Раздел 2. Технические средства информационных технологий
Компьютер.
По существу компьютер — это вычислитель. Человеку присуще стремление совершенствовать вычислительные устройства. В результате на сегодняшний день существуют такие вычислительные системы о которых в начале 19-го века даже не могли мечтать.
В современный компьютер заложена возможность усовершенствования его отдельных частей и использования новых устройств. Компьютер не является единым неразъемным устройством, а дает возможность его сборки из независимо изготовленных частей аналогично детскому конструктору. При этом методы сопряжения устройств с компьютером доступны всем желающим. Этот принцип, называемый принципом открытой архитектуры, наряду с другими достоинствами обеспечил, в частности потрясающий успех персональному компьютеру (ПК).
Как же устроен этот "конструктор"? На основной электронной плате компьютера (системной, или материнской плате) размещены только те блоки которые осуществляют обработку информации (вычисления). Схемы управляющие всеми остальными устройствами компьютера — монитором, и т.д., реализованы на отдельных платах которые вставляются в стандартные разъемы на системной плате — слоты. В последнее время появилась тенденция размещать контроллеры (иногда и видео адаптеры) непосредственно на материнской плате. Ко всем этим электронным схемам подводится электропитание из единого блока питания, а для удобства и надежности все это заключается в общий металлический или пластмассовый корпус — системный блок.
Компьютер должен иметь следующие устройства
• арифметическо - логическое устройство (АЛУ) выполняющее арифметические и логические операции;
• устройство управления (УУ), которое организует процесс выполнения программ;
• запоминающее устройство (ЗУ) или память для хранения программ и данных;
• внешние устройства для ввода-вывода информации.
Память компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компьютера.
Каковы должны быть связи между устройствами компьютера показано на рис.3.1 (сплошные линии показывают управляющие связи, пунктирные информационные).
Рис.3.1 Связи между устройствами компьютера
Принципы работы компьютера
Даже самые современные компьютеры имеют схожие принципы работы с самыми ранними вычислителями. Впервые эти принципы изложил в своем докладе знаменитый математик Джон фон Нейман.
В общих чертах работу компьютера можно описать так. Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических или логических операций, чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство.
Как правило, после выполнения одной команды устройство управления начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему следует продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памяти. Такой "скачок", или переход, в программе может выполняться не всегда, а только при выполнении некоторых условий, например, если некоторые числа равны, если в результате предыдущей арифметической операции получился нуль и т.д. Это позволяет использовать одни и те же последовательности команд в программе много раз (т.е. организовывать циклы), выполнять различные последовательности команд в зависимости от выполнения определенных условий, т.е. создавать сложные программы.
Таким образом, управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически, т.е. без вмешательства человека. Оно может обмениваться информацией с оперативной памятью и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства, как правило, работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть ею выведены на внешние устройства компьютера, после чего компьютер переходит к ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств.
Следует заметить, что схема устройства современных компьютеров несколько отличается от приведенной выше. В частности, арифметическо-логическое устройство и устройство управления. Как правило, объединены в единое устройство — центральный процессор (CPU). Кроме того, процесс выполнения программ может прерываться для выполнения неотложных действий, связанных с поступившими сигналами от внешних устройств компьютера — прерываний. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах.
Основные функциональные характеристики ЭВМ.
Качество ЭВМ характеризуется многими показателями. Это и набор инструкций (команд), которые ЭВМ способна понимать и выполнять, и скорость работы (быстродействие), и количество периферийных устройств, которые можно одновременно подключать к ЭВМ, и размеры ЭВМ, и потребление электроэнергии и многое другое. Рассмотрим основные функциональные характеристики ЭВМ, которые в дальнейшем помогут их классифицировать.
Быстродействие, производительность, тактовая частота.
Оценка быстродействия ЭВМ всегда приблизительна, поскольку ориентируется на скорость выполнения некоторых усредненных видов арифметических операций. Единицами измерения быстродействия ЭВМ служат:
• МИПС (MIPS - Mega Instruction Per Second) - миллион операций в секунду над числами с фиксированной запятой;
• МФЛОПС (MFLOPS - Mega Floating Operations Per Second) - миллион операций в секунду над числами с плавающей запятой;
• ГФЛОПС (GFLOPS Giga Floating Operations Per Second) - миллиард операций в секунду над числами с плавающей запятой.
ТФЛОПС) ТераФЛОПС - 1 триллион арифметических операций в секунду.
При решении реальных задач используется различные наборы операций, скорость выполнения которых в ЭВМ отличается в несколько раз. Кроме того, производительность ЭВМ в целом зависит не только от скорости выполнения арифметических операций, но и от скорости передачи информации между ее узлами, а также от целого рада других факторов. Поэтому в качестве характеристики производительности современных ЭВМ, как правило, указывается тактовая частота, используемого микропроцессора. Каждая выполняемая операция требует выполнения определенного количества тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции. Установлено, что тактовая частота процессора 33 МГц обеспечивает быстродействие, эквивалентное 7 MIPS, а частота 100 МГц ~ 20 MIPS