Принципы работы вычислительной системы. Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ

Основные понятия вычислительной системы

С

овокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных, называют вычислительной техникой.

Вычислительная система – это конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ (программно-аппаратный комплекс), предназначенный для обслуживания одного рабочего места. Любой компонент вычислительной системы (центральный процессор, оперативная или внешняя память, внешнее устройство, программа и т. д.) и предоставляемые им возможности называется ресурсом. Структуру ВС можно представить в виде пирамиды.

Прикладное программное обеспечение

Системное программное обеспечение

Управление логическими устройствами

Управление физическими устройствами

Аппаратные средства

Аппаратные средства включают в себя физические устройства (состав оборудования), участвующие в автоматизированной обработке информации пользователя.

Управление физическими устройствами осуществляется программами, взаимодействующими с аппаратными структурами.

Управление логическими устройствами осуществляют программы, ориентированные на пользователя и не зависящие от физических устройств. На базе этого уровня могут создаваться новые логические ресурсы. Например, на одном жестком диске может быть создано несколько логических дисков, работа с которыми, с точки зрения пользователя, ничем не отличается от работы с несколькими физическими дисками.

Системное программное обеспечение – это комплекс программ, предназначенных для обеспечения работы компьютеров и сетей ЭВМ. Неотъемлемой частью системного программного обеспечения являются системы программирования, которые служат для поддержки всего технологического цикла разработки программного обеспечения.

Прикладное программное обеспечение – это комплекс взаимосвязанных программ для решения задач определенного класса конкретной предметной области.

Центральным звеном вычислительной системы является компьютер.

Компьютер – это электронный прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки данных. В основе работы любого современного компьютера лежит генератор тактовых импульсов, вырабатывающий электрические сигналы (импульсы), частота которых определяет тактовую частоту. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы компьютера (или просто такт работы). Тактовая частота достаточно объективно определяет быстродействие ЭВМ. Зная тактовую частоту и количество тактов, требуемых для выполнения какой-либо операции, можно точно определить время выполнения этой операции. Управление компьютером фактически сводится к управлению распределением сигналов между устройствами. Управление может быть программным или интерактивным.

Программное управление распределением сигналов осуществляется автоматически.

Управление распределением сигналов может производиться вручную с помощью внешних органов управления – кнопок, переключателей и т. п. В современных компьютерах внешнее управление в значительной степени автоматизировано благодаря использованию специальных аппаратно-логических интерфейсов, к которым подключаются внешние устройства управления и ввода данных: мышь, джойстик, клавиатура и др. Такое управление называют интерактивным.

Конфигурацией вычислительной системы называют ее состав, включающий аппаратные и программные средства, которые принято рассматривать отдельно. Принцип разделения вычислительной системы на аппаратную и программную конфигурацию имеет для информатики особое значение, так как очень часто решение одной и той же задачи может обеспечиваться как аппаратными, так и программными средствами. Критерием выбора при этом являются производительность и эффективность. Однако нельзя забывать, что такое разделение является условным, поскольку программное и аппаратное обеспечение работают в компьютере в неразрывной связи и в непрерывном взаимодействии.

Аппаратную конфигурацию вычислительной системы образует совокупность оборудования, подключенного к компьютеру. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную конструкцию (аппаратную конфигурацию), которую можно собирать из готовых узлов и блоков.

Программной конфигурацией вычислительной системы называют совокупность программ, установленных на компьютере. Программы для ЭВМ — это форма представления данных и команд, предназначенных для получения определенных результатов. Работа компьютерных программ имеет многоуровневый характер.

На каждом рабочем месте программно-аппаратная конфигурация создается такой, чтобы наиболее эффективно решать конкретные практические задачи. Разные компьютеры могут быть близкими по своей архитектуре и функциональному назначению, но иметь разную программно-аппаратную конфигурацию.

Наряду с аппаратным и программным обеспечением в вычислительных системах в некоторых случаях рассматривают информационное и математическое обеспечение.

Под информационным обеспечением понимают совокупность программ и предварительно подготовленных данных для работы этих программ. Например, в текстовом редакторе для работы системы автоматической проверки орфографии, кроме аппаратного и программного обеспечения, необходимо иметь специальные наборы словарей, содержащие заранее заготовленный эталонный массив данных.

Математическое обеспечение вычислительной системы представляет собой совокупность программного и информационного обеспечения. Как правило, оно «жестко» записывается в микросхемы ПЗУ и используется в специализированных компьютерных системах (бортовых компьютерах автомобилей, самолетов, судов и т. п.).

Аппаратное обеспечение вычислительной системы

К

аппаратному обеспечению вычислительной системы относится совокупность устройств и приборов, необходимых для выполнения конкретных видов работ. По способу расположения устройств относительно центрального процессорного устройства (ЦПУ) различают внутренние и внешние устройства. Внешними устройствами являются большинство устройств ввода-вывода данных (их также называют периферийными устройствами) и некоторые устройства длительного хранения данных (внешняя память). Для работы системы аппаратные средства должны быть согласованы друг с другом с помощью аппаратных интерфейсов, как на физическом уровне, так и на логическом. Физически аппаратные средства согласуются с помощьюразличных устройств (механических и электрических разъемов, шин, контроллеров), логически – с помощью программ, называемых драйверами устройств.

Аппаратные интерфейсы – это стандартизированные аппаратно-логические устройства, обеспечивающие согласование работы между устройствами, узлами и блоками вычислительной системы. Стандарты на аппаратные интерфейсы называются протоколами, в которых определяется совокупность технических условий, необходимых для согласованной работы устройств. Наличие стандартных интерфейсов позволяет унифицировать передачу данных между устройствами независимо от их особенностей.

В архитектуре любой вычислительной системы существует множество аппаратных интерфейсов, которые условно можно разбить на две группы: последовательные и параллельные.

Параллельные интерфейсы – устройства, которые служат для одновременной передачи группы бит. Количество бит, участвующих в одной посылке, определяется разрядностью интерфейса. Например, восьмиразрядные параллельные интерфейсы передают за один цикл один байт данных. Производительность параллельных интерфейсов измеряют байтами в секунду (байт/с; Кбайт/с; Мбайт/с). Их применяют там, где важна скорость передачи данных: для подключения печатающих устройств, устройств ввода графической информации, устройств записи данных на внешний носитель.

Последовательные интерфейсы – более простые устройства. Обмен данными производится последовательно бит за битом. Их производительность измеряют битами в секунду (бит/с; Кбит/с; Мбит/с). Последовательные интерфейсы часто называют асинхронными интерфейсами, поскольку для них не надо синхронизировать работу передающего и принимающего устройств. Из-за отсутствия синхронизации передача полезных данных сопровождается служебными посылками, то есть на один байт полезных данных могут приходиться 1–3 служебных бита. Первоначально пропускная способность последовательных интерфейсов была меньше параллельных, а коэффициент полезного действия – ниже. Поэтому их применяли для подключения «медленных устройств» (простейших устройств печати низкого качества, устройств ввода-вывода знаковой и сигнальной информации, контрольных датчиков, малопроизводительных устройств связи и т. п.), а также в тех случаях, когда отсутствовали ограничения на продолжительность обмена данными. Однако с развитием техники в настоящее время появились высокоскоростные последовательные интерфейсы, не уступающие параллельным, а нередко и превосходящие их по пропускной способности.

Классификация компьютеров

С

уществует достаточно много различных методов классификации компьютеров. К наиболее часто употребляемым в технической литературе и средствах массовой информации методам относятся следующие:

– по назначению;

– по уровню специализации;

– по типоразмерам;

– по совместимости;

– по типу используемого процессора.

Классификация по назначению – один из наиболее ранних методов классификации. По этому принципу различают большие ЭВМ, мини-ЭВМ, микро-ЭВМ и персональные компьютеры (ПК).

Большие ЭВМ (mainframe или суперкомпьютеры). Их применяют в очень крупных корпорациях, банках или в отраслях народного хозяйства. Сверхпроизводительные суперкомпьютеры используются для решения задач оборонного комплекса, ядерной физики, космических задач, метеорологии, фармакологии сейсморазведки. На базе суперкомпьютера создают вычислительные центры, включающие в себя несколько отделов (групп):

– группа системного программирования, обеспечивающая программно-аппаратный интерфейс вычислительной системы;

– группа прикладного программирования, обеспечивающая пользовательский интерфейс вычислительной системы;

– группа технического обслуживания;

– группа подготовки данных;

– группа информационного обеспечения, создающая архивы данных в виде библиотеки программ и банков данных;

– отдел выдачи данных, получающий данные от центрального процессора и преобразующий их в форму, удобную для заказчика, например, распечатывает на принтерах.

Большие ЭВМ отличаются высокой стоимостью оборудования и обслуживания. Центральный процессор такой вычислительной системы представляет собой несколько стоек аппаратуры и размещается в отдельном помещении. Для повышения эффективности суперкомпьютер работает одновременно с несколькими задачами и, естественно, с несколькими пользователями. Такое распределение ресурсов вычислительной системы получило название принципа разделения времени.

Мини-ЭВМ. От больших ЭВМ компьютеры этой группы отличаются уменьшенными размерами и, соответственно, меньшей производительностью и стоимостью. Такие компьютеры используются крупными предприятиями, научными учреждениями и вузами, в которых учебная деятельность сочетается с научной работой. Мини-ЭВМ часто применяют для управления производственными процессами, одновременно решая другие задачи. Например, он может использоваться экономистами в осуществлении контроля над себестоимостью продукции, в бухгалтерии для учета первичной документации и подготовки регулярных отчетов для налоговых органов и др. Работа с мини-ЭВМ организуется также с помощью вычислительного центра, хотя и не такого многочисленного как на больших ЭВМ.

Микро-ЭВМ. Компьютеры данного класса доступны многим предприятиям. Для обслуживания такого компьютера не требуется вычислительный центр. Достаточно иметь небольшую вычислительную лабораторию, в состав которой обязательно входят программисты высокой квалификации, которые сочетают в себе качества системных и прикладных программистов. Микро-ЭВМ находят применение и в крупных вычислительных центрах для выполнения вспомогательных операций, например, операций по предварительной подготовке данных.

Персональные компьютеры (ПК). Этот класс компьютеров получил особо бурное развитие в последние 20 лет. Он предназначен для обслуживания одного рабочего места. Несмотря на небольшие размеры и относительно низкую стоимость, современные ПК обладают высокой производительностью. Многие модели ПК превосходят по производительности большие ЭВМ 70-х годов, мини-ЭВМ 80-х годов и микро-ЭВМ первой половины 90-х годов. ПК вполне может удовлетворить потребности малых предприятий и отдельных лиц. Особенно широкую популярность приобрели ПК после 1995 г. в связи с бурным развитием Интернета. На персональных компьютерах наиболее часто применяются игры, редакторы текстов, базы данных, информационные системы, электронные таблицы, системы программирования и т. п. ПК также являются удобным средством автоматизации учебного процесса по любым дисциплинам, средством организации дистанционного (заочного) обучения и средством организации досуга. Их нередко используют для надомной работы, что особенно важно в условиях ограниченной трудозанятости. До 2002 г. в области ПК действовали международные стандарты, которые устанавливали следующие категории персональных компьютеров:

– массовый ПК (Consumer PC);

– деловой ПК (Office PC);

– портативный ПК (Mobile PC);

– рабочая станция (Workstation PC);

– развлекательный ПК (Entertainment).

Развитие аппаратных средств привело к постепенному размытию границ между категориями, поэтому обновление стандартов было прекращено, хотя при приобретении ПК для конкретных задач эту классификацию полезно знать.

Классификация по уровню специализации. Компьютеры по уровню специализации делятся на универсальные и специализированные. Конфигурация (состав компьютерной системы) универсального компьютера может быть произвольной. Так, например, один и тот же ПК можно использовать для работы с текстом, музыкой, графикой, фото- и видеоматериалами. Специализированные компьютеры предназначены для решения конкретного круга задач. К ним относятся, например, бортовые компьютеры автомобилей, судов, самолетов, космических аппаратов. Специализированные мини-ЭВМ, ориентированные на работу с графикой, называются графическими станциями. Их используют при подготовке кино- и видеофильмов, а также рекламной продукции. Специализированные компьютеры, объединяющие компьютеры предприятия в одну сеть, называются файловыми серверами. Компьютеры, обеспечивающие передачу информации по сети Интернет, называют сетевыми серверами.

Классификация по типоразмерам относится к персональным компьютерам. В зависимости от типоразмеров ПКделятся на настольные (desktop), портативные (notebook), карманные (palmtop), мобильные вычислительные устройства (сочетают в себе функции карманного ПК и средств мобильной связи). В настоящее время стали широко использоваться ноутбуки.

Ноутбук (по-английски notebook – блокнот, блокнотный ПК) – портативный персональный компьютер, в корпусе которого объединены типичные компоненты ПК, включая дисплей, клавиатуру с сенсорной панелью, колонки, микрофон, веб-камеру, а также аккумуляторные батареи. Ноутбук благодаря своим небольшим размерам, весу, современным батареям очень удобен в эксплуатации, позволяет брать с собой в дорогу и работать без подзарядки от 1 до 14 часов. Первая в мире общедоступная модель ноутбуков Osborne-1 была создана изобретателем Адамом Осборном и выпущена на рынок в 1981 г. Спрос на первые ноутбуки оказался чрезвычайно высоким, благодаря чему корпорация Osborne Computer стала в свое время самой быстрорастущей компанией. По своему назначению и техническим характеристикам существует следующая классификация ноутбуков: бюджетные ноутбуки, ноутбуки среднего класса, бизнес-ноутбуки, мультимедийные ноутбуки, игровые ноутбуки, мобильная рабочая станция, имиджевые ноутбуки, защищенные ноутбуки, ноутбуки с сенсорным дисплеем.

Классификация по совместимости. От совместимости зависит взаимозаменяемость узлов и приборов, предназначенных для разных компьютеров, возможность переноса программ с одного компьютера на другой и возможность совместной работы разных типов компьютеров с одними и теми же данными. По аппаратной совместимости различают так называемые аппаратные платформы. На сегодня наиболее распространены две аппаратные платформы – IBM PC и Apple Macintosh. Кроме аппаратной совместимости существуют другие виды совместимости: программная совместимость, совместимость на уровне операционной системы, совместимость на уровне данных.

Классификация по типу используемого процессора. Тип используемого процессора в значительной мере характеризует технические свойства компьютера. Даже если компьютеры принадлежат одной аппаратной платформе, они могут различаться по типу используемого процессора.

Классическая модель ЭВМ по Джону фон Нейману

Н

есмотря на успехи, достигнутые в области технологии, существенных изменений в базовой структуре и принципах работы современных компьютеров не произошло. Большинство современных компьютеров основано на общих логических принципах функционирования вычислительных устройств, сформулированных еще в 1946 г. американским математиком Джоном фон Нейманом.Согласно фон Нейману, архитектура универсальной ЭВМ должна строиться в соответствии со следующими принципами.

Принцип двоичного кодирования. Вся информация, поступающая в компьютер, представляется двоичными кодами.

Принцип программного управления. Требуемый порядок вычислений однозначно задается алгоритмом и описывается последовательностью команд, образующих программу. Каждая команда определяет код выполняемой операции и адреса операндов, участвующих в операции. Программу вычислений размещают в запоминающем устройстве ЭВМ, что обеспечивает автоматический режим выполнения команд и, как следствие, увеличение быстродействия ЭВМ.

Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти: число, текст или команда. Разнотипная информация различается по способу использования, но не по способу кодирования. Благодаря этому оказывается возможным использовать одни и те же операции для обработки чисел и команд, то есть команды программы становятся такими же доступными для обработки, как и числа.

Принцип адресности заключается в том, что структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек. Номер ячейки определяет ее адрес, который является машинным идентификатором (именем) значения или команды. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Выборка содержимого ячейки по адресу не разрушает информацию, хранящуюся в ней, так как выбирается копия содержимого.

ЭВМ, построенные в соответствии с принципами фон Неймана, называют компьютерами фон-неймановской архитектуры. Классическая модель ЭВМ по фон Нейману имеет следующую структуру.

Арифметико-логическое устройство

Устройство управления

Устройства ввода-вывода

Запоминающее устройство

В указанной структурной схеме двойными линиями обозначены информационные потоки, одинарными – управляющие сигналы.

Основные устройства такого компьютера: процессор, память (запоминающее устройство), устройства ввода-вывода. Все устройства соединены каналами связи (или шинами), по которым передается информация. Процессор определяет поколение, производительность компьютера: от процессора во многом зависит быстродействие. Процессор включает в себя арифметико-логическое устройство и устройство управления. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) служит для обработки данных, то есть реализует арифметические и логические операции. Устройство управления (УУ) выполняет функции управления всеми устройствами компьютера и организует процесс выполнения программы. К функциям памяти (ЗУ) относятся: прием информации из других устройств, хранение информации, выдача информации по запросу в другие устройства машины. Устройства ввода-вывода предназначены для ввода исходных данных из внешних устройств в память ЭВМ и вывода результатов вычислений.