3 Классификация и тенденция развития вычислительной техники

3.1 Принципы действия вычислительных машин

Вычислительная техника может быть классифицирована по целому ряду признаков в частности по принципу действия, по этапам развития, по назначению, по функциональным возможностям, структуре, способам организации вычислительных процессов и т.д.

Четкие границы между классами вычислительной техники не определены. По мере совершенствования структур вычислительных машин, технологий производства, способов её использования, появляются новые классы вычислительной техники, а границы существующих классов изменяются.

По принципу действия и форме представления информации вычислительные машины делятся на три класса:

— цифровые вычислительные машины (ЦВМ);

— аналоговые вычислительные машины (АВМ);

— гибридные вычислительные машины (ГВМ).

Цифровые вычислительные машины работают с информацией, представленной в цифровой форме и кодируемой двоичными кодами чисел. Минимальная единица цифровой информации — один байт, состоящий из восьми бит. Каждый бит имеет одно из двух возможных значений: 0 или 1.

Аналоговые вычислительные машины работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, как правило, значений физических величин (напряжения в вольтах, силы тока в амперах, углы наклона в градусах и т.д.). Аналоговые вычислительные машины просты и удобны в эксплуатации, программирование задач производится просто и

быстро, особенно эффективны при решении дифференциальных уравнений, но точность решения задач невысока, погрешность составляет от 2% до 4%.В настоящее время эти машины выпускаются очень малыми объемами и используются в проведении физического и натурального моделирования больших систем. Это позволяет отнести аналоговые вычислительные машины к классу специализированных ЭВМ.

Гибридные вычислительные машины работают с информацией, представленной как в аналоговой, так и цифровой форме, совмещая в себе достоинства и недостатки АВМ и ЦВМ. Появление ГВМ обусловлено тем, что для решения многих задач, связанных с управлением движущимися объектами, оптимизации и моделирование систем управления, созданием комплексных тренажеров и др., необходимо использовать в комплексе АВМ и ЦВМ.

3.2 Структура компьютеров и компьютерных систем

Под компьютером понимается комплекс технических программных средств, предназначенных для подготовки решения задач пользователей.

Под компьютерной системой понимается комплекс взаимосвязанных и взаимодействующих компьютеров или процессоров, предназначенных для подготовки и решения задач пользователей.

Под структурой компьютера и компьютерной системы понимаются методы и способы соединения блоков, узлов, отдельных компьютеров и процессоров в единую систему, позволяющей обеспечить её работоспособность.

3.2.1 Структуры компьютеров

Существуют две основные структуры компьютера: с непосредственными связями и с общей шиной.

Структура компьютера с непосредственными связями представлена на рисунке 1.

Периферийные

устройства ввода устройства вывода

Рисунок 1 — Структура компьютера с непосредственными связями

В данной структуре между устройствами компьютера (процессор, память, порты ввода–вывода) имеются непосредственные связи. Особенности связей (число линий в шинах, пропускная способность и т.д.) определяются видом информации, характером и интенсивностью обмена. К достоинствам структур с непосредственными связями можно отнести возможность улучшения структур и характеристик отдельных информационных связей. К недостаткам следует отнести сложность

Вторичная память

Порты ввода Основная память Порты

вывода

Центральный процессор

Арифметико–

логическое

устройство

(АЛУ)

Устройство

управления (УУ)

модификации канала пересылки данных между центральным процессором и

памятью и трудность реконфигурации структуры.

Структура компьютера с общей шиной приведена на рисунке 2.

Общая шина

Рисунок 2 — Структура компьютера с общей шиной

В данной структуре все устройства подключены к общей шине, служащей единственным каналом для потоков команд, данных и управления. К достоинствам данной структуры можно отнести возможность легко менять состав и конфигурацию вычислительных машин, путем подключения дополнительных устройств. Благодаря этим достоинствам шинная архитектура получила широкое распространение в мини и микро компьютерах.

К недостаткам можно отнести трудности передачи всех видов информации по одной шине. Этот недостаток можно устранить введением помимо магистральной шины дополнительных шин для устройств с наиболее интенсивным обменом или объединения одношинных устройств с последующим выходом дополнительной шины на магистральную шину.

3.2.2 Структуры компьютерных систем

Понятие компьютерной системы предполагает наличие множества

процессоров или компьютеров, при объединении которых используется два

подхода: компьютерная система с общей памятью или распределенная

компьютерная система.

Структура компьютерной системы с общей памятью приведена на

рисунке 3.

Рисунок 3 — Структура компьютерной системы с общей памятью

В такой структуре имеется общая память, совместно используемая

всеми процессорами системы. Связь процессоров с памятью производится

Центральный

процессор

(АЛУ, УУ)

Основная

память

Вторичная

память

Порты ввода –

вывода

Процессор Процессор Процессор Процессор

Коммуникационная сеть

посредством коммуникационной сети.

К достоинствам данной структуры можно, отнести тот факт, что обмен информацией к общим областям памяти не требует дополнительных операций. К недостаткам можно отнести трудности передачи информации по одной шине.

Структура распределенной компьютерной системы приведена на

рисунке 4.

Рисунок 4 — Структура распределенной компьютерной системы

В распределенной компьютерной системе общая память отсутствует, а каждый процессор имеет свою память. Очень часто такие системы объединяют отдельные вычислительные машины. Обмен информацией между составляющими системы обеспечивается с помощью коммуникационной шины. Достоинством распределенной компьютерной системы можно считать снятие ограничений характерных для общей шины.

Недостатком системы является появление дополнительных временных затрат на пересылку сообщений между процессорами или машинами.