Состояние и тенденции развития вычислительной техники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные тенденции развития ЭВМ: состав и соотношение технических и программных средств, быстродействие, память, интеллектуальность

Существуют три глобальных области применения ЭВМ:

1. Автоматизация вычислений.

2. Применение ЭВМ в автоматизированных системах управления.

Новое направление потребовало изменение классической структуры фон Неймана. Нужно было дополнительно автоматизировать сбор информации и распределение результатов. ЭВМ стали подключать к каналам связи запараллеливались процессы передачи и обработки информации. Появилась многопрограммность, средства изменения времени, системы прерываний и приоритетов.

3. Применение ЭВМ в личных целях для упрощения и сокращения рабочего времени.

Решение задач искусственного интеллекта. С процессом развития человечества выдвигаются постепенно новые и новые вычислительные задачи (которые включают не только расчетные задачи), соответственно возрастает требование к ЭВМ Улучшения ее характеристик таких как память, быстродействие, интеллектуальность. Последнее особенно востребовано в больших автоматизированных системах управления. В настоящее время интеллектуальность реализуется путем использования совершенных программных средств. Постоянно возрастает повышенное требование к увеличению объема хранения информации. Современные программные средства требуют большого места как в оперативной памяти так и большого места на постоянных носителях информации. Тенденции развития ЭВМ возрастают с каждым годом.

Прогресс развития ЭВМ, особенно в последние 10 лет, идет очень быстрыми этапами. За последние два года типы процессоров сменяются каждый полгода, увеличивается их производительность. Соответственно меняются объемы носителей информацию Буквально 1,5 года назад 3 гигабайта на жестких дисках считалась довольно внушительной цифрой, но сейчас эта цифра очень мала, т. к на смену приходят носители с размером от 15 до 25 гигабайт. Цены на различные компоненты да и на сами ЭВМ в сборе соответственно падают с разработкой более новых конфигураций. С такой скоростью прогресса производители программного обеспечения просто не поспевают и порой, программное обеспечение отстает от прогресса технических средств.

Крупная корпорация Интел в последнее время стала задумываться, а не снизить ли темпы разработок новых поколений процессоров, до того как производители ПО догонят в полной мере технические средства. Классификация средств ЭВТ (понятие машинного парка, соотношение типов ЭВМ). Для различных типов задач нужна соответственно и различная вычислительная техника. Поэтому рынок компьютеров постоянно имеет широкую градацию классов и моделей ЭВМ. Фирмы-производители средств ВТ очень внимательно отслеживают состояние рынка ЭВМ. Они не просто констатируют отдельные факты и тенденции, а стремятся активно воздействовать на них и опережать потребности потребителей. Так, например, фирма IBM, выпускающая примерно 80% мирового машинного “парка”, в настоящее время выпускает в основном четыре класса компьютеров, перекрывая ими широкий класс задач пользователей.

- СуперЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач, для обслуживания крупнейших информационных банков данных (150-200 штук).- Большие ЭВМ для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров. (2500)

- Средние ЭВМ широкого назначения для управления - сложными технологическими производственными процессами. ЭВМ этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой информации в качестве сетевых серверов. (25000)

Персональные и профессиональные ЭВМ, позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня. (миллионы)

Также в последнее время появилось понятие как сетевой компьютер. Он может иметь небольшое быстродействие. Но принцип вычислений строится на передачи данных посети вычислительному компьютеру и получение уже готовых результатов. Понятие машинного парка можно определить как совокупность различных типов ЭВМ внутри отдельного взятого комплекса (например, страны). Обобщенная структура ЭВМ. Состав и назначение устройств. Принцип работы.

Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. В основе его лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений. В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВв), с помощью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним. При вычислении программа выполняет последовательность операций:

Устройство управления расшифровывает очередную команду и настраивает АЛУ на выполнение операции. Одновременно определяются адреса операндов, которые вызываются в АЛУ для обработки.

Таким образом, команда за командой обрабатываются программы. Результат обработки через ОЗУ отсылается в УВыв (с целью фиксации и представлению пользователю)

Выполнение каждой команды осуществляется в несколько этапов:

Формирование адреса

Выборка из памяти команды

Расшифровка и выборка операндов

Выполнение операций

Отсылка результатов

За каждый этап отвечает определенный блок. Все современные машины имеют совмещение операций, при котором все блоки работают параллельно, одновременно.

При использования файла в вычислительном процессе его содержимое переноситься в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления (УУ). Устройство управления предназначается для автоматического выполнения программ путем принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ. АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными. Оно каждый раз перенастраивается на выполнение очередной операции. Результаты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются в память. Потом результаты вычислений подаются на устройства вывода информации(дисплей, принтер и т.д.). В последующем сильно связанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор, т.е. устройство для обработки данных. Совмещение операций позволяет значительно повесить быстродействие.

Такой конвейер характерен для линейных участков программы. Команды ветвления (условного и безусловного переходов) прерывают конвейер, снижается быстродействие.

В машинах Pentium для ликвидации разрывов используются блоки предсказания ветвлений и запуска двух конвейеров с последующем отсечением одного из них.

В реальных вычислениях линейные участки программ занимают 10-30 команд.

Эволюция структур вычислительных машин. Кризис классической структуры ЭВМ.

Уже в первых ЭВМ для увеличения их производительности широко применялось совмещение операций. При этом последовательные фазы выполнения отдельных команд программы (формирование адресов операндов, выборка операндов, выполнение операции, отсылка результата) выполнялись отдельными функциональными блоками. В своей работе они образовывали своеобразный конвейер, а их параллельная работа позволяла обрабатывать различные фазы целого блока команд. Этот принцип получил дальнейшее развитие в ЭВМ следующих поколений. Но все же первые ЭВМ имели очень сильную централизацию управления, единые стандарты форматов команд и данных, “жесткое” построение циклов выполнения отдельных операций, что во многом объясняется ограниченными возможностями используемой в них элементной базы. Центральное УУ обслуживало не только вычислительные операции, но и операции ввода-вывода, пересылок данных между ЗУ и др. Все это позволяло в какой-то степени упростить аппаратуру ЭВМ, но сильно сдерживало рост их производительности.

В ЭВМ третьего поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и ее обработки.

Сильно связанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор, т.е. устройство, предназначенное для обработки данных. В схеме ЭВМ появились также дополнительные устройства, которые имели названия: процессоры ввода-вывода, устройства управления обменом информацией, каналы ввода-вывода (КВВ). Последнее название получило наибольшее распространение применительно к большим ЭВМ. Здесь наметилась тенденция к децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств, что позволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом.

Среди каналов ввода-вывода выделяли мультиплексные каналы, способные обслуживать большое количество медленно работающих устройств ввода-вывода (УВВ), и селекторные каналы, обслуживающие в многоканальных режимах скоростные внешние запоминающие устройства (ВЗУ). В персональных ЭВМ, относящихся к ЭВМ четвертого поколения, произошло дальнейшее изменение структуры (см рис.). Они унаследовали ее от мини-ЭВМ.

Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания.

Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее еще более децентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ. Ядро ПЭВМ образуют процессор и основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения наиболее часто используемых программ управления. Подключение всех внешних устройств (ВнУ), дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ и других обеспечивается через соответствующие адаптеры - согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств или контроллеры - специальные устройства управления периферийной аппаратурой.

Контроллеры в ПЭВМ играют роль каналов ввода-вывода. В качестве особых устройств следует выделить таймер - устройство измерения времени и контроллер прямого доступа к памяти (КПД) - устройство, обеспечивающее доступ к ОП, минуя процессор.

Способ формирования структуры ПЭВМ является достаточно логичным и естественным стандартом для данного класса ЭВМ.

Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие элементы, которые являются общим стандартом структур современных ЭВМ: модульность построения, магистральность, иерархия управления.

Как видно из полувековой истории развития ЭВТ дала не очень широкий спектр основных структур ЭВМ. Все приведенные структуры не выходят за пределы классической структуры фон Неймана. Их объединяют след. традиционные признаки:

* ядро ЭВМ образует процессор - единственный вычислитель в структуре, дополненный каналами обмена информацией и памятью.

* линейная организация ячеек всех видов памяти фиксированного размера;

* одноуровневая адресация ячеек памяти, стирающая различия между всеми типами информации;

* внутренний машинный язык низкого уровня, при котором команды содержат элементарные операции преобразования простых операндов;

* последовательное централизованное управление вычислениями;

* достаточно примитивные возможности устройств ввода-вывода.

Несмотря на все достигнутые успехи, классическая структура ЭВМ не обеспечивает возможностей дальнейшего увеличения производительности. Наметился кризис, обусловленный рядом существенных недостатков:

* плохо развитые средства обработки нечисловых данных (структуры, символы, предложения, графические образы, звук, очень большие массивы данных и др.);

* несоответствие машинных операций операторам языков высокого уровня;

* примитивная организация памяти ЭВМ;* низкая эффективность ЭВМ при решении задач, допускающих параллельную обработку и т.п.

Все эти недостатки приводят к чрезмерному усложнению комплекса программных средств, используемого для подготовки и решения задач пользователей.

Принцип программного управления ЭВМ

Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. В основе его лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

Принцип программного управления может быть осуществлен различными способами. Стандартом для построения практически всех ЭВМ стал способ, описанный Дж. фон Нейманом в 1945 г. при построении еще первых образцов ЭВМ. Суть его заключается в следующем.

Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов-команд. Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, место нахождения (адреса) операндов и ряд служебных признаков. Операнды - переменные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных. Список (массив) всех переменных (входных данных, промежуточных значений и результатов вычислений) является еще одним неотъемлемым элементом любой программы.

Для доступа к программам, командам и операндам используются их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ, предназначенных для хранения объектов. Информация (командная и данные: числовая, текстовая, графическая и т.п.) кодируется двоичными цифрами 0 и 1. Поэтому различные типы информации, размещенные в памяти ЭВМ, практически неразличимы, идентификация их возможна лишь при выполнении программы, согласно ее логике, по контексту.

Каждый тип информации имеет форматы - структурные единицы информации, закодированные двоичными цифрами 0 и 1. Обычно все форматы данных, используемые в ЭВМ, кратны байту, т.е. состоят из целого числа байтов.

Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. Например, в каждой команде программы различают поле кода операций, поле адресов операндов. Применительно к числовой информации выделяют знаковые разряды, поле значащих разрядов чисел, старшие и младшие разряды.

Последовательность, состоящая из определенного принятого для данной ЭВМ числа байтов, называется словом. Для больших ЭВМ размер слова составляет четыре байта, для ПЭВМ - два байта. В качестве структурных элементов информации различают также полуслово, двойное слово и др.

В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВв), с помощью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним. Введенная информация полностью или частично сначала запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации, где преобразуется в специальный программный объект - файл.

При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления (УУ).

Устройство управления предназначается для автоматического выполнения программ путем принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ. Вызываемые из ОЗУ команды дешифрируются устройством управления:- определяются код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

В зависимости от количества используемых в команде операндов различаются одно-, двух-, трехадресные и безадресные команды. В одноадресных командах указывается, где находится один из двух обрабатываемых операндов. Второй операнд должен быть помещен заранее в арифметическое устройство (для этого в систему команд вводятся специальные команды пересылки данных между устройствами).

Двухадресные команды содержат указания о двух операндах, размещаемых в памяти (или в регистрах и памяти). После выполнения команды в один из этих адресов засылается результат, а находившийся там операнд теряется.

В трехадресных командах обычно два адреса указывают, где находятся исходные операнды, а третий - куда необходимо поместить результат.

В безадресных командах обычно обрабатывается один операнд, который до и после операции находится на одном из регистров арифметико-логического устройства (АЛУ). Кроме того, безадресные команды используются для выполнения служебных операций (очистить экран, заблокировать клавиатуру, снять Блокировку и др.).

Все команды программы выполняются последовательно, команда за командой, в том порядке, как они записаны в памяти ЭВМ (естественный порядок следования команд). Этот порядок характерен для линейных программ, т.е. программ, не содержащих разветвлений. Для организации ветвлений используются команды, нарушающие естественный порядок следования команд. Отдельные признаки, результатов r (r = 0, r < 0. r > 0 и др.), устройство управления использует для изменения порядка выполнения команд программы. Принципы построения и развития элементной базы современных ЭВМ.

Все современные вычислительные машины строятся на комплексах (системах) интегральных микросхем (ИС) (основу которых составляют большие и сверхбольшие интегральные схемы).

Интегральные схемы имеют единый технологический принцип построения он заключается в циклическом и послойном изготовлении частей электронных схем по циклу программа - рисунок - схема: берется кремневая подложка покрывается фоторезистором, по программам наносится рисунок (литография) будущего слоя микросхемы. Затем рисунок протравливается, фиксируется, закрепляется и изолируется от новых слоев и т.д. На основе этого создается пространственная твердотельная структура. Например, СБИС типа Pentium включает около трех с половиной миллионов транзисторов, размещаемых в пятислойной структуре.

Степень микроминиатюризации, размер кристалла ИС, производительность и стоимость технологии напрямую определяются типом литографии. До настоящего времени доминирующей оставалась оптическая литография, т.е. послойные рисунки на фоторезисторе микросхем наносились световым лучом. В настоящее время ведущие компании, производящие микросхемы, реализуют кристаллы с размерами примерно 400 мм2 - для процессоров (например, Pentium) и 200 мм2 - для схем памяти. Минимальный топологический размер (толщина линий) при этом составляет 0,5-0,35 мкм. Для сравнения можно привести такой пример. Толщина человеческого волоса составляет примерно 100 мкм. Значит, при таком разрешении на толщине волоса могут вычерчивать более двухсот линий. Дальнейшие достижения в микроэлектронике связываются с электронной (лазерной), ионной и рентгеновской литографией. Это позволяет выйти на размеры 0.25, 0.18 и даже 0.08мкм.

При таких высоких технологиях возникает целый ряд проблем. Микроскопическая толщина линий, сравнимая с диаметром молекул, требует высокой чистоты используемых и напыляемых материалов, применения вакуумных установок и снижения рабочих температур. Действительно, достаточно попадания мельчайшей пылинки при изготовлении микросхемы, как она попадает в брак. Поэтому новые заводы по производству микросхем имеют уникальное оборудование, размещаемое в чистых помещениях класса 1, микросхемы в которых транспортируются от оборудования к оборудованию в замкнутых сверхчистых мини-атмосферах класса 1000. Мини-атмосфера создается, например, сверхчистым азотом или другим инертным газом при давлении 10-4 Торр [З].

Уменьшение линейных размеров микросхем и повышение уровня их интеграции заставляют проектировщиков искать средства борьбы с потребляемой Wn и рассеиваемой Wp мощностью. При сокращении линейных размеров микросхем в 2 раза их объемы изменяются в 8 раз.

Пропорционально этим цифрам должны меняться и значения Wn и Wp, в противном случае схемы будут перегреваться и выходить из строя. В настоящее время основой построения всех микросхем была и остается КМОП-технология (комплиментарные схемы, т.е. совместно использующие n- и р-переходы в транзисторах со структурой металл - окисел -полупроводник).

Известно, что W=U*I. Напряжение питания современных микросхем составляет 5 - 3V. Появились схемы с напряжением питания 2,8V, что выходит за рамки принятых стандартов. Дальнейшее понижение напряжения нежелательно, так как всегда в электронных схемах должно быть обеспечено необходимое соотношение сигнал-шум, гарантирующее устойчивую работу ЭВМ.

Протекание тока по микроскопическим проводникам сопряжено с выделением большого количества тепла. Поэтому, создавая сверхбольшие интегральные схемы, проектировщики вынуждены снижать тактовую частоту работы микросхем. На рис.3.18 показано, что использование максимальных частот работы возможно только в микросхемах малой и средней интеграции. Максимальная частота доступна очень немногим материалам: кремнию Si, арсениду галлия GaAs и некоторым другим.

Таким образом, переход к конструированию ЭВМ на СБИС и ультра-СБИС должен сопровождаться снижением тактовой частоты работы схемы. Дальнейший прогресс в повышении производительности может быть обеспечен либо за счет архитектурных решений, либо за счет новых принципов построения и работы микросхем. Альтернативных путей развития просматривается не очень много. Так как микросхемы СБИС не могут работать с высокой тактовой частотой, то в ЭВМ будущих поколений их целесообразно комплексировать в системы. При этом несколько СБИС должны работать параллельно, а слияние работ в системе должно обеспечивать сверхскоростные ИС (ССИС), которые не могут иметь высокой степени интеграции.

Большие исследования проводятся также в области использования явления сверхпроводимости и туннельного эффекта - эффекта Джозефсона. Работа микросхем при температурах, близких к абсолютному нулю (-273°С), позволяет достигнуть максимальной частоты этом Wp=Wn=0. Очень интересны результаты по использованию “теплой сверхпроводимости”. Оказывается, что для некоторых материалов, в частности для солей бария, кремний явление сверхпроводимости наступает уже при температурах около -150°С. Высказывались соображения, что могут быть получены материалы, имеющие сверхпроводимость при температурах, близких к комнатной. С уверенностью можно сказать, что появление таких элементов знаменовало бы революцию в развитии средств вычислительной техники новых поколений.

В качестве еще одного из альтернативных путей развития элементной базы ЭВМ будущих поколений следует рассматривать и бимолекулярную технологию. В настоящее время имеются опыты по синтезу молекул на основе их стереохимического генетического кода, способных менять ориентацию и реагировать на ток, на свет и т.п. Однако построение из них биологических микромашин еще находится на стадии экспериментов. Таким образом, можно сделать вывод, что в настоящее время возможности микроэлектроники еще не исчерпаны, но давление пределов уже ощутимо. Основой для ЭВМ будущих поколений будут БИС и СБИС совместно с ССИС (Сверхскоростные ИС). При этом структуры ЭВМ и ВС будут широко использовать параллельную работу микропроцессоров память ЭВМ. Иерархическое построение памяти ЭВМ.

Память любой ЭВМ состоит из нескольких видов памяти (оперативная, постоянная и внешняя - различные накопители). Память является одним из важнейших ресурсов. Поэтому операционная система управляет процессами выделения объемов памяти для размещения информации пользователей. В любых ЭВМ память строится по иерархическому принципу. Это обуславливается следующим:

Оперативная память предназначена для хранения переменной информации, так как она допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения микропроцессором соответствующих операций. Поскольку в любой момент времени доступ может осуществляться к произвольно выбранной ячейке, то этот вид памяти называют также памятью с произвольной выборкой - RAM (Random Access Memory).

Все программы, в том числе и игровые, выполняются именно в оперативной памяти. Постоянная память обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в течение длительного времени. Постоянная память имеет собственное название - ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что ею обеспечиваются только режимы считывания и хранения.

С точки зрения пользователей желательно было бы иметь в ЭВМ единую сверх большую память большой производительности, однако емкость памяти и время обращения связаны между собой (чем больше объем тем больше время обращения к ней).

Тип памяти

Емкость памяти.

t обращения.

Сверх оперативная10-1620-30(40) н.с.

КЭШ память (память блокнотного типа)

1-го уровня

2-го уровня

3-го уровня

8 кб.

128-256кб.

1-2 Мбайт.

100-200 н. сек

200 н. сек

300-400 н. сек

Оперативная память 4-256 (и более) 0,2-2 мк сек.

НМД (накопитель на магнитных дисках 1-20 Гбайт Десятки мк сек (сотни) НМЛ (накопитель на магнитных лентах)

Единицы Гбайт Минуты (десятки)

Архивы//Десятки минут

Для упрощения все пересылки информации осуществляется не по вертикали, а через оперативную память. Кое-какие процедуры планирования теперь осуществляются компиляторами языков высокого уровня. Системы адресации в современных ЭВМ.

Существует несколько типов адресации:

прямая

непосредственная

косвенная

относительная

Прямая адресация:

A исполнительный = A части команд.

Сл. 0100, 0200,а0250

Достаточно проста, но имеет существенные недостатки.

Для выполнения каждой команды необходимы дополнительные обращения по адресу каждого операнда.

Длина каждой команды, а, следовательно длина всей программы и емкость памяти под хранение программы зависит от емкости оперативной памяти.

Прямая адресация очень неэффективна при больших размерах памяти.

Поэтому в настоящее время прямая адресация используется только в памяти небольшого размера (сверхоперативной, КЭШ I уровня).

Непосредственная адресация:

Частный вид адресации в современных ЭВМ. ИЗ всех команд ЭВМ только небольшая часть команд допускает непосредственную адресацию

Непосредственная адресация предполагает запись в адресных частях команды значений аргументов. Учитывая ограниченную длину адресной части команды можно записывать только малоразрядные значения операндов. Т.е. определенные const вычислительного процесса: число сдвига разрядов.

Основной недостаток - малая разрядность используемых операндов.

Преимущество - для выполнения каждой команды необходимо только одно обращение к оперативной памяти для выборки самой команды

Относительная адресация: Самый употребляемый метод. В ПЭВМ эта адресация называется сегментно-страничной

В относительной адресации есть две (три) части адреса: постоянная часть адреса находится на одном или нескольких регистрах сверхоперативной памяти.

За счет усложнения алгоритмов формирования адресов обеспечивается преимущества:

Сокращение длины команд, длины программы, всей емкости памяти

1) вместо полного адреса операнда в команде содержится лишь малоразрядное смещение адресов

2) Относительная адресация дает переместимость программы

Не требуется загрузочный модуль программы настраивать по месту размещения самой программы

Настройка программы обеспечивается загрузкой базового адреса. Это свойство можно распространить на сложные программные структуры. Относительная адресация позволяет сделать команды с переменными весами.

Косвенная адресация:

Является дальнейшим развитием относительной адресации.

Адресная часть команды может содержать любой из предыдущих типов адресов. Прочитав содержимое внутреннего адреса, мы формируем исполнительный адрес операнда.

Положительные стороны: позволяет формировать адрес сколь угодно большой оперативной памяти, используя исполнительный адрес как операнд можно складывать и вычитать адреса.

Недостатки: дополнительное обращение к оперативной памяти за окончательным адресом операнда. Особенности построения памяти ЭВМ.

Память ЭВМ строиться достаточно своеобразно, благодаря эволюционному развитию этих вычислительных машин. Первоначально эти машины имели очень малую память 64кб, 840кб,1мб и т.д.

Считается что основной памятью с адреса 00000 да 10000 это 640 кб.

Первые 640 Кбайт адресуемого пространства в IBM РС-совместимых компьютерах называют обычно стандартной памятью (conventional memory).

Оставшиеся 384 Кбайта зарезервированы для системного использования и носят название памяти в верхних адресах (UMB, Upper Memory Blocks, High DOS Memory или UM Area - UMA).

Эта область памяти резервируется под размещение системной ROM BIOS (Read Only Memory Basic Input Output System), под видеопамять и ROM-память дополнительных адаптеров.

Вектора прерывания

электронный вычислительный технический программный

Базовые модули ДОС

Базовый модуль системы ввода-вывода

Командный процессор

Решение задач ДОС

Постоянно запоминающее устройство БИОС.

Постоянно распределяемая память (дырявая) с адресами (А0000 - F0000).

Нумерация адресов - единая, сквозная. До 386 микропроцессора считалось, что Еоп под ДОС 64кб.

Все что выше 1 Мб - расширенная память, на адресацию машины не были рассчитаны.

Расширенная память (extended) располагается выше области адресов 1 Мбайт. Для работы с расширенной памятью микропроцессор должен переходить из реального в защищенный режим и обратно. Режимы работы ЭВМ и ВС. Однопрограммные режимы работы.

Каждое задание состоит из 3 фаз: ввод, решение, вывод.

Режим непосредственного доступа: предполагает монопольное владение пользователя всеми ресурсами системы. Отличается очень низким КПД. Загрузка процессора 1-3%. Однако он является основным для ПЭВМ, поскольку критерием работы ЭВМ является максимальные удобства пользователя, а не загрузка оборудования.

Режим работы - это особенности планирования и распределения основных ресурсов системы.

Режим работы с косвенным доступом:

Высокая эффективность непосредственного доступа заставила искать пути более полной загрузки дорогих ресурсов ЭВМ.

КПД

Полностью ликвидировать простой процессора не удается. Наиболее серьезный недостаток обнаруживается при монополизации ресурсов "очень длинными" заданиями в ущерб коротким.

Этот режим имеет название пакетной обработки Режимы работы ЭВМ и ВС. Пакетная обработка. Принцип многопрограммного управления.

Получили распространение в дорогих больших машинах. Последнее время стали использоваться и в ПЭВМ. Основой всех многопрограммных режимов является классическая пакетная обработка. Выбор режима работы должен сопровождаться анализом цели и задач, решаемых вычислительным центром. Только та к можно обеспечить максимальную эффективность вычислить системы.

При равенстве общего объема работ имеем резкое различие в характеристиках режимов.

Классическая пакетная обработка является дальнейшим развитием режима с косвенным доступом. Предполагает более полную загрузку дорогого ресурса, т.к. ликвидируются простои во время выполнения отдельных задач, т.к. процессор сразу переключается на обработку следующей задачи в очереди. При этом решении формируются пакеты задач, упорядоченные в соответствии с их приоритетностью.

Процессор начинает обработку с самого приоритетного здания. Если обработка не может быть продолжена, то ресурсы системы переключаются на следующее по приоритетности задание. Но как только условие, препятствующие продолжению прерванной задачи отпадет, система вновь возвращает управление наиболее приоритетной задаче. Прерывания могут накладываться друг на друга. Максимальное кол-во положенных прерываний называется глубиной прерываний и не превышает

Реализация классического мультипрограммирования

Требует соблюдения условий:

Независимость подготовки (каждый пользователь не должен предполагать работы других пользователей. Это требование удовлетворяется развитыми средствами языков программирования. Разделение ресурсов в пространстве и времени. Это условие обеспечивает аппаратными средствами операционных систем.

Автоматическое управление вычислениями

Классическая пакетная обработка не учитывает интересов пользователя в качестве сокращения времени ожидания и получения результатов. Обычно в системе формируется несколько приоритетных очередей (до 16), в каждой из которых задания сортируются в соответствии с приоритетом. За назначение приоритета отвечает администрация вычислительного центра, поскольку она отвечает за цели вычисления.

Режимы работы ЭВМ и ВС

Многопрограммные режимы работы: режим разделения времени, режим реального времени. Режим разделения времени: является более развитой формой многопрограммной работы ЭВМ. В этом режиме, обычно совмещенном с фоновым режимом классического мультипрограммирования, отдельные наиболее приоритетные программы пользователей выделяются в одну или несколько групп. Для каждой такой группы устанавливается круговое циклическое обслуживание, при котором каждая программа группы периодически получает для обслуживания достаточно короткий интервал времени - время кванта. После завершения очередного цикла процесс выделения квантов повторяется. Это создает у пользователей впечатление кажущейся одновременности выполнения их программ. Если пользователю к тому же предоставляются средства прямого доступа для вывода результатов решения, то это впечатление еще более усиливается, так как результаты выдаются в ходе вычислений по программе, не ожидая завершения обслуживания всех программ группы или пакета в целом.

Условием прерывания текущей программы является либо истечение выделенного кванта времени, либо естественное завершение (окончание) решения, либо прерывание по вводу-выводу, как при классическом мультипрограммировании. Для реализации режима разделения времени необходимо, чтобы ЭВМ имела в своем составе развитую систему измерения времени: интервальный таймер, таймер процессора, электронные часы и т.д. Это позволяет формировать группы программ с постоянным или переменным кванта времени - rкв. Разделение времени находит широкое применение при обслуживании ЭВМ сети абонентских пунктов.

Режим реального времени:

Является более сложной формой разделения. Этот режим имеет специфические особенности:

* поток заявок от абонентов носит, как правило, случайный, непредсказуемый характер;

* потери поступающих на вход ЭВМ заявок и данных к ним не допускаются, поскольку их не всегда можно восстановить;

* время реакции ЭВМ на внешние воздействия, а также время выдачи результатов i-и задачи должны удовлетворять жестким ограничениям вида.

Специфические особенности режима реального времени требуют наиболее сложных операционных систем. Именно на базе этого режима строятся так называемые диалоговые системы, обеспечивающие многопользовательский режим: одновременную работу нескольких пользователей с ЭВМ. Диалоговые системы могут иметь различное содержание: системы, обслуживающие наборы данных; системы разработки документов, программ, схем, чертежей; системы выполнения программ в комплексе "человек-машина" и др. Диалоговый режим обслуживания предполагает использование дисплеев - устройств оперативного взаимодействия с ЭВМ. Они получили широкое распространение в различных информационных и автоматизированных системах управления.

Программное обеспечение ЭВМ. Структура программного обеспечения, состав и назначение компонент

В настоящее время отсутствует единая классификация состава программного обеспечения. Литературные источники по-разному трактуют структуры программных средств ЭВМ различных классов. Наиболее сложное ПО по структуре и составу имеют большие универсальные ЭВМ широкого назначения, так как они призваны обеспечивать пользователей самыми разнообразными сервисными услугами независимо от характера их задач. Программное обеспечение ЭВМ разделяют на общее, или системное (general Software), и специальное, или прикладное (application or special Software)

Общее ПО объединяет программные компоненты, обеспечивающие многоцелевое применение ЭВМ и мало зависящие от специфики вычислительных работ пользователей. Сюда входят программы, организующие вычислительный процесс в различных режимах работы машин, программы контроля работоспособности ЭВМ, диагностики и локализации неисправностей, программы контроля заданий пользователей, их проверки, отладки и т.д. Общее ПО обычно поставляется потребителям комплектно с ЭВМ. Часть этого ПО может быть реализована в составе самого компьютера. Например, в ПЭВМ часть программ ОС и часть контролирующих тестов записана в ПЗУ этих машин. Специальное ПО (СПО) содержит пакеты прикладных программ пользователей (111ill), обеспечивающие специфическое применение ЭВМ и вычислительной системы (ВС).

Прикладной программой называется программный продукт, предназначенный для решения конкретной задачи пользователя. Обычно прикладные программы объединяются в пакеты, что является необходимым атрибутом автоматизации труда каждого специалиста-прикладника. Комплексный характер автоматизации производственных процессов предопределяет многофункциональную обработку данных и объединение отдельных практических задач в ППП.

Общее ПО включает в свой состав операционную систему (ОС), средства автоматизации программирования (САП), комплекс программ технического обслуживания (КПТО), пакеты программ, дополняющие возможности ОС (ППос), и систему документации (СД).Операционная система служит для управления вычислительным процессом путем обеспечения его необходимыми ресурсами. Средства автоматизации программирования объединяют программные модули, обеспечивающие этапы подготовки задач к решению. Модули КПТО предназначены для проверки работоспособности вычислительного комплекса.Важной частью ПО является система документации, хотя она и не является программным продуктом. СД предназначается для изучения программных средств, она определяет порядок их использования, устанавливает требования и правила разработки новых программных компонентов и особенности их включения в состав ОПО или СПО.

Программное обеспечение современных ЭВМ и ВС строится по иерархическому модульному принципу. Это обеспечивает возможность адаптации ЭВМ и ВС к конкретным условиям применения, открытость системы для расширения состава предоставляемых услуг, способность систем к совершенствованию, наращиванию мощности и т.д.

Программные модули ПО, относящиеся к различным подсистемам, представляют для пользователя своеобразную иерархию программных компонентов, используемую им при решении своих задач ЭВМ.

Электромеханические вычислительные машины

В первые десятилетия XX века конструкторы обратили внимание на возможность применения в счетных устройствах новых элементов - электромагнитных реле. В 1941 году немецкий инженер Конрад Цузе, построил вычислительное устройство, работающее на таких реле.

Почти одновременно, в 1943 году, американец Говард Эйкен с помощью работ Бэббиджа на основе техники XX века - электромеханических реле - смог построить на одном из предприятий фирмы IBM легендарный гарвардский «Марк-1» (а позднее еще и «Марк-2»). «Марк-1» имел в длину 15 метров и в высоту 2,5 метра, содержал 800 тысяч деталей, располагал 60 регистрами для констант, 72 запоминающими регистрами для сложения, центральным блоком умножения и деления, мог вычислять элементарные трансцендентные функции. Машина работала с 23-значными десятичными числами и выполняла операции сложения за 0,3 секунды, а умножения - за 3 секунды. Однако Эйкен сделал две ошибки: первая состояла в том, что обе эти машины были скорее электромеханическими, чем электронными; вторая - то, что Эйкен не придерживался той концепции, что программы должны храниться в памяти компьютера как и полученные данные.

Примерно в то же время в Англии начала работать первая вычислительная машина на реле, которая использовалась для расшифровки сообщений, передававшихся немецким кодированным передатчиком. К середине XX века потребность в автоматизации вычислений (в том числе для военных нужд - баллистики, криптографии и т.д.) стала настолько велика, что над созданием машин, подобных "Марк-1" и "Марк-2" работало несколько групп исследователей в разных странах.

Работа по созданию первой электронно-вычислительной машины была начата, по-видимому, в 1937 году в США профессором Джоном Атанасовым, болгарином по происхождению. Эта машина была специализированной и предназначалась для решения задач математической физики. В ходе разработок Атанасов создал и запатентовал первые электронные устройства, которые впоследствии применялись довольно широко в первых компьютерах. Полностью проект Атанасова не был завершен, однако через три десятка лет в результате судебного разбирательства профессора признали родоначальником электронной вычислительной техники.

ЭВМ 1-ого поколения. Эниак (ENIAC)

Начиная с 1943 года группа специалистов под руководством Говарда Эйкена, Дж. Моучли и П. Эккерта в США начала конструировать вычислительную машину на основе электронных ламп, а не на электромагнитных реле. Эта машина была названа ENIAC (Electronic Numeral Integrator And Computer) и работала она в тысячу раз быстрее, чем «Марк-1». ENIAC содержал 18 тысяч вакуумных ламп, занимал площадь 915 метров, весил 30 тонн и потреблял мощность 150 киловатт. ENIAC имел и существенный недостаток - управление им осуществлялось с помощью коммутационной панели, у него отсутствовала память, и для того чтобы задать программу приходилось в течение нескольких часов или даже дней подсоединять нужным образом провода. Худшим из всех недостатков была ужасающая ненадежность компьютера, так как за день работы успевало выйти из строя около десятка вакуумных ламп.

Чтобы упростить процесс задания программ, Моучли и Эккерт стали конструировать новую машину, которая могла бы хранить программу в своей памяти. В 1945 году к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этой машине. В этом докладе фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров. Это первая действующая машина, построенная на вакуумных лампах, официально была введена в эксплуатацию 15 февраля 1946 года. Эту машину пытались использовать для решения некоторых задач, подготовленных фон Нейманом и связанных с проектом атомной бомбы. Затем она была перевезена на Абердинский полигон, где работала до 1955 года.

ENIAC стал первым представителем 1-го поколения компьютеров. Любая классификация условна, но большинство специалистов согласилось с тем, что различать поколения следует исходя из той элементной базы, на основе которой строятся машины. Таким образом, первое поколение представляется ламповыми машинами.

Устройство и работа компьютера по «принципу фон Неймана»

Необходимо отметить огромную роль американского математика фон Неймана в становлении техники первого поколения. Нужно было осмыслить сильные и слабые стороны ENIAC и дать рекомендации для последующих разработок. В отчете фон Неймана и его коллег Г. Голдстайна и А. Беркса (июнь 1946 года) были четко сформулированы требования к структуре компьютеров. Отметим важнейшие из них:

машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления;

программа, как и исходные данные, должна размещаться в памяти машины;

программа, как и числа, должна записываться в двоичном коде;

трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем, требуют иерархической организации памяти (то есть выделения оперативной, промежуточной и долговременной памяти);

арифметическое устройство (процессор) конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения; создание специальных устройств для выполнения других арифметических и иных операций нецелесообразно;

в машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над числами производятся одновременно по всем разрядам).

На следующем рисунке показано, каковы должны быть связи между устройствами компьютера согласно принципам фон Неймана (одинарные линии показывают управляющие связи, пунктир - информационные).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок - Связи между устройствами

Практически все рекомендации фон Неймана впоследствии использовались в машинах первых трех поколений, их совокупность получила название «архитектура фон Неймана». Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 году английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 года Джон фон Нейман.

Новые машины первого поколения сменяли друг друга довольно быстро. В 1951 году заработала первая советская электронная вычислительная машина МЭСМ, площадью около 50 квадратных метров. МЭСМ имела 2 вида памяти: оперативное запоминающее устройство, в виде 4 панелей высотой в 3 метра и шириной 1 метр; и долговременная память в виде магнитного барабана объемом 5000 чисел. Всего в МЭСМ было 6000 электронных ламп, а работать с ними можно было только после 1,5-2 часов после включения машины. Ввод данных осуществлялся с помощью магнитной ленты, а вывод - цифропечатающим устройством сопряженным с памятью. МЭСМ могла выполнять 50 математических операций в секунду, запоминать в оперативной памяти 31 число и 63 команды (всего было 12 различных команд), и потребляла мощность равную 25 киловаттам.

В 1952 году на свет появилась американская машина EDWAC. Стоит также отметить построенный ранее, в 1949 году, английский компьютер EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) - первую машину с хранимой программой. В 1952 году советские конструкторы ввели в эксплуатацию БЭСМ - самую быстродействующую машину в Европе, а в следующем году в СССР начала работать «Стрела» - первая в Европе серийная машина высокого класса. Среди создателей отечественных машин в первую очередь следует назвать имена С.А. Лебедева, Б.Я. Базилевского, И.С. Брука, Б.И. Рамеева, В.А. Мельникова, М.А. Карцева, А.Н. Мямлина. В 50-х годах появились и другие ЭВМ: «Урал», М-2, М-3, БЭСМ_2, «Минск_1», - которые воплощали в себе все более прогрессивные инженерные решения.

Проекты и реализация машин «Марк-1», EDSAC и EDVAC в Англии и США, МЭСМ в СССР заложили основу для развёртывания работ по созданию ЭВМ вакуумноламповой технологии - серийных ЭВМ первого поколения. Разработка первой электронной серийной машины UNIVAC (Universal Automatic Computer) была начата примерно в 1947 г. Эккертом и Маучли. Первый образец машины (UNIVAC-1) был построен для бюро переписи США и пущен в эксплуатацию весной 1951 г. Синхронная, последовательного действия вычислительная машина UNIVAC-1 создана на базе ЭВМ ENIAC и EDVAC. Работала она с тактовой частотой 2,25 МГц и содержала около 5000 электронных ламп.

По сравнению с США, СССР и Англией развитие электронной вычислительной техники в Японии, ФРГ и Италии задержалось. Первая японская машина "Фуджик" была введена в эксплуатацию в 1956 году, серийное производство ЭВМ в ФРГ началось лишь в 1958 году.

Возможности машин первого поколения были достаточно скромны. Так, быстродействие их по нынешним понятиям было малым: от 100 («Урал-1») до 20 000 операций в секунду (М-20 в 1959 году). Эти цифры определялись в первую очередь инерционностью вакуумных ламп и несовершенством запоминающих устройств. Объем оперативной памяти был крайне мал - в среднем 2 048 чисел (слов), этого не хватало даже для размещения сложных программ, не говоря уже о данных. Промежуточная память организовывалась на громоздких и тихоходных магнитных барабанах сравнительно небольшой емкости (5 120 слов у БЭСМ-1). Медленно работали и печатающие устройства, а также блоки ввода данных. Если же остановиться подробнее на устройствах ввода-вывода, то можно сказать, что с начала появления первых компьютеров выявилось противоречие между высоким быстродействием центральных устройств и низкой скоростью работы внешних устройств. Кроме того, выявилось несовершенство и неудобство этих устройств. Первым носителем данных в компьютерах, как известно, была перфокарта. Затем появились перфорационные бумажные ленты или просто перфоленты. Они пришли из телеграфной техники после того, как в начале XIX в. отец и сын из Чикаго Чарлз и Говард Крамы изобрели телетайп.

ЭВМ первого поколения, эти жесткие и тихоходные вычислители, были пионерами компьютерной техники. Они довольно быстро сошли со сцены, так как не нашли широкого коммерческого применения из-за ненадежности, высокой стоимости, трудности программирования.

Персональный компьютер быстро вошел в нашу жизнь. Еще несколько лет назад было редкостью увидеть какой-нибудь персональный компьютер - они были, но были очень дорогие, и даже не каждая фирма могла иметь у себя в офисе компьютер. Теперь же в каждом третьем доме есть компьютер, который уже глубоко вошел в жизнь человека.

Современные вычислительные машины представляют одно из самых значительных достижений человеческой мысли, влияние которого на развитие научно-технического прогресса трудно переоценить. Область применения ЭВМ огромна и непрерывно расширяется.

Даже 30 лет назад было только около 2000 различных сфер применения микропроцессорной техники. Это управление производством (16%), транспорт и связь (17%), информационно-вычислительная техника (12%), военная техника (9%), бытовая техника (3%), обучение (2%), авиация и космос (15%), медицина (4%), научное исследование, коммунальное и городское хозяйство, банковский учёт, метрология, и другие области.

Компьютеры в учреждениях. Компьютеры в буквальном смысле совершили революцию в деловом мире. Секретарь практически любого учреждения при подготовке докладов и писем производит обработку текстов. Учрежденческий аппарат использует персональный компьютер для вывода на экран дисплея широкоформатных таблиц и графического материала. Бухгалтеры применяют компьютеры для управления финансами учреждения и введение документации.

Компьютеры на производстве. Компьютеры находят применение при выполнении широкого круга производственных задач. Так, например, диспетчер на крупном заводе имеет в своём распоряжении автоматизированную систему контроля, обеспечивающую бесперебойную работу различных агрегатов. Компьютеры используются также для контроля за температурой и давлением при осуществлении различных производственных процессов. Также управляются компьютером роботы на заводах, скажем, на линиях сборки автомобилей, включающие многократно повторяющиеся операции, например затягивание болтов или окраску деталей кузова.

Компьютер - помощник конструктора. Проекты конструирования самолета, моста или здания требуют затрат большого количества времени и усилий. Они представляют собой один из самых трудоёмких видов работ. Сегодня, в век компьютера, конструкторы имеют возможность посвятить своё время целиком процессу конструирования, поскольку расчёты и подготовку чертежей машина «берёт на себя». Пример: конструктор автомобилей исследует с помощью компьютера, как форма кузова влияет на рабочие характеристики автомобиля. С помощь таких устройств, как электронное перо и планшет, конструктор может быстро и легко вносить любые изменения в проект и тут же наблюдать результат на экране дисплея.

Компьютер в магазине самообслуживания. Представьте себе, что идёт 1979 год и вы работаете неполный рабочий день в качестве кассира в большом универмаге. Когда покупатели выкладывают отобранные ими покупки на прилавок, вы должны прочесть цену каждой покупки и ввести её в кассовый аппарат. А теперь вернёмся в наши дни. Вы по-прежнему работаете кассиром и в том же самом универмаге. Но как много здесь изменилось. Когда теперь покупатели выкладывают свои покупки на прилавок, вы пропускаете каждую из них через оптическое сканирующее устройство, которое считывает универсальный код, нанесённый на покупку, по которому компьютер определяет, цену этого изделия, хранящуюся в памяти компьютера, и высвечивает ее на маленьком экране, чтобы покупатель мог видеть стоимость своей покупки. Как только все отобранные товары прошли через оптическое сканирующее устройство, компьютер немедленно выдаёт общую стоимость купленных товаров.