с предыдущего высшего ранга, активизироваться, если задания соответствуют их выполняемым функциям, и формировать задания на последующий низший ранг, воспринимать ответные реакции с низшего ранга, формировать на их основе результаты и передавать эти результаты объектам высшего ранга. В зависимости от назначения машины данного типа могут выполнять как последовательный поток, так и параллельные потоки заданий.

Наибольшее распространение получили к настоящему времени машины, управляемые контроллерами. ЦВМ данного типа классифицируют по следующим параметрам.

По соотношению потоков данных и потоков команд:

- SISD (Single Instruction Single Data) - один поток команд, один поток данных;

- SIMD (Single Instruction Multiple Data) - один поток команд, много потоков данных;

- MISD (Multiple Instruction Single Data) - много потоков команд, один поток данных;

- MIMD (Multiple Instruction Multiple Data) - много потоков команд, много потоков данных.

К типу SISD относятся ЦВМ, содержащие одно операционное устройство, способное в соответствии с потоком команд обрабатывать поток данных, элементы которого поступают последовательно во времени (рис. 1 а).

ЦВМ типа SIMD (рис. 1 б) имеют несколько параллельно функционирующих операционных устройств, способных обрабатывать одновременно поступающие элементы соответствующих параллельных потоков данных под управлением общего потока команд.

В MISD машинах (рис. 1 в) одни и те же элементы общего потока данных обрабатываются одновременно в параллельно работающих операционных устройствах по командам соответствующих параллельных потоков команд.

ЦВМ типа MIMD (рис. 1 г) имеют матрицу операционных устройств, каждая строка которой эквивалентна структуре типа SIMD, а столбец – структуре типа MISD.

По способу организации вычислительного процесса:

- последовательные;

- параллельные;

- конвейерные.

К последовательным относятся ЦВМ типа SISD, в которых очередная команда запускается на исполнение только после завершения операций по предыдущей команде.

Параллельные ЦВМ могут одновременно выполнять несколько очередных команд программы либо обрабатывать несколько потоков данных. К параллельным могут относиться машины типов SIMD, MISD и MIMD.

Конвейёрные ЦВМ имеют архитектуру SISD при условии, что операционное устройство имеет конвейерный режим работы. В этом режиме очередная команда может запускаться на исполнение до окончания операций по одной либо нескольким предшествующим командам с временным сдвигом запуска очередной команды относительно запуска предыдущей на постоянную величину, называемую тактом (или шагом) конвейера. Конвейерный режим определяется как псевдо-параллельный, так как позволяет выполнять операции по нескольким очередным командам в текущий момент времени.

По количеству одновременно исполняемых программ:

- однопрограммные;

- многопрограммные (мультипрограммные).

В однопрограммных ЦВМ в активном состоянии может находиться только одна исполняемая программа, в то время как в многопрограммных – несколько исполняемых программ. Многопрограммный режим может осуществляться с разделением времени между отдельными программами, когда в текущий момент выполняется очередной фрагмент одной из программ, а в следующий момент – фрагмент другой программы, что создаёт видимость одновременного исполнения нескольких программ. В многопрограммных ЦВМ может использоваться и режим пакетной обработки, когда предварительно создаётся пакет готовых к исполнению программ и они выполняются в порядке своей очерёдности в пакете. У пользователя также создаётся эффект одновременного выполнения программ, так как отсутствуют промежуточные задержки на подготовку программ к исполнению.

По размерности массивов обрабатываемых данных:

- скалярные;

- суперскалярные;

- векторные.

Скалярные ЦВМ могут выполнять операции над скалярами – отдельными константами, текущими значениями переменной, текущими элементами массивов данных и т.п.

Суперскалярные ЦВМ имеют два и более скалярных операционных устройств и позволяют одновременно выполнять несколько очередных команд по обработке скаляров.

Векторные машины относятся к параллельным ЦВМ и способны выполнять однотипные операции сразу над вектором - множеством элементов массива.

По назначению:

- универсальные (общего назначения);

- специализированные.

Универсальные ЦВМ ориентированы на решение широкого круга задач и могут использоваться во многих областях человеческой деятельности. Однако применение подобных машин в конкретной области не всегда может быть экономически оправдано из-за неэффективного использования их возможностей. Они имеют избыточные аппаратные и программные средства.

Специализированные ЦВМ оптимизированы для решения конкретных задач в относительно узкой области, что определяет экономическую эффективность их применения.

ЦВМ различаются также по быстродействию, производительности, ёмкости основной памяти, габаритам, потребляемой мощности, надёжности, устойчивости к воздействию окружающей среды и прочим параметрам.

Под быстродействием понимают максимально возможное количество выполняемых коротких операций в секунду либо среднее число операций в секунду, полученное при прогоне стандартных тестовых смесей команд. Косвенным показателем быстродействия для конкретных архитектур и технологий является тактовая частота процессора. Наибольшее быстродействие обеспечивают суперЭВМ, к которым относятся системы, выполняющие не менее ста миллионов операций с плавающей точкой в секунду (т. е. с быстродействием не менее 100 мегафлоп).

Производительность ЦВМ оценивается на конкретном множестве задач и может колебаться в существенных пределах для одной и той же машины в зависимости от решаемых задач.

Ёмкость памяти также является одним из основных параметров и может колебаться в существенных пределах. Максимальная ёмкость определяется размером виртуального адресного пространства системы, в пределах которого в зависимости от назначения ЦВМ выделяются области основной памяти и внешней памяти. В среднем адресное пространство основной памяти не должно быть меньше показателя быстродействия. Адресуемым элементом может быть байт (восемь битов), слово (два байта), двойное слово (четыре байта), четверное слово (восемь байтов). В ряде систем возможна адресация и к отдельным битам. Ёмкость памяти обычно оценивается в байтах или битах.

Габариты ЦВМ отражаются в приставках микро- (размер небольшого чемодана, дипломата) и мини- (размер письменного стола). Машины больших габаритов относятся к большим ЦВМ. Размер лишь косвенно говорит о быстродействии и производительности. Например, может быть супермикроЭВМ – малых габаритов и высокой производительности.

Потребляемая мощность находится в прямой зависимости от используемой интегральной технологии и тактовых частот работы ЦВМ. Современные однокристальные процессоры имеют мощность до нескольких десятков ватт. В то же время процессоры наручных часов и калькуляторов имеют мощность в несколько микроватт.

ЦВМ могут классифицироваться и по ряду других признаков, представляющих интерес для тех или иных групп потребителей и специалистов.

Дата добавления: 2014-01-20