Файл: История развития средств вычислительной техники (Теоретические аспекты истории развития средств вычислительной техники).pdf
Добавлен: 22.04.2023
Просмотров: 401
Скачиваний: 2
Эта классификация имеет ограничения. Они связаны со способом вычисления ширины битового слоя 
.
В соответствии с этой классификацией отсутствуют различия между многопроцессорными системами, векторно-конвейерными компьютерами и процессорными матрицами.
Данная классификация не позволяет понять специфику той или иной высокопроизводительной вычислительной системы.
Достоинством классификации Фенга является введение единой числовой характеристики для всех типов вычислительных систем, которая позволяет сравнивать их между собой.
Из интересных видов классификации можно отметить подход Базу, который строит классификацию по последовательности решений, принимаемых на этапе проектирования архитектуры. Согласно А. Базу, любую параллельную вычислительную систему можно однозначно описать последовательностью решений, принятых на этапе ее проектирования, а сам процесс проектирования представить в виде дерева. [22, с. 97]
В корне «дерева Базу» размещается вычислительная система, последующие ярусы дерева служат для описания иерархии принятия решений при проектировании вычислительной системы. В итоге формируется описание проектируемой системы, представляемое значениями классификационных признаков в системе Базу.
Таким образом, на основе приведенных данных можно утверждать, что ни одна из существующих классификаций не является полной по системе классификационных признаков и, как правило, не дает однозначного ответа на вопрос: «К какому классу относится конкретная вычислительная система?» Классификация Флинна на настоящее время является базовой для остальных классификаций, которые ее детализируют, отражая другие, более узкие отличия в архитектуре. Предполагается, что в ЭВМ будущих поколений будут использованы возможности искусственного интеллекта.
Общие принципы организации и работы компьютера
Основу современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип, представленный на рисунке 1.2. Модульный принцип позволяет комплектовать нужную конфигурацию и производить необходимую модернизацию. [26, с. 99] Модульный принцип опирается на шинный принцип обмена информацией между модулями Системная шина или магистраль компьютера включает в себя несколько шин различного назначения. Магистраль включает в себя три много разрядные шины:
- шину данных,
- шину адреса,
- шину управления.
Шина данных используется для передачи различных данных между устройствами компьютера. Особый тип данных – команды процессора, которые также передаются по шине данных. Основная характеристика шины – количество разрядов, скорость передачи по 64- разрядной шине будет в два раза выше, чем по 32- разрядной шине. Передача по шине данных может осуществляться в разных направлениях, например, от процессора к памяти и от памяти к процессору.
Рисунок 1. 2 - Принцип работы современного персонального компьютера [42]
Шина адреса применяется для адресации пересылаемых данных, то есть для определения их местоположения в памяти или в устройствах ввода/вывода. При получении (чтении) данных процессор устанавливает на шине адреса тот номер ячейки памяти, где хранятся требуемые данные, а при необходимости сохранить данные – номер той ячейки, где данные будут храниться. Количество всех возможных адресов определяется как 2n, где n- количество разрядов шины адреса. Например, 32-разрядная шина адреса позволяет адресовать 232 или 4 294 967 296 ячеек памяти.
Шина управления включает в себя управляющие сигналы, которые служат для временного согласования работы различных устройств компьютера, для определения направления передачи данных, для определения форматов передаваемых данных и т.д. Одним словом, это служебная информация.
Помимо этих трех шин существует также шина питания, по которой к устройствам компьютера подаются питающие напряжения (обычно это +5В, +12В,-5В, и –12В), а также общие провода («земля») с нулевым потенциалом.
При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру. [36, с. 208]
Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.
Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.
Наиболее распространены следующие архитектурные решения:
Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа. Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки в данной архитектуре связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью. [38, с. 114]
Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.
Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами.
Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи.
Архитектура многопроцессорного компьютера [32, с. 167]:
Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.
Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.
Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе — то есть по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных.
Архитектура с параллельным процессором
В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений.
Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру процессора, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской. А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения (DаughterBoard — дочерняя плата) и подключаются к шине с помощью разъёмов расширения, называемых также слотам.
В компьютере существует три основных режима работы (или режима обмена информацией):
Программный режим обмена.
Обмен в режиме прерывания (interrupt).
Обмен в режиме прямого доступа к памяти (ПДП, DMA-Direct Memory Access).
Программный режим обмена наиболее простой. В этом случае весь обмен происходит под непосредственным управлением процессора, в процесс которого никто и ничто не вмешивается. Процессор последовательно выбирает (читает) из памяти команды и выполняет их, читая данные из памяти, обрабатывая их, записывая данные в память. Путь процессора по программе может быть линейным, цикличным, но он всегда непрерывен. При этом процессор ни на какие внешние команды не реагирует. [32, с. 184]
Обмен по прерываниям используется тогда, когда необходима реакция на какое-то внешнее событие. Например, оператор компьютера нажал на клавишу клавиатуры, или по локальной сети поступил пакет данных. Компьютер должен реагировать на это соответственно выводом символа на экран или же чтением и обработкой принятого по сети пакета.
Организовать реакцию на внешнее событие можно различными путями:
- с помощью постоянного программного контроля факта наступления события (так называемый метод опроса флага или polling);
- с помощью прерывания, то есть насильственного перевода процессора с выполнения текущей программы на выполнение экстренно необходимой программы;
- с помощью прямого доступа к памяти, то есть без участия процессора при его отключении от шины.
Рассмотрим логическую схему функционирования компьютера. Структурно компьютер состоит из четырех основных устройств согласно тем задачам, которые он решает при обработке данных (рис. 1.3): Устройства ввода, Устройства вывода, запоминающее устройство (ЗУ), управляющее устройство (УУ).
Рисунок 1.3 - Логическая схема функционирования компьютера
[32, с. 188]
Устройства ввода предназначены для ввода (накопления) информации и управления работой компьютера пользователем. К этим устройствам относят: клавиатуру, мышь, сканер, джойстик.
Устройства вывода предназначены для вывода информации с целью визуального наблюдения за работой компьютера и создания твердых копий документов. К ним относятся монитор, принтер, плоттер.
Для сохранения информации компьютер должен иметь запоминающее устройство (ЗУ), в который можно записывать информацию в двоичных кодах и считывать ее.
Для пользователя работа с данными в двоичных кодах неудобна и непривычна. Поэтому нужны устройства, которые обеспечивали бы ввод данных в компьютер в обычной форме с последующим превращением их в двоичные коды и наоборот преобразования данных из двоичных кодов в привычный для нас вид и их выведение. Эти функции выполняют устройства ввода и вывода информации (УВВ, УВыВ). [36, с. 164]
Запоминающие устройства предназначены для хранения информации, как длительного, так и временного, на время их обработки компьютером.
Память делят на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя память предназначена для сохранения информации во время работы компьютера. Сюда относят оперативную, или еще говорят кэш память. Содержимое данной памяти, как правило, сохраняется только при включенном питании. Внешняя память предназначена для длительного хранения информации независимо от того, есть ли питание. Среди внешней памяти различают устройства памяти, или говорят накопители (винчестеры) и носители данных (гибкие магнитные диски (дискеты), оптические лазерные диски, (CD - DVD -устройства) и т.д.). Устройство обработки информации осуществляет ее переработку и общее управление работой всех других устройств.
Главным устройством компьютера является центральный процессор. Он и выполняет основные операции по обработке данных и управления работой других устройств.
В основе функционирования любого компьютера лежит принцип программного управления.
Для решения любой задачи на компьютере разрабатывается программа, которая вместе с данными записывается в запоминающее устройство (ЗУ).
Программа — это упорядоченный набор команд. В команде содержится указание, какую операцию необходимо выполнить, над какими данными выполнить эту операцию и куда поместить полученный результат. [27, с. 10]
После того как программа будет размещена в запоминающем устройстве, она запускается на выполнение. В управляющее устройство (УУ) поступают коды операций, а в арифметически-логическое устройство (АЛУ) — данные над которыми выполняется операция. Управляющее устройство вырабатывает сигналы, поступающие в другие устройства, которые и обеспечивают выполнение данной операции.
Затем с запоминающего устройства выбирается следующая команда и организуется ее выполнение. Этот процесс продолжается до окончания всей программы.
Таким образом, на основании этих принципов можно утверждать, что современный компьютер — техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных в виде цифровых кодов и программы их обработки, выраженной также цифровыми кодами, способен автоматически осуществить вычислительный процесс, заданный программой, и выдать готовые результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия человеком.