Файл: Архитектура ЭВМ.doc

Низкая стоимость СК и удобство их применения позволяют по-новому решать вопросы компьютеризации образования. С развитием индустрии СК появляется возможность доступа к вычислительным ресурсам всех категорий обучаемых в любых регионах страны.

СК должны найти широкое распространение и у частных пользователей, многие из которых просто незнакомы с вычислительной техникой. Объединение СК с телефонами и телевизорами позволяет иначе решать многие информационные задачи: самообучение, электронная почта, доступ к общественно значимым базам данных, презентации, организация культурного обмена и др.

Для формирования и развития индустрии СК необходимо решить следующие проблемы:

• создание языков программирования, независимых от особенностей построения СК;

• разработка дешевых и быстродействующих микропроцессоров, составляющих основу СК;

• обеспечение быстрого и легкого входа в глобальные и корпоративные сети;

• создание компактного программного обеспечения для использования СК и приложений для серверов, обслуживающих сети СК.

Специализированным языком программирования, обеспечивающим доступ к ресурсам сетей, является язык Java — интерпретационный язык высокого уровня. Его отличительными особенностями являются простота, независимость от аппаратуры и отсутствие связей со сложными операционными системами. Это делает совместимыми СК различных производителей, позволяет управлять ими с общих позиций. Именно язык Java способствовал внедрению анимации в Web-ресурсы вычислительных сетей. Поэтому многие фирмы приобрели лицензии на Java и обеспечивают его поддержку в своих разработках.

Сетевые компьютеры, являясь продолжением аппаратуры сети, не требуют оснащения дорогими и сложными микропроцессорами. Для обеспечения их функций можно использовать более простые схемы на «Internet on a chip» («Интернет на чипе»). Подобная продукция может быть представлена десятками фирм.

Для подключения СК в сеть нужны каналы связи. Принципиально возможно использование любых каналов. Наиболее дешевыми, но мало скоростными являются телефонные линии связи. Их пропускная способность составляет до 30 Кбайт в секунду через аналоговые модемы и в несколько раз больше при переходе к цифровым методам связи. Каждый СК при работе с сетью должен пользоваться сетевыми ресурсами, что может вызывать перегруженность линий, обслуживающих большое число СК. Поэтому требуется повышать скорости передачи данных в сетях и качество используемых каналов.

Для новых аппаратных средств сети необходимы компактные управляющие программы и приложения для серверов. Индустрия соответствующего программного обеспечения постепенно набирает силу.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте направления развития ЭВМ.

2. Какие поколения ЭВМ сменились за годы их развития и с чем это связано?

3. Что вкладывается в понятие архитектуры ЭВМ?

4. По каким техническим характеристикам осуществляется оценка

и выбор ЭВМ?

5. Какова связь областей применения ЭВМ и их структур?

6. Каковы основные тенденции развития современных ЭВМ?

7. Охарактеризуйте понятие машинного парка.

8. Каковы основные принципы построения ЭВМ?

9. Поясните место и роль программного обеспечения ЭВМ.

10. Что представляет собой класс персональных ЭВМ и каковы области их применения?

11. Охарактеризуйте принципы классификации сетевых компьютеров.

12. Каково назначение и отличительные особенности сетевых компьютеров?

7. Типы структур вычислительных машин и систем

Архитектура вычислительных машин и систем их достоинства и недостатки зависят от способа соединения компонентов и программного обеспечения. При этом в состав ЭВМ входит большое число функциональных компонент – коды, определяющие как выглядит информация представлена в ЭВМ, алгоритмы, определяющие последовательность и логику обработки информации, технология загрузки и способы использования различных устройств.

При самом общем подходе можно говорить о двух основных типах структур вычислительных машин и двух типах структур вычислительных систем.

Структуры вычислительных машин

В настоящее время примерно одинаковое распространение получили два способа построения вычислительных машин: с непосредственными связями и на основе шины.

Типичным представителем первого способа может служить классическая фон-Неймановская ВМ (рис.3). В ней между взаимодействующими устройствами (процессор, память, устройство ввода/вывода) имеются непосредственные связи. Особенности связей (число линий в шинах, пропускная способность и т. п.) опре­деляются видом информации, характером и интенсивностью обмена. Достоинством архитектуры с непосредственными связями можно считать возможность развязки «узких мест» путем улучшения структуры и характеристик, только определенных связей, что экономически может быть наиболее выгодным решением. У фон-Неймановской ВМ таким «узким местом» является канал пересылки данных между и памятью, и «развязать» его достаточно непросто . Кроме того, ВМ с непосредственными связями плохо поддаются реконфигурации.

В варианте с общей шиной все устройства вычислительной машины подключе­ны к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных и управления (рис.4). Наличие общей шины существенно упрощает реа­лизацию ВМ, позволяет легко менять состав и конфигурацию машины. Благодаря этим свойствам шинная архитектура получила широкое распространение в мини-, и микроЭВМ. Вместе с тем, именно с шиной связан и основной недостаток архи­тектуры: в каждый момент передавать информацию по шине может только одно устройство. Основную нагрузку на шину создают обмены между процессором и памятью, связанные с извлечением из памяти команд и данных и записью в па­мять результатов вычислений. На операции ввода/вывода остается лишь часть пропускной способности шины. Практика показывает, что даже при достаточно быстрой шине для 90% приложений этих остаточных ресурсов обычно не хватает, особенно в случае ввода или вывода больших массивов данных.

Рис.7. Структура вычислительной машины на базе общей шины

В целом следует признать, что при сохранении фон-неймановской концепции последовательного выполнения команд программы шинная архитектура в чистом ее виде оказывается недостаточно эффективной. Более распространена архитек­тура с иерархией шин, где помимо магистральной шины имеется еще несколько дополнительных шин. Они могут обеспечивать непосредственную связь между устройствами с наиболее интенсивным обменом, например процессором и кэш-памятью. Другой вариант использования дополнительных шин — объединение однотипных устройств ввода/вывода с последующим выходом с дополнительной шины на магистральную. Все эти меры позволяют снизить нагрузку на общую шину и более эффективно расходовать ее пропускную способность.

Структуры вычислительных систем

Понятие «вычислительная система» предполагает наличие множества процессо­ров или законченных вычислительных машин, при объединении которых исполь­зуется один из двух подходов.

В вычислительных системах с общей памятью (рис.5) имеется общая основная память, совместно используемая всеми процессорами системы. Связь процессоров с памятью обеспечивается с помощью коммуникационной сети, чаще всего вырождающейся в общую шину. Таким образом, структура ВС с общей памятью аналогична рассмотренной выше архитектуре с общей шиной, в силу чего ей свой­ственны те же недостатки. Применительно к вычислительным системам данная схема имеет дополнительное достоинство: обмен информацией между процессо­рами не связан с дополнительными операциями и обеспечивается за счет доступа к общим областям памяти.

Рис.8. Структура вычислительной системы с общей памятью

Альтернативный вариант организации — распределенная система, где общая память вообще отсутствует, а каждый процессор обладает собственной локальной памятью (рис. 9). Часто такие системы объединяют отдельные ВМ. Обмен ин­формацией между составляющими системы обеспечивается с помощью коммуни­кационной сети посредством обмена сообщениями.

Рис.9. Структура распределенной вычислительной системы

Подобное построение ВС снимает ограничения, свойственные для общей шины, но приводит к дополнительным издержкам на пересылку сообщений между про­цессорами или машинами.

8. Перспективы совершенствования архитектуры вм и вс

Совершенствование архитектуры вычислительных машин и систем началось с момента появления первых ВМ и не прекращается по сей день. Каждое изменение в архитектуре направлено на абсолютное повышение производительности или, по крайней мере, на более эффективное решение задач определенного класса. Эволю­цию архитектур определяют самые различные факторы, главные из которых пока­заны на рис.10. Не умаляя роли ни одного из них, следует признать, что наиболее очевидные успехи в области средств вычислительной техники все же связаны с технологическими достижениями.