64199 (Ответы на билеты по экзамену ВМС и СТК в МЭСИ)

№1. Основные тенденции развития ЭВМ (состав и соотношение технических и программных средств, быстродействие, память, интеллектуальность)

Существуют три глобальных области применения ЭВМ:

1. Автоматизация вычислений

2. Применение ЭВМ в автоматизированных системах управления.

Новое направление потребовало изменение классической структуры фон Неймана.

Нужно было дополнительно автоматизировать сбор информации и распределение результатов. ЭВМ стали подключать к каналам связи запаралелевались процессы передачи и обработки информации. Появилась многогопрограмность, средства изменения времени, системы прерываний и приоритетов.

1. Применение ЭВМ в личных целях для упрощения и сокращения рабочего времени.

2. Решение задач искусственного интеллекта

С процессом развития человечества выдвигаются постепенно новые и новые вычислительные задачи ( которые включают не только расчетные задачи), соответственно возрастает требование к ЭВМ Улучшения ее характеристик таких как память, быстродействие, интеллектуальность. Последнее особенно востребовано в больших автоматизированных системах управления. В настоящее время интеллектуальность реализуется путем использования совершенных программных средств. Постоянно возрастает повышенное требование к увеличению объема хранения информации. Современные программные средства требуют большого места как в оперативной памяти так и большого места на постоянных носителях информации. Тенденции развития ЭВМ возрастают с каждым годом. Прогресс развития ЭВМ, особенно в последние 10 лет, идет очень быстрыми этапами. За последние два года типы процессоров сменяются каждый полгода, увеличивается их производительность. Соответственно меняются объемы носителей информацию Буквально 1,5 года назад 3 гигабайта на жестких дисках считалась довольно внушительной цифрой, но сейчас эта цифра очень мала, т.к на смену приходят носители с размером от 15 до 25 гигабайт. Цены на различны компоненты да и на сами ЭВМ в сборе соответственно падают с разработкой более новых конфигураций. С такой скоростью прогресса производители программного обеспечения просто не поспевают и порой, программное обеспечение отстает от прогресса технических средств. Крупная корпорация Интел в последнее время стала задумываться, а не снизить ли темпы разработок новых поколений процессоров, до того как производители ПО догонят в полной мере технические средства.

№2 Классификация средств ЭВТ (понятие машинного парка, соотношение типов ЭВМ)

Для различных типов задач нужна соответственно и различная вычислительная техника. Поэтому рынок компьютеров постоянно имеет широ­кую градацию классов и моделей ЭВМ. Фирмы-производители средств ВТ очень внимательно отслеживают состояние рынка ЭВМ. Они не просто кон­статируют отдельные факты и тенденции, а стремятся активно воздейство­вать на них и опережать потребности потребителей. Так, например, фирма IBM, выпускающая примерно 80% мирового машинного «парка», в настоя­щее время выпускает в основном четыре класса компьютеров, перекрывая ими широкий класс задач пользователей.

- СуперЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач, для обслуживания крупнейших информационных банков данных (150-200 штук).

- Большие ЭВМ для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров. (2500)

- Средние ЭВМ широкого назначения для управления - сложными техно­логическими производственными процессами. ЭВМ этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой инфор­мации в качестве сетевых серверов. (25000)

• Персональные и профессиональные ЭВМ, позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня. (миллионы)

• Также в последнее время появилось понятие как сетевой компьютер. Он может иметь небольшое быстродействие. Но принцип вычислений строится на передачи данных по сети вычислительному компьютеру и получение уже готовых результатов.

Понятие машинного парка можно определить как совукупность различных типов ЭВМ внутри отдельного взятого комплекса (например страны).

№3 Обобщенная структура ЭВМ. Состав и назначение устройств. Принцип работы.

Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. В основе его лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

Классическая структура ЭВМ полностью соответствует последовательному методу выполнения команд программы и состоит из

В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВв), с помощью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним.

При вычислении программа выполняет последовательность операций :

Устройство управления расшифровывает очередную команду и настраивает АЛУ на выполнение операции. Одновременно определяются адреса операндов, которые вызываются в АЛУ для обработки.

Таким образом команда за командой обрабатываются программы. Результат обработки через ОЗУ отсылается в Увыв (с целью фиксации и представлению пользователю)

Выполнение каждой команды осуществляется в несколько этапов:

• Формирование адреса

• Выборка из памяти команды

• Расшифровка и выборка операндов

• Выполнение операций

• Отсылка результатов

За каждый этап отвечает определенный блок. Все современные машины имеют совмещение операций, при котором все блоки работают параллельно, одновременно.

При использования файла в вычислительном процессе его содержимое переноситься в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления (УУ). Устройство управления предназначается для автоматического выполнения программ путем принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ. АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными. Оно каждый раз перенастраивается на выполнение очередной операции. Результаты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются в память. Потом результаты вычислений подаются на устройства вывода информации(дисплей, принтер и т.д.)

В последующем сильно связанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор, т.е. устройство для обработки данных. Совмещение операций позволяет значительно повесить быстродействие.

Такой конвейер характерен для линейных участков программы. Команды ветвления (условного и безусловного переходов) прерывают конвейер, снижается быстродействие.

В машинах Pentium для ликвидации разрывов используются блоки предсказания ветвлений и запуска двух конвейеров с последующем отсечением одного из них.

В реальных вычислениях линейные участки программ занимают 10-30 команд.

№4. Эволюция структур вычислительных машин. Кризис классической структуры ЭВМ.

Уже в первых ЭВМ для увеличения их производительности широко при­менялось совмещение операций. При этом последовательные фазы выполне­ния отдельных команд программы (формирование адресов операндов, вы­борка операндов, выполнение операции, отсылка результата) выполнялись отдельными функциональными блоками. В своей работе они образовывали своеобразный конвейер, а их параллельная работа позволяла обрабатывать различные фазы целого блока команд. Этот принцип получил дальнейшее развитие в ЭВМ следующих поколений. Но все же первые ЭВМ имели очень сильную централизацию управления, единые стандарты форматов команд и данных, «жесткое» построение циклов выполнения отдельных операций, что во многом объясняется ограниченными возможностями используемой в них элементной базы. Центральное УУ обслуживало не только вычислительные операции, но и операции ввода-вывода, пересылок данных между ЗУ и др. Все это позволяло в какой-то степени упростить аппаратуру ЭВМ, но сильно сдерживало рост их производительности.

В ЭВМ третьего поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и ее обработки

Сильно связанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор, т.е. устройство, предназначенное для обработки данных. В схеме ЭВМ по­явились также дополнительные устройства, которые имели названия: процессоры ввода-вывода, устройства управления обменом информацией, кана­лы ввода-вывода (КВВ). Последнее название получило наибольшее распрос­транение применительно к большим ЭВМ. Здесь наметилась тенденция к децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств, что позволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом.

Среди каналов ввода-вывода выделяли мультиплексные каналы, способ­ные обслуживать большое количество медленно работающих устройств вво­да-вывода (УВВ), и селекторные каналы, обслуживающие в многоканаль­ных режимах скоростные внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

В персональных ЭВМ, относящихся к ЭВМ четвертого поколения, про­изошло дальнейшее изменение структуры (см рис.). Они унаследовали ее от мини-ЭВМ.

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.

Ядро ПЭВМ образуют процессор и основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения наиболее часто исполь­зуемых программ управления. Подключение всех внешних устройств (ВнУ), дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ и других обеспечивается через соответ­ствующие адаптеры - соглосователи 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.

Способ формирования структуры ПЭВМ является достаточно логичным и естественным стандартом для данного класса ЭВМ.

Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие эле­менты, которые являются общим стандартом структур современных ЭВМ: модульность построения, магистральность, иерархия управления.

Как видно из полувековой истории развития ЭВТ дала не очень широкий спектр основных структур ЭВМ. Все приведенные структуры не выходят за пределы класической структуры фон Неймана. Их объединяют след. традиционные признаки:

• ядро ЭВМ образует процессор - единственный вычислитель в структуре, дополненный каналами обмена информацией и памятью.

• линейная организация ячеек всех видов памяти фиксированного раз­мера;

• одноуровневая адресация ячеек памяти, стирающая различия между всеми типами информации;

• внутренний машинный язык низкого уровня, при котором команды со­держат элементарные операции преобразования простых операндов;

• последовательное централизованное управление вычислениями;

• достаточно примитивные возможности устройств ввода-вывода. Несмотря на все достигнутые успехи, классическая структура ЭВМ не обеспечивает возможностей дальнейшего увеличения производительности. Наметился кризис, обусловленный рядом существенных недостатков:

• плохо развитые средства обработки нечисловых данных (структуры, символы, предложения, графические образы, звук, очень большие мас­сивы данных и др.);

• несоответствие машинных операций операторам языков высокого уровня;

• примитивная организация памяти ЭВМ;

• низкая эффективность ЭВМ при решении задач, допускающих парал­лельную обработку и т.п.

Все эти недостатки приводят к чрезмерному усложнению комплекса про­граммных средств, используемого для подготовки и решения задач пользова­телей.

№.5 Принцип программного управления ЭВМ.

Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. В основе его лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

.Принцип программного управле­ния может быть осуществлен различными способами. Стандартом для пост­роения практически всех ЭВМ стал способ, описанный Дж. фон Нейманом в 1945 г. при построении еще первых образцов ЭВМ. Суть его заключается в следующем.

Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управля­ющих слов-команд. Каждая команда содержит указания на конкретную вы­полняемую операцию, место нахождения (адреса) операндов и ряд служеб­ных признаков. Операнды - переменные, значения которых участвуют в опе­рациях преобразования данных. Список (массив) всех переменных (входных данных, промежуточных значений и результатов вычислений) является еще одним неотъемлемым элементом любой программы.