Принципы Фон Неймана

Определение и принципы организации информационных процессов ЭВМ

Вопросы для самопроверки

· Что такое фондовое страхование?

· Что такое нефондовое страхование?

· Что такое самострахование?

· Перечислите основные элементы алгоритма процесса организации страхования предпринимательских рисков.

Научно-технический прогресс привел к созданию разнообразных вычислительных средств: электронно–вычислительных машин (ЭВМ), вычислительных систем (ВС) и вычислительных сетей (ВСТ).

Они различаются структурной организацией и функциональными возможностями. Дать определение ЭВМ представляется сложным, т.к. слово “электронные” подразумевает электронные лампы в качестве элементной базы, а современные ЭВМ правильней называть “микроэлектронными”. Слово “вычислительные” подразумевает, что устройство, предназначенное для проведения вычислений, однако анализ программ показывает, что современные ЭВМ на чисто вычислительную работу (сложение, вычитание, умножение) тратят не более 10-15 % времени. Основное время затрачивается на выполнение операций пересылки данных, сравнения, ввода-вывода и т.д. То же самое относится к англоязычному термину “computer”, т.е. вычислитель. К понятию ЭВМ можно подходить с нескольких точек зрения. Целесообразно описать минимальный набор устройств, которые входят в состав любой ЭВМ и тем самым определить состав минимальной ЭВМ, а также сформулировать принципы работы отдельных блоков ЭВМ и принципы организации ЭВМ, как системы, состоящей из взаимосвязанных функциональных блоков.

Большинство современных ЭВМ стоятся на базе принципов, сформулированных американским ученым, одним из “отцов” кибернетики – Джоном Фон Нейманом. Впервые эти принципы были опубликованы Фон Нейманом в 1945 году в статье по его машине ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator). Она работал с десятиразрядными числами со скоростью 300 операций в секунду, состояла из 18 тысяч электронных ламп, потребляла мощность 180 кВт и занимала площадь 167 м². Эта ЭВМ была одной из первых машин с хранимой в памяти программой, а не читаемой с перфокарты или другого подобного устройства.

Принципы Фон Неймана сводятся к следующему:

1) основными блоками фон-неймановской машины являются блок управления, арифметико-логическое устройство (АЛУ), память и устройства ввода-вывода

2) информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы, называемые словами.

3) алгоритм представлен в форме последовательно управляющих слов, которые определяют смысл операций; эти управляющие слова называются командами; совокупность команд, представляющих алгоритм, называются программой

4) программа и данные хранятся в одной и той же памяти; разнотипные слова различаются по способу использования, но не по способу кодирования

5) устройство управления и АЛУ обычно объединяют в один блок, называемый центральным процессором; они определяют действия, подлежащие выполнению путем считывания команд из оперативной памяти; обработка информации, предписанная алгоритмом, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, одно-определенном программой

Архитектура ЭВМ – это абстрактное определение машины в терминах основных функциональных модулей, языков, структур данных. Архитектура не определяет особенности реализации аппаратной части ЭВМ, времени выполнения команд, степени параллелизма, ширины шин и других аналогичных характеристик. Архитектура отображает аспекты структуры ЭВМ, которые являются видимыми для пользователя: систему команд, режимы адресации, форматы данных, набор программно-доступных регистров (совокупность триггеров для временного хранения и преобразования информации). Одним словом, термин “архитектура” используется для описания возможностей, предоставленных ЭВМ.

Конфигурация ЭВМ – это компоновка вычислительного устройства с четким определением характера, количества взаимосвязей и основных характеристик его функциональных элементов.

Организация ЭВМ определяет, как реализованы возможности ЭВМ.

Классификация ЭВМ по принципу действия

1) аналоговые (АВМ)

АВМ – это вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (обычно электрического напряжения).

АВМ просты и удобны в эксплуатации, программирование задач для решения на них нетрудоемкое, скорость решения задач изменяется по желанию оператора, но точность решения очень низкая (относительная погрешность 2-5 %). На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики.

2) цифровые (ЦВМ)

ЦВМ – вычислительные машины дискретного действия; работают с информацией, представленной в дискретной (цифровой) форме.

3) гибридные (ГВМ)

ГВМ – машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной как в цифровой, так и в аналоговой форме; совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

Наибольшее применение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации, которая обычно называется просто ЭВМ.

Классификация ЭВМ по этапам создания

По этапам создания и использования элементной базе ЭВМ условно делятся на поколения:

I поколение, 50-е годы

ЭВМ на электронно-вакуумных лампах (наработка электронной лампы на отказ – 500 часов)

II поколение, 60-е годы

ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах – транзисторах

III поколение, 70-е годы

ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (десятки и сотни транзисторов в одном корпусе микросхемы). Интегральная схема – это электронная схема специального назначения, выполненная в виде единого полупроводникового кристалла и объединяющая большое число диодов и транзисторов.

IV поколение, 80-е годы

ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах – микропроцессорах (десятки тысяч и миллионы транзисторов в одном кристалле)

V поколение, 90-е годы

ЭВМ со многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний

VI поколение и последующие

Оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем

Классификация ЭВМ по размерам и функциональным возможностям

1) сверхбольшие (супер-ЭВМ)

2) большие

3) малые

4) сверхмалые (микро-ЭВМ)

Функциональные возможности ЭВМ обуславливают важнейшие технико-эксплуатационные характеристики:

1) быстродействие, измеряемое усредненным количеством операций, выполняемых машиной за единицу времени

2) разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует ЭВМ

3) номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих устройств

4) номенклатура и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода/вывода информации

5) типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов ЭВМ между собой (междумашинный интерфейс)

6) способность ЭВМ одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять одновременно несколько программ (многопользовательский и многопрограммный режимы)

7) типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных систем (ОС), используемых на машине

8) наличие и функциональные возможности программного обеспечения (ПО)

9) способность выполнять программы, написанные для других типов ЭВМ (программная совместимость с другими типами ЭВМ)

10) возможность подключения к каналам связи и вычислительной сети.

11) надежность эксплуатационных ЭВМ

12) коэффициент полезного использования ЭВМ во времени, определяемом соотношением времени полезной работы и времени профилактики

Сравнительные параметры классов современных ЭВМ

Параметр	Супер ЭВМ	Большие ЭВМ	Малые ЭВМ	Микро ЭВМ
Производительность [MIPS]	1000-100000	10-1000	1-100	1-100
Емкость ОП [Мб]	2000-10000	64-10000	4-512	4-256
Емкость ВЗУ [Гб]	500-5000	50-1000	2-100	0.5-10
Разрядность [бит]	64-128	32-64	16-64	16-64

Большие ЭВМ

Исторически первыми появились большие ЭВМ, которые за рубежом часто называют мэйнфреймами. Это компьютеры с высоким быстродействием и большими вычислительными ресурсами, которые могут обрабатывать большое количество данных и выполнять обработку запросов одновременно нескольких тысяч пользователей. Физически мэйнфреймы имеют один корпус – системный блок с размером со шкаф, к которому может подключаться терминал, состоящий из монитора и клавиатуры. Мэйнфреймы используются для хранения и обработки больших баз данных, а также крупных web-узлов с большим количеством одновременных обращений. В 1995 году в США было установлено 40000 мэйнфреймов. В России используются около 5000 мэйнфреймов собственного производства (ЕС ЭВМ) и примерно 5000 фирменных мэйнфреймов фирмы IBM и других.

Супер ЭВМ

Это большие компьютеры, которые создаются для задач, требующих больших вычислений, таких как определение координат далекой звезды или галактики, моделирование климата, составление карт нефтяных и газовых месторождений, а также для оборонного использования. Супер ЭВМ – это штучный продукт, который создается для решения конкретных задач заказчика, составляющие элементы супер ЭВМ являются серийными. Супер ЭВМ состоят из 100-1000 процессоров, имеют большую ОП, высокое быстродействие и занимают площадь, равную 2-3 баскетбольным площадкам. В основном, супер ЭВМ создаются по кластерной технологии, т.е. она строится из нескольких десятков серверов, которые работают как единая система. Быстродействие компьютеров измеряется в FLOPS (floating-point operations per second).

MFLOPS – 1 миллион операций с плавающей запятой в секунду

GFLOPS – 1 миллиард операций с плавающей запятой в секунду

TFLOPS – 1 триллион операций с плавающей точкой в секунду

Earth Simulator – компьютер для моделирования климата, он находится в городе Иокогама (Япония) и произведен фирмой NEC, состоит из 640 модулей, 5120 процессоров с частотой 500 Мгц и обладает быстродействием 35.86 TFLOPS.

В России используются супер ЭВМ (Эльбрус–1,2,3). Разработка машины ЕС 1191 с производительностью 1200 MFLOPS из-за нехватки средств была заморожена в 1994 году.

Малые ЭВМ (мини ЭВМ)

Это надежные недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие более низкими возможностями по сравнению с мэйнфреймами. Малые ЭВМ имеют следующие характеристики. Число поддерживаемых пользователей – 16-512 человек. Все модели малых ЭВМ разрабатывались на основе микропроцессорных наборов интегральных микросхем для 16, 32 и 64-х разрядных микропроцессоров. Малые ЭВМ ориентированы на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов, т.е. для управления технологическими процессами, в системах автоматизированного проектирования, в системах искусственного интеллекта и т.д. В СССР выпускались отечественные мини ЭВМ – СМ ЭВМ (Система Малых ЭВМ) 1, 2, 3, 4, 1400, 1700 и другие.

Микро ЭВМ (персональные компьютеры)

1) Настольные ПК

Это компьютеры, которые могут использоваться одним человеком автономно независимо от других компьютеров. Он имеет следующие характеристики: малая стоимость ($300-1200); гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптивность к разнообразным потребностям пользователя в сфере науки, управления, образования и в быту; “дружественность” ОС и другого ПО, ориентированного на пользователя без профессиональной подготовки; высокая надежность; более 5000 часов наработки на отказ. Базовым ПК считается IBM PC/XT, IBM PC/AT, а также Apple (не совместимы с компьютерами IBM). В СССР выпускались ПК – ДВК 1 – ДВК 4, а также IBM-совместимые ЕС 1845, 1849, 1861, Искра 1030 и Искра 4816.

13 августа 1981 года корпорация IBM анонсировала систему IBM 5150, которая вошла в историю просто как IBM PC. Она была построена на базе микропроцессора Intel 8088 с тактовой частотой 4.77 Мгц, имела 64 Кб ОП, один накопитель на флоппи-дисках 5.25 дюйма емкостью 160 Кб, работала под управлением ОС PC DOS 1.0 (MS DOS), имела монохромный монитор, который отображал только алфавитно-цифровую информацию и он стоила 3000 долларов. Можно было купить систему с цветным дисплеем, который при разрешающей способности 640x320 точек отображал 16 цветов, с минимальной конфигурацией с 16 Кб ОП система стоила около $1600. Первый ПК не имели открытую архитектуру.

В 1976 году Стивен Возняк и Стивен Джобсон организовали производство компьютеров Apple. Их микрокомпьютер, собранный в гараже на деньги, вырученные с продажи старого Volkswagen, завоевал рынок: до 1984 года было продано свыше 2 млн. этих ПК. В классе ПК фирма IBM имеет несомненное лидерство, она продала своих компьютеров более 250 млн. штук. Создателем первого IBM PC был Джон Эстридж, причем темпы конструирования машины не имели себе равных. Работы начались в 1980 году, а уже 13 августа 1981 года состоялась демонстрация первой модели. Джон Эстридж не дожил до мирового успеха своей машины, он погиб 2 августа 1985 года при аварии самолета.

2) Переносные ПК

Это быстроразвивающий подкласс ПК и по прогнозу специалистов более 60% пользователей к концу 2003 года будут пользоваться переносными компьютерами. Большинство переносных ПК имеют автономное питание от аккумуляторов, но также можно подключаться к сети, что поддерживает их работу до 8 часов.

а) Laptop (наколенник)

Имеет вес от 2 до 10 кг, полную клавиатуру (101 клавиша), системный блок и клавиатура выполняется в одном корпусе, который сверху как крышкой закрывается ЖК-дисплеем. Laptop имеет встроенный жесткий диск, CDROM и иногда floppy-дисковод.

б) Notebook

Он легче и меньше Laptop и имеет размер листа A4, имеет усеченную клавиатуру (88 клавиши), встроенный жесткий диск и возможность подключения внешних устройств. Также может иметь встроенную звуковую карту с колонками и инфракрасный порт. В комплекте с Notebook можно применять модемы или факс-модемы, а также можно подключаться к компьютерной сети через платы расширения. В качестве манипулятора обычно используется не мышь, а трекбол, трекпойнт (гибкая клавиша на клавиатуре типа ластика, прогиб которой в нужном направлении передвигает курсор на экране) и трекпад (небольшой планшет, размещенный на блоке клавиатуры и содержащийся под тонкой пленкой проводников, воспринимающих при легком нажатии направление перемещения нажимаемого объекта, сигналы принимаются для управления курсором). Также в переносных ПК используются сенсорные экраны, в которых прикосновение к поверхности влияют на выбор процедуры меню или движения курсора.

в) Карманные ПК (Palmtop - наладонник)

Имеют массу около 300 грамм и размеры нагрудного кармана рубашки 150x80x25 мм. Это полноправные ПК, имеющие МП, ОП, постоянную память, монохромный или цветной ЖК-дисплей, специальный порт-разъем для подключения к настольному ПК, а также инфракрасный порт и Bluetooth. Работают под управлением ОС Windows CE и PalmOS.

г) Электронные секретари (Hand Help)

Имеют формат больше КПК и массу не более 0.5 кг, но более широкие функциональные возможности, чем Palmtop, также имеют клавиатуру. Они ориентированы на организацию электронных справочников и для хранения личной информации, также имеют встроенный текстовый и графический редакторы. Существуют еще смартфоны (больше сотовый телефон, чем КПК) и коммуникаторы (больше КПК, чем сотовый телефон), это конгломерат (механическое соединение двух вещей) сотового телефона и КПК.

Классификация ПК по поколениям процессоров

I поколение

МП: Intel 8086, 8087 (сопроцессор), 8088

Родоначальником это семейства является 16-ти разрядный процессор 8086, выпущенный в июне 1978 года. Он имел 16 регистров, 16-ти разрядную шину данных (ШД), 20-ти разрядную шину адреса (ША), а также сегментную систему адресации памяти (ОП) в пределах 1 Мб. В нем применялась малая конвейеризация, т.е. пока одни узлы выполняли текущую команду, блок предварительной выборки выбирал из памяти следующую.

II поколение

МП: Intel 80286 (80287 - сопроцессор) – тактовая частота до 20 МГц

Имел 16 регистров, 16-ти разрядную ШД, 24-х разрядную ША. В этих МП появился защищенный режим, позволяющий использовать виртуальную память размером до 1 Гб для каждой задачи, пользуясь адресуемой физической памятью в пределах 16 Мб. Защищенный режим является основой для построения многозадачных ОС, в которых система привилегий жестко регламентируется взаимоотношением задач с памятью, ОС и друг с другом. Производительность МП возросла не только с ростом тактов частоты, но и за счет усовершенствованного конвейера.

III поколение

МП: Intel 80386DX, SX, SL (80387 - сопроцессор)

Модификация DX – 32 регистра, 32-х разрядные ШД и ША. Частота до 33-40 Мгц. Модификация SX (дешевая версия) – 16 регистров, 16-ти разрядная ШД и 24-х разрядная ША. Оперативная память у обоих до 16 Мб. Модификация SL имеет низкое энергопотребление, этот МП предназначен для ноутбуков. Третье поколение МП ознаменовалось переходом к 32-х разрядной архитектуре. На МП этого поколения широко начала использоваться ОС Windows 3.11.

IV поколение

МП: Intel 80486DX, SX, SL – 32 регистра, 32-х разрядные ШД и ША.

Данное поколение не внесло существенных изменений в архитектуру, но был значительно усложнен исполняемый конвейер. В данном поколении отказались от внешнего FPU, его стали размещать на одном кристалле с центральным (486DX) или его не было вовсе (486SX). Особенностью 4-го поколения было наличие в FPU кэша (8 Кб).

V поколение

МП: Intel 80586, Pentium, AMD K5 – 32 регистра, 64-х разрядная ШД, 32-х разрядная ША, кэш – 16 Кб. Напряжение – 3.5 В.

Данное поколение дало суперскалярную архитектуру – для быстрого снабжения командами и данными из памяти. ШД сделана 64-х разрядной, поэтому МП этого поколения изначально называли 64-х разрядными. Модификацией данного МП было расширение Pentium MMX (мультимедийное расширение). Он имел на 57 команд больше – для обработки видео и звукового сопровождения. Команды MMX оперируют сразу 64-мя разрядами. Регистры MMX могут использоваться также для одновременного сложения и четырех 16-ти разрядных слов и двух 32-х разрядных слов. Такой принцип получил название SIMD (single-instruction, multiple-data - с одним потоком команд и многими потоками данных). Напряжение питания – 5 В.

VI поколение

МП: Intel Pentium Pro – Pentium III, Celeron, AMD K6, K6-II, K6-III.

Pentium Pro – 32 регистра, 64-х разрядная ШД, 36-х разрядная ША. Адресация ОЗУ до 64 Гб.

Ключевым в этих МП является динамическое исполнение, под которым понимается исполнение команд не в том порядке, как это предполагается программным кодом, а в том, как «удобно» МП.

В этом поколении использовано расширение команд: Intel – SSE, AMD – 3DNow!

VII поколение

МП: AMD Athlon

Причисление их к новому поколению обусловлено развитием суперскалярности и суперконвейерности. Конвейерная обработка предполагает разбивку выполнения каждой команды на несколько этапов, причем каждый этап выполняется на своей ступени конвейера МП. При выполнении команда продвигается по МП по мере освобождения следующих ступеней. Таким образом, на конвейере одновременно может обрабатываться несколько команд. Конвейер «классического» МП Pentium имеет 5 ступеней. Конвейеры МП суперконвейерной архитектуры (Pentium 4) имеют большое количество ступеней, что позволяет упростить каждую из них и, следовательно, сократить время пребывания в них команд. Скалярным называется МП с одним конвейером – это МП до Intel 80486 включительно. Суперконвейерный МП имеет более одного конвейера – Pentium 2.

Классификация ПК по типу используемого МП

По системе команд и архитектуре

a) RISC (reduced instruction set computer – процессор с сокращенным набором команд)

МП на RISC предполагают менее сложные команды одинаковой длины с отказом от некоторых сложных методов адресации. В частности для данных – обращение МП к памяти производится только двумя специальными командами – чтение и запись. Все остальные операции работают с регистрами. Это позволяет оптимизировать выполнение команд и ускорить работу МП. RISC-процессоры – Motorola, AnalogDevices.

б) CISC (complete-instuction-set computing – процессор с полным набором команд)

МП на CISC начали изготовляться фирмой Intel в 1971 году – Intel 4004. Для которых характерен набор сложных команд неодинаковой длины и большое количество методов адресации к ОП. Начиная с 80486 МП имел комбинированную структуру (МП – CISC, ядро – RISC). Для удобства работы на данном МП использовались OC Windows – Linux (Pentium IV, AMD K6-II, Athlon, Cyrix 6x86 MX).

Дата добавления: 2014-01-06