ЭВМ – это комплекс программных средств, предназначенных для автоматической обработки информации. 

 
Структура, архитектура ЭВМ, систем и сетей.

Лекции: к.т.н., доц. Шарнов Александр Иванович.

Практика: Ивакин Константин Николаевич. 

ВВЕДЕНИЕ

 

      Россия  стоит на пути исторической необходимости перехода на новый уровень общественного и экономического развития, определяемыми жестокими требованиями рыночной экономики. Речь идет о пути формирования информационного общества. Материальная база информационного общества является информационная экономика. Основы информационной экономики составляет создание и потребление информационных ресурсов или информационных ценностей.

      Основные  особенности информационной экономики:

1).Главной формой  накопления является накопление  знаний и другой полезной информации.

2).Это изменение  характера производства процессов  в основных областях.

3).Экономически  оправданным является мелкосерийное  и индивидуальное производство.

4).Резкое возрастание  скорости экономических процессов.

5).Усиление интеграционных процессов.

      Развитые  страны мира стали на путь информационной экономики в 70 годах.

      Такой путь имели следующие моменты:

1).Превышение  суммарных затрат, чисто информационной  базы над другими отраслями.

2).Возрастание  доли не вещественных затрат.

3).Формирование  глобальных коммуникаций сети  общества.

4).Увеличение  в производстве до 50% населения  занятые информационной обработкой. 
 

ПРИНЦИПЫ  ПОСТОЕНИЯ И АРХИТЕКТУРА  ЭВМ. 

      ЭВМ, компьютер – это комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

      Требования  пользователей к выполнению вычислительных работ определяется подбором и настройкой технических и программных средств  объединенных в одну структуру.

 Структура ЭВМ – это совокупность ее элементов и их связей. Различают структуры технических, программных и аппаратурно-программных средств.

      Архитектура ЭВМ – это многоуровневая иерархия аппаратурно-программных средств, из которых состоит ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение.

      Детализацией  архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории  специалистов вычислительной техники:

1. Инженеры (схема техники) – проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы сопряжения друг с другом.
2. Системные программисты – создают программы управления техническими средствами, информационного распределения между уровнями, организацию вычислительного процесса.
3. Прикладные программисты – разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователя с ЭВМ и необходимый для этого сервис.
4. Специалисты по эксплуатации ЭВМ – занимаются общими вопросами взаимодействия пользователя с ЭВМ.

 

   Содержание  знаний и умений специалистов по ПО и его эксплуатации составляют:

1) Технические  и эксплуатационные характеристики.

2) Производительность  ЭВМ – объем работ осуществляющих  ЭВМ в единицу времени.

3) Емкость запоминающих  устройств: ОЗУ и ДЗУ.

4) Надежность  – это способность ЭВМ при  определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени.

5) Точность –  это возможность различать почти  равные значения.

6) Достоверность  – это свойство информации  быть правильно воспринятой. 

Классификация ЭВМ

 

      Величина  и разнообразие современного парка ЭВМ потребовали системы квалификации ЭВМ. Предложено много принципов классификации:

1. Классификация ЭВМ по форме представления величин вычислительной машины делят на:
• аналоговые (непрерывного действия) АВМ
• цифровые (дискретного действия) ЦВМ
• аналого-цифровые (гибридные) ГВМ

   В АВМ  обрабатываемая информация представляется соответствующими значениями аналоговых вычислений: ток, напряжение угол поворота.

 В ЦВМ (ЭВМ) информация кодируется двоичным кодом. Широкое применение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации – электронные ЦВМ.

2. Классификация ЭВМ по поколениям (по элементарной базе):
• Первое поколение (50г.): ЭВМ на электронных вакуумных лампах.
• Второе поколение (60г.): ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах).
• Третье поколение (70г.): ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой степенью интеграции.
• Четвертое поколение (80г.): ЭВМ на больших интегральных схемах.
• Пятое поколение (90): ЭВМ на сверхбольших интегральных схемах.
• Шестое и последующие поколения: оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой – с распределенной степенью большого числа несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

   Интегральная  схема – электронная схема специального назначения, выполненная в виде единого полупроводникового кристалла, объединяющего большое число диодов и транзисторов.

3. Классификация ЭВМ по мощности (быстродействию):

1).Супер-ЭВМ – машины для крупно-маштабных задач (фирма IBM).

2).Большие ЭВМ – машины для территориальных, региональных задач.

3).Средние ЭВМ – машины очень широкого распространения.

4).Малые ЭВМ.

5).ПЭВМ (персональные ЭВМ).

6).Микро ЭВМ и микропроцессоры.

7).Сети ЭВМ. 
 

Общие принципы построения современных ЭВМ. 

      Основным  принципом построения ЭВМ является программное управление, в основе которого лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

      Алгоритм  – это конечный набор предписаний, определяющий решения задачи посредством конечного количества операций (ISO 2382/1-84 международный стандарт).

      Программа – это упорядоченное последовательность команд подлежащих обработки.

      Принцип программного управления может быть осуществлен разными способами. Стандартом для построения практически  всех ЭВМ был представлен в 1945 году Нейманом. Схема ЭВМ, отвечающая программному принципу управления отражает характер действия человека по алгоритму.

 
 
 

 

    программы        потоки

    и  исходные          информации

      данные 
 
 
 
 
 
 
 
 

Обобщенная  структура ЭВМ  Джен Фон Неймана  первого и второго  поколений 

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. 

      Любая ЭВМ имеет устройство ввода информации, с помощью которого в ЭВМ вводят программы решения задач и  данные к ним.

      ОЗУ – предназначено для оперативного запоминания программы хранящейся в исполнении.

      ВЗУ – предназначено для долговременного хранения информации.

      Кэш-память – промежуточная память между ОЗУ и ВЗУ.

      УУ  – предназначено для автоматического выполнения программ путем принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ.

 АЛУ – выполняет арифметические и логические операции над данными. Основой АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят: сумматоры, счетчики, логические операции. 

      Классическая  структура ЭВМ с переходом на БИС (большие интегральные схемы) перешла в понятие архитектура ЭВМ. 
 
 

 
 

 
 
 

      Устройства

      сопряжения 
 
 

Обобщенная  архитектура третьего и четвертого поколений 

      В ЭВМ третьего поколения усложнение структуры произошло за счет разделения процессов ввода/вывода информации, и ее обработки. Появляется понятие процессор, где неразрывно связаны СОЗУ (сверх оперативное устройство), АЛУ и УУ. Появляется понятие каналы ввода/вывода, которые делят на мультиплексные (МК) и селекторные (СК) каналы.

      МК  – предназначены обслуживать большое количество медленно-скоростных устройств.

      СК  – обслуживают высокоскоростные, отдельные устройства.

      Применительно к ПЭВМ архитектура приняла упрощенный вид архитектуры малых машин (принцип открытой архитектуры, где главным элементом является системная магистраль). Ядро ПЭВМ образует процессор и основная память. Подключение всех остальных устройств осуществляется через адаптеры (устройства сопряжения). 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 

Обобщенная  архитектура ПЭВМ

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Структурная схема ПК

 
 

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ  И СТРУКТУРНАЯ  ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ.

Общие принципы функциональной и структурной организации ЭВМ

 

      ЭВМ кроме аппаратурной части и ПО (Hard Ware и Soft Ware) имеет большое количество функциональных средств. К ним относятся коды, с помощью которых обрабатываемая информация представляется в цифровом виде:

1).Арифметические коды.

2).Помехозащищенные коды.

3).Цифровые коды  аналоговых величин.

      Кроме кодов на функционирование ЭВМ оказывают  влияние:

• алгоритмы их формирования и обработки
• технологии выполнения различных процедур
• способы организации работы различных устройств
• организация системы прерывания.

   Функциональную  организацию ЭВМ образуют: коды, системы команд, алгоритмы выполнения машинных операций, технология выполнения различных процедур и взаимодействие Hard и Soft, способы использования устройств при организации их совместной работе, составляющие идеологию функционирования ЭВМ.