Файл: Архитектура ЭВМ.doc

Часть данных-констант, необходимых операционной системе для управления вычислениями и используемых наиболее часто, может размещаться в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). На более низких уровнях иерархии находятся внешние запоминающие устройства на магнитных носителях. Они могут быть реализованы на жестких и гибких магнитных дисках, магнитных лентах, магнитооптических дисках и др. Их отличает низкое быстродействие и очень большая емкость.

Организация заблаговременного обмена информационными потоками между ЗУ различных уровней при децентрализованном управлении ими позволяет рассматривать иерархию памяти как абстрактную единую кажущуюся (виртуальную) память. Согласованная работа всех уровней обеспечивается под управлением программ операционной системы. Объём используемой памяти благодаря этому значительно превосходит ОЗУ.

Мультипрограммные режимы

Децентрализация управления и структуры ЭВМ позволила перейти к более сложным многопрограммным (мультипрограммным) режимам. При этом в ЭВМ одновременно может обрабатываться несколько программ пользователей.

В ЭВМ, имеющих один процессор, многопрограммная обработка является кажущейся. Она предполагает параллельную работу отдельных устройств, задействованных в вычислениях по различным задачам пользователей. Например, компьютер может производить распечатку каких-либо документов и принимать сообщения, поступающие по каналам связи. Процессор при этом может производить обработку данных по третьей программе, а пользователь — вводить данные или программу для новой задачи, слушать музыку и т.п.

В ЭВМ или вычислительных системах, имеющих несколько процессоров обработки, многопрограммная работа может быть более глубокой. Автоматическое управление вычислениями предполагает усложнение структуры за счет включения в ее состав систем и бло­ков, разделяющих различные вычислительные процессы друг от друга, исключающие возможность возникновения взаимных помех и ошибок (системы прерываний и приоритетов, защиты памяти). Самостоятельного значения в вычислениях они не имеют, но явля­ются необходимым элементом структуры для обеспечения этих вычислений.

Перспективы развития структур эвм

Как видно, полувековая история развития электронной вычислительной техники дала не очень широкий спектр основных структур ЭВМ. Их объединяют следующие традиционные признаки :

• ядро ЭВМ образует процессор — единственный вычислитель в структуре, дополненный каналами обмена информацией и памятью;

• линейная организация ячеек всех видов памяти фиксированного размера;

• одноуровневая адресация ячеек памяти, стирающая различия между всеми типами информации;

• наличие внутреннего машинного языка низкого уровня, при котором команды содержат элементарные операции преобразования простых операндов;

• последовательное централизованное управление вычислениями;

• ограниченные возможности устройств ввода-вывода.

Классическая структура ЭВМ уже сослужила добрую службу человечеству. В ходе эволюции она была дополнена целым рядом частных доработок, позволяющих ликвидировать наиболее «узкие места» и обеспечить максимальную производительность ЭВМ в рамках достигнутых технологий. Однако, несмотря на все достигнутые успехи, классическая структура не обеспечивает возможностей дальнейшего наращивания производительности. Наметился кризис, обусловленный рядом ее существенных недостатков:

• практически исчерпаны структурные методы повышения производительности ЭВМ;

• плохо развиты средства обработки нечисловых данных (структуры, символы, предложения, графические образы, звук, очень боль­шие массивы данных и др.);

• несоответствие машинных операций операторам языков высокого уровня;

• примитивная организация памяти ЭВМ;

• низкая эффективность ЭВМ при решении задач, допускающих параллельную обработку, и т.п.

Все эти недостатки аппаратуры приводят к чрезмерному усложнению комплекса программных средств, применяемого для подготовки и решения задач пользователей.

В ЭВМ будущих поколений, с использованием в них «встроенного искусственного интеллекта», предполагается дальнейшее усложнение структуры. В первую очередь это касается совершенствования процессов общения пользователей с ЭВМ (использование аудио-, видеоинформации, систем мультимедиа и др.) обеспечения доступа к информационным хранилищам (базам данных и базам знаний), организации параллельных вычислений. Несомненно, что этому должны соответствовать новые параллельные структуры с новыми принципами их построения. Они становятся экономически более выгодными. Вероятно, подобными системами будут обслуживаться большие информационные хранилища.

6. Общие функции программного обеспечения и их развитие

Электронные вычислительные машины являются универсальны­ми техническими средствами автоматизации вычислительных работ, т.е. они способны решать любые задачи, связанные с преобразовани­ем информации. Однако подготовка задач к решению на ЭВМ была и остается до настоящего времени достаточно трудоемким процессом, требующим от пользователей во многих случаях специальных зна­ний и навыков.

Для снижения трудоемкости подготовки задач к решению, более эффективного использования отдельных технических, программных средств и ЭВМ в целом, а также облегчения их эксплуатации каждая ЭВМ имеется специальный комплекс программных средств регулярно­го применения. Эти средства обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и являются своеобразным «посредником» между ними. Они получили название программного обеспечения ЭВМ.

Под программным обеспечением будем понимать комплекс программных средств регулярного применения, предназначенный для подготовки и решения задач пользователями.

Программное обеспечение (ПО) отдельных ЭВМ и ВС может сильно различаться составом используемых программ, который определяется классом задействованной вычислительной техники, режимами ее применения, содержанием вычислительных работ пользователей и т.п. Развитие ПО современных ЭВМ и ВС в значительной степени носит эволюционный и эмпирический характер, но можно выделить закономерности в его построении.

В общем случае процесс подготовки и решения задач на ЭВМ пользователями предусматривает выполнение следующей последовательности этапов (рис. 4):

• формулировка проблемы и математическая постановка задачи;

• выбор метода и разработка алгоритма решения;

• программирование (запись алгоритма) с использованием алгоритмического языка;

• планирование и организация вычислительного процесса — порядка и последовательности использования ресурсов ЭВМ и ВС;

• формирование «машинной программы», т.е. программы, которую непосредственно будет выполнять ЭВМ;

• решение задачи — выполнение вычислений по готовой программе.

Рис 4. Автоматизация подготовки и решения задач в ЭВМ

По мере развития вычислительной техники автоматизация этих этапов идет снизу вверх. В ЭВМ первого поколения автоматизации подлежал только шестой этап. Все пять предыдущих этапов пользователь должен был готовить вручную самостоятельно. Трудоемкий и рутинный характер этих работ был источником большого количества ошибок в заданиях. Поэтому в ЭВМ следующих поколений появились сначала элементы, а затем целые системы, облегчающие процесс подготовки задач к решению.

Для ЭВМ второго поколения характерно широкое применение алгоритмических языков (Автокоды, Алгол, Фортран и др.) и соответствующих трансляторов, позволяющих автоматически формировать машинные программы по их описанию на алгоритмическом языке. Здесь же широко стали внедряться библиотеки стандартных программ, что позволило строить машинные программы блоками, используя накопленный и приобретенный программистами опыт. Отметим, что временные границы появления всех нововведений достаточно размыты. Обычно их истоки можно обнаружить в недрах ЭВМ предыдущих поколений.

ЭВМ третьего поколения характеризуются расцветом операционных систем, отвечающих за организацию и управление вычислительным процессом. Именно здесь слово «ЭВМ» все чаще стало заменяться понятием «вычислительная система», что в большей степени отражало усложнение, как аппаратной, так и программной частей ЭВМ. Стоимость программного обеспечения стала расти и в настоящее время намного опережает стоимость аппаратуры (рис.5).

Операционная система (ОС) планирует последовательность распределения и использования ресурсов вычислительной системы, а также обеспечивает их согласованную работу. Под ресурсами обычно понимают те средства, которые применяют для вычислений: машинное время отдельных процессоров или ЭВМ, входящих в систему; объемы оперативной и внешней

Рис. 5. Динамика изменения стоимости аппаратных и программных средств

памяти; отдельные устройства, информационные массивы; библиотеки программ; отдельные программы, как общего, так и специального применения и т.п. Интересно, что наиболее употребительные функции ОС в части обработки внештатных ситуаций (защита программ от взаимных помех, системы прерываний и приоритетов, служба времени, сопряжение с каналами связи и т.д.) были полностью или частично реализованы аппаратурно. Одновременно были реализованы более сложные режимы работы: коллективный доступ к ресурсам, мультипрограммные режимы. Часть этих решений стала своеобразным стандартом и начала использоваться повсеместно в ЭВМ различных классов. Это позволило в значительной степени повысить эффективность применения ЭВМ и ВС в целом. В ЭВМ четвертого поколения продолжается усложнение технических и программных структур (иерархия управления средствами, увеличение их количества). Следует отметить заметное повышение «интеллектуальности» машин. Особенно это стало видно при появлении персональных ЭВМ (ПЭВМ), ориентированных на определенные категории пользователей. Программное обеспечение этих машин создает «дружественную» среду общения человека и компьютера. Оно, с одной стороны, управляет процессом обработки информации, а с другой — создает необходимый сервис, для пользователя* снижая трудоемкость его рутинной работы и предоставляя ему возможность больше внимания уделять творчеству.