Эвм и пу краткий конспект лекций
Обновлено: 05.07.2024
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Занятие №1
Тема 1.1. Назначение ЭВТ. Классификация вычислительных систем
Основные сведения об электронно-вычислительной технике:
классификация, характеристики, принцип действия.
Аналоговая и цифровая ВТ. Гибридные ВМ.
Принципы организации цифровых вычислительных устройств (ЦВУ)
Келим Ю.М. Вычислительная техника, стр. 34 - 45
Кузин А.В., Жаворонков М.А. Микропроцессорная техника, стр. 4 - 9
Вычислительная техника ( ВТ ) − это совокупность устройств, предназначенных для автоматизированной обработки данных.
Вычислительная система (ВС) – это конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка.
Центральным устройством большинства ВС является компьютер (ЭВМ).
Типы вычислительных машин (ВМ).
Компьютеры могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности по принципу действия, назначению, способам организации вычислительного процесса, размерам и вычислительной мощности, функциональным возможностям, способности к параллельному выполнению программ и др.
Возможна следующая классификация ЭВМ:
– ЭВМ по принципу действия;
– ЭВМ по этапам создания;
– ЭВМ по назначению;
– ЭВМ по размерам и функциональным возможностям.
Классификация ЭВМ по принципу действия . Электронная вычислительная машина, компьютер — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.
По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса:
Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают.
Цифровые вычислительные машины (ЦВМ) – вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.
Аналоговые вычислительные машины (АВМ) – вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения). АВМ машины весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них, как правило, нетрудоемкое; скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана сколь угодно большой (больше, чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность 2 –5%).На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики.
Гибридные вычислительные машины (ГВМ) – вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.
Наиболее широкое применение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации – электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания об их цифровом характере.
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 электронно-вакуумных лампах;
2-е поколение, 60-е гг.: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах);
3-е поколение, 70-е гг.: ЭВМ на полупроводниковых интегральных микросхемах с малой и средней степенью интеграции (сотни, тысячи транзисторов в одном корпусе);
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 с 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: оптоэлектронных ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой — с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.
Каждое следующие поколение ЭВМ имеет по сравнению с предшествующим существенно лучшие характеристики. Так, производительность ЭВМ и емкость всех запоминающих устройств увеличиваются, как правило, больше чем на порядок.
Классификац ия ЭВМ по назначению . По назначению ЭВМ можно разделить на три группы:
– универсальные (общего назначения),
Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах.
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 крута 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 логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами, устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.
Классификация ЭВМ по размерам и функциональным возможностям . По размерам и функциональным возможностям ЭВМ можно разделить на:
Классификация по уровню специализации. По уровню специализации компьютеры делят на универсальные и специализированные. На базе универсальных компьютеров можно собирать вычислительные системы произвольного состава (состав компьютерной системы называется конфигурацией). Так, например, один и тот же персональный компьютер можно использовать для работы с текстами, музыкой, графикой, фото- и видеоматериалами.
Специализированные компьютеры предназначены для решения конкретного круга задач. К таким компьютерам относятся, например, бортовые компьютеры автомобилей, судов, самолетов, космических аппаратов.
Компьютеры, интегрированные в бытовую технику, например в стиральные машины, СВЧ-плиты и видеомагнитофоны, тоже относятся к специализированным. Бортовые компьютеры управляют средствами ориентации и навигации, осуществляют контроль состояния бортовых систем, выполняют некоторые функции автоматического управления и связи, а также большинство функций оптимизации параметров работы систем объекта (например, оптимизацию расхода топлива объекта в зависимости от конкретных условий движения).
Специализированные мини-ЭВМ, ориентированные на работу с графикой, называют графическими станциями. Их используют при подготовке кино- и видеофильмов, а также рекламной продукции.
Специализированные компьютеры, объединяющие компьютеры предприятия в одну сеть, называют файловыми серверами.
Компьютеры, обеспечивающие передачу информации между различными участниками всемирной компьютерной сети, называют сетевыми серверами.
Тема 1.2. Характеристики и принцип действия ЭВМ.
Обобщенная структурная схема ЦВМ.
Характеристики и принцип действия ЭВМ.
Основные параметры ЭВМ.
Архитектура ЭВМ.
Келим Ю.М. Вычислительная техника, стр. 52 - 66
Кузин А.В., Жаворонков М.А. Микропроцессорная техника, стр. 9 - 13
1. Принципы построения ЭВМ
Основные принципы построения ЭВМ были сформулированы американским учёным Джоном фон Нейманом в 1946 году :
1. Любая ЭВМ для выполнения своих функций должна иметь минимальный набор функциональных блоков :
УУ – устройство управления. Организует процесс выполнения программ.
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство (память), состоящее из перенумерованных ячеек. Хранит данные, адреса и команды, обладает высокой скоростью записи и чтения чисел.
УВВ – устройство ввода-вывода. Получают информацию извне, выводят её получателю.
2. Информация, с которой работает ЭВМ Информация кодируется в двоичной форме и делится на два типа:
набор команд по обработке (программы);
данные подлежащие обработке.
3. И команды, и данные вводятся в память (ОЗУ) – принцип хранимой программы .
4. Руководит обработкой процессор, устройство управления (УУ) которого выбирает команды из ОЗУ и организует их выполнение, а арифметико-логическое устройство (АЛУ) проводит арифметические и логические операции над данными.
5. С процессором и ОЗУ связаны устройства ввода-вывода (УВВ).
Архитектура ЭВМ
Архитектура вычислительной машины (англ. сomputer architecture) – концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.
Существует два вида архитектуры вычислительных машин:
с непосредственными связями (1-е и 2-е поколение ВМ)
на основе шины .
Типичным представителем первого способа может служить классическая фон-неймановская ВМ. В ней между взаимодействующими устройствами имеются непосредственные связи. Особенности связей (число линий в шинах, пропускная способность и т. п.) определяются видом информации, характером и интенсивностью обмена.
Структура современных персональных компьютеров отличается от классической структуры компьютера. Перечислим ниже основные отличия (особенности) :
АЛУ и УУ объединены в единое устройство, называемое микропроцессором (МП, центральный процессор, реализованный на СБИС), кроме того, в состав МП входит ряд других устройств, предназначенных для хранения, записи, считывания и обмена информацией;
применение специализированных устройств – контроллеров, которым передается часть функций МП, связанная с обменом информации и управлением работой устройств для ввода и вывода (внешних устройств) информации, такая децентрализация позволяет повысить эффективность работы компьютера в целом за счет сокращения времени простоя МП;
вместо отдельных линий связи между устройствами используется системная магистраль с соответствующими устройствами сопряжения. Наличие системной магистрали в персональном компьютере позволяет осуществить обмен информацией между устройствами компьютера, уменьшить число линий связи, подключить различные дополнительные устройства через соответствующие разъемные соединения и т. д.
Шина - это кабель, состоящий из множества проводников.
Магистраль – устройство, которое осуществляет взаимосвязь и обмен информацией между всеми устройствами компьютера. Магистраль включает в себя три многоразрядные шины, представляющие собой многопроводные линии: шину данных, шину адреса, шину управления .
По одной группе проводников - шине данных передаётся обрабатываемая информация, по другой - шине адреса - адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Третья часть магистрали - шина управления , по ней передаются управляющие сигналы (например, сигнал готовности устройства к работе, сигнал к началу работы устройства и др).
Системная шина характеризуется тактовой частотой и разрядностью. Количество одновременно передаваемых по шине бит называется разрядностью шины .
Тактовая частота характеризует число элементарных операций по передаче данных в 1 секунду. Разрядность шины измеряется в битах, тактовая частота – в мегагерцах.
Всякая информация, передаваемая от процессора к другим устройствам по шине данных, сопровождается адресом , передаваемым по адресной шине. Это может быть адрес ячейки памяти или адрес периферийного устройства. Необходимо, чтобы разрядность шины позволила передать адрес ячейки памяти. Таким образом, разрядность шины ограничивает объем оперативной памяти ЭВМ, он не может быть больше чем , где n – разрядность шины. Важно, чтобы производительности всех подсоединённых к шине устройств были согласованы. Неразумно иметь быстрый процессор и медленную память или быстрый процессор и память, но медленный винчестер.
В варианте с общей шиной все устройства вычислительной машины подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных и управления. Наличие общей шины существенно упрощает реализацию ВМ, позволяет легко менять состав и конфигурацию машины. Вместе с тем, именно с шиной связан и основной недостаток архитектуры: в каждый момент передавать информацию по шине может только одно устройство. Основную нагрузку на шину создают обмены между процессором и памятью, связанные с извлечением из памяти команд и данных и записью в память результатов вычислений. На операции ввода/вывода остается лишь часть пропускной способности шины.
МП – микропроцессор; ПП – постоянная память; ОП – оперативная память: ВК – видеоконтроллер; ПИ – последовательный интерфейс; И – интерфейсы других внешних устройств; К – контроллер; ЗК – звуковой контроллер: ИП – параллельный интерфейс; СА – сетевой адаптер; НГМД – накопитель на гибких магнитных дисках; НЖМД – накопитель на жестких магнитных дисках; НОД – накопитель на оптических дисках; НМЛ – накопитель на магнитной ленте; ПУ – печатающее устройство; БП – блок питания и УО – устройства охлаждения.
В современных ЭВМ реализован принцип открытой архитектуры, позволяющий пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости её модернизацию.
Конфигурацией компьютера называют фактический набор компонентов ЭВМ, которые составляют компьютер. Принцип открытой архитектуры позволяет менять состав устройств ЭВМ. К информационной магистрали могут подключаться дополнительные периферийные устройства, одни модели устройств могут заменяться на другие.
Аппаратное подключение периферийного устройства к магистрали на физическом уровне осуществляется через специальный блок - контроллер (другие названия - адаптер, плата, карта). Для установки контроллеров на материнской плате имеются специальные разъёмы - слоты .
Программное управление работой периферийного устройства производится через программу - драйвер , которая является компонентой операционной системы. Так как существует огромное количество разнообразных устройств, которые могут быть установлены в компьютер, то обычно к каждому устройству поставляется драйвер, взаимодействующий непосредственно с этим устройством.
Связь компьютера с внешними устройствами осуществляется через порты – специальные разъёмы на задней панели компьютера. Различают последовательные и параллельные порты. Последовательные (COM – порты) служат для подключения манипуляторов, модема и передают небольшие объёмы информации на большие расстояния. Параллельные (LPT - порты) служат для подключения принтеров, сканеров и передают большие объёмы информации на небольшие расстояния. В последнее время широкое распространение получили последовательные универсальные порты (USB), к которым можно подключать различные устройства.
ной, функциональной, логической и физической организации аппаратных и программных средств ЭВМ , или другими словами, ее внутреннюю организацию, состав ее различных устройств, логику их работы и их взаимодействие. Детализация сведений об архитектуре может быть разной и зависит от категории пользователей ЭВМ. Определение понятия архитектуры вычислительных машин может быть сформулировано так: это то, что должен знать о вычислительных машинах человек, использующий компьютер в своих профессиональных и личных целях.
В понятие архитектуры отдельно взятой вычислительной машины обычно включают сведения:
• о составе и взаимодействии основных ее блоков;
• о системе команд машины и их репертуаре;
• о типе данных, поддерживаемых аппаратурой;
• о регистровой структуре ее процессора;
• об организации памяти, иерархии запоминающих устройств и их взаимосвязи;
• об организации системы прерываний;
• об организации обмена данными с внешними устройствами;
• о топологии связей отдельных устройств и модулей.
Уровень детализации перечисленных выше сведений зависит от уровня пользователя.
Структура компьютера — это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов, т. е. совокупность элементов и их связей.
Термины: вычислительная установка, вычислительная машина, компьютер, просто вычислитель, ЭВМ – электронная вычислительная машина – обозначают одно и то же.
В литературе используются понятия однопроцессорных, многопроцессорных и мультипроцессорных вычислительных машин.
Широко используется термин вычислительная система. Под вычислительной системой мы будем понимать установку, включающую в свой состав несколько взаимодействующих процессоров или вычислительных машин, связанных между собой линиями передачи данных, и способных совместно выполнять общий алгоритм. Понятие многопроцессорной системы обозначает вычислительную систему, включающую в свой состав относительно небольшое число процессоров; понятие мультипроцессорной системы предполагает, что процессоров, включенных в систему очень много. Что означает “небольшое число” и “очень много” зависит от контекста, в котором эти термины употребляются и формальному определению это не поддается.
Самая общая схема однопроцессорной вычислительной машины от калькулятора до суперкомпьютера осталась неизменной со времени изобретения первой механической программно управляемой машины Ч. Бэббиджа (1812–1820 г.). Она включала в свой состав “мельницу” ( процессор ), “командник” – перфорированные
карты для хранения команд программы ( запоминающее устройство ), и нечто п о- добное устройствам ввода–вывода.
Принцип двоичного кодирования. Для представления данных и команд (арифметических и логических операций) используется двоичная система счисления. ЭВМ могут обрабатывать и нечисловые виды информации – текстовую, графическую, звуковую и др.
Принцип хранимой в общей памяти программы (однородности памяти).
Как программы (команды), так и данные кодируются в одной и той же системе счисления — двоичной в виде нулей и единиц, – и хранятся в одной и той же памяти. Над командами, т. е. программами, можно выполнять такие же действия, как и над данными.
Принцип адресуемости (произвольного доступа к ячейкам) памяти.
Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка памяти. ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда.
Принцип программного управления (выполнения операций). В его основе лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычисле-
ний. Алгоритм – это конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций. Программа (для ЭВМ) – это упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке (международный стандарт ISO 2382/1-84). Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой, в последовательности, определяемой программой.
Принцип условного перехода. Команды из программы не всегда выполняются одна за другой. Возможно присутствие в программе команд условного перехода, которые изменяют последовательность выполнения команд в зависимости от значений данных. (Сам принцип был сформулирован задолго до Джона фон Неймана Адой Лавлейс и Чарльзом Бэббиджем, однако он логически включен в фоннеймановский набор как дополняющий предыдущий принцип.)
Принцип жесткости архитектуры . Топология, архитектура, список команд в процессе работы ЭВМ не изменяется.
Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Схема устройства такой ЭВМ представлена на рисунке 4.1. Сплошные
линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов от процессора к остальным узлам ЭВМ
Рис. 4.1. Архитектура ЭВМ, построенной на принципах Фон Неймана
УПД - устройство подготовки данных. УВС - устройство ввода.
АЛУ - арифметико-логическое устройство. УУ - устройство управления.
ОЗУ - оперативное запоминающее устройство.
ДЗУ - длительно запоминающее устройство ВЗУ - внешнее запоминающее устройство.
УВ - устройство вывода. ЗУ+АЛУ+УУ - процессор.
В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.
В персональных ЭВМ, относящихся к ЭВМ четвертого поколения, произошло дальнейшее изменение структуры (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Структурная схема ПЭВМ четвертого поколения
Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие элементы, которые являются общим стандартом структур современных ЭВМ:
модульность построения, магистральность, иерархия управления, т. е. а рхитек-
тура современных персональных компьютеров основана на магистрально-
Ядро ПЭВМ образуют процессор и основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). ПЗУ предназначается для постоянного хранения программ первоначального тестирования ПЭВМ (POST) и загрузки ОС. Подключение всех внешних устройств (ВнУ), дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ и других обеспечивается через соответствующие адаптеры -
согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств или контроллеры - специальные устройства управления периферийной аппаратурой . Контроллеры в
ПЭВМ играют роль каналов ввода-вывода. В качестве особых устройств следует выделить таймер - устройство измерения времени и контроллер прямого доступа к памяти (КПД) - устройство, обеспечивающее доступ к ОП, минуя процессор .
Информационная связь между устройствами компьютера осуществляется через системную шину (другое название - системная магистраль). Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее еще более децентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.
Шина - это кабель, состоящий из множества проводников. По одной группе проводников - шине данных передаётся обрабатываемая информация, по другой - шине адреса - адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Третья часть магистрали - шина управления , по ней передаются управляющие сигналы (например, сигнал готовности устройства к работе, сигнал к началу работы устройства и др). Кроме того наличествует еще и шина питания, имеющая
Системная шина характеризуется тактовой частотой и разрядностью. Количество одновременно передаваемых по шине бит называется разрядностью шины . Тактовая частота характеризует число элементарных операций по передаче данных в 1 секунду. Разрядность шины измеряется в битах, тактовая частота – в мегагерцах.
Модульная конструкция ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию. К ЭВМ можно подключать дополнительные устройства, улучшая ее технические и экономические показатели. Появляется возможность увеличения вычислительной мощности, улучшения структуры путем замены отдельных устройств на более совершенные, изменения и управления конфигурацией системы, приспособления ее к конкретным условиям применения в соответствии с требованиями пользователей.
В современных ЭВМ принцип децентрализации и параллельной работы распространен как на периферийные устройства, так и на сами ЭВМ (процессоры). Появились вычислительные системы, содержащие несколько вычислителей (ЭВМ или процессоры), работающие согласованно и параллельно. Внутри самой ЭВМ произошло еще более резкое разделение функций между средствами обработки. Появились отдельные специализированные процессоры, например сопроцессоры, выполняющие обработку чисел с плавающей точкой, матричные процессоры и др.
Децентрализация управления и структуры ЭВМ позволила перейти к более сложным многопрограммным (мультипрограммным) режимам. При этом в ЭВМ одновременно может обрабатываться несколько программ пользователей.
В ЭВМ или вычислительных системах, имеющих несколько процессоров обработки, многопрограммная работа может быть более глубокой. Автоматическое управление вычислениями предполагает усложнение структуры за счет включения в ее состав систем и блоков, разделяющих различные вычислительные процессы друг от друга, исключающие возможность возникновения взаимных помех и ош и- бок (системы прерываний и приоритетов, защиты памяти). Самостоятельного значения в вычислениях они не имеют, но являются необходимым элементом структуры для обеспечения этих вычислений.
В 2008 г. фирма Intel выпустила первый четырёх ядерный процессор микроархитектуры Nehalem под кодовым названием Bloomfield. Для этой микроархите к- туры выпущен набор связующей системной логики (так называемый, чипсет) Intel X58 Express. Для такого сочетания процессора и чипсета структурная схема ПЭВМ представлена на рис. 4.3.
This person is not on ResearchGate, or hasn't claimed this research yet.
- Рязанский государственный радиотехнический университет
Abstract
Читайте также: