Классификация ЭВМ

 

ЭВМ могут быть классифицированы по ряду признаков, например, по принципу действия, по этапам создания и по элементной базе, назначению, способу организации вычислительного процесса, размеру и вычислительной мощности, функциональным возможностям и другим признакам.

Рассмотрим некоторые классификационные группировки.

Прежде всего не надо забывать, что помимо цифровых ЭВМ, существуют аналоговые и гибридные ЭВМ. В основе определения этих классификационных групп лежит такой признак классификации, как принцип действия. В этой классификации критерием разделения на группы является форма представления информации. В цифровых ЭВМ информация представляется дискретными сигналами-импульсами, представляющими коды 0 и 1. В аналоговых ЭВМ работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, а гибридные ЭВМ, как следует из их названия, могут работать как с цифровыми, так и с аналоговыми сигналами. Следует отметить, что большая часть классификации относится к цифровым вычислительным машинам, хотя определение “цифровые” опускается.

Наиболее известна классификация цифровых ЭВМ по этапам создания и элементной базе, согласно которой они условно делятся на поколения:

- 1-е поколение, 50-е годы: ЭВМ на электронных вакуумных лампах (термин “электронные” является частью названия этой элементной базы);

- 2-е поколение, 60-е годы: ЭВМ на полупроводниковых приборах (транзисторах);

- 3-е поколение, 70-е годы: ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции;

- 4-е поколение, 80-90-е годы: ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах, основная из которых – микропроцессор (сотни тысяч – десятки миллионов активных элементов водном кристале);

- 5-е поколение, настоящее время: компьютеры с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров;

- 6-е поколение: оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом и нейронной структурой.

По назначению ЭВМ делятся на универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные.

Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых разных инженерно-технических, экономических, математических, информационных и других задач. Их характерными чертами являются:

- высокая производительность;

- разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, символьных – и большие диапазоны их изменения наряду с высокой точностью представления;

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

- большая емкость оперативной памяти;

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

Проблемно-ориентированные ЭВМ предназначены для решения достаточно узкого класса задач, связанных с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой небольшого объема данных; выполнением расчетов по несложным алгоритмам. Они обладают по сравнению с универсальными ЭВМ ограниченными аппаратными и программными ресурсами при сравнительно невысокой стоимости.

Специализированные ЭВМ предназначены для решения определенного узкого класса задач или реализации строго определенной группы функций. Узкая ориентация позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности. К таким ЭВМ относятся программируемые микропроцессоры специального назначения, адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами.

По размерам и вычислительной мощности ЭВМ делят на сверхбольшие (суперЭВМ), большие, малые, сверхмалые (микроЭВМ). В таблице 2.2 приводятся основные технические характеристики ЭВМ разных классов.

 

 

Таблица 2.2.

Техн. характеристики	СуперЭВМ	Большие ЭВМ	Малые ЭВМ	МикроЭВМ
Производительность, MIPS	1000-1000000	100- 10000	10-1000	10-100
Емкость ОП, Мбайт	2000-100000	512-10000	128-2048	32-512
Емкость ВЗУ, Гбайт	500-50000	100-10000	20-500	10-50
Разрядность шины, бит	64-256	64-128	32-128	32-128

 

Центральный процессор

 

УИ: Устройство исполнения ШИ: Шинный интерфейс

			Блок управ-ления шиной

 

Шина

		АЛУ: арифметико- логическое устройство
		УУ: Устройство управления

 

 

Очередь

исполнения

		Регистр флагов

 

Рисунок 4.1. Взаимодействие логических устройств процессора

 

Как показано на рис. 4.1, процессор делится на 2 логических устройства: устройство исполнения (УИ) и шинный интерфейс (ШИ). УИ ответственно за выполнение инструкций, а ШИ – за доставку УИ данных и инструкций для обработки. УИ содержит АЛУ, УУ и регистры.

Регистрами в схемотехнике называют электронные устройства, в которые можно записать информацию, сохранить ее и, при необходимости, прочитать. При этом регистры, как правило, обеспечивают более быстрый доступ к информации, чем доступ к содержимому ячеек памяти ОЗУ. Это обстоятельство и является причиной оснащения центрального процессора ЭВМ собственной памятью, причем в более поздних разработках микропроцессоров собственная память процессоров только увеличивается. Intel 8086 имеет 14 регистров:

- универсальные AX, BX, CX, DX;

- сегментные регистры CS, DS, SS, ES;

- регистры смещения IP, SP, BP, SI, DI;

- регистр флагов (регистр состояния) FL.

Основная функция ШИ – управление шиной, сегментными регистрами и очередью исполнения. ШИ управляет шинами, передающими данные в УИ, память и внешние устройства ввода/вывода. Сегментные регистры управляют адресацией памяти.

Еще одна функция ШИ – предоставлять доступ к инструкциям (командам программы). Поскольку инструкции исполняемой программы находятся в памяти, ШИ должен получить к ним доступ и поместить в очередь исполнения, размер которой меняется в зависимости от типа процессора и определяется размером кэша команд. Это позволяет ШИ предсказывать и загружать необходимые инструкции заранее, так что в очереди всегда есть инструкции, готовые к исполнению.

УИ и ШИ работают параллельно, и ШИ всегда на 1 шаг опережает УИ. УИ сообщает ШИ, когда ему необходим доступ к данным в памяти или к устройствам ввода/вывода. УИ также запрашивает инструкции для исполнения из очереди в ШИ. Самая верхняя инструкция – исполняемая в данный момент, а пока УИ занято выполнением данной инструкции, ШИ извлекает следующую инструкцию из памяти. Выполнение инструкций и их получение из памяти перекрываются по времени, за счет чего растет быстродействие процессора. (Заметим, что программисты не имеют доступа к вышеописанным элементам процессора).