Файл: Курс лекций по дисциплине Информационные технологии в юридической деятельности.rtf

Например, отмеченные варианты минимизации привели впоследствии к развитию идей миниатюризации, как отдельных устройств ЭВМ, так и всего комплекса в целом;

4. Определенная организация взаимодействия основных устройств машины - арифметико-логического, управляющего, ввода и вывода данных, памяти. После определения перечисленного набора составляющих модулей ЭВМ, требовалась еще и проработка вопросов их композиционного соединения, при котором бы обеспечивались различные аспекты совместимости.

Как видим, все предложения фон Неймана по созданию ЭВМ были ориентированы на реализацию простой по конструкции, но работоспособной и надежной машины (в условиях имеющейся элементной базы, о проблемах эксплуатации которой мы частично упоминали в разделе исторических сведений о развитии ЭВМ).

Отмеченный вариант построения (архитектуры) ЭВМ получил в вычислительной технике кроме «фон-неймановской» архитектуры и другое обобщающее название - SISD architecture (Single Instruction Single Data) - ЭВМ с одним потоком команд и одним потоком данных.

В совокупности эти идеи сводятся к варианту (архитектуре) организации ЭВМ, при которой машина состоит из двух основных частей:

1 - линейно адресуемой памяти, слова (ячейки) которой хранят команды и элементы данных. В определении памяти подчеркнута идея ее линейности (по крайней мере, линейной адресации), т.е. опять представлена необходимость применения самой простой структуры - одной линии. Но и, вместе с тем, расположение всей совокупности команд и результатов в единой непрерывной строке позволяет организовать наиболее надежный последовательный алгоритм обработки информации. Теоретически доказательство такой возможности было приведено еще в 1936 году А. Тьюрингом;

2 - процессора, выбирающего из памяти команды и их операнды и записывающего результаты также в определенные ячейки памяти (в кратком виде об операнде можно сказать - условия и правила исполнения конкретной команды). Каждая команда явно или неявно указывает адреса операндов, результата и следующей команды.

Программный принцип обработки

Принцип обработки информации путем последовательного выполнения цепочки командных действий получил название «программного принципа обработки». Он характерен именно для ЭВМ с «фон - неймановской» архитектурой. Согласно ему дадим определение программы.

Программа - последовательность команд, каждая из которых четко указывает процессору ЭВМ, где в оперативной памяти в данный момент времени взять элементарную информацию, что с нею сделать и где в памяти записать полученный результат

---

.

Вспомним понятие ЭВМ, как комплекса технических устройств, предназначенного для автоматической обработки информации. Тогда для рассматриваемой архитектуры, в самом общем виде, работа машины может быть представлена так.

Вся информационная часть задачи (исходные данные, сама программа обработки, промежуточные и конечные результаты, а также и некоторая иная информация) записывается в устройство памяти с простым вариантом организации. Всю обработку информации на самом элементарном уровне осуществляет процессор ЭВМ.

Он же с помощью ряда дополнительных устройств (счетчиков команд, регистров и др.) контролирует самую главную особенность вычислителя данного типа - автоматизм выполнения всей последовательности действий, составляющих программу обработки. Фактически отмеченная совокупность устройств и есть ЭВМ. Причем, исходя из необходимости постоянного обмена элементарными порциями обрабатываемой информации, как процессор, так и оперативная память должны работать с одинаковым быстродействием и, как требует современная действительность, с все более увеличивающимся.

Естественно, что для ввода программы и исходных данных в оперативную память ЭВМ, а также для вывода промежуточных и конечных результатов автоматической обработки информации, реализуемыми главными или основными устройствами компьютера, необходимо добавить и ряд дополнительных - устройств ввода-вывода.
5. Элементная база

В ЭВМ непосредственную обработку информации, представляемой в виде двоичных электрических сигналов, осуществляют электронные элементы и узлы.

Число разновидностей электронных элементов ЭВМ относительно невелико, несмотря на их большое количество в машине. По своему назначению они могут быть классифицированы на логические, запоминающие и вспомогательные.

Логические элементы предназначены для реализации основных логических функций И, ИЛИ, НЕ и их сочетаний, например, И - НЕ, ИЛИ - НЕ и др.

Запоминающие элементы выполняют функцию памяти. В них под действием входных сигналов устанавливается соответствующее состояние 0 или 1, которое сохраняется неизменным до прихода последующего управляющего сигнала.

Вспомогательные элементы служат для формирования и генерирования сигналов, их усиления и преобразования по амплитуде, мощности и длительности.

---

В свою очередь элементы ЭВМ являются основой для построения типовых узлов, с помощью которых и реализуются необходимые операции над кодами. К числу типовых узлов ЭВМ относятся регистры, дешифраторы, счетчики и сумматоры.

Регистры предназначены для временного хранения и преобразования двоичной информации (например, для сдвига числа при выполнении операции умножения и деления).

Счетчик служит для подсчета числа сигналов (импульсов), поступающих на его вход, и фиксации этого числа в виде кода с последующим запоминанием.

Дешифратором называется логическая схема, служащая для преобразования поступающего кода числа в управляющий сигнал, формируемый на одном из его выходов. Таким образом, например, производится выбор необходимых ячеек запоминающего устройства.

В сумматоре происходит суммирование чисел путем поразрядного их сложения. Этим способом осуществляется также умножение, деление и вычитание.

Связь между устройствами ЭВМ осуществляется с помощью так называемого интерфейса.

Интерфейс - совокупность линий, шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов.

Причем, среди интерфейсных каналов можно выделить как те, что работают между центральными устройствами, так и те, которые осуществляют связь между ними и устройствами периферии. Имеется также и система разделения каналов на быстрые и медленные (часто их именуют параллельными и последовательными каналами).

Узловыми элементами, связывающими различные типы интерфейсов в компьютере, являются так называемые контроллеры. Фактически контроллеры имеются у каждого из устройств ЭВМ и предназначены для устранения проблем взаимодействия (информационного, аппаратного и др.) между отдельными устройствами.

Исходя из представленных сведений о функциональных возможностях аппаратуры, составляющей типовую ЭВМ, можно сделать вывод о том, что реальные компьютеры могут отличаться от классической типовой схемы по разнообразию и назначению применяемых устройств. В силу этого в практическом применении ЭВМ имеется понятие «конфигурации» для каждого конкретного компьютера.

Конфигурация (configuration) вычислительной системы - совокупность функциональных частей вычислительной системы и связей между ними, обусловленная основными техническими характеристиками этих функциональных частей, а также характеристиками решаемых задач обработки данных.

Из знаний о классификации и направлениях применения современных ЭВМ можно определить, что самыми разнообразными вариантами конфигураций обладают вычислительные системы на базе персональных компьютеров, где одной из сторон проявления персонализации как раз и является комбинирование требуемым набором аппаратных средств и их взаимодействия.

---

Таким образом, нами рассмотрены виды аппаратных средств, составляющих ЭВМ и обеспечивающих определенный набор функций в совместной работе по обработке информации.

В тоже время в составе реальных ЭВМ имеются ещё ряд устройств, работа которых не изменяет общего представления о концепции обработки информации на компьютере, но имеет свою специфику.

Например, речь идет о внутреннем запоминающем устройстве, называемом постоянное запоминающее устройство - ПЗУ.

ПЗУ (read-only memory - ROM) - запоминающее устройство, не способное осуществлять функцию записи.

Считывание информации с подобного устройства может быть всякий раз при включении питания компьютера, а сама информация остается неизменной. Такие устройства устанавливаются в ЭВМ при серийной заводской сборке и в целом предназначены для первоначального запуска компьютера при включении питания. В зависимости от вариантов исполнения ПЗУ могут быть перепрограммируемые (с возможностью перезаписи информации на них - микросхемы с обнулением информации под воздействием ультрафиолетового излучения и записью новой с помощью специального программируемого источника света) или не перепрограммируемые.

Другим примером может быть вариант внутреннего запоминающего устройства - КЭШ-память.

Кэш-память (cache memory) - сверхоперативная память. Запоминающее устройство с малым временем доступа (в несколько раз меньшим, чем время доступа к основной оперативной памяти). Оно используется для временного хранения промежуточных результатов и содержимого часто используемых ячеек.

КЭШ-память может присутствовать в конфигурации ЭВМ при наличии дополнительных средств на приобретение, а может отсутствовать и тогда компьютер работает с обычным ОЗУ. В отличие от КЭШ-памяти, ПЗУ в том или ином варианте имеется практически у любого компьютера.

Заканчивая разговор о «фон-неймановской» архитектуре ЭВМ и ее программном принципе работы, напомним из краткого обзора истории развития вычислительной техники, что теоретически и практически разрабатываются, уже реально существуют и другие подходы к архитектурному построению компьютеров.

Инициируются данные разработки недостатками «фон-неймановской» архитектуры в области обработки различных видов информации. Причем во многих случаях отмеченные проблемы носят принципиальный характер.

Приведем лишь примеры их них:

- плохо поддается программированию творческая деятельность человека, но имеется все более расширяющаяся необходимость применения компьютеров именно в этой сфере приложений, например в системах поддержки и принятия решений, основывающихся и могущих самостоятельно развиваться на основе баз знаний;

---

- невозможность реализации образного, ассоциативного (в самом простом случае, очень многопараллельного) принципа обработки информации;

- медленная и, перспективно очень жестко ограниченная, скорость обработки отдельных видов информации, например графической и совмещаемой с ней, где, хотя и достигнуты значительные практические достижения (компьютерная анимация, кино, мультимедиа и др.), но продолжает ощущаться острая потребность, как в реализации новых задач, так и модернизации имеющихся.

Изложим некоторые сведения о других архитектурах ЭВМ, которые разрабатываются в последнее время.
6. Понятие и виды ЭВМ с «не-фон-неймановской» архитектурой

Не-фон-неймановская архитектура (non von Neumann architecture) - любой способ организации ЭВМ, принципиально отличающийся от классической фон-неймановской архитектуры.

Предлагаемые варианты не-фон-неймановской архитектуры включают: организацию ЭВМ либо без счетчика команд и с непоследовательным выполнением команд, либо без памяти с многократной записью (например, dataflow machine, reduction machine).

Машина, управляемая потоком данных (dataflow machine). Организация ЭВМ, при которой выполнение каждой операции инициируется наличием её операндов; заранее последовательность выполнения команд не задается. При управлении потоком данных в качестве операндов команды указываются не адреса ячеек памяти, а команды, результаты которых являются операндами данной команды.

Такая организация ЭВМ соответствует языкам функционального программирования.

Редукционная машина (reduction machine). Организация ЭВМ, при которой программа представляет собой набор правил подстановки и выражение, подвыражения которого заменяются (редуцируются) в соответствии с правилами. Правила и подвыражения могут обрабатываться с произвольной степенью параллелизма.

Такая организация соответствует языкам логического программирования.

SIMD-architecture - архитектура (параллельной) ЭВМ с одним потоком команд и несколькими потоками данных (например, array processor).

Векторный процессор, матричный процессор (array processor)

---