Тема: Техническое обеспечение КИТ 

1. ЭВМ
2. Типы архитектур вычислительных систем (ВС)
3. Процессоры
4. Память ПК
5. Тенденции развития технических средств КИТ

     1. ЭВМ

     В 1945 г в США первая ЭВМ  –  ЭНИАК. В СССР первая ЭВМ МЭСМ–  в 1950г

Поколения ЭВМ

     В качестве классификационного признака – элементная база.

1-е.  С 1945 г.– электронные лампы

2-е. С 1955 г. – полупроводниковые диоды и транзисторы

3-е. С 1965 г. – интегральные схемы

4-е. С 1971 г. – большие интегральные схемы

5-е. С 1979 г. – сверхбольшие интегральные схемы

6-е. С 1986 г. – нейрокомпьютеры с биологическими принципами обработки  

Классификация ЭВМ

1. По производительности:

Быстродействие  ЭВМ – количество элементарных операций, выполняемых за 1 сек.

• супер-ЭВМ – для обработки больших массивов информации и решения фундаментальных задач (трлн. опер/c; Эльбрус, Скиф);
• большие ЭВМ (мэйнфреймы) – для решения задач различных классов (десятки млн. опер/с; IBM 360, ЕС ЭВМ);
• мини-ЭВМ – малые универсальные ЭВМ. Основные области применения – в системах оперативного управления, в ИПС, в научных исследованиях, для автоматизации проектирования, как терминальные устройства больших ЭВМ (до 1 млн. опер/с ; СМ ЭВМ).
• микро-ЭВМ – как встроенные ЭВМ в приборы, агрегаты, машины (сотни тыс. опер/c;  бортовые компьютеры самолетов).

 

2. По  форме представления информации:
• аналоговые – информация представляется в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины;
• цифровые – информация в дискретной форме;
• гибридные

 

3. По  принципу действия:
• машины, управляемые командами;
• потоковые машины (в каждый момент времени выполняются те команды, для которых имеются в наличии операнды);
• редукционные машины (управляемые запросами).

 

4. По  размеру:
• стационарные большие ЭВМ;
• настольные малогабаритные;
• портативные ЭВМ (или «ноутбуки»);
• малогабаритные ЭВМ.

 

5. По  уровню специализации:
• универсальные;
• специализированные;

 

     Программа – последовательность команд, реализующая решение на машине поставленной задачи.

     Команда – указание машине на выполнение какого-либо вычисления или другой операции.

     Операции, выполняемые ЭВМ:

• арифметические;
• логические;
• сравнения;
• операции обмена;
• специальные операции  конкретных ЭВМ;
• операции обработки прерываний.

     Команда в общем случае состоит из 2-х  частей – операционной и адресной.

     Команда 3-адресная:

 

Принципы  организации и функционирования ЭВМ Джона фон Неймана

     Общие принципы работы ЭВМ были сформулированы известным математиком Джоном фон Нейманом (американцем венгерского происхождения). Он представлял себе ЭВМ, как вычислительную машину, управляемую командами, и сформулировал 5 требований к ЭВМ:

• раздельное рассмотрение команд и данных;
• для хранения команд и данных д.б. специальное устройство – память. Причем при хранении данные и программы не различаются;
• линейность адресного пространства памяти ЭВМ;
• для представления данных – двоичная система счисления;
• центральное обрабатывающее устройство – процессор, который должен управлять всеми функциями компьютера.

Обобщенная  структура ЭВМ

      Ее представим в виде схемы, определяющей состав, порядок и взаимодействие основных функциональных частей машины.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     АЛУ – выполняет арифметические и логические операции

     УУ – вырабатывает управляющие сигналы, обеспечивающие автоматическую обработку инф. Оно координирует работу всех устройств ЭВМ в процессе обработки.

     АЛУ и УУ составляют процессор – центральное устройство ЭВМ. Оно осуществляет обработку инф. соответственно заданной программе.

     При выполнении операций в процессоре происходит неоднократное обращение к ЗУ. ЗУ– запоминающее устройство (память ЭВМ). Оно служит для хранения исходных, промежуточных, результатных данных, а также программ.

     Увв обеспечивает ввод исх. инф. в ЗУ.

     Увыв осуществляет вывод результатной инф. из ЗУ.

     ПУ – пульт управления – предназначен для контроля за работой машины, для проверки работоспособности машины и ее наладки, для оперативного вмешательства человека в ход решения задачи.

     Связь между устройствами ЭВМ обеспечивает радиальный или магистральный интерфейс. Радиальный обеспечивает связь каждого устройства с другими устройствами (связь быстродействующая, но требует больших расходов на реализацию).

Магистральный – связь устройств посредством системы шин:

• шины данных – по ней осуществляется обмен данными между блоками ЭВМ;
• шины управления – для передачи управляющих сигналов;
• шины адресов – для передачи адресов команд, операндов.

     Есть  ЭВМ с многомашинной и одношинной структурой.

 
 

2.Типы архитектур вычислительных систем (ВС)

 

Архитектура ВС – совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая возможности ВС при решении задач пользователя.

•Однопроцессорная ВС (архитектура фон Неймана):

– одно АЛУ, через которое проходит поток данных;

– одно УУ, через которое проходит поток команд. 

•Многопроцессорная ВС:

– несколько процессоров;

– можно параллельно обрабатывать несколько потоков данных и несколько потоков команд.

•Многомашинная ВС:

– несколько компьютеров, не имеющих общей ОП;

– каждый компьютер имеет собственную память и классическую архитектуру.

 

     3. Процессоры

     Процессором называется устройство, непосредственно осуществляющее процесс обработки данных и программное управление этим процессом.

     Процессор:

• дешифрирует и выполняет команды программы;
• организует обращения к оперативной памяти (ОП);
• в нужных случаях инициирует работу периферийных устройств;
• воспринимает и обрабатывает «запросы прерывания».     

    Выполнение  команды разделено на более мелкие этапы — микрооперации, во время которых выполняются определенные элементарные действия.

     Машинный  такт – интервал времени, в течение которого выполняется одна или одновременно несколько микроопераций.

     Границы тактов задаются электрическими импульсами, вырабатываемыми специальной схемой — генератором тактовых импульсов (ГТИ). Современные ПК имеют тактовую частоту до 4 Ггц.

     В процессор входят:

• ГТИ;
• АЛУ;
• УУ;
• регистры;
• кэш-память;
• блок связи.

     Могут также входить: блок прерывания, блок защиты памяти, блок контроля правильности работы и диагностики процессора и др.

     АЛУ выполняет логические и арифметические операции над данными.

     УУ  вырабатывает последовательность управляющих сигналов, инициирующих выполнение соответствующей последовательности микроопераций, обеспечивающей реализацию текущей команды.

     Регистр – предназначенная  для особых целей область памяти, имеющая конкретную емкость (н-р, бит или байт)

     Регистры  общего назначения (РОН) – для хранения операндов арифметических и логических операций и для вычисления адресов. В современных МП имеется 16  64-битных РОН.

     Управляющие регистры предназначены для временного хранения управляющей информации.

     Для повышения быстродействия и логических возможностей процессора (МП) в его состав включают кэш-память – блок высокоскоростной памяти, в которую копируются данные из  ОП. Она есть 2-х уровней: кэш-память 1-го уровня –128 Кб, 2-го – 1 Мб.

     Блок  связи (интерфейс  процессора) организует: - обмен информацией процессора с ОП;

  - защиту участков ОП от недозволенных программе обращений;

  - связь процессора с периферийными устройствами и внешним по отношению к ЭВМ оборудованием (другими ЭВМ и т.д.).

     Архитектура процессоров

     1.CISC(Complete Instruction Set Computer) – архитектура с полным набором команд (в IBM/360, с 1964 г.; в МП Intel X86 и Pentium).

     Для CISC-процессоров характерны:

• большое число машинных команд, поддерживаемых форматов команд разной разрядности, методов адресации;
• преобладание 2-х адресного формата команд «регистр-память»;
• сравнительно небольшое число РОН.

 

 2.RISC (Restricted Instruction Set Computer) – архитектура с сокращенным набором команд (регистро-ориентированная архитектура). Первый RISC-компьютер – IBM-801 в 1979 г.

     Суть: выделяются наиболее употребительные операции и создается архитектура, приспособленная для их быстрой реализации.

 

 Основные  принципы RISC-архитектуры:

·   каждая команда выполняется за 1 машинный такт, длительность которого должна быть макс. короткой;

·  все команды одинаковой длины и используют мин. адресных форматов (не более 2-3-х), что упрощает логику центрального управления процессором;

• обращение к памяти – только при выполнении операций записи и чтения, а вся обработка – только в регистровой структуре процессора в формате команд "регистр – регистр – регистр";