Основные принципы фон Неймана

1. Принцип программного управления ЭВМ – (обработка выполняется в соответствии с программой) программа состоит из шагов-команд.

Команда – единичный акт преобразования информации. Все разновидности команд конкретной ЭВМ – язык машины или система команд.

2. Принцип условного перехода – возможность использования перехода в процессе вычислений, следовательно, уменьшается длина программы.

3. Принцип хранимой программы – (один из самых важных) программа вводится через те же ВУ и хранится в той же памяти, что и исходные данные. Это обеспечивает оперативную перестройку машины с одной задачи на другую без внесения каких-либо изменений в схему машины, делая машину универсальным вычислительным инструментом.

4. Принцип использования двоичной системы счисления представления информации в ЭВМ. Это позволило:

- расширить круг физических приборов и явления, которые можно использовать в устройствах ЭВМ – это любая бистабильная система4

- применять хорошо разработанный математический аппарат булевой алгебры;

- упрощается техническое решение ЭВМ.

5. Принцип иерархичности памяти – в самом начале развития ЭВМ существовало несоответствие между быстродействием ОУ и ОЗУ. Выполнение ОЗУ на тех же элементах, что и ОУ привело к высокой стоимости ОЗУ.

Иерархическое построение ЗУ позволяет иметь быстродействующее ОЗУ для программы (участка программы), участвующей в счете в данный момент и ВЗУ на магнитных накопителях для хранения другой информации.

Эти принципы Дж. фон Неймана показались вначале простыми и очевидными. К ним долго не относились как к однозначным положениям, определившим на многие годы бурное развитие цифровой вычислительной техники.

 

Архитектура фон Неймана предполагает:

- наличие единого коммуникационного тракта между памятью, процессором (АЛБ + УУ) и ВУ;

- централизованное последовательное управление;

- линейная структура адресации памяти, состоящей из слов фиксированной длины (длина слов не меняется в процессе вычислений);

- низкий уровень машинного языка.

Гарвардская архитектура

Гарвардская архитектура предполагает разделение единого коммуникационного тракта на шины программ и данных, разделение областей памяти программ и памяти данных. Это позволяет увеличить скорость прохождения потоков данных и команд, повысит производительность ЭВМ. В остальном организация ЭВМ остается фоннеймановской.

Рисунок 1.2 – Гарвардская архитектура

 

Если ввести связь между шиной данных и шиной программ, то получим модифицированную гарвардскую архитектуру, повышающую гибкость ЭВМ.

Пример. Процессор с гарвардской архитектурой обладает аппаратным стеком глубиной n слов – введение перемычки позволит реализовать дополнительно программный стек необходимых для выполнения задач по обработке прерываний (без перемычки это не получится).

Классификация ЭВМ

Единого обобщенного критерия классификации ЭВМ нет настолько они разноплановые и сложные. Ведь разрабатывается ЭВМ исходя из ,зачастую, главного критерия – производительность (надежность), а это значит, что архитектор применяет новейшие архитектурные достижения.

Назовем некоторые способы деления ЭВМ:

1. Классы ЭВМ.

2. Классификация по:

- уровню специализации (специальные, универсальные) ЭВМ.

Специализированная ЭВМ – проблемно – ориентированная ЭВМ, предназначенная для решения ограниченного круга (или одной) задач.

- способу внутреннего представления информации.

3. Классификация по способу обработки информации:

- последовательного действия – побитная обработка (разряд за разрядом - меньше аппаратные затраты);

- параллельного действия – одновременная обработка всех разрядов единицы информации (бита, слова);

- параллельно-последовательные действия – последовательно по группам (тетрада) и параллельно над группами.

4. По взаимодействию потока команд и данных (Классификация Флинна, 1970 год).

5. И другие.

 

Любая форма человеческой деятельности, любой процесс функционирования технического объекта связаны с передачей и преобразованием информации.

Информацией называют сведения о тех или иных явлениях природы, событиях общественной жизни в процессах в технических устройствах. Информация, воплощенная и зафиксированная в некоторой материальной форме называется сообщением.

Сообщения могут быть непрерывными и дискретными (цифровыми).

Непрерывное (аналоговое) сообщение представляется некоторой физической величиной (электрическим напряжением, током и др.), изменения которой во времени отображают протекание рассматриваемого процесса. Для дискретных сообщений характерно наличие фиксированного набора элементов из которых в некоторые моменты времени формируются различные последовательности. Важным является не физическая природа элементов, а то обстоятельство, что набор элементов конечен и поэтому любое дискретное сообщение конечной длины передает конечное число значений некоторой величины

Элементы, из которых состоит дискретное сообщение, называют буквами или символами. Набор этих букв образует алфавит. Здесь под буквами в отличие от обычного представления понимаются любые знаки (обычные буквы, цифры, знаки препинания, математические и прочие знаки), используемые для представления дискретных сообщений.

При дискретной форме представления информации отдельным элементам ее могут быть присвоены числовые (цифровые) значения. В таких случаях говорят о цифровой (числовой) информации.

Передача и преобразования дискретной информации любой формы (например, обычного текста, содержащего обычные буквы и цифры) могут быть сведены к эквивалентным передаче и преобразованиям цифровой информации. Более того, возможно с любой необходимой степенью точности непрерывные сообщения заменять цифровыми путем квантования непрерывного сообщения во уровню и времени. Таким образом, любое сообщение может быть представлено в цифровой форме.

Электронные вычислительные машины или компьютеры являются преобразователями информации. В них исходные данные задачи преобразуются в результат ее решения. Замечательные свойства ЭВМ — автоматизация вычислительного процесса на основе программного управления, огромная скорость выполнения арифметических и логических операций, возможность хранения большого количества различных данных, возможность решения широкого круга математических задач и задач обработки данных — делают эти машины мощным средством научно-технического прогресса.

Внедрение ЭВМ оказало большое влияние на многие области науки и техники, вызвало процесс их математизации и компьютеризации.

Для придания ЭВМ определенных свойств используют средства двух видов: аппаратные и программные. Последние называются также средствами программного (математического) обеспечения.

Аппаратные средства ЭВМ и система ее программного обеспечения в совокупности образуютвычислительную систему.

При создании новой ЭВМ разработка аппаратуры и программного обеспечения должна производиться одновременно и взаимосвязано.

Сложность современных вычислительных машин закономерно привела к понятию архитектуры вычислительной машины, охватывающей комплекс общих вопросов ее построения, существенных в первую очередь для пользователя, интересующегося главным образом возможностями машины, а не деталями ее технического исполнения.

Круг вопросов, подлежащих решению при разработке архитектуры ЭВМ, можно условно разделить на вопросы общей структуры, организации вычислительного процесса и общения пользователя с машиной, вопросы логической организации представления, хранения и преобразования информации и вопросы логической организации совместной работы различных устройств, а также аппаратных и программных средств машины.

Рассмотрим состав и назначение основных блоков ЭВМ на примере персонального компьютера (ПК).

Микропроцессор. Это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операции над информацией.

В состав микропроцессора входят:

- устройство управления (УУ) - формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов;

- арифметико-логическое устройство (АЛУ) - предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор);

- микропроцессорная память (МПП) - служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры - быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие);

- интерфейсная система микропроцессора - реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс микропроцессора, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс (interface) - совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Порт ввода-вывода (I/O ≈ Input/Output port) - аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК.

Генератор тактовых импульсов. Он генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

Системнаяшина. Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Системная шина включает в себя:

- кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;

- кодовую шину адреса (КША), включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;

- кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины;

- шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

1) между микропроцессором и основной памятью;

2) между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

3) между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему - контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.

Основная память (ОП) Она предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя).

ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке), В качестве недостатка ОЗУ следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).

Внешняя память. Она относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенными, имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках.

Назначение этих накопителей - хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Различаются НЖМД и НГМД лишь конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.

В качестве устройств внешней памяти используются также запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стримеры), накопители на оптических дисках (CD-ROM - Compact Disk Read Only Memory - компакт-диск с памятью, только читаемой) и др.

Источник питания. Это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.

Таймер. Это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания - аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать.

Внешние устройства (ВУ). Это важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса. Достаточно сказать, что по стоимости ВУ иногда составляют 50 - 80% всего ПК, От состава и характеристик ВУ во многом зависят возможность и эффективность применения ПК в системах управления и в народном хозяйстве в целом.

Дополнительныесхемы. К системной шине и к микропроцессору ПК наряду с типовым внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора: математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.

Математический сопроцессор широко используется для ускоренного выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления некоторых трансцендентных, в том числе тригонометрических, функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно (совмещенно во времени) с основным микропроцессором, но под управлением последнего. Ускорение операций происходит в десятки раз. Последние модели микропроцессоров, начиная с микропроцессора 80486 DX, включают сопроцессор в свою структуру.

Контроллер прямого доступа к памяти освобождает микропроцессор от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает эффективное быстродействие ПК. Без этого контроллера обмен данными между ВЗУ и ОЗУ осуществляется через регистр микропроцессора, а при его наличии данные непосредственно передаются между ВЗУ и ОЗУ, минуя микропроцессор.

Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с микропроцессором значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств (дисплей, принтер, НЖМД, НГМД и др.); освобождает микропроцессор от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует и режим прямого доступа к памяти.

Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в микропроцессор. Микропроцессор, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. Контроллер прерываний является программируемым.

Основные типы ЭВМ

Персональные компьютеры (ПК) появились в результате эволюции миникомпьютеров при переходе элементной базы машин с малой и средней степенью интеграции на большие и сверхбольшие интегральные схемы. ПК, благодаря своей низкой стоимости, очень быстро завоевали хорошие позиции на компьютерном рынке и создали предпосылки для разработки новых программных средств, ориентированных на конечного пользователя. Это прежде всего - "дружественные пользовательские интерфейсы", а также проблемно-ориентированные среды и инструментальные средства для автоматизации разработки прикладных программ.

Миникомпьютеры стали прародителями и другого направления развития современных систем - 32-разрядных машин. Создание RISC-процессоров и микросхем памяти емкостью более 1 Мбит привело к окончательному оформлению настольных систем высокой производительности, которые сегодня известны как рабочие станции. Первоначальная ориентация рабочих станций на профессиональных пользователей (в отличие от ПК, которые в начале ориентировались на самого широкого потребителя непрофессионала) привела к тому, что рабочие станции - это хорошо сбалансированные системы, в которых высокое быстродействие сочетается с большим объемом оперативной и внешней памяти, высокопроизводительными внутренними магистралями, высококачественной и быстродействующей графической подсистемой и разнообразными устройствами ввода/вывода. Это свойство выгодно отличает рабочие станции среднего и высокого класса от ПК и сегодня. Даже наиболее мощные IBM PC совместимые ПК не в состоянии удовлетворить возрастающие потребности систем обработки из-за наличия в их архитектуре ряда "узких мест".

Современный рынок "персональных рабочих станций" не просто определить. По сути он представляет собой совокупность архитектурных платформ персональных компьютеров и рабочих станций, которые появились в настоящее время, поскольку поставщики компьютерного оборудования уделяют все большее внимание рынку продуктов для коммерции и бизнеса. Этот рынок традиционно считался вотчиной миникомпьютеров и мейнфреймов, которые поддерживали работу настольных терминалов с ограниченным интеллектом. По мере продолжения процесса разукрупнения (downsizing) и увеличения производительности платформы Intel наиболее мощные ПК (но все же чаще открытые системы на базе UNIX) стали использоваться в качестве серверов, постепенно заменяя миникомпьютеры.

X-терминалы представляют собой комбинацию бездисковых рабочих станций и стандартных ASCII-терминалов. Бездисковые рабочие станции часто применялись в качестве дорогих дисплеев и в этом случае не полностью использовали локальную вычислительную мощь. Одновременно многие пользователи ASCII-терминалов хотели улучшить их характеристики, чтобы получить возможность работы в многооконной системе и графические возможности. Совсем недавно, как только стали доступными очень мощные графические рабочие станции, появилась тенденция применения "подчиненных" X-терминалов, которые используют рабочую станцию в качестве локального сервера.

Х-терминалы отличаются также от стандартных алфавитно-цифровых ASCII и традиционных графических дисплейных терминалов тем, что они могут быть подключены к любой главной системе, которая поддерживает стандарт X-Windows. Более того, локальная вычислительная мощь X-терминала обычно используется для обработки отображения, а не обработки приложений (называемых клиентами), которые выполняются удаленно на главном компьютере (сервере). Вывод такого удаленного приложения просто отображается на экране X-терминала.

Прикладные многопользовательские коммерческие и бизнес-системы, включающие системы управления базами данных и обработки транзакций, крупные издательские системы, сетевые приложения и системы обслуживания коммуникаций, разработку программного обеспечения и обработку изображений все более настойчиво требуют перехода к модели вычислений "клиент-сервер" и распределенной обработке. В распределенной модели "клиент-сервер" часть работы выполняет сервер, а часть пользовательский компьютер (в общем случае клиентская и пользовательская части могут работать и на одном компьютере). Существует несколько типовсерверов, ориентированных на разные применения: файл-сервер, сервер базы данных, принт-сервер, вычислительный сервер, сервер приложений. Таким образом, тип сервера определяется видом ресурса, которым он владеет (файловая система, база данных, принтеры, процессоры или прикладные пакеты программ).

С другой стороны существует классификация серверов, определяющаяся масштабом сети, в которой они используются: сервер рабочей группы, сервер отдела или сервер масштаба предприятия (корпоративный сервер).

Мейнфрейм - это синоним понятия "большая универсальная ЭВМ". Мейнфреймы и до сегодняшнего дня остаются наиболее мощными (не считая суперкомпьютеров) вычислительными системами общего назначения, обеспечивающими непрерывный круглосуточный режим эксплуатации. Они могут включать один или несколько процессоров, каждый из которых, в свою очередь, может оснащаться векторными сопроцессорами (ускорителями операций с суперкомпьютерной производительностью). Наряду со сверхмощными мейнфреймами, требующими организации двухконтурной водяной системы охлаждения, имеются менее мощные модели, для охлаждения которых достаточно принудительной воздушной вентиляции, и модели, построенные по блочно-модульному принципу и не требующие специальных помещений и кондиционеров.

Основными поставщиками мейнфреймов являются известные компьютерные компании IBM, Amdahl, ICL, Siemens Nixdorf и некоторые другие, но ведущая роль принадлежит безусловно компании IBM. В нашей стране в течение многих лет выпускались машины ряда ЕС ЭВМ, являвшиеся отечественным аналогом этой системы.

В архитектурном плане мейнфреймы представляют собой многопроцессорные системы, содержащие один или несколько центральных и периферийных процессоров с общей памятью, связанных между собой высокоскоростными магистралями передачи данных. При этом основная вычислительная нагрузка ложится на центральные процессоры, а периферийные процессоры (в терминологии IBM - селекторные, блок-мультиплексные, мультиплексные каналы и процессоры телеобработки) обеспечивают работу с широкой номенклатурой периферийных устройств.