45542 (Электронно вычислительные машины и вычислительные системы)

Типы вычислительных машин (ВМ).

ВМ различают:

1. По способу представления и обработки информации (аналоговые и цифровые, гибридные, комбинированного типа).

2. По среде представления и обработки информации:

• механические;

• электромеханические;

• гидравлические;

• пневматические;

• оптические;

• магнитные;

История ВМ.

1833г. – Ч. Бебидж. Ввел программное управление с помощью перфокарт (Англия).

1890г. – Холлерит. Сконструировал табулятор, сумматор и перфоратор.

1944г. – Г. Цузе и Айкен спроектировал Марк1 (релейная вычислительная машина).

1946г. – Моучли, Эккерт сконструировали электронную машину «Эниак».

1950г. – Серийное производство ЭВМ в США.

1951г. – Киев, институт электроники, Лебедев сконструировал МЭСМ.

1954г. – Москва –БЭСМ.

По назначению ЭВМ классифицируются следующим образом:

1. Универсальные;

2. Проблемно-ориентированные;

3. Специализированные.

Режим работы:

1. Однопрограммные ВМ.

   1. индивидуального пользования.

   2. машинно-пакетной обработки.

2. Мультипрограммные ВМ.

   1. пакетная обработка.

   2. машины коллективного пользования.

      1. без разделения времени.

      2. С разделением времени.

Количество процессоров:

1. Однопроцессорные.

2. Мультипроцессорные.

3. Многомашинные системы.

Классификация по способу объединения и размещения:

1. Сосредоточенные.

2. Системы с телеобъединением или теледоступом.

3. Вычислительные сети.

По особенности функционирования:

• Без режима реального времени.

• С режимом реального времени.

По набору параметров:

1. Супер-ЭВМ – для решения крупномасштабных вычислительных задач, для обслуживания крупных баз данных.

2. Большие ЭВМ – для комплектования ведомственных и региональных центров. Представители: IBM S/390 (1-10 процессоров) – производительность(1,5 – 160мил. Оп/сек).

3. Средние ЭВМ – для управления сложными процессами, используются в качестве серверов. Представители: RS/6000, AS/400.

4. Персональные и профессиональные ЭВМ – для индивидуальных пользователей.

5. Встраиваемые микропроцессоры – бытовая техника.

6. Калькуляторы.

Основные характеристики вычислительных машин.

1. Технические характеристики:

   1. Внешние:

      1. Производительность.

      2. Быстродействие.

      3. Быстродействие при выполнении операций с плавающей точкой.

      4. Производительность по Гибсону (на наборе задач).

      5. Объем оперативной памяти.

      6. Количество периферийных устройств.

   2. Внутренние:

      1. Длина слова процессора.

      2. Длина слова ОП.

      3. Наличие буферной (КЕШ) памяти.

      4. Скорость передачи информации ядро ПУ.

2. Эксплуатационные характеристики:

   1. Потребляемая мощность.

   2. Габариты.

   3. Надежность.

   4. Обслуживаемость.

3. Экономические характеристики:

   1. цена новой ЭВМ.

   2. Стоимость обслуживания.

   3. Стоимость эксплуатационных расходов.

   4. Общий коэффициент эффективности.

Области и способы применения ЭВМ.

1. Автоматизация вычислений.

2. Системы управления – начиная с 60-х гг. Требования: они должны более дешевые по сравнению с большими машинами. Должны быть более надежными;

3. Задачи искусственного интеллекта.

Этапы и способы применения ЭВМ.

1. Для отдельных научно – технических, финансовых расчетов.

2. Моделирование процессов.

3. Применение ЭВМ как составной части автоматизированных систем.

4. Интеллектуализация автоматизированных систем.

Параметр	Класс задач
	Научно-техничес.	Инф - справочн.	Управл. объект	САПР
Сложность алгоритма	Высокая	Низкая	Низкая	Высокая
Объем вычислений на одно входное сообщение	Много	Мало	Мало	Много
Требуемая мощность	Высокая	Высокая	Низкая	Высокая
Объем вх/вых информации	Маленький	Большой	Большой	Большой
Режимы работы	Индивидуальные, пакетные	Индивидуальные, пакетные	Реального времени	Индивидуального

Существуют две модели ЭВМ:

1. Модель фон Неймана (1945г.). Предусматривает: Автоматическое программное управление решением задач.

2. Совместное хранение программ и данных в ОП. Гарвардская модель (1944г.). Предусматривает выделение памяти под данные и программы.

3. Промежуточная. С использованием ТЕГов и дескрипторов. ТЭГ – указатель вида информации. Дескриптор – таблица, описывающая размещение информации в памяти машины.

При разработке архитектуры ЭВМ нужно учитывать следующие моменты:

1. Общая структура машин.

2. Организация вычислительно процесса.

3. Способы общения пользователя с ЭВМ.

4. Логическая организация представления, хранения и преобразования информации.

5. Логическая организация совместной работы различных устройств.

6. Логическая организация совместной работы аппаратных и программных средств.

Форматы информации:

1 бит (б), 1 байт (8б), слово, поле, запись, файл и т.д.

Поколения ЭВМ	Этапы постановки и решения задачи
	Постановка задачи	Выбор алг-ма	Програмир. На яз.	Организ. Выч. процесса	Получ. Маш. пр.	вычисления
1
2
3
4
5

Человек – машина – человек

П
ричины стремительного роста персональных компьютеров.

1. Высокая эффективность применения и малая стоимость по сравнению с другими классами.

2. Возможность индивидуального непосредственного общения с ЭВМ без посредников, программистов и ограничений.

3. Большие возможности при обработке информации.

4. Высокая надежность и простота эксплуатации.

5. Возможность расширения и адаптации к особенностям применения.

6. Наличие развитого ПО для всех сфер человеческой деятельности.

7. Простота использования, основанная на дружественном интерфейсе.

8. Возможность объединения машин в сеть.

9. Возможность подключения к персональным компьютерам различных периферийных устройств. Возможность встраивания ПК в системы САУ.

Информационно – логические основы построения ЭВМ.

Преимущества двоичной системы:

1. Более простая реализация алгоритмов выполнения арифметических и логических операций.

2. Более надежная физическая реализация основных функций.

3. Экономичность и простота аппаратной реализации схем ЭВМ.

Операция сложения с плавающей точкой.

A₁₀=1,375, B₁₁=-0,625, C=A+B

A ₂=0 1.011, A=0,1375*10¹

B ₂=1 0.101=00 1 001=01 1 0101, B=-0,0625*10¹

p=p₁ - p₂=1.

B _2ok=01 1 1010, B_2дк=01 1011

А _2ok=01 01011, А_2дк=0101011

Т .о. 01 11010 0111011

+ +

01 01011 0101011

1 00101 0100110

+1

00110=С₂ С₁₀=0,75

С_2н=0,011 , С₁₀=0,75

Умножение и деление чисел с плавающей точкой.

При умножении/делении порядки складываются/вычитаются. Мантиссы соответственно умножаются или делятся. Знаки результат формируется путем сложения знаков операнда.

Арифметические операции над двоично – десятичными числами.

Каждая цифра десятичного числа кодируется тетрадой, и знак числа кодируется тоже тетрадой.

1. Сложение начинают с младших цифр тетрад и производят с учетом переноса.

2. Знак суммы определяется знаком наибольшего слагаемого.

3. Для того чтобы обеспечить своевременный перенос производится десятичная коррекция. К каждой тетраде добавляется число шесть. В результате осуществленная корректировка суммы – из тетрад, откуда не было переноса, вычитается 6. При этой коррекции переносы из тетрад блокируются.

4. При вычитании к тетраде с большим кодом прибавляется другая тетрада в дополнительном коде. И выбирается знак.

Логические основы ЭВМ.

Количество возможных функций: ₂2ⁿ

При n=0 N=2¹=2

Yi=0 – заземление;

Или y1=1 – генер.

n=1 ,то N=4

x	Y0	Y1	Y2	Y3
0 1	0 0	1 1	0 1	1 0

Ген повт инв

Правила алгебры логики.

1. ХV1=1 X*0=0

XV0=X X*1=X

2

. XVX=1 X*X=0

XVX=X X*X=X

Законы алгебры логики.

1. Х₁Х₂=Х₂Х₁ - коммутативный

2. (Х₁Х₂)Х₃=Х₁(Х₂Х₃) – ассоциативный

3. Х₁(Х₂VX₃)=X₁X₂VX₁X₃ – дистрибутивный

4. X₁VX₁X₂=X₁(1VX₂)=X₁*1=X₁ – поглощения

5. X ₁X₂VX₁X₂=X₁(X₂VX₂)=X₁*1=X₁ – склеивания

6. ( FVX)(FVX)=F

7. X VXF=XVF X(XVF)=XF - свертки

8. Правила Де Моргана

• X ₁VX₂=X₁X₂

• X ₁X₂=X₁VX₂

Порядок проектирования логических схем.

1. Словесное описание.

2. Формализация описания – запись таблицы истинности.

3. Запись функции в СДНФ или СКНФ.

4. Минимизация.

5. Представление минимизированного выражения в требуемом базисе.

6. Изготовление устройства.

7. Тестирование.

Элементная база ЭВМ.

Элемент – узел – блок – устройство

Классификация интегральных схем:

• по сложности

1. ИС – малая степень интеграции (десятки транзисторов).

2. СИС – средние (сотни транзисторов).

3. БИС - большие (десятки тысяч транзисторов).

4. СБИС – сверхбольшие (миллионы транзисторов).

5. УБИС – ультрабольшие (десятки миллионов транзисторов).

• по типу сигналов

1. Потенциальные.

2. Импульсные.

• по технологии изготовления

1. МОП структура (МДП структура).

   1. КМОП –комплиментарные.

   2. NМОП – полупроводники n-типа.

   3. рМОП – полупроводники р-типа.

2. ТТЛ – логика.

3. ЭСЛ.

4. U²Л.

• по особенностям функционирования

1. Формирующие – генераторы.

2. Логические комбинационные схемы.

3. Запоминающие.

Комбинационные схемы.