2. Классификация вычислительных машин.

Вычислительная машина – совокупность аппаратных и программных средств для обработки сложной информации.

Программные средства – операционная система, с которой работает машина, трансляторы позволяющие переводить программы на язык машинных кодов. 

Вычислительные системы бывают однородные и неоднородные. Строятся на базе однотипных компьютеров или процессоров. Таким образом, позволяет использовать стандартные наборы технических и программных средств, а так же стандартные протоколы (процедуры) сопряжения устройств. Их организация проще, облегчается обслуживание и модернизация.

Неоднородная вычислительная система – имеет в своем составе различные типы компьютеров или процессоров, что усложняется создание и обслуживание, так как они имеют различные технические и функциональные характеристики. Вычислительные системы работают в двух режимах:

Различают вычислительные системы со следующим управлением:

1. Централизованным – управление осуществляется определенным процессором или компьютером;

2. Децентрализованным – все компоненты равноправны и могут брать управление на себя.

Вычислительные системы могут быть:

1. территориально сосредоточенными – компоненты располагаются близко друг к другу

2. распределенными – все компоненты находятся на небольшом расстоянии друг от друга и, как правило, называются вычислительной сетью.

3. Структурно одноуровневые – имеют один общий уровень обработки данных.

4. Многоуровневые (иерархические) – в таких системах машины или процессоры распределены по разным уровням обработки информации, т.е. одна машина (процессор) выполняет одну функцию.

Классификация вычислительных машин по принципу действия и форме представления информации:

1. Аналоговые вычислительные машины, используются для обработки непрерывных сигналов. В качестве основных элементов такой машины используется операционный усилитель.

2. Цифровые вычислительные машины, работают с сигналами дискретной величины.

3. Гетерогенные вычислительные машины, часть функций здесь выполняется с аналоговым сигналом, остальная часть с цифровым (АСУТП).

4. АсВМ

По назначению компьютеры делятся:

1. Универсальные – используются для решения большого круга задач, вычисления производятся по программе извлекаемой из оперативной памяти, имеют высокую производительность, разнообразные формы обрабатываемых данных (цифровые, символьные), имеют большую номенклатуру выполняемых операций (арифметические и логические и специальные функции), большая емкость памяти и развитая система ввода/вывода информации.

2. Специализированные – для решения узкого круга задач, для реализации строго определенной группы функций, что позволяет сильно специализировать их структуру и снизить стоимость, сложность, иметь сложность и надежность. Это в основном контроллеры (адаптеры), имеющие свой микропроцессор специального назначения – позволяет управлять агрегатами, процессами, создавать устройства сопряжения с другими узлами вычислительных систем.

3. Проблемноориентированая – предназначена для решения более узкого круга задач (регистрация информации, выполнение расчетов по несложным алгоритмам, управление технологическими объектами.) Поэтому имеют мало памяти, слабые аппаратные и программные ресурсы по сравнению с универсальными.

По размерам компьютеры делятся на:

1. Микро – малый объем памяти, среднее быстродействие, настольный вариант

2. Малые ЭВМ – рассчитаны на несколько пользователей, позволяют организовать сеть и имеют устройства ввода-вывода

3. Супер ЭВМ – имеют сверх высокое быстродействие. Как правило используются для решения специальных задач в реальном масштабе времени.

4. Большие ЭВМ – майнфреймы, выполняется пакетная обработка информации, работа выполняется с большими базами данных, используется для управления сетью.

Классификация ЭВМ по этапам создания.

• 1-е поколение, 50-е гг.: ЭВМ на электронных вакуумных лампах;

• 2-е поколение, 60-е гг.: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах;

• 3-е поколение, 70-е гг.: ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни - тысячи транзисторов в одном корпусе);

• 4-е поколение, 80-е гг.: ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах;

• 5-е поколение, 90-е гг.: ЭВМ с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров. ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой;

• 6-е и последующие поколения: оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой - с распределенной сетью большого числа несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

3. Принцип работы ЦВМ. Верхний и нижний уровни управления работой ЦВМ.

В цифровых вычислительных машинах (ЦВМ), используют алфавитную (цифровую, дискретную) форму представления информации. То есть, в этом случае используется фиксированное множество знаков (алфавит), с помощью которого и записывается любая информация. В предельном случае, на аппаратном уровне, этот алфавит состоит всего из двух знаков: нуля и единицы.

В цифровых вычислительных машинах используется программная организация вычислительного процесса. В этом варианте решение задачи на цифровой ЭВМ сводится к выполнению последовательности шагов – команд программы, в каждом из которых выполняется либо некоторое преобразование данных, либо действие, связанное с проверкой условия, либо служебное действие, связанное с управлением самой ЭВМ.

Рис. Структурная схема вычислительной машины

Устройство управления используется для организации вычисления каждой команды  выступающей в процессах из АЛУ.

Арифметико-логическое устройство (операционный блок) – предназначен для обработки данных поступающих из ОЗУ или находящихся внутри процессора

Сверх оперативное запоминающее устройство – используется для хранения данных и команд, а так же обмена ими с другими блоками вычислительной машины.

Интерфейс  - устройство осуществляющее сопряжение между блоками машины по уровню сигналов и кодированию информации (информационно электрическое сопряжение). Интерфейсов может быть много

Оперативно запоминающее устройство – используется для хранения данных и программ участвующих в процессе вычисления.

ВЗУ – внешнее запоминающее устройство – здесь хранится операционная система, справочники, программы и файлы.

Пульт управления – используется для запуска программ, организации контроля и т.п.

Периферийное устройство – устройство связи с внешними потребителями, для преобразования информации и организации управления объектом.

Канал – устройство связи и сопряжения. Может работать как в мультиплексном так и в селекторном режимах.

Селекторный канал – связь между процессором и одним внешним устройством.

Мультиплексорный канал – обмен процессора со многими устройствами одновременно.

ВМ работает на двух уровнях управления:

1. Верхний уровень управления (командный) – здесь из ОЗУ в процессор поступают команды последовательно. Иногда в этом процессе осуществляется опережающая выборка – вместо одной команды сразу извлекается несколько близлежащих команд, что позволяет уменьшить время извлечения команд из памяти. Из ОЗУ команды поступают в регистр команд – специальное устройство которое хранит команду во время ее выполнения.

Команды делятся на 2 вида: а) операционные команды – предназначены для обработки данных в процессоре; б) управляющие команды – для смены порядка следования команд путем анализа логических условий.

Для определения вида команды отводятся специальные разряды.

                                           Другая часть разрядов отводится под адреса.

Количество адресных полей определяется возможностями машины  по одновременной обработке нескольких операнд

В основном машина работает с одним или двумя операндами и реже тремя.

2. Микропрограммный уровень – реализуется внутри процессора и предназначен для обработки каждой команды. Для этого для каждой команды создается микро программа ее обработки с целью формирования последовательности управляющих сигналов во все блоки машины для коммутации нужных цепей. Например, имеем трехадресную команду. С поля кода операции с помощью дешифраторов запускается микропрограмма имеющееся в устройстве управления. Для этого в устройстве управления имеется специальная память неизменяющаяся в процессе эксплуатации машины. (постоянная память). Извлекается команда, причем количество микропрограмм равно числу команд с которыми работает вычислительная машина, которая переводит работу машины на один такт, т.е. в каждом такте выполняется часть действий. Для трехадресной команды в первом такте извлекается операнда х, находящаяся по адресу А1, во втором такте извлекается операнда у, находящаяся по адресу А2, в третьем такте выполняется операция сложения х с у. В четвертом такте результат переводится по адресу А3. В пятом такте определяется адрес следующей команды или выполняется операция (команда) ОСТАНОВ.

Для организации вычислений в ОЗУ заносится последовательность команд и данных с которыми работает программа. Они размещаются в свободных областях ОЗУ с помощью операционной системы. Раньше это делал программист. Каждая последовательность команд имеет начальный и конечный адреса. Адреса данных четко синхронизируются с адресами команд. Для получения последовательности команд используется специальная технология включающая в себя: разработку алгоритмов для решения задачи;  На их основе строится программа с помощью языка программирования; для получения последовательности команд для процессора эту программу транслируют, т.е. получают последовательность команд в машинных кодах.

алгоритм

программа

транслятор

последовательность команд  в машинных кодах