Лекция2 (Лекции по микропроцессорной технике)

16

тема: ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И АРХИТЕКТУРА ЭВМ

Вопросы:

1.Классификация средств ЭВТ

2.Общие принципы построения ЭВМ

3.Режимы работы ЭВМ

Литература:

1 вопрос: [1] стр. 13 … 20;

2 вопрос: [1] стр. 20 … 28;

3 вопрос: [1] стр. 240 … 247.

1. Классификация средств ЭВТ

В настоящее время в мире произведены, работают и продолжают выпускаться миллионы вычислительных машин, относящихся к различным поколениям, типам, классам; отличающихся своими областями применения, техническими характеристиками и вычислительными возможностями. Традиционно электронную вычислительную технику подразделяют на аналоговую и цифровую.

В аналоговых вычислительных машинах (АВМ) обрабатываемая информация представляется соответствующими значениями аналоговых величин: тока, напряжения, угла поворота какого-то механизма и т.п. Эти машины обеспечивают приемлемое быстродействие, но не очень высокую точность вычислений (0,001 - 0,01). Подобные машины распространены не очень широко. Они используются в основном в проектных и научно-исследовательских учреждениях в составе различных стендов по отработке сложных образцов техники. По своему назначению их можно рассматривать как специализированные вычислительные машины.

В настоящее время под словом ЭВМ обычно понимают цифровые вычислительные машины, в которых информация кодируется двоичными кодами чисел. Именно эти машины благодаря универсальным возможностям и являются самой массовой вычислительной техникой.

Рынок современных компьютеров отличается разнообразием и динамизмом, каких еще не знала ни одна область человеческой деятельности. Каждый год стоимость вычислений сокращается примерно на 25 - 30%, стоимость хранения единицы информации - до 40%. Практически каждое десятилетие меняется поколение машин, каждые год-два - основные типы микропроцессоров, определяющих характеристики новых ЭВМ, Такие темпы сохраняются уже многие годы.

То, что 10 - 15 лет назад считалось современной большой ЭВМ, в настоящее время является устаревшей техникой с очень скромными возможностями. Современный персональный компьютер с быстродействием в сотни миллионов операций в секунду становится доступным средством для массового пользователя.

В этих условиях любая предложенная классификация ЭВМ очень быстро устаревает и нуждается в корректировке. Например, в классификациях десятилетней давности широко использовались названия мини-, миди- и микроЭВМ, которые сейчас почти исчезли из обихода. Вместе с тем существует целый ряд закономерностей развития вычислительной техники, которые позволяют предвидеть и предсказывать основные результаты этого поступательного движения. Необходимо анализировать традиционные и новые области применения ЭВМ, классы и типы используемых вычислительных средств, сложившуюся конъюнктуру рынка информационных технологий и его динамику, количество и качество вычислительной техники, выпускаемой признанными лидерами - производителями средств ЭВТ и т.д. Коротко рассмотрим эти основные вопросы, выяснение которых позволит понять, какая вычислительная техника необходима для решения определенных задач.

Академик В.М. Глушков указывал, что существуют три глобальные сферы деятельности человека, которые требуют использования качественно различных типов ЭВМ.

Первое направление является традиционным - применение ЭВМ для автоматизации вычислений. Научно-техническая революция во всех областях науки и техники постоянно выдвигает новые научные, инженерные, экономические задачи, которые требуют проведения крупномасштабных вычислений (задачи проектирования новых образцов техники, моделирования сложных процессов, атомная и космическая техника и др.). Отличительной особенностью этого направления является наличие хорошей математической основы, заложенной развитием математических наук и их приложений. Первые, а затем и последующие вычислительные машины классической структуры в основном и создавались для автоматизации вычислений.

Вторая сфера применения ЭВМ связана с использованием их в системах управления. Она зародилась примерно в шестидесятые годы, когда ЭВМ стали интенсивно внедряться в контуры управления автоматических и автоматизированных систем. Математическая база этой новой сферы практически отсутствовала, в течение последующих 15 - 20 лет она была создана.

Новое применение вычислительных машин потребовало видоизменения их структуры. ЭВМ, используемые в управлении, должны были не только обеспечивать вычисления, но и автоматизировать сбор данных и распределение результатов обработки.

Сопряжение с каналами связи потребовало усложнения режимов работы ЭВМ, сделало их многопрограммными и многопользовательскими. Для исключения взаимных помех между программами пользователей в структуру машин были введены средства разграничения: блоки прерываний и приоритетов, блоки защиты, средства измерения времени и т.п.

Для управления разнообразной периферией стали использоваться специальные процессоры ввода-вывода данных или каналы. Именно тогда и появился дисплей как средство оперативного человеко-машинного взаимодействия пользователя с ЭВМ.

Новой сфере работ в наибольшей степени отвечали мини-ЭВМ. Именно они стали использоваться для управления отраслями, предприятиями, корпорациями. Машины нового типа удовлетворяли следующим требованиям:

• были более дешевыми по сравнению с большими ЭВМ, обеспечивающими централизованную обработку данных;

• были более надежными, особенно при работе в контуре управления;

• обладали большой гибкостью и адаптируемостью настройки на конкретные условия функционирования;

• имели архитектурную прозрачность, т.е. структура и функции ЭВМ были понятны пользователям.

Одновременно со структурными изменениями ЭВМ происходило и качественное изменение характера вычислений. Доля чисто математических расчетов постоянно сокращалась, и на сегодняшний день она составляет около 10% от всех вычислительных работ. Машины все больше стали использоваться для новых видов обработки: текстов, графики, звука и др. Для выполнения этих работ в настоящее время применяются в основном ПЭВМ.

Третье направление связано с применением ЭВМ для решения задач искусственного интеллекта. Напомним, что задачи искусственного интеллекта предполагают получение не точного результата, а чаще всего осредненного в статистическом, вероятностном смысле. Примеров подобных задач много: задачи робототехники, доказательства теорем, машинного перевода текстов с одного языка на другой, планирования с учетом неполной информации, составления прогнозов, моделирования сложных процессов и явлений и т.д. Это направление постепенно набирает силу. Во многих областях науки и техники создаются и совершенствуются базы данных и базы знаний, экспертные системы. Для технического обеспечения этого направления нужны качественно новые структуры ЭВМ с большим количеством вычислителей (ЭВМ или процессорных элементов), обеспечивающих параллелизм в вычислениях. По существу, ЭВМ уступают место сложнейшим вычислительным системам.

Даже это краткое перечисление областей применения ЭВМ показывает, что для решения различных задач нужна соответственно и разная вычислительная техника. Поэтому рынок компьютеров постоянно имеет широкую градацию классов и моделей ЭВМ. Фирмы-производители 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, производящая примерно 80% мирового машинного парка, в настоящее время выпускает в основном четыре класса компьютеров, перекрывая ими широкий класс задач пользователей.

• Большие ЭВМ (mainframe), которые представляют собой многопользовательские машины с центральной обработкой, с большими возможностями для работы с базами данных, с различными формами удаленного доступа. Казалось бы, что с появлением быстро прогрессирующих ПЭВМ большие ЭВМ обречены на вымирание, однако они продолжают развиваться, и выпуск их снова стал увеличиваться, хотя их доля в общем парке постоянно снижается. По оценкам IBM, около половины всего объема данных в информационных системах мира должно храниться именно на больших машинах. Новое их поколение предназначено для использования в сетях в качестве крупных серверов. Начало этого направления было положено фирмой IBM еще в 60-е годы выпуском машин IBM/360, IBM/370. Эти машины получили широкое распространение в мире.

Развитие ЭВМ данного класса имело и имеет большое значение для России. В 1970 - 1990 гг. основные усилия нашей страны в области вычислительной техники были сосредоточены на программе ЕС ЭВМ (Единой системы ЭВМ), заимствовавшей архитектуру IBM 360/370. Было выпущено несколько десятков тысяч ЭВМ этой системы. Более 5000 ЭВМ серии ЕС еще продолжают работать в различных учреждениях и на производствах. Большинство АСУ верхнего уровня государственного управления в РФ (в силовых структурах, банках, на транспорте, в связи и т.д.) оснащены этими машинами. Накоплен громадный программно-информационный задел, который следует рассматривать как элемент национального достояния (по стоимости) и элемент национальной безопасности (по стратегической значимости). Поэтому принято решение и дальше развивать это направление. После подписания соглашения с фирмой IBM в марте 1993 г. Россия получила право производить 23 новейшие модели-аналоги ЭВМ IBM S/390. По расходам на управление и эксплуатацию эти машины оказываются эффективнее других вычислительных средств.

• Машины RS/6000 - очень мощные по производительности, предназначены для построения рабочих станций для работы с графикой, UNIX-серверов, кластерных комплексов. Первоначально эти машины предполагалось применять для обеспечения научных исследований.

• Средние ЭВМ, предназначенные в первую очередь для работы в финансовых структурах (ЭВМ типа AS/400 (Advanced Portable Model 3) - «бизнес-компьютеры», 64-разрядные). В этих машинах особое внимание уделяется сохранению и безопасности данных, программной совместимости и т.д. Используются в качестве серверов локальных сетей и сетей корпораций, успешно конкурируют с многопроцессорными серверами других фирм.

• Компьютеры на платформе микросхем фирмы Intel. IBM-совместимые компьютеры этого класса составляют примерно 50% рынка всей компьютерной техники. Более половины их поступает в сферу малого бизнеса.

Несмотря на столь внушительный объем выпуска персональных компьютеров этой платформы, фирма IBM проводит большие исследования и развивает собственную альтернативную платформу, получившую название Power PC. Это направление, по мнению фирмы, позволило бы значительно улучшить структуру аппаратных средств ПК, а значит, и эффективность их применения. Однако новые модели этой платформы пока не выдерживают конкуренции с IBM PC. Немаловажным здесь является и неразвитость рынка программного обеспечения, поэтому у массового пользователя это направление не находит спроса, и доля компьютеров с процессорами Power PC пока еще незначительна.

Кроме перечисленных типов вычислительной техники, необходимо отметить класс вычислительных систем, получивший название суперЭВМ. С развитием науки и техники постоянно выдвигаются новые крупномасштабные задачи, требующие выполнения больших объемов вычислений. Особенно эффективно применение суперЭВМ при решении задач проектирования, в которых натурные эксперименты оказываются дорогостоящими, недоступными или практически неосуществимыми. В этом случае ЭВМ позволяет методами численного моделирования получить результаты вычислительных экспериментов, обеспечивая приемлемое время и точность решения, т.е. решающим условием необходимости разработки и применения подобных ЭВМ является экономический показатель «производительность - стоимость». СуперЭВМ позволяют по сравнению с другими типами машин точнее, быстрее и качественнее решать масштабные задачи, обеспечивая необходимый приоритет в разработках перспективной вычислительной техники. Дальнейшее развитие суперЭВМ связывается с использованием направления массового параллелизма, при котором одновременно могут работать сотни и даже тысячи процессоров. Образцы таких машин уже выпускаются несколькими фирмами: nCube (гиперкубические ЭВМ), Connection Machine, Mass Par, NCR/Teradata, KSR, IBM RS/6000, MPP и др.

На рубеже тысячелетий фирма IBM объявила о разработке в рамках ANSI (стратегической компьютерной инициативы) новой суперЭВМ, которая будет содержать более миллиона микропроцессоров типа Pentium III (10²⁰); по расчетам она должна иметь быстродействие 10¹⁵ операций в секунду.

Необходимо отметить и еще один класс наиболее массовых средств ЭВТ - встраиваемые микропроцессоры. Успехи микроэлектроники позволяют создавать миниатюрные вычислительные устройства, вплоть до однокристальных ЭВМ. Эти устройства, универсальные по характеру применения, могут встраиваться в отдельные машины, объекты, системы. Они находят все большее применение в бытовой технике (телефонах, телевизорах, электронных часах, микроволновых печах и т.д.), в городском хозяйстве (энерго-, тепло-, водоснабжении, регулировке движения транспорта и т.д.), на производстве (робототехнике, управлении технологическими процессами). Постепенно они входят в нашу жизнь, все больше изменяя среду обитания человека.

Таким образом, можно предложить следующую классификацию средств вычислительной техники, в основу которой положено их разделение по быстродействию:

• суперЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач, для обслуживания крупнейших информационных банков данных;