Архитектурные особенности и организация функционирования вычислительных машин

 

Архитектура ЭВМ и ее основы

Электронно-вычислительная машина (ЭВМ) – комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователя.

Автоматическое управление процессом решения задачи достигается на основе принципа программного управления, являющегося основной особенностью ЭВМ.

Пользователь – человек, в интересах которого проводится обработка данных на ЭВМ.

Для выполнения вычислительных работ необходим специальный подбор и настройка технических и программных средств. Эти средства взаимосвязаны и обычно объединяются в одну структуру. При выборе ЭВМ для решения определенных задач нужно познакомиться с функциональными возможностями технических и программных модулей, т.е. установить насколько быстро может быть решена задача данной ЭВМ, какой сервис программ имеется в ЭВМ, возможности диалогового режима, стоимость подготовки и решения задач и т.п. При этом пользователь интересуется не конкретной технической и программной реализацией отдельных модулей, а общими вопросами организации вычислений. Последнее включается в понятие архитектуры ЭВМ, содержание которого достаточно обширно.

Архитектура ЭВМ – это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ. Таким образом, термин архитектура ЭВМ используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов ЭВМ

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. В 1946г. ученые изложили принципы построения вычислительных машин:

−обоснование использования двоичной системы для представления чисел (ранее все машины хранили обрабатываемые числа в десятичном коде). В дальнейшем ЭВМ стали в двоичном коде обрабатывать и нечисловую информацию – текстовую, графическую, звуковую и др.;

−фон Нейман выдвинул принцип «хранимой программы». Согласно этому принципу команды программы, закодированные в цифровом виде (0 и 1) хранятся в памяти наравне с числами. В команде указываются не сами участвующие в операциях числа, а адреса ячеек памяти, в которых они находятся, и адрес ячейки, куда помещается результат операции. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ (рис.4). [ Структура – совокупность элементов и их связей. Различают структуры технических, программных и аппаратно-программных средств].

 

 

 

Рис.4. Архитектура ЭВМ, построенная на основе принципов фон Неймана.

 

(Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов от процессора к остальным узлам ЭВМ)

 

Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в единое устройство - центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода.

Процессор является преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств. По данной схеме происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. В литературе эта архитектура называется фон-неймановской. Подавляющее большинство вычислительных машин в настоящее время имеют эту архитектуру.

Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок – процессор, который является преобразователем информации, поступающей из оперативной памяти и внешних устройств (сюда относится выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, согласование работы узлов компьютера).

Наиболее общие структурные элементы построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре: структура памяти ЭВМ; способы доступа к памяти; возможность изменения конфигурации компьютера; система команд; форматы данных; организация интерфейса.

В современных ЭВМ заложена возможность усовершенствования отдельных частей и использования новых устройств. Компьютер это не единое неразъемное устройство, он состоит из независимо изготовленных частей, что позволяет дополнять аппаратные средства новыми компонентами без замены старых, например, наращивание оперативной памяти, подключение дополнительных периферийных устройств, т.е. выполнение операции «upgrade» (расширить, обновить). Таким образом, современные ЭВМ отвечают принципу открытой архитектуры.

Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной техники.

 

 

Основные характеристики ЭВМ

Для пользователей, не являющимися профессионалами в области вычислительной техники, важны следующие характеристики ЭВМ.

Характеристики ЭВМ, определяющие ее структуру:

· технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, показатели надежности, достоверности, точности, емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и программных средств, особенности эксплуатации и др.);

· характеристики и состав функциональных модулей базовых конфигураций ЭВМ, возможность расширения состава технических и программных средств, возможность изменения структуры;

· состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).

Важнейшими характеристиками ЭВМ являются быстродействие и производительность. Быстродействие характеризуется числом определенного типа команд, выполняемых ЭВМ за 1 секунду. Производительность – это объем работ (например, число стандартных программ) выполняемый в единицу времени.

Единица измерения быстродействия есть величина, измеряемая в MIPS (Million Instructions Per Second) – миллион операций в секунду.

В качестве операций обычно рассматриваются наиболее короткие операции типа сложение. MIPS использовалась для оценки больших однопроцессорных машин второго и третьего поколения.

Для оценки современных ЭВМ используется характеристика быстродействия, выраженная в MFPOPS (Million Floating Point Operations Per Second) – миллион операций с плавающей точкой в секунду. Для персональных ЭВМ этот показатель практически не применяется из-за особенностей решаемых задач и структурных характеристик ЭВМ.

Для комплексных оценок существуют тестовые наборы, которые можно разделить на три группы:

· наборы тестов фирм изготовителей для оценивания качества собственных изделий;

· стандартные универсальные тесты для ЭВМ, предназначенные для крупномасштабных вычислений;

· специализированные тесты для конкретных областей применения компьютера.

Другой важнейшей характеристикой ЭВМ является емкость запоминающих устройств. Она измеряется количеством структурных единиц информации, которые одновременно можно разместить в памяти.

Наименьшей структурной единицей информации, является бит – одна двоичная цифра.

Как правило, емкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения – байтах (1 байт=8 битам). Следующими единицами измерения информации являются Кбайт, Мбайт, Гбайт, терабайт.

Обычно отдельно характеризуют емкость оперативной памяти и емкость внешней памяти. Современные персональные ЭВМ могут иметь емкость оперативной памяти 64─512 Мбайт и более. Этот показатель важен для определения, какие программные пакеты и их приложения могут одновременно обрабатываться в машине.

Емкость внешней памяти зависит от типа носителя, емкость флоппи диска составляет 1.44Мбайт, емкость жесткого диска и дисков DVD может достигать несколько десятков Гбайт, емкость компакт дисков (CD-ROM) - сотни Мбайтов и т.д. Емкость внешней памяти характеризует объем программного обеспечения и отдельных программных продуктов, которые могут устанавливаться в ЭВМ. Например, для установки ОС Windows 2000 требуется объем памяти жесткого диска более 600 Мбайт и не менее 64 Мбайт оперативной памяти ЭВМ.

Надежность – это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного времени − стандарт ISO (Международная организация стандартов). Высокая надежность ЭВМ закладывается в процессе ее производства. Переход на новую элементную базу – сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) − сокращает число используемых интегральных схем, а, следовательно, и число их соединений друг с другом. Хорошо продумана компоновка компьютера и обеспечение требуемых режимов работы (охлаждение, защита от пыли). Модульный принцип построения позволяет легко проверять и контролировать работу всех устройств, проводить диагностику и устранять неисправности.

Точность − возможность различать почти равные значения. Точность получения результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, которая в зависимости от класса ЭВМ может составлять 32, 64, 128 двоичных разрядов.

Во многих применениях ЭВМ не требуется большой точности, например, при обработке текстов и документов, при управлении технологическими процессами. В этом случае достаточно воспользоваться 8-и 16-разрядными двоичными кодами. При выполнении сложных математических расчетов следует использовать высокую разрядность (32. 64 и выше). Для работы с такими данными применяются соответствующие структурные единицы представления информации (байт, слово, двойное слово). Программными способами диапазон представления и обработки данных может быть увеличен в несколько раз, что позволяет достичь высокой точности.

Достоверность – свойство информации быть правильно воспринятой. Заданный уровень достоверности обеспечивается аппаратно-программными средствами контроля самой ЭВМ. Возможны методы контроля достоверности путем решения эталонных задач и повторных расчетов. В особо ответственных случаях производятся контрольные решения на других ЭВМ и сравнение результатов.