Остальное

Микропроцессор (МП) - центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

Микропроцессор выполняет следующие функции:

• чтение и дешифрацию команд из основной памяти (ОП);
• чтение данных из ОП и регистров адаптеров внешних устройств (ВУ);
• прием 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.

В состав микропроцессора входят следующие устройства:

- Устройство управления (УУ)

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

- Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.

- Микропроцессорная память (МПП) предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно в ближайшие такты работы машины используемой в вычислениях.

МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, т.к. 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).

Регистры выполняют две функции:

• кратковременное хранение числа или команды;
• выполнение над ними некоторых операци.

Рекомендуемые материалы

Регистр отличается от ячейки памяти тем, что может не только хранить двоичный код, но и преобразовывает его.
Основным элементом регистра является триггер - электронная схема, которая хранит один бит информации.
Триггер - имеет два устойчивых состояния, которые соответствуют логической "1" и логическому "0".
Регистр - совокупность триггеров, связанных друг с другом общей системой управления.

Важнейшие регистры:
- счетчик команд - регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;
- регистр команд - регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода выполняемой операции, остальные для хранения кодов адресов операндов.

Команда - это элементарная операция, которую должна выполнить ЭВМ.
Разрядность МП 16 - 32 - 64 - 128 - это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция.
Чем больше разрядность, тем будет больше и производительность ПК при прочих равных условиях.

- Интерфейсная система микропроцессора предназначена для связи с другими устройствами ПК.
Интерфейс (interface) - совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие.

Интерфейсная система микропроцессора включает в себя:

• внутренний интерфейс МП,
• буферные запоминающие регистры,
• схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной.

Порт ввода-вывода (I/O port) - аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство.

Одной из характеристик микропроцессоров является тактовая частота.
Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов. Главный его элемент использует кристалл кварца, который обладает стабильностью резонансной частоты.

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.

Тактовая частота - указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет за одну секунду.

· 5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ

Классификация ЭВМ по принципу действия

Электронная вычислительная машина, компьютер - комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач [6].

По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса (рис. 5.1): аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ).

Рис.5.1. Классификация вычислительных машин по принципу действия.

Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают (рис. 5.2).

Рис.5.2. Две формы предоставления информации в машинах:

а- аналоговая; б- цифровая импульсная.

Цифровые вычислительные машины (ЦВМ) - вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.

Аналоговые вычислительные машины (АВМ) - вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения)

Аналоговые вычислительные машины весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них, как правило, нетрудоемкое; скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана сколь угодно большой (больше, чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность 2-5 %). На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики.

Гибридные вычислительные машины (ГВМ) - вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

Наиболее широкое применение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации - электронные цифровыевычислительные машины, обычноназываемые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания обихцифровомхарактере.

Классификация ЭВМ по этапам создания

По этапамсозданияи используемой элементнойбазе ЭВМ условно делятсяна поколения:

1-е поколение, 50-е гг.: ЭВМ на электронных вакуумных лампах;

2-е поколение, 60-е гг.: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах);

3-е поколение, 70-е гг.: ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни - тысячи транзисторов в одном корпусе);

Примечание. Интегральная схема - электронная схема специального назначения, выполненная в виде единого полупроводникового кристалла, объединяющего большое число диодов и транзисторов.

4-е поколение, 80-е гг.: ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах - микропроцессорах (десятки тысяч - миллионы транзисторов в одном кристалле);

5-е поколение, 90-е гг.: ЭВМ с многими десятками параллельно работающихмикропроцессоров,позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы;

6-е и последующие поколения: оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой - с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Каждое следующее поколение ЭВМ имеет по сравнению с предшествующим существенно лучшие характеристики. Так, производительность ЭВМ и емкость всех запоминающих устройств увеличиваются, как правило, больше чем на порядок.

Классификация ЭВМ по назначению

По назначению ЭВМ можно разделить на три группы: универсальные (общегоназначения),проблемно-ориентированные и специализированные (рис. 5.3).

Рис.5.3. Классификация ЭВМ по назначению.

Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах.

Характерными чертами универсальных ЭВМ являются:

• высокая производительность;

• разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, символьных, при большом диапазоне их изменения и высокой точности их представления;

• обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических, так и специальных;

• большая емкость оперативной памяти;

• развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств.

Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами.

К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы.

Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.

К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами; устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.

Классификация ЭВМ по размерам и функциональным возможностям

По размерам и функциональным возможностям ЭВМ можно разделить (рис. 5.4) на сверхбольшие (суперЭВМ), большие, малые, сверхмалые (микроЭВМ).

Рис. 5.4. Классификация ЭВМ по размерам и вычислительной мощности

Функциональные возможности ЭВМ обусловливают важнейшие технико-эксплуатационные характеристики:

• быстродействие, измеряемоеусредненным количеством операций, выполняемых машиной за единицу времени;

• разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует ЭВМ;

• номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих устройств;

• номенклатура и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;

• типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов ЭВМ между собой (внутримашинного интерфейса);

• способность ЭВМ одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять одновременно несколько программ (многопрограммность);

• типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных систем, используемых в машине;

• наличие и функциональные возможности программного обеспечения;

• способность выполнять программы, написанные для других типов ЭВМ (программная совместимость с другими типами ЭВМ);

• система и структура машинных команд;

• возможность подключения к каналам связи и к вычислительной сети;

• эксплуатационная надежность ЭВМ;

• коэффициент полезного использования ЭВМ во времени, определяемый соотношением времени полезной работы и времени профилактики.

Некоторые сравнительные параметры названных классов современных ЭВМ показаны в табл. 5.1.

Таблица 5.1. Сравнительные параметры классов современных ЭВМ

Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции.

Примечание. Первая большая ЭВМ ЭНИАК (Electronic Numerical Integrator and Computer) была создана в 1946 г. (в 1996 г. отмечалось 50-летие создания первой ЭВМ). Эта машина имела массу более 50 т, быстродействие несколько сотен операций в секунду, оперативную память емкостью 20 чисел; занимала огромный зал площадью около 100 кв.м.

Производительность больших ЭВМ оказалась недостаточной для ряда задач: прогнозирования метеообстановки, управления сложными оборонными комплексами, моделирования экологических систем и др. Это явилось предпосылкой для разработки и создания суперЭВМ, самых мощных вычислительных систем, интенсивно развивающихся и в настоящее время.

Появление в 70-х гг. малых ЭВМ обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области электронной элементной базы, а с другой - избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Малые ЭВМ используются чаще всего для управления технологическими процессами. Они более компактны и значительно дешевле больших ЭВМ.

Рекомендация для Вас - Статья 77 Внутренней службы.

Дальнейшие успехи в области элементной базы и архитектурных решений привели к возникновению супермини-ЭВМ - вычислительной машины, относящейся по архитектуре, размерам и стоимости к классу малых ЭВМ, но по производительности сравнимой с большой ЭВМ.

Изобретение в 1969 г. микропроцессора (МП) привело к появлению в 70-х гг, еще одного класса ЭВМ - микроЭВМ (рис. 5.5). Именно наличие МП служило первоначально определяющим признаком микроЭВМ. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ.

Рис.5.5. Классификация микроЭВМ.

• Многопользовательские микроЭВМ - это мощные микроЭВМ, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям.

• Персональные компьютеры (ПК) - однопользовательские микроЭВМ, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения.

• Рабочие станции (work station) представляют собой однопользовательские мощные микроЭВМ, специализированные для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и др.).

• Серверы (server) - многопользовательские мощные микроЭВМ в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех станций сети.

Конечно, вышеприведенная классификация весьма условна, ибо мощная современная ПК, оснащенная проблемно-ориентированным программным и аппаратным обеспечением, может использоваться и как полноправная рабочая станция, и как многопользовательская микроЭВМ, и как хороший сервер, по своим характеристикам почти не уступающий малым ЭВМ.

Рассмотрим кратко современное состояние некоторых классов ЭВМ.