Структура и принципы функционирования ЭВМ. 1.Что понимается под алгоритмом решения задач?

Алгоритмы

1. Что понимается под алгоритмом решения задач? Алгоритм – четкая, однозначная последовательность действий, приводящая к конечному результату.

2. Перечислите основные свойства алгоритма.

• Определенность,
• универсальность,
• результативность.

3. Перечислите основные блоки исследования в БСА. Начало, конец, ввод, вывод, блок обработки, блок проверки условия.

4. Перечислите виды алгоритма.

• Линейный (отсутствие блока проверки условия)
• Разветвленный (хотя бы один блок проверки условия)
• Циклический

5. Охарактеризуйте линейный и разветвленный алгоритмы. См. 4

6.Что такое цикл? Параметр цикла? Цикл – многократная последовательность операторов.

Параметры цикла – переменная, отвечающая за число повторений цикла.

7. Какие типы циклов знаете, приведите их структурные схемы. «До» - цикл с постусловием, «Пока» - цикл с предусловием.

8.Назовите отличия 2х основных типов цикла.

• В цикле «Пока» в начале проверяется условие, а затем выполняются операторы. В цикле «До» наоборот.
• В цикле «Пока» проверяется условие входа, т.е. цикл повторяется, пока условие истинно; выход из цикла - при ложности условия. В цикле «До» проверяется условие выхода из цикла, т.е. цикл повторяется до тех пор, пока условие не станет истинным; цикл повторяется при ложности условия.

9. Какие действия необходимы для организации цикла? Поверка условия.

АЛУ предназначено для выполнения арифметических, логических операций, операций сдвига и переноса. Оно является ядром процессора.

Помимо АЛУ в выполнении операций принимают участие регистры.

В состав процессора входят следующие регистры:

1) регистры общего назначения РОН, которые являются временным запоминающим устройством и служат для хранения адресов и данных. В зависимости от типа процессора изменяется количество РОН (6 – 64) и их разрядность.

2) регистр команд РК служит для приема и хранения команды. Здесь она хранится в течение всего времени исполнения. В связи с тем, что команда может состоять из нескольких полей (частей), для загрузки каждой части команды потребуется отдельный цикл выполнения команды.

3) счетчик команды содержит адрес следующей команды. Этот адрес указывает место расположения команды в программе пользователя. Он является относительным, потому что указывает смещение данной команды относительно начальной команды. Во время выполнения программы операционной средой выполняется пересчет относительного адреса в адресе физической ячейки оперативной памяти (ОП), в которой должна храниться эта команда, с тем, чтобы в следующий цикл обработки команд ее можно было по этому адресу найти и загрузить в ПК.

Если в программе для команды указан непосредственно адрес ячейки ОП, то такой адрес называется абсолютным.

4) регистр-аккумулятор – содержит данные, которые входят в состав команды и должны быть выполнены АЛУ.

5) буферные регистры данных и адреса предназначены для временного хранения.

6) регистры признаков (регистр флажков). Признак (флаг) вырабатывается при выполнении операции и показывает переполнение регистра, знак результата, наличие или отсутствие переноса из младшего разряда в старший.

Работой АЛУ и регистров при выполнении команд управляет УУ.

По сигналам УУ выбирается команда из ОП, в самом УУ выполняется расшифровка кода операции, формируются сигналы для передачи данных, выполнения над ними действий, анализа признаков, появляющихся в результате выполнения действий и т. д.

ЗУ разделяется на

1. внешнюю память;

2. внутреннюю память.

К внешней памяти относятся НГМД, компакт-диски, магнитооптические диски, жесткие диски.

К внутренней памяти относятся ПЗУ–постоянные ЗУ– и ОЗУ – оперативные ЗУ.

ПЗУ предназначены для хранения базовой системы ввода–вывода BIOS (программы тестирования устройств компьютера, программы управления отдельными устройствами, внутренние драйверы, стартовый загрузчик –Bootstrap).

Классификация ПЗУ

В ОЗУ информация хранится только при включенном напряжении питания.

Классификация ОЗУ по технологии изготовления

С течением времени конденсаторы в динамических ОЗУ разряжаются, необходимо выполнять регенерацию, т. е. восстановление информации, поэтому в состав динамических ОЗУ входят цепи регенерации.

Классификация ОЗУ по конструктивному исполнению

Общая емкость оперативной памяти, которая может быть установлена в компьютере, определяется разрядностью шины адреса, поскольку необходимо иметь возможность задавать адрес каждой ячейки памяти.

В компьютерах 8086 и 8088 (PC/XT) – 16-разрядная шина адреса.

2¹⁶=640 К.

В компьютерах класса PC/AT на процессорах 8086 20-разрядная адресная шина, емкость памяти 2²⁰.

В ПК 80386 и далее, Pentium используется 32-разрядная шина адреса, что позволяет процессору обращаться к оперативной памяти объемом 4 Гб.

В ОП хранятся: ОС, внешние драйверы, резидентные (постоянные) программы, исполняемые программы, обрабатываемые данные.

Исполняемая программа вместе с обрабатываемыми ею данными (под ее управлением) составляет процесс.

Устройства внешней памяти делятся на 2 класса: последовательного доступа – накопитель на магнитной ленте (доступ к информации, пройдя предыдущую); прямого (произвольного) доступа непосредственно к информации.

Устройства ввода-вывода – это устройства ввода и вывода.

Устройства ввода: клавиатура, сканер, дигитайзер (для ввода графической информации).

Устройства вывода: монитор (экран), принтер, плоттер (графопостроитель), звуковые колонки.

Модемы и сетевые карты (платы) – устройства связи.

Устройства вывода делятся также на:

- устройства, с которых информация воспринимается человеком без дополнительных преобразований: монитор, принтер, плоттер;

- машиночитаемые устройства: дисководы, модем, сетевая плата.

Системный интерфейс – конструктивная часть ЭВМ для взаимодействия устройств и обмена информацией между ними. В больших и средних ЭВМ в качестве системного интерфейса используются сложные устройства, имеющие встроенные процессоры ввода-вывода – каналы.

В ПК устройства связаны шинами, которые позволяют передавать информацию в одном направлении – однонаправленные, и в обоих – двунаправленные. Конструктивно шина – плоский многожильный кабель. Количество жил определяется разрядностью передаваемой информации. От помех жилы защищены заземленными жилами, выполняющими функцию экрана.

Шина адреса ША – однонаправленная. Информация от процессора направляется в оперативную память для выбора ячейки или в порт ввода–вывода.

Шина управления ШУ – двунаправленная. Управляющие сигналы процессора передаются к устройствам ввода/вывода для их выбора. От устройств ввода/вывода сигналы передаются в процессор. Эти сигналы двух видов:

- сигналы готовности;

- сигналы прерывания.

Шина данных ШД – двунаправленная. Обеспечивает обмен данными между процессором, оперативной памятью и устройствами ввода/вывода.

Пульт управления ПУ. Используется в больших и средних ЭВМ для задания оператором или системным программистом системных операций в ходе управления вычислительным процессом. Как правило, пульт управления конструктивно выполнен вместе с ЦП. В ПК роль пульта управления играет клавиатура.

Основные параметры ВТ

ВТ характеризуют следующие параметры:

1) быстродействие;

2) емкость памяти;

3) точность вычислений;

4) система команд;

5) надежность;

6) стоимость.

Быстродействие рассматривают в двух аспектах. С одной стороны, быстродействие характеризуется количеством элементарных операций, выполняемым процессором в 1 с. Элементарная операция – любая простейшая операция типа сложения, сравнения, пересылки и др. С другой стороны, быстродействие ЭВМ существенно зависит от организации ее памяти. Это связано с тем, что время, затраченное на поиск необходимой информации в памяти, определяет время исполнения всей задачи и сказывается на быстродействии ЭВМ. В зависимости от области применения выпускаются ЭВМ с быстродействием от нескольких сотен тысяч до миллиардов операций в секунду.

Наряду с быстродействием часто используется понятие производительность ЭВМ. Производительность связана главным образом с архитектурой ЭВМ и разновидностями решаемых на ней задач.

Различают следующие оценки быстродействия:

- пиковое быстродействие, определяемое тактовой частотой процессора (без учета обращения к ОП);

- номинальное быстродействие, зависящее от времени обращения к ОП;

- системное быстродействие, определяемое с учетом системных затрат на организацию вычислительного процесса;

- эксплуатационное быстродействие, определяемое с учетом решаемых задач.

Емкость памяти определяется максимальным количеством информации, которую можно разместить в памяти ЭВМ. Измеряется в байтах (1 байт = 8 бит) и производных от них (Кб, Мб, Гб). Память ЭВМ разделяется на внешнюю и внутреннюю (ОП). Емкость ОП определяется разрядностью ША. Емкость внешней памяти неограниченна.

Точность вычислений зависит от формы представления чисел в ЭВМ и от количества разрядов, используемых для представления числа. Современные ЭВМ используют 32- или 64-разрядный МП, что позволяет обеспечить высокую точность вычислений. Однако если получаемая точность не удовлетворяет пользователя, то для ее повышения используют удвоенную и утроенную разрядную сетку.

Система команд – это перечень команд, которые способен выполнять процессор ЭВМ. Система команд устанавливает, какие конкретно операции может выполнять процессор, сколько операндов следует указать команде, какой формат (вид) должна иметь команда, чтобы она была распознана процессором. Количество команд относительно не велико: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение, запись в память, передача числа из регистра в регистр, преобразование из одной системы счисления в другую и т. д. При необходимости может выполняться модификация команды, учитывающая специфику вычислений. Обычно в компьютере выполняется около ста команд.

Если ЭВМ использует полный набор команд (CISC-компьютер: Complex Instruction Set Computer), то это приводит к усложнению аппаратных средств компьютера и увеличению времени выполнения команд. На выполнение самой простой команды тратится 4 такта. Для упрощения аппаратных средств и сокращения времени выполнения программы за счет только выполнения основных команд используют RISC-архитектуру (Reduced Instruction Set Computer), т. е. компьютер с сокращенным набором команд. На выполнение простой команды тратится 1 такт. При необходимости выполнения более сложных команд в микропроцессоре производится их автоматическая сборка из простых.

Надежность – это способность ЭВМ сохранять свои свойства при заданных условиях эксплуатации в течение заданного промежутка времени.

Количественной оценкой надежности являются:

- вероятность безотказной работы за определенное время при заданных условиях эксплуатации;

- наработка на отказ – время до первого отказа;

- среднее время восстановления ЭВМ – определяется временем на поиск и устранение неисправности.

Для повышения надежности вычислительной системы используют несколько ЭВМ для выполнения одних и тех же вычислений. Например, на самолетах используют три бортовых компьютера, на космическом корабле – 5. Для определения правильного результата используют правило мажорирования – голосования по признаку большинства.

Стоимость зависит от множества факторов, таких как: быстродействие, емкость памяти, система команд, условия производства.

Классификация ЭВМ

Номенклатура видов компьютеров сегодня огромная: машины различаются по назначению, мощности, размерам, элементной базе и т. д. Поэтому классифицируют ЭВМ по разным признакам. Следует заметить, что любая классификация является в некоторой мере условной, поскольку развитие компьютерной науки и техники настолько бурное, что, например, сегодняшняя микроЭВМ не уступает по мощности миниЭВМ пятилетней давности и даже суперкомпьютерам недавнего прошлого. Кроме того, зачисление компьютеров к определенному классу довольно условно из-за нечеткости разделения групп, а также вследствие внедрения в практику заказной сборки компьютеров, где номенклатуру узлов и конкретные модели адаптируют к требованиям заказчика.

Классификация ЭВМ по этапам создания

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

1-е поколение, 50-е гг.: ЭВМ на электронных вакуумных лампах; ЭВМ ENIAC, аббревиатура от Electronic Numerical Integrator and Computer, электронный цифровой интегратор и вычислитель), была запущена в 1946 году и весила почти 30 тонн.

2-е поколение, 60-е гг.: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах);

3-е поколение, 70-е гг.: ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни – тысячи транзисторов в одном корпусе). Интегральная схема – электронная схема специального назначе­ния, выполненная в виде единого полупроводникового кристалла, объединяю­щего большое число диодов и транзисторов;

4-е поколение, 80-е гг.: ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схе­мах — микропроцессорах (десятки тысяч – миллионы транзисторов в одном кристалле);

5-е поколение, 90-е гг.: ЭВМ со многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы;

6-е и последующие поколения: оптоэлектронные ЭВМ с массовым парал­лелизмом и нейронной структурой – с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологичес­ких систем.

Каждое следующее поколение ЭВМ имеет по сравнению с предшествующим сущест­венно лучшие параметры. Так, производительность ЭВМ и емкость всех запоминаю­щих устройств увеличиваются, как правило, больше чем на порядок.

Классификация ЭВМ по назначению

По назначению ЭВМ можно разделить на три группы: универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные.

Универсальные ЭВМ предназначены для решения различных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и других, от­личающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах.

Особенности универсальных ЭВМ:

- высокая производительность;

- разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, символьных, при большом диапазоне их изменения и высокой точности их представления;

- обширная номенклатура выполняемых арифметических, логических и специальных операций;

- большая емкость оперативной памяти;

- развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств.

Проблемно - ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами. К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы.

Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.

К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропро­цессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами; устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.

Классификация ЭВМ по производительности и габаритам

По этим параметрам ЭВМ делятся на:

- суперЭВМ;

- большие ЭВМ;

- средние ЭВМ;

- малые (мини) ЭВМ;

- персональные компьютеры;

- микроЭВМ;

- микропроцессоры.

Первые и вторые предназначены для выполнения работ, связанных с обработкой и хранением больших объемов информации и проведением сложных расчетов.

К суперЭВМ относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов – десятки миллиардов операций в секунду.

Типовая модель суперЭВМ 2000 г. имеет следующие параметры:

- высокопараллельная многопроцессорная вычислительная система с быстродействием примерно 100 000 MFLOPS (Million Floating Operations Per Se­cond – миллион операций над числами с плавающей запятой (точкой) в секунду);

- емкость: оперативной памяти 10 Гбайт, дисковой памяти 1–10 Тбайт (1 Тбайт = 1000 Гбайт);

- разрядность 64; 128 бит.

Фирма Cray Research ведет работу по созданию суперЭВМ производительностью 1 TFLOPS = 1000000 MFLOPS.

Создать такую высокопроизводительную ЭВМ по современной технологии на одном микропроцессоре не представляется возможным ввиду ограничения, обусловленного конеч­ным значением скорости распространения электромагнитных волн (300 000 км/с), ибо время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны МП) при быстродействии 100 млрд. оп./с становится соизмеримым со временем вы­полнения одной операции. Поэтому суперЭВМ создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС).

Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей:

- магистральные (конвейерные) МПВС, в которых процессоры одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных; по принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД или MISD – Multiple Instruction Single Data);

- векторные МПВС, в которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными – однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД или SIMD — Single Instruction Multiple Data);

- матричные МПВС, в которых МП одновременно выполняют разные операции над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных – многократный поток команд с многократным потоком данных (МКМД или MIMD – Multiple Instruction Multiple Data).

Условные структуры однопроцессорной (SISD – Single Instruction Single Data) и на­званных многопроцессорных вычислительных систем показаны на рисунке. В суперЭВМ используются все три варианта архитектуры МПВС:

-структура MIMD в классическом ее варианте (например, в суперкомпьютере BSP фирмы Burroughs);

- параллельно-конвейерная модификация, иначе, MMISD, т. е. многопроцессорная (Multiple) MISD-архитектура (например, в суперкомпьютере "Эльбрус 3");

- параллельно-векторная модификация, иначе, MSIMD, т. е. многопроцессорная SIMD-архитектура (например, в суперкомпьютере Cray 2).

Первая суперЭВМ была задумана в 1960 г. и создана в 1972 г. (машина ILLIAC IV с производительностью 20 MFLOPS), а, начиная с 1974 г., лидерство в разработке суперЭВМ захватила фирма Cray Research, выпустившая ЭВМ Cray 1 производительностью 160 MFLOPS и объемом оперативной памяти 64 Мбайта, а в 1984 г. – ЭВМ Cray 2, в пол­ной мере реализовавшую архитектуру MSIMD и ознаменовавшую появление нового поко­ления суперЭВМ. Производительность Cray 2 – 2000 MFLOPS, объем оперативной памяти – 2 Гбайта. Классическое соотношение, ибо критерий сбалансированности ресур­сов ЭВМ – каждому MFLOPS производительности процессора должно соответствовать не менее 1 Мбайта оперативной памяти.

В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперЭВМ (в 1991 г. – 900 шт.), начиная от простых офисных Cray EL до мощных Cray 3, Cray 4, Cray Y-MP C90 фирмы Cray Research и др., производительнос­тью несколько десятков тысяч MFLOPS; среди лучших суперЭВМ можно отметить и оте­чественные суперкомпьютеры.

В сфере суперЭВМ Россия, пожалуй, впервые представила собственные оригинальные модели ЭВМ. Все остальные: и ПК, и малые, и универсальные ЭВМ, за редким исключени­ем (например, ЭВМ Рута 110), на базе отечественной технологии копировали зарубежные разработки (в первую очередь разработки фирм США).

В СССР, а позднее в России была разработана и реализуется (сейчас, правда, почти заморожена) государственная программа разработки суперкомпьютеров. По этой программе были разработаны и частично выпущены такие суперЭВМ, как повторяющая архитектуру Cray Электроника СС БИС; оригинальные разработки: ЕС1191, 1195, 1191.01, 1191.10, Эльбрус 1, 2, 3, 3Б. Разработка ЕС1191 с производительностью 1200 MFLOPS из-за нехват­ки средств заморожена; офисные варианты ЕС 1195 и ЕС 1191.01 имеют производительность соответственно 50 и 500 MFLOPS; идет разработка ЕС 1191.10 с ожидаемой производитель­ностью 2000 MFLOPS.

Большие ЭВМ – это универсальные ЭВМ общего назначения. Обладают быстродействием до сотен миллионов операций в секунду и до десятков миллиардов операций в секунду при организации параллельного вычислительного процесса. Емкость внешней памяти больших ЭВМ определяется количеством подключаемых внешних устройств. Обычно это пакеты больших дисков диаметром 60 см. Устройства внешней памяти больших ЭВМ критичны к температурному режиму, поэтому их располагают в отдельных гермозонах с постоянной температурой. Доминирующее положение в выпуске компьютеров такого класса занимает фирма IBM (США). Наиболее известными моделями супер- и больших ЭВМ являются: IBM 360, IBM 370, IBM 390, IBM ES/9000, Cray 3, Cray 4, VAX-100, Hitachi, Fujitsu VP2000. В СССР и России созданы ЭВМ ЕС1030, ЕС1060, ЕС1068, 1087, 1130, 1170 (аналоги IBM).

На базе супер- и больших ЭВМ создают вычислительный центр, который содержит несколько отделов или групп (структура которого изображена на рис.). Штат обслуживания – десятки людей.

Группа технического обслуживания	Центральный процессор	Группа подготовки данных
Группа системных программистов	Отдел выдачи результатов	Группа прикладных программистов
	Группа информационной поддержки

Структура вычислительного центра на базе большой ЭВМ

Центральный процессор – основной блок ЭВМ, в котором происходит обработка данных и вычисление результатов. Представляет собой несколько системных блоков в отдельной комнате, где поддерживается постоянная температура и влажность воздуха.

Группа системного программирования – занимается разработкой, отладкой и внедрением программного обеспечения, необходимого для функционирования вычислительной системы. Системные программы обеспечивают взаимодействие программ с оборудованием, то есть программно-аппаратный интерфейс вычислительной системы.

Группа прикладного программирования – занимается созданием программ для выполнения конкретных действий с данными, то есть обеспечение пользовательского интерфейса вычислительной системы.

Группа подготовки данных – занимается подготовкой данных, которые будут обработаны прикладными программами, созданными прикладными программистами. В частности, это набор текста, сканирование изображений, заполнение баз данных.

Группа технического обеспечения – занимается техническим обслуживанием всей вычислительной системы, ремонтом и отладкой аппаратуры, подсоединением новых устройств.

Группа информационного обеспечения – обеспечивает технической информацией все подразделения вычислительного центра, создает и сохраняет архивы разработанных программ (библиотеки программ) и накопленных данных (банки данных).

Отдел выдачи данных – получает данные от центрального процессора и превращает их в форму, удобную для заказчика (распечатка).

Основные параметры больших ЭВМ:

- производительность 10 MIPS (миллионов операций с фиксированной запятой в секунду);

- основная память емкостью от 64 до 10000 Мбайт;

- внешняя память не менее 50 Гбайт;

- многопользовательский режим работы (обслуживает одновременно от 16 до 1000 пользователей).

Большим ЭВМ присуща высокая стоимость оборудования (десятки миллионов $) и обслуживания, поэтому работа организована непрерывным циклом.

Средние ЭВМ обладают меньшими вычислительными возможностями по сравнению с большими. Размещаются в нескольких стойках (шкафах). В СССР выпускались ЕС1036, ЕС1020. На западе –IBM (International Business Machines).

Малые ЭВМ (мини-ЭВМ) — надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравнению с большими ЭВМ возможностями. Располагаются в 2–3-х стойках: в одной стойке – ЦП, ПУ, ОП; во второй – УВВ; в третьей – внешняя память. Все модели мини-ЭВМ разрабатываются на основе микропроцессорных наборов ин­тегральных микросхем, 16-, 32-, 64-разрядных микропроцессоров. Основные их особеннос­ти: широкий диапазон производительности в конкретных условиях применения, аппаратная реализация большинства системных функций ввода-вывода информации, простая реализа­ция микропроцессорных и многомашинных систем, высокая скорость обработки прерыва­ний, возможность работы с форматами данных различной длины.

К достоинствам мини-ЭВМ можно отнести: специфичную архитектуру с большой мо­дульностью, лучшее, чем у больших ЭВМ, соотношение производительность/цена, повы­шенная точность вычислений.

Мини-ЭВМ ориентированы на использование в качестве управляющих вычислитель­ных комплексов. Традиционная для подобных комплексов широкая номенклатура перифе­рийных устройств дополняется блоками межпроцессорной связи, благодаря чему обеспечивается реализация вычислительных систем с изменяемой структурой.

Наряду с использованием для управления технологическими процессами мини-ЭВМ успешно применяются для вычислений в многопользовательских вычислительных систе­мах, в системах автоматизированного проектирования, в системах моделирования неслож­ных объектов, в системах искусственного интеллекта.

На западе выпускались мини-ЭВМ PDP-11 (Program Driver Processor – программно-управляемый процессор) фирмы DEC (Digital Equip­ment Corporation – Корпорация дискретного оборудования, США), они явились прообразом и наших отечественных мини-ЭВМ – Системы Малых ЭВМ (СМ ЭВМ): СМ 1, 2, 3, 4, 1400, 1700 и др., Электроника-100/25, Электроника-79. Основные параметры миниЭВМ:

- производительность до 100 MIPS;

- емкость основной памяти 4–512 Мбайт;

- емкость дисковой памяти 2–100 Гбайт;

- число поддерживаемых пользователей 16–512.

Персональные компьютеры – однопользовательские микроЭВМ, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения.

Персональный компьютер для удовлетворения этим требованиям должен иметь следующие характеристики:

- малую стоимость, находящуюся в пределах доступности для индивидуального поку­пателя;

- автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;

- гибкость архитектуры, обеспечивающую ее адаптивность к разнообразным примене­ниям в сфере управления, науки, образования, в быту;

- "дружественность" операционной системы и прочего программного обеспечения, обу­словливающую возможность работы с ней пользователя без специальной профессио­нальной подготовки;

- высокую надежность работы (более 5000 ч наработки на отказ).

Среди зарубежных ПК следует отметить компьютеры американской фирмы IBМ: IBМ PC/XT, IBМ PC/AT на микропроцессорах 80286 (16-разрядные), IBМ PS/2 8030 -PS/2 8080 (PS – Personal System), все PS, кроме PS/2 8080, – 16-разрядные, PS/2 8080 – 32-разрядная, IBM PC на МП 80386 и 80486 (32-разрядные), IBM PC на МП Pentium и Pentium Pro (64-разрядные).

Широко известны персональные компьютеры, выпускаемые американскими фирмами: Compaq Computer, Apple (Macintosh), Hewlett Packard, Dell, DEC, а также фирмами Великоб­ритании: Spectrum, Amstrad; Франции: Micral; Италии: Olivetti; Японии: Toshiba, Panasonic и Partner.

Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются персональные компьюте­ры клона (архитектуры определенного направления) IBM, первые модели которых появи­лись в 1981 г. Они имеют так называемую открытую архитектуру, обеспечивающую взаимозаменяемость и расширение отдельных частей компьютера. Существенно им уступают по популярности персональные компьютеры клона DEC (Digital Equipment Corporation), имеющие закрытую архитектуру, в частности, широко известные ПК Macintosh фирмы Apple, занимающие по распространенности 2-е место. Стоимость закрытой архитектуры меньше, но для замены узлов надо менять все аппаратное обеспечение. Для них используется своя ОС OS/2 (называемая полуосью).

В начале 90-х гг. мировой парк компьютеров составлял примерно 150 млн. шт., из них около 90 % – это персональные компьютеры, в частности профессиональных ПК типа IBМ PC более 100 млн. шт. (около 75 % всех ПК); профессиональных ПК типа DEC около 5 млн. шт.

За рубежом самыми распространенными моделями компьютеров в настоящее время являются IBM PC с микропроцессорами Pentium и Pentium Pro.

Отечественная промышленность (страны СНГ) выпускала DEC-совместимые компьютеры (диало­говые вычислительные комплексы ДВК-1 — ДВК-4 на основе Электроники МС-1201, Элек­троники 85, Электроники 32 и др.) и IBМ PC-совместимые компьютеры (ЕС1840 – ЕС1842, ЕС1845, ЕС 1849, ЕС1861, Искра 1030, Искра 4816, Нейрон И9.66 и др.). Остальные типы отечественных ПК (Агат, Микроша, Спектр, Орбита, БК и др.) существенно уступают по своим характеристикам вышеназванным. Причем если еще лет 12-15 назад мы ориенти­ровались в основном на DEC-совместимые ПК, то сейчас подавляющее большинство отече­ственных персональных компьютеров собирается из импортных комплектующих и относится к IBM PC-совместимым.

Персональные компьютеры можно классифицировать по ряду признаков. По поколениям персональные компьютеры делятся следующим образом:

- ПК 1-го поколения – используют 8-битные микропроцессоры;

- ПК 2-го поколения – используют 16-битные микропроцессоры;

- ПК 3-го поколения – используют 32-битные микропроцессоры;

- ПК 4-го поколения – используют 64-битные микропроцессоры.

Классификацию ПК по конструктивным особенностям можно представить в виде диаграммы:

Рассмотрим переносные ПК. Это быстро развивающийся класс ПК. По прогнозам, сделанным в 1997 г., в 1998 г. более 50 % пользователей должны были использовать переносные ПК, а в 2000 г. – до 81 %. Однако эти прогнозы в России не оправдались, по-видимому, из-за высокой цены переносных ПК (от 1000 $).

Большинство переносных компьютеров имеют автономное питание от аккумуляторов, но могут подключаться и к сети.

В качестве видеомониторов у них применяются плоские с подсветкой жидко­кристаллические дисплеи, реже — люминесцентные для презентаций или газоразрядные.

Жидкокристаллические дисплеи (LCD – Liquid Crystal Display) бывают с активной и пассивной матрицами.

В пассивной матрице каждый элемент экрана (пиксель – picture element) выбирается на пересечении координатных управляющих прозрачных проводов, а в активной – для каждого элемента экрана есть свой управляющий провод.

Дисплей с активной матрицей более сложный и дорогой, но обеспечивает лучшее качество: большие динамичность, разрешающую способность, контрастность и яркость изображения.

В последнее время используются и цветные дисплеи. У цветных дисплеев каждый пиксель состоит из 3 – 4 отдельных подпикселей, покрытых тонкими светофильтрами разных цветов. Разрешающая способность большинства жидко­кристаллических дисплеев от 640×480 пикселей.

Наращивание аппаратных средств у многих переносных компьютеров выполняется подключением плат специальной конструкции, так называемых PCMCIA-карт (специфика­ция Personal Computer Memory Card International Association, первоначально ориентирован­ная лишь на платы памяти). Большинство PCMCIA-карт поддерживают технологию Plug and Play, не требующую при установке какой-либо его дополнительной настройки.

Наряду с платами ОЗУ используются более интенсивно платы ПЗУ и Flash-памяти, последние у миниатюрных ПК часто применяются вместо дисковой памяти.

Клавиатура чаще всего чуть укороченная: 84–86 клавиш (вместо 101 у настольных ПК), но может иметься разъем для подключения и полной клавиатуры; у некоторых моделей клавиатура раскладная. У миниатюрных компьютеров клавиатура бывает так мала, что для нажатия клавиш используется специальная указочка.

В качестве манипулятора (устройства указания) обычно используется не мышь, а трек­бол, трекпойнт или трекпад.

Трекбол (Track Ball) – пластмассовый шар диаметром 15 – 20 мм, вращающийся по любому направлению (напоминающий стационарно укрепленную перевернутую мышь).

Трекпойнт (Track Point) – специальная гибкая клавиша на клавиатуре типа лас­тика, прогиб которой в нужном направлении перемещает курсор на экране дисплея.

Трекпад (Track Pad или Touch Pad) – небольшой планшет, размещенный на блоке клавиатуры и содержащий под тонкой пленкой сеть проводников, воспринимающих при легком нажиме направление перемещения нажимающего объекта, например пальца. Приня­тый сигнал используется для управления курсором.

Применяются в переносных компьютерах и сенсорные экраны, в которых при­косновение к их поверхности обусловливает перемещение курсора в место прикосновения или выбор процедуры по меню, выведенному на экран.

Переносные компьютеры весьма разнообразны: от громоздких и тяжелых (до 15 кг) портативных рабочих станций до миниатюрных электронных записных книжек массой около 100 г. Рассмотрим кратко некоторые типы переносных ПК и приведем их характерис­тики.

Портативные рабочие станции – наиболее мощные и крупные перенос­ные ПК. Они оформляются часто в виде чемодана. Их характеристики аналогичны характеристикам стационарных ПК – рабочих станций: мощные микропроцессоры, часто типа RISC, с тактовой частотой более 300 МГц, опе­ративная память емкостью более 64 Мбайт, гигабайтные дисковые накопители, быстродейст­вующие интерфейсы и мощные видеоадаптеры с видеопамятью до 4 Мбайт. Они обычно имеют модемы и могут оперативно подключаться к каналам связи для работы в вычисли­тельной сети.

Этот тип переносных компьютеров может эффективно использоваться для выездных презентаций, особенно при наличии средств мультимедиа, но может с успехом применяться и в стационарном варианте, позволяя экономить место на рабочем столе.

Портативные (наколенные) компьютеры типа "Lap Top" оформляют­ся в виде небольших чемоданчиков размером с "дипломат", их масса обычно в пределах 5 – 10 кг. Аппаратное и программное обеспечение позволяет им успешно конкурировать с лучшими стационарными ПК. В современных Lap Top часто используются микропроцессо­ры Pentium, Pentium Pro с большой тактовой частотой (более 500 МГц); оперативная память более 64 Мбайт; накопитель на жестком диске емкостью более 1200 Мбайт, часто съемный; возмож­но использование CD-ROM и другого мультимедийного обеспечения.

Компьютеры-блокноты (Note Book и Sub Note Book, их называют также и Omni Book – "вездесущие") выполняют все функции настольных ПК. Конструктивно они оформлены в виде миниатюрного чемоданчика (иногда со съемной крышкой) размером с небольшую книгу. По своим характеристикам во многом совпадают с Lap Top, отличаясь от них лишь размерами и несколько меньшими объемами оперативной и дисковой памяти (дисковод "флоппи" и винчестер часто внешние). Вместо винчестера некоторые модели, особенно среди Sub Note Book (уменьшенный вариант Note Book), имеют энергонезависи­мую Flash-память емкостью 10–20 Мбайт.

Многие модели компьютеров-блокнотов имеют модемы для подключения к каналу связи и соответственно к вычислительной сети. Некоторые из них для дистанционного бес­проводного обмена информацией с другими компьютерами оборудованы радиомодемами и оптоэлектронными инфракрасными портами. Последние обеспечивают межкомпьютерную связь на расстоянии нескольких десятков метров и в пределах прямой видимости. Возмож­ность связи индицируется появлением на экране компьютера специальной пиктограммы. Имеют жидкокристаллические цветные дисплеи небольшого размера. Кла­виатура всегда укороченная, манипуляторы типа Track Point и Track Pad. Наращивание ре­сурсов выполняется картами PCMCIA.

Питание Note Book осуществляется от портативных аккумуляторов, обеспечивающих автономную работу в течение 3 – 4 ч (а в случае использования ионолитиевых аккумулято­ров и до 12 ч).

Лидерами среди Note Book, по-видимому, являются модели IBM ThinkPad, опреде­ляющие стандарт среди этого подкласса ПК. Но имеются выдающиеся представители Note Book и у многих других фирм: Toshiba, Compaq, Hewlett Packard и др.

По существу, имея под рукой Note Book, вы имеете всегда и на своем рабочем месте, и дома, и в дороге современный офисный компьютер, что для бизнесмена является уже не роскошью, а необходимостью.

Карманные компьютеры (Palm Top, что значит "наладонные") имеют массу около 300 г; типичные размеры в сложенном состоянии 150´80´25 мм. Это полноправные персональные компьютеры, имеющие микропроцессор, оперативную и постоянную память, монохромный или цветной жидкокристаллический дисплей, портативную клавиатуру, порт-разъем для подключения в целях обмена информацией к стационарному ПК.

Электронные секретари (PDA – Personal Digital Assistant, иногда их назы­вают Hand Help – ручной помощник) имеют формат карманного компьютера (массой не более 0,5 кг), но более широкие функциональные возможности, нежели Palm Top (в част­ности: аппаратное и встроенное программное обеспечение, ориентированное на организа­цию электронных справочников, хранящих имена, адреса и номера телефонов, информацию о распорядке дня и встречах, списки текущих дел, записи расходов и т. п.), встроенные текстовые, а иногда и графические редакторы, электронные таблицы.

Большинство PDA имеют модемы и могут обмениваться информацией с другими ПК, а при подключении к вычислительной сети могут получать и отправлять электронную почту и факсы. Некоторые из них имеют даже автоматические номеронабиратели. Новей­шие модели PDA для дистанционного беспроводного обмена информацией с другими ком­пьютерами оборудованы радиомодемами и инфракрасными портами.

Ручной ввод информации возможен с клавиатуры (клавиатура QWERTY у моделей HP 100LX, Casio Boss, Psion Series), у некоторых моделей (Newton Message Pad, Dyna Pad, Versa Pad и др.) имеется "перьевой" ввод: сенсорный экран, указка (перо) и экранная эмуляция клавиатуры (указкой можно "нажимать" клавиши на экране), у некоторых моделей (Sharp Wizard) имеется гибридный ввод: с клавиатуры, для выбора пунктов меню и некоторых ру­кописных записей – перьевой ввод.

Электронные секретари обычно имеют небольшой жидкокристаллический дисплей (иногда размещенный в съемной крышке компьютера) и возможность наращивания ресур­сов по спецификации PCMCIA. PDA, пожалуй, самый быстроразвивающийся вид портатив­ных компьютеров.

Электронные записные книжки (organizer – органайзеры) относятся к "легчайшей категории" портативных компьютеров (к этой категории кроме них относятся калькуляторы, электронные переводчики и др.); масса их не превышает 200 г. Органайзеры пользователем не программируются, но содержат вместительную память, в которую можно записать необходимую информацию и отредактировать ее с помощью встроенного тексто­вого редактора; в памяти можно хранить деловые письма, тексты соглашений, контрактов, распорядок дня и деловых встреч. В органайзер встроен внутренний таймер, который напо­минает звуком о деле в заданное время. Есть защита информации от несанкционированного доступа, обычно по паролю.

Есть разъем для подключения к компьютеру, небольшой жидкокристал­лический дисплей. Благодаря низкому потреблению мощности питание от аккумулятора обеспечивает без подзарядки хранение информации до 5 лет. К сожалению, большинство органайзеров не русифицированы, а программную русификацию сделать невозможно. Поэтому следует выбирать русифицированные органайзеры.

Микропроцессорные ЭВМ – представляют собой объединение на одной плате микропроцессора, каналов ввода/вывода и регистров памяти. На базе МП можно создать устройства управления любой бытовой техникой.

4 Системы счисления и представление данных

Дата добавления: 2014-01-07