Представление (вывод) данных

Аннотация.

В данном разделе дана характеристика технических средств реализации информационных процессов: общая характеристика технических средств на основных этапах решения прикладных задач с использованием ЭВМ; основное внимание уделено характеристике ЭВМ (этапы развития, классификация, архитектура) и их основных компонентов (микропроцессоры, память, системные шины). Также рассмотрены устройства ввода и вывода данных.

 

2.1. Общая характеристика технических средств.

 

В основу систематизации технических средств мы положим обобщенную схему решения прикладных задач с использованием ЭВМ. Указанная схема состоит из следующих этапов:

ü получение данных, необходимых для решения задачи,

ü передача данных,

ü хранение данных,

ü ввод данных в ЭВМ,

ü обработка данных,

ü представление данных (в виде удобном для дальнейшего использования).

При решении конкретных задач ЭВМ может использоваться как на всех, так и на отдельных этапах. Соответственно могут рассматриваться как частные системы и технологии, так и интегрированные.

Кратко охарактеризуем технические средства на каждом из перечисленных этапов.

Этап получения данных.

Анализ этого этапа очень важен, так как в зависимости от того, какие данные и каким образом получены, зависит процесс обработки данных и результат решения задачи. Прежде всего, отметим, что набор технических средств используемых на этапе получения данных очень разнообразен, носит сугубо прикладную специфику и в данном курсе не рассматривается. Важно только отметить, что данные получаются в результате измерений либо с использованием технических средств ("приборные" измерения), либо без использования технических средств (экспертные измерения). Приборные измерения могут, включать вычислительные средства или не включать.

Этап передачи данных.

Процесс передачи данных включает в себя источник, канал передачи, приёмник. В случае, когда источник и приёмник - ЭВМ, речь идёт о компьютерных сетях. Эти сети могут быть разного масштаба: локальные, региональные, глобальные (Internet); использовать различные каналы связи: телефонные линии, радиосвязь, кабель (витая пара, оптоволокно, …). В зависимости от вида сети определяется набор технических средств. Более детально характеристика указанных средств даётся в разделе компьютерные телекоммуникации.

Хранение данных.

В настоящее время для хранения данных используются как собственно ЭВМ с встроенными носителями (жесткий диск), так и автономные носители (дискеты, диски, ленты…). Эти носители имеют различные эксплутационные характеристики (ёмкость, скорость доступа, физические размеры…). Принципиальным здесь является организация эффективного использования данных. Это достигается использованием системы технических средств хранения данных (ОЗУ – оперативное запоминающее устройство, ПЗУ – постоянно запоминающее устройство, ...) и соответствующих программных средств.

Ввод данных в ЭВМ.

Устройства ввода данных (УВВД) различаются входными данными: текстовые, цифровые, графические, звуковые; типом носителя на котором они располагаются (голова человека, бумажные носители, электронные носители, …).

Например, текст может вводиться с клавиатуры, с электронного носителя, с бумажного носителя (сканирование).

Кроме того, УВВД могут различаться по принципам реализации. Так, например, ввод графических данных: растровый способ (сканер), векторный способ (дигитайзер).

Обработка. Основным элементом подсистемы обработки данных является ЭВМ.

При этом могут использоваться как различные ЭВМ (как по мощности, так и по другим характеристикам), так и их системы (вычислительные системы). Выбор конкретной конфигурации определяется решаемой задачей, входными данными, методами обработки.

Представление (вывод) данных.

Конкретные технические средства представления (вывода) данных (электронные носители, монитор, принтер, плоттер) определяются видом данных, решаемой задачей.

2.2. Электронно-вычислительные машины

2.2.1.Общие представления

 

Вычислительная машина(ВМ) - компьютер - устройство преобразования информации посредством выполнения управляемой программой последовательности операций.

По виду обрабатываемой информации ВМ делятся на два класса: аналоговые (обрабатываемая информация - непрерывные функции), цифровые.

Аналоговые ВМ (АВМ) обычно предназначены для решения определенного класса задач, то есть являются специализированными. Цифровая ВМ (ЦВМ) оперирует информацией представленной в дискретном виде.

По принципу действия ВМ делятся на: механические, электронные, смешанные. Наибольшее распространение имеют электронные ЦВМ или ЭВМ.

Вычислительная система - взаимосвязанная совокупность ЭВМ и периферийных средств.

Вычислительная сеть - совокупность ЭВМ связанных каналами связи (предполагает совокупность распределенных рабочих мест).

 

2.2.2. История развития ВМ

 

В 1834 году Чарльз Бэббидж первым разработал проект автоматической вычислительной машины.

Ч. Бэббидж выделял следующие составные части машины:

· "склад" для хранения чисел машины (память);

· "мельницу" для производства арифметических действий (арифметическое устройство);

· устройство, управляющее последовательностью выполнения операций (устройство управления);

· устройство ввода и вывода данных.

В качестве источника энергии для приведения в действие механизмов машины Ч. Бэббидж рассматривал паровой двигатель. Ч. Бэббидж предложил управлять своей машиной с помощью перфорированных карт, содержащих коды команд. Бэббидж заложил основные идеи построения современных ЭВМ.

Основные принципы программирования заложила Ада Лавлейс дочь известного поэта Джорджа Байрона. Её именем назван один из современных языков программирования - Ада.

Теоретические основы современных ЦВМ заложил английский математик Джорд Буль (1815 - 1864 гг.). Он разработал алгебру логики, ввёл логические операторы И, ИЛИ и НЕ.

Первая электромеханическая машина создана в 1888 г. Германом Холлеритом, одним из основателей фирмы IBM (International Business Machine Corporation).

В 1944 г. профессором Гарвардского университета Говардом Айленом, при участии фирмы IBM была построена электромеханическая ВМ - ASCC (основана на реле), состоящая из 750 тысяч компонентов. На умножение двух чисел она тратила 4 секунды.

В 1946 г. в США была разработана одна из первых ЭВМ - ENIAC, которая была в 1000 раз быстрее, чем ASCC. Она состояла из 18 тыс. электронных ламп, 1.5 тыс. реле, имела вес 30 тонн (высота 6 метров, ширина 4 метра, длина 30 метров), потребляла мощность более 150 кВт.

Американский математик и физик Джон фон Нейман (1903-1957гг.) определил принципиальную архитектуру компьютера.

· Арифметическо-логическое устройство (АЛУ),

· Устройство управления (УУ),

· Запоминающее устройство (ЗУ).

· Система ввода информации,

· Система вывода информации

Этапы развития ЭВМ.

Первое поколение (1945-1959 гг.).

Элементная база - электронные лампы и реле.

Оперативная память на триггерах и ферритовых сердечниках (до 64 кБ).

Быстродействие - 5 - 30 тыс. опер/сек.

Программирование - машинные коды, автокоды, ассемблер.

Область применения - научно - технические расчёты.

Первая отечественная ЭВМ – МЭСМ (малая электронно-счетная машина) разработанная в 1947 - 1951 под руководством Академика Лебедева. В 1952 создана БЭСМ (большая ЭСМ). Зарубежные ЭВМ - IBM 701 (США).

Второе поколение (1959 - 1966 гг.)

Элементная база - транзисторы.

Оперативная память - ферритовые сердечники (до 512 Кб).

Долговременная память - диски, ленты.

Быстродействие – n*10⁵ опер./сек.

Программирование - алгоритмические языки (Fortran, Алгол – 60), библиотеки стандартных программ.

Отечественная ЭВМ - БЭСМ - 4, М - 220, Минск - 32.

В1966 г. создана БЭСМ - 6 (переходная к третьему поколению).

Зарубежные ЭВМ - IBM - 7090.

Третье поколение (1966 – 1975 гг.).

Элементная база - интегральные полупроводниковые схемы.

Оперативная память - до 16 МБ слов.

Быстродействие – n*10^-6 опер./сек.

Принципиально новая архитектура, мультипрограммирование.

Программирование – ППП, СУБД, операционные системы.

Область применения - обработка символьной информации (экономика).

Отечественные ЭВМ - ЕС ЭВМ,

Зарубежные - IBM/360, IBM/370.

Четвёртое поколение(1976 – 1980гг.).

Элементная база - большие интегральные схемы (БИС). На один см² размещаются n*10⁵ электронных элементов.

Быстродействие – 10⁹ опер/с.

Оперативная память - >16 МБ.

На основе БИС созданы микропроцессоры и микроЭВМ.

В 1975 г. фирма IBM выпустила первый персональный компьютер IBM PC.

Стали создаваться Супер-ЭВМ (Крей - 3, Эльбрус) - быстродействие до 10⁹ опер/с.

Программное обеспечение - системы параллельного программирования.

Пятое поколение (1980 г. - …)

Очень высокое быстродействие.

Принципиально новая архитектура (не неймановская).

ЭВМ понимает естественный язык. Необходимость в языке программирования отпадает. ЭВМ может мыслить (принимать решения) на основе накапливаемых знаний. ЭВМ пятого поколения находится в разработке.

 

2.2.3. Принципиальная архитектура ЭВМ

 

Большинство современных ЭВМ построены на базе принципов сформулированных Дж. фон Нейманом в 1945 году:

1. Основными блоками ВМ являются: устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), память и устройства ввода - вывода.

2. Информация кодируется в двоичной форме и разделяется на слова.

3. Алгоритм составляется в виде команд формирующих программу.

4. Данные и программы хранятся в памяти.

В настоящее время выделяют два базовых варианта архитектуры ЭВМ: с шинной организацией, с канальной организацией.

На рис. 2.2. приведена принципиальная схема ЭВМ с шинной организацией.

 

 

Рис. 2.2. Принципиальная архитектура ЭВМ с шинной организацией,

где ОЗУ – оперативное запоминающее устройство;

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство;

ВЗУ – внешнее запоминающее устройство.

Центральный процессор (ЦП) – выполняет операции, определяет порядок выполнения операций. Работает под управлением программы.

АЛУ – арифметико-логические устройства.

УУ – устройство управления

РОН – регистры общего назначения (хранятся промежуточные результаты).

КЭШ – память (буферная между ЦП и ОЗУ).

 

Таблица 2.3.

Сравнительная характеристика видов памяти

 

Устройство памяти	Время доступа, мс	Ёмкость, бит
Регистры	(2-20)*10-9	103-104
Оперативная память (ОЗУ)	(0,2-20)*10-6	106-108
Внешняя память (ВЗУ)	10-100	1011-1012

Системная шина - магистраль передачи данных, состоит из трех шин:

- шина данных – для передачи данных,

- шина адресов – для передачи адресов (данных, команд),

- шина управления – для передачи управляющих сигналов.

 

2.2.4.Персональные ЭВМ (ПЭВМ)

ПЭВМ – машина индивидуального пользования, самая массовая категория ЭВМ.

Основа ПЭВМ – микропроцессор (МП).

Поколения ПЭВМ:

ü Первое поколение (1975 – 1980г.г.) – на базе 8-разрядного МП

ü Второе поколение (1981 – 1985г.г.) – 16-разрядный МП

ü Третье поколение (1986 – 1992г.г.) – 32-разрядный МП

ü Четвёртое поколение (1993 - ) – 64-разрядный МП

Основные характеристики ПЭВМ:

1. Быстродействие, определяется на основе тестов.

Единицы – MIPS(Mega Instruction Per Second) миллион операций над числами с фиксированной запятой.

MFLOPS(Mega Flooting Operation Per Second) миллион операций над числами с плавающей запятой.

МГЦ (тактовая частота).

2. Разрядность машины - процессора (количество двоичных разрядов, над которыми одновременно может выполняться машинная операция) и шины (16, 32,…).

3. Ёмкость оперативной памяти (МБ).

4. Ёмкость жестких дисков (ГБ).

5. Виды и ёмкость КЭШ – памяти (128К, 256К)

наличие КЭШ – 256К увеличивает быстродействие » на 20%.

6. Типы системного (ISA – 16 разрядов, частота 8 МГц, EISA – 32 разряда, …) и локальных интерфейсов - шин (VLB, PCI).

7. Тип видеомонитора и видеоадаптера.

8. Стоимость.

9. Габариты и масса.

 

Обобщенная архитектура ПЭВМ отражена на рис. 2.4.

 

 

Рис. 2.4. Обобщенная архитектура ПЭВМ

 

 

2.3. Микропроцессоры

Микропроцессор – центральный процессор, выполненный в виде

одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных

схем.

Микропроцессор выполняет следующиефункции - чтение и дешифрацию команд из основной памяти;

- чтение данных из ОП и регистров адаптеров внешних устройств (ВУ);

- приём и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;

- обработку данных и их запись в ОП и регистры адаптеров ВУ;

- выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК;

Разрядность шины данных МП определяет разрядность ПК в целом; разрядность шины адреса МП - его адресное пространство.

Микропроцессоры делятся на три группы:

- МП типа CISC (Complex Instruction Set Computing) с полным набором команд;

- МП типа RISC (Reduced Instruction Set Computing) с сокращённым набором команд. Эти процессоры ориентированы на быстрое (1 такт – CISC – 4такта) выполнение небольшого набора простых команд. При выполнении сложных команд RISC процессоры работают медленнее, чем CISC процессоры.

- МП типа MISC (Minimum …..) с минимальным набором команд. Находятся в стадии разработки.

 

Таблица 2.4.

Характеристики основных микропроцессоров CISC

 

Модель МП	Разрядность, бит	Тактовая частота, МГц	Число команд	Число транзисторов, тысяч	Год выпуска
Шины Данных	Шины адреса
			4,77		2,3
			4,77
			4,77 и 8
	8.16		4,77 и 8
			10…33
			25…50
			33…100
Pentium			50…150
Pentium Pro			66…200
Pentium MMX
Pentium 2
Pentium 3
Pentium 4			> 1000

 

Функционально МП состоит из двух частей [5, c.144]:

- операционной, содержащей:

устройство управления,

арифметико-логическое устройство,

микропроцессорную память;

- интерфейсной, содержащей:

адресные регистры МПП,

блок регистров команд,

схемы управления шиной и портами.

Память

 

Память – функциональная часть ЭВМ, предназначенная для записи, хранения и выдачи информации.

Характеристики памяти – объём в байтах и время доступа (запись, чтение) в микро- наносекундах (МКС и НС).

Ширина доступа – объём считанной/записанной информации за одно обращение к памяти.

Выделяются следующие типы памяти:

Внутренняя (электронная):

- регистровая память микропроцессора (сверхоперативная);

- КЭШ память – буфер между МП и ОП. Различают КЭШ-память 1ого уровня, встроенная в МП (Pentium – 8 Кб, Pentium II, III -256 – 512 Кб), КЭШ-память 2ого уровня, размещаемая на материнской плате (до n МБ);

- постоянная память (128-256 кБ) - CMOS RAM (Complementary Metal – Oxide – Semiconductor RAM). Энергозависимая (от батарейки), хранит сведения об аппаратной конфигурации. BIOS – хранит программы ввода, вывода и тестирования ПК;

- оперативная (основная) – RAM (Random Access Memory). Энергозависимая (от внешнего источника) память. По физическому принципу различают динамическую(DRAM) и статическую (SRAM). DRAM более экономична, но медленнее, чем SRAM. Основная RAM базируется на DRAM, КЭШ – 2ого уровня – на SRAM.

 

2.5. Шины данных:

 

Системная шина– поддерживает ЦП, ОЗУ, работает с частотой процессора.

Шина расширения -обслуживает устройства, подключенные к слотам расширения, и работает с постоянной частотой 7,16 МГц.

Типы шин расширения:

ISA – 16 разрядная шина данных, 24 разрядная шина адреса (максимальная частота 8,33 мГц) – 286 ПК

MCA – 1986г. (12 МГц) – 386 ПК.

EISA – 1988г.(усовершенствованная ISA). 32 разрядная шина данных и адреса.

PCI – 1993г. (Peripherial Component Intereconnect), разработка фирмы Intel. 32 разрядная шина (в перспективе 64 разрядная). Наиболее распространенная

USB (Universal Serial Bus) – низкоскоростная универсальная последовательная шина. Можно использовать с различными внешними устройствами. Скорость передачи до 15 МБит/с. Шины помимо пропускной способности различаются числом подключаемых устройств.

 

Сравнительная характеристика шин дана в таблице 2.5.

 

Таблица 2.5.

Сравнительная характеристика шин.

 

Параметр	ESA	IESA	MCA	VLB	PCI
Разрядность шины, бит Данных Адреса			32; 64	32; 64	32; 64
Рабочая частота, МГц		8 – 33	10-20	До33	До33
Пропускная способность, Мбайт/с Теоретическая Практическая					132; 264 50; 100
Число подключаемых устройств, шт.