Функциональная схема фон-неймановской вычислительной машины (классической вм)

АЛУ (арифметико-логическое устройство) – блок, выполняющий арифметические и логические операции;

УУ (устройство управления) – блок, выполняющий функции управления всеми устройствами ВМ;

ЗУ (запоминающее устройство) – блок, реализующий функции памяти;

Устройства ввода-вывода – блоки, обеспечивающие ввод-вывод информации.

Указанные функциональные блоки могут иметь различную конструктивную реализацию.

Принципы фон Неймана:

1. Принцип двоичного кодирования: вся информация (и данные, и программа их обработки) кодируется в двоичной форме и представляет собой совокупность многоразрядных двоичных чисел.

2. Принцип программного управления: вычислительная машина управляется программой, состоящей из отдельных команд. Каждая команда определяет один акт преобразования данных.

3. Принцип хранимой программы: данные и программа их обработки хранятся в одной памяти.

4. Принцип адресности данных: в программе указываются не сами данные, а адреса ячеек памяти, где хранятся данные. Доступ к данным осуществляется по их адресам.

5. Принцип автоматизма: после ввода программы и данных вычислительная машина работает автоматически, выполняя предписанные действия без вмешательства человека. Для этого в каждой команде есть указание на адрес следующей команды. Указание может быть: неявным, безусловным или условным.

• Английская ЭВМ EDSAC, простроенная в 1949 году, была первой ЭВМ с хранимой программой. Считается, что именно с этого проекта и начинается 1-е поколение ЭВМ.

10 Классификация вычислительных машин. Ниша пк

По форме представления информации и принципам действия вычислительные машины (ВМ) подразделяют на:

• аналоговые ВМ (АВМ);

• цифровые ВМ (ЦВМ или ЭВМ);

• гибридные ВМ (ГВМ).

АВМ − это ВМ, работающие с информацией, представленной в аналоговой форме; в основу работы положен принцип моделирования решаемой задачи.

Принцип моделирования предполагает, что решаемую задачу можно описать системой алгебраических и дифференциальных уравнений, которые будут аналогичны уравнениям, описывающим изменения параметров электрического тока в цепях АВМ. Т.о., структура АВМ представляет собой модель решаемой задачи.

Основные характеристики АВМ:

• скорость вычислений − очень высокая, в том числе за счет параллельной обработки;

• точность вычислений − сильно зависит от параметров тока электропитания; колебания тока, помехи снижают точность вычислений;

• могут без ограничений работать в режиме реального времени;

• ограниченно применяются при решении логических задач;

• изменение решаемой задачи требует изменения конфигурации АВМ;

• низкий уровень пользовательского интерфейса;

• сфера применения − специализированные ВМ, используемые: в системах автоматического контроля и управления; в управлении непрерывными процессами; в различных бортовых системах и т.д.

ЦВМ (ЭВМ) − это ВМ, работающие с информацией, представленной в дискретной форме (закодированной двоичным цифровыми комбинациями); в основу работы положен принцип счета.

Основные характеристики ЦВМ (ЭВМ):

• высокая скорость и точность вычислений;

• ограниченная возможность работы в режиме реального времени;

• без ограничения используются при решении логических задач;

• изменение решаемой задачи осуществляется в диалоговом режиме;

• высокий уровень пользовательского интерфейса;

• сфера применения − универсальные ВМ.

ГВМ − это ВМ комбинированного действия, сочетающие обе формы представления информации и оба принципа работы.

В ГВМ сочетаются достоинства обеих ветвей вычислительной техники − аналоговой и цифровой. Сфера применения − специализированные ВМ: бортовые системы самолетов, ракет, кораблей; исследования в авиации, космонавтике и космической технике; обработка данных экспериментов в реальных технических и медико-биологических системах; автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП).

По габаритным характеристикам и функциональным возможностям выделяют следующие типы современных ЭВМ:

• суперЭВМ (суперкомпьютеры);

• большие ЭВМ (мэйнфреймы);

• мини ЭВМ;

• микро ЭВМ (микрокомпьютеры).

СуперЭВМ. Это очень сложные и дорогие машины. Применяются для решения таких задач, как моделирование физических процессов, гидрометеорология, космические исследования и других задач, которые требуют огромных вычислений. Выполняются обычно по многопроцессорной архитектуре, имеют большой набор внешних устройств, и, как пра­вило, выпускаются небольшими партиями для конкретной задачи или конкретного заказчика. Обычно важность решаемой задачи такова, что основным параметром суперкомпьютера является его высокая производительность, а такие параметры, как стоимость, размеры или вес, не являются определяющими. Родоначальником производ­ства суперкомпьютеров считает­ся американская компания Cray Research. Серийно суперЭВМ произво­дятся только в Японии и США. В России их делают в единичных экземплярах, и по производитель­ности они сильно отстают от ли­деров.

Мэйнфреймы (большие ЭВМ). В 90-х годах они были очень распространены в СССР и во всем мире. Они используются для решения таких задач, как хранение, поиск и обработка больших массивов данных в военной, финансовой и прочих сферах, выполняют роль узлов глобальной сети. От мэйнфреймов требу­ется исключительная надежность работы. В настоящее время около 70 % деловой информации в мире хранится на мэйнфреймах.

МиниЭВМ находят применение, например, в банковской сфере, в организациях среднего бизнеса, в качестве серверов локаль­ных вычислительных сетей с числом рабочих станций до 300. Современные мини ЭВМ, благодаря достижениям микроэлектроники, по размерам сравнялись с ПК, имея огромное превосходство над последними в производительности и надежности.

Микрокомпьютеры — компактные компьютеры специализированного или универсального назначения, в том числе и для бытовых целей.

Персональный компьютер (персональная ЭВМ, ПЭВМ, ПК, PC) − это универсальная микро ЭВМ индивидуального пользования, предназначенная для решения широкого класса задач.

Сводная таблица основных характеристик различных типов ЭВМ (данные на середину 2005 г.)

Характеристики	Супер-ЭВМ	Мэйнфрейм	МиниЭВМ	Персональный компьютер
Количество одновре­менно работающих пользователей	1—10	от 500 до сотен тысяч	от 10 до 500	1 (или до 10, если ПК выполняет функции терминального сервера)
Быстродействие	Сотни терафлоп (сот­ни триллио­нов операций в секунду)	До триллиона операций в се­кунду	Десятки миллиар­дов операций в се­кунду	Около миллиарда операций в секунду (при тактовой частоте порядка 3 ГГц)
Количество процессо­ров	От сотен до нескольких тысяч	Десятки или сотни	Порядка 10	1 − 2
Объем оперативной памяти	Десятки Тб	Сотни Гб	Десятки Гб	Единицы Гб
Объем внешней памяти	Не имеет значения	Не имеет значе­ния	Не имеет значения	Сотни Гб
Лидер среди произво­дителей	Cray Re­search	IBM	Sun Micro­systems	Compaq, Apple, IBM

Основные требования к ПК:

• достаточная производительность и объем памяти;

• наличие внешних сменных накопителей;

• развитой интерфейс, обеспечивающий удобный ввод-вывод данных и управление ПК;

• эффективное программное обеспечение (ПО);

• отсутствие специальных требований к эксплуатации;

• высокая надежность;

• небольшие габариты и масса, эргономичность конструкции;

• доступная цена.

По конструк­тивным особенностям ПК подразделяют на:

• стационарные (настольные);

• переносные.

Переносные компьютеры, в свою очередь, можно разделить на пор­тативные (laptop), блокноты (notebook) и карманные (Palmtop). Переносные ПК имеют автономное питание, плоский экран, укороченную клавиатуру.

В 1999 году принята международная спецификация PC 99, которая регламентирует следующие категории ПК:

• массовый ПК;

• офисный ПК;

• портативный ПК;

• рабочая станция;

• развлекательный ПК.

Спецификация оговаривает минимальные и рекомендуемые требования к каждой из категорий ПК. Например, в офисном ПК минимальны требования к графике и звуку; для портативных ПК обязательным является наличие средств компьютерной связи; для рабочих станций повышены требования к устройствам хранения данных; для развлекательных ПК повышены требования к графике и звуку.