Электронно вычислительные машины и вычислительные системы
Электронно вычислительные машины и вычислительные системы
Типы вычислительных машин (ВМ).
ВМ различают:
По способу представления и обработки информации (аналоговые и цифровые,
гибридные, комбинированного типа).
По среде представления и обработки информации:
механические;
электромеханические;
гидравлические;
- пневматические;
- оптические;
- магнитные;
История ВМ.
1833г. – Ч. Бебидж. Ввел программное управление с помощью перфокарт
(Англия).
1890г. – Холлерит. Сконструировал табулятор, сумматор и перфоратор.
1944г. – Г. Цузе и Айкен спроектировал Марк1 (релейная вычислительная
машина).
1946г. – Моучли, Эккерт сконструировали электронную машину «Эниак».
1950г. – Серийное производство ЭВМ в США.
1951г. – Киев, институт электроники, Лебедев сконструировал МЭСМ.
1954г. – Москва –БЭСМ.
По назначению ЭВМ классифицируются следующим образом:
1. Универсальные;
2. Проблемно-ориентированные;
3. Специализированные.
Режим работы:
1. Однопрограммные ВМ.
1. индивидуального пользования.
2. машинно-пакетной обработки.
2. Мультипрограммные ВМ.
1. пакетная обработка.
2. машины коллективного пользования.
1. без разделения времени.
2. С разделением времени.
Количество процессоров:
1. Однопроцессорные.
2. Мультипроцессорные.
3. Многомашинные системы.
Классификация по способу объединения и размещения:
1. Сосредоточенные.
2. Системы с телеобъединением или теледоступом.
3. Вычислительные сети.
По особенности функционирования:
- Без режима реального времени.
- С режимом реального времени.
По набору параметров:
1. Супер-ЭВМ – для решения крупномасштабных вычислительных задач, для
обслуживания крупных баз данных.
2. Большие ЭВМ – для комплектования ведомственных и региональных центров.
Представители: IBM S/390 (1-10 процессоров) – производительность(1,5 –
160мил. Оп/сек).
3. Средние ЭВМ – для управления сложными процессами, используются в
качестве серверов. Представители: RS/6000, AS/400.
4. Персональные и профессиональные ЭВМ – для индивидуальных пользователей.
5. Встраиваемые микропроцессоры – бытовая техника.
6. Калькуляторы.
Основные характеристики вычислительных машин.
1. Технические характеристики:
1. Внешние:
1. Производительность.
2. Быстродействие.
3. Быстродействие при выполнении операций с плавающей точкой.
4. Производительность по Гибсону (на наборе задач).
5. Объем оперативной памяти.
6. Количество периферийных устройств.
2. Внутренние:
1. Длина слова процессора.
2. Длина слова ОП.
3. Наличие буферной (КЕШ) памяти.
4. Скорость передачи информации ядро ПУ.
2. Эксплуатационные характеристики:
1. Потребляемая мощность.
2. Габариты.
3. Надежность.
4. Обслуживаемость.
3. Экономические характеристики:
1. цена новой ЭВМ.
2. Стоимость обслуживания.
3. Стоимость эксплуатационных расходов.
4. Общий коэффициент эффективности.
Области и способы применения ЭВМ.
1. Автоматизация вычислений.
2. Системы управления – начиная с 60-х гг. Требования: они должны более
дешевые по сравнению с большими машинами. Должны быть более надежными;
3. Задачи искусственного интеллекта.
Этапы и способы применения ЭВМ.
1. Для отдельных научно – технических, финансовых расчетов.
2. Моделирование процессов.
3. Применение ЭВМ как составной части автоматизированных систем.
4. Интеллектуализация автоматизированных систем.
|Параметр |Класс задач |
| |Научно-тех|Инф - |Управл. |САПР |
| |ничес. |справочн. |объект | |
|Сложность |Высокая |Низкая |Низкая |Высокая |
|алгоритма | | | | |
|Объем |Много |Мало |Мало |Много |
|вычислений| | | | |
|на одно | | | | |
|входное | | | | |
|сообщение | | | | |
|Требуемая |Высокая |Высокая |Низкая |Высокая |
|мощность | | | | |
|Объем |Маленький |Большой |Большой |Большой |
|вх/вых | | | | |
|информации| | | | |
|Режимы |Индивидуал|Индивидуал|Реального |Индивидуал|
|работы |ьные, |ьные, |времени |ьного |
| |пакетные |пакетные | | |
Существуют две модели ЭВМ:
1. Модель фон Неймана (1945г.). Предусматривает: Автоматическое программное
управление решением задач.
2. Совместное хранение программ и данных в ОП. Гарвардская модель (1944г.).
Предусматривает выделение памяти под данные и программы.
3. Промежуточная. С использованием ТЕГов и дескрипторов. ТЭГ – указатель
вида информации. Дескриптор – таблица, описывающая размещение информации
в памяти машины.
При разработке архитектуры ЭВМ нужно учитывать следующие моменты:
1. Общая структура машин.
2. Организация вычислительно процесса.
3. Способы общения пользователя с ЭВМ.
4. Логическая организация представления, хранения и преобразования
информации.
5. Логическая организация совместной работы различных устройств.
6. Логическая организация совместной работы аппаратных и программных
средств.
Форматы информации:
1 бит (б), 1 байт (8б), слово, поле, запись, файл и т.д.
|Поколени|Этапы постановки и решения задачи |
|я ЭВМ | |
| |Поста|Выбор|Прогр|Орган|Получ|вычис|
| |новка|алг-м|амир.|из. |. |ления|
| |задач|а |На |Выч. |Маш. | |
| |и | |яз. |проце|пр. | |
| | | | |сса | | |
|1 | | | | | | |
|2 | | | | | | |
|3 | | | | | | |
|4 | | | | | | |
|5 | | | | | | |
Человек – машина – человек
Причины стремительного роста персональных компьютеров.
1. Высокая эффективность применения и малая стоимость по сравнению с
другими классами.
2. Возможность индивидуального непосредственного общения с ЭВМ без
посредников, программистов и ограничений.
3. Большие возможности при обработке информации.
4. Высокая надежность и простота эксплуатации.
5. Возможность расширения и адаптации к особенностям применения.
6. Наличие развитого ПО для всех сфер человеческой деятельности.
7. Простота использования, основанная на дружественном интерфейсе.
8. Возможность объединения машин в сеть.
9. Возможность подключения к персональным компьютерам различных
периферийных устройств. Возможность встраивания ПК в системы САУ.
Информационно – логические основы построения ЭВМ.
Преимущества двоичной системы:
1. Более простая реализация алгоритмов выполнения арифметических и
логических операций.
2. Более надежная физическая реализация основных функций.
3. Экономичность и простота аппаратной реализации схем ЭВМ.
Операция сложения с плавающей точкой.
A10=1,375, B11=-0,625, C=A+B
A2=0 1.011, A=0,1375*101
B2=1 0.101=00 1 001=01 1 0101, B=-0,0625*101
(p=p1 - p2=1.
B2ok=01 1 1010, B2дк=01 1011
А2ok=01 01011, А2дк=0101011
Т.о. 01 11010 0111011
+ +
01 01011 0101011
1 00101 0100110
+1
00110=С2 С10=0,75
С2н=0,011 , С10=0,75
Умножение и деление чисел с плавающей точкой.
При умножении/делении порядки складываются/вычитаются. Мантиссы
соответственно умножаются или делятся. Знаки результат формируется путем
сложения знаков операнда.
Арифметические операции над двоично – десятичными числами.
Каждая цифра десятичного числа кодируется тетрадой, и знак числа кодируется
тоже тетрадой.
1. Сложение начинают с младших цифр тетрад и производят с учетом переноса.
2. Знак суммы определяется знаком наибольшего слагаемого.
3. Для того чтобы обеспечить своевременный перенос производится десятичная
коррекция. К каждой тетраде добавляется число шесть. В результате
осуществленная корректировка суммы – из тетрад, откуда не было переноса,
вычитается 6. При этой коррекции переносы из тетрад блокируются.
4. При вычитании к тетраде с большим кодом прибавляется другая тетрада в
дополнительном коде. И выбирается знак.
Логические основы ЭВМ.
Количество возможных функций: 22n
При n=0 N=21=2
Yi=0 – заземление;
Или y1=1 – генер.
n=1 ,то N=4
|x|Y0 |Y1 |Y2 |Y3 |
|0|0 |1 |0 |1 |
| |0 |1 |1 |0 |
|1| | | | |
Ген повт инв
Правила алгебры логики.
1. ХV1=1 X*0=0
XV0=X X*1=X
2. XVX=1 X*X=0
XVX=X X*X=X
Законы алгебры логики.
1. Х1Х2=Х2Х1 - коммутативный
2. (Х1Х2)Х3=Х1(Х2Х3) – ассоциативный
3. Х1(Х2VX3)=X1X2VX1X3 – дистрибутивный
4. X1VX1X2=X1(1VX2)=X1*1=X1 – поглощения
5. X1X2VX1X2=X1(X2VX2)=X1*1=X1 – склеивания
6. (FVX)(FVX)=F
7. XVXF=XVF X(XVF)=XF - свертки
8. Правила Де Моргана
- X1VX2=X1X2
- X1X2=X1VX2
Порядок проектирования логических схем.
1. Словесное описание.
2. Формализация описания – запись таблицы истинности.
3. Запись функции в СДНФ или СКНФ.
4. Минимизация.
5. Представление минимизированного выражения в требуемом базисе.
6. Изготовление устройства.
7. Тестирование.
Элементная база ЭВМ.
Элемент – узел – блок – устройство
Классификация интегральных схем:
- по сложности
1. ИС – малая степень интеграции (десятки транзисторов).
2. СИС – средние (сотни транзисторов).
3. БИС - большие (десятки тысяч транзисторов).
4. СБИС – сверхбольшие (миллионы транзисторов).
5. УБИС – ультрабольшие (десятки миллионов транзисторов).
- по типу сигналов
1. Потенциальные.
2. Импульсные.
- по технологии изготовления
1. МОП структура (МДП структура).
1. КМОП –комплиментарные.
2. NМОП – полупроводники n-типа.
3. рМОП – полупроводники р-типа.
2. ТТЛ – логика.
3. ЭСЛ.
4. U2Л.
- по особенностям функционирования
1. Формирующие – генераторы.
2. Логические комбинационные схемы.
3. Запоминающие.
Комбинационные схемы.
К ним относятся ЛЭ: «Не», «И», «ИЛИ», «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ», дешифраторы,
сумматоры комбинационные, компараторы.
Схемы с памятью.
1. Триггеры:
- JK
- RS
- D
- T
2. Накапливающий сумматор.
3. Регистр.
4. Счетчик.
Проблема развития элементарной базы.
Циклическое послойное изготовление элементов (частей) электронной схемы по
циклу: программа – рисунок – схема. По программе на напыленный
фоторезисторный слой наносится рисунок будущего слоя микросхемы. Рисунок
протравливается, фиксируется, закрепляется и изолируется от новых слоев.
Нанесение рисунков называется фоторезистолистография. Сейчас применяется
оптическая листография. Но дифракция, интерференция и т.п. ограничивают
точность. Существует также электронная (лазерная) листография, ионная и
рентгеновская листография. Размеры сокращают для того, чтобы можно быть
увеличить частоты (чем больше размеры транзистора, тем больше его емкость).
Но уменьшение размеров приводит к тому, что удельная мощность
увеличивается. Она увеличивается с ростом напряжения питания и с ростом
частоты. Уменьшение напряжения нежелательно. Максимальная частота, которая
может быть в элементах 1011 – 1012 Гц. Такой уровень частоты может быть
только в СИС. Будут использоваться ССИС – сверхскоростные ИС средней
степени интеграции. Используются кремниевые и арсенид галивые микросхемы.
Перспективы:
Новое направление – использование сверхпроводимости и туннельного эффекта
(для уменьшения мощности) и биомолекулярная технология.
Характеристики ТТЛ:
1. Uпит=3,3В; 5В.
Стандартная серия: 74ххх –США; К155... – Россия.
Tзд.р.=10нс.
2. С пониженным потреблением: 74L... – США; К134... – Россия.
Tзд.р.=33нс.
3. С повышенной мощностью: 74b... – США; К131... – Россия.
4. С диодами Шотки (ТТЛШ) 74S... – США; К531... – Россия.
5. Маломощные ТТЛШ 74LS... – США; К555... – Россия.
Функциональная и структурная организация ЭВМ.
Функциональная организация включает в себя:
- виды кодов, использованные для представления информации (аудио, видео,
отображение информации, помехозащищенные коды);
- система команд (CISC, RISC, система длинных команд);
- алгоритмы выполнения машинных операций;
- технология выполнения различных процедур и взаимодействие программного и
аппаратного обеспечения;
- способы использования устройств, при организации совместной работы;
- структурная организация: способы реализации функций ЭВМ.
Структурные компоненты:
1. АС:
- элементарная база;
- функциональные узлы и устройства;
2. Программные модули (обработчики прерывания, драйвера, com, exe, bat
файлы).
ЭВМ делятся на совместимые и несовместимые. В свою очередь совместимые
делятся на программно совместимые и технически совместимые.
Состав микропроцессорного комплекта.
- системный таймер;
- микропроцессор;
- сопроцессор;
- контроллер прерываний;
- контроллер прямого доступа к памяти (DMA);
- контроллеры устройств ввода-вывода.
Устройства ЭВМ делятся на: ядро ЭВМ (полностью электронное) и
периферийные устройства (электронные, электромеханические, с тепловой
природой).
Нейтральные устройства связаны между собой системной магистралью.
Состав магистрали.
1. Шина данных;
2. Шина адреса;
3. Шина управления.
Интерфейс системной магистрали.
- количество линий в ША, ШД, ШУ.
- Порядок размещения конфликтных ситуаций (этим управляет контроллер
прерываний).
В состав ядра входят:
- МП
- ОП
- Дополнительные устройства (системный таймер, контроллеры и т.д.)
Ядро размещается на системной плате.
Компиляция заключается в преобразовании исходного модуля в объектный
модуль, но в нем отсутствуют дополнительные программы, необходимые для
выполнения.
Редактор связи объединяет все требуемые для выполнения процедуры в
объектном коде в единую программу, готовую к выполнению.
Особенности управления основной памятью ЭВМ.
Выделение памяти.
Может выделяться программистом или ОС.
Размещение делится на: статическое и динамическое (в процессе). В свою
очередь статическое делится на больше и меньше требуемого.
Оверлейная структура программы: загружается главная часть, а остальное
по очереди. Для того чтобы связывать отдельные сегменты в единую программу
нужно 7 трансляций адресов.
Такая структура адресов накладывает 2 ограничения.
1. Ограничение макс сегментов.
2. Ограничивается макс смещение в сегменте.
Динамическая трансляция адресов при сегментной организации программы.
Адресное пространство.
|Прг.Д |Таблица |ОП |
| |сегментов | |
| |№ |Адрес в |0 |
| |сег.|ОП |ОС |
|0 |1 |75 |75 |
|сег1 | | |Прг.Д |
|20кБ | | |Сег1 |
|0 |2 |125 |95 |
|сег2 | | |Прг.А |
|10кБ | | | |
| | | |125 |
| | | |Прг.Д |
| | | |Сег2 |
|0 |3 |205 |135 |
|сег3 | | |Прг.В |
|20кБ | | | |
| | | |205 |
| | | |Прг.Д |
| | | |Сег3 |
| | | |225 |
Начальный адрес таблицы сегментов заносится в регистр начала таблицы
сегментов (РНТС). В настоящее время применяется сегменто – страничная
организация памяти. Программа состоит из сегментов, размер которых может
быть любым меньше максимального. А сегменты состоят из страниц, размер
которых строго определен (обычно 4кБ). При такой адресации у основного
адреса есть три параметра: номера сегмента и страницы, и относительный
адрес.
Виртуальная память.
Имитация работы машины с максимально имеющейся в ВС памятью, включая
внешнюю, и называемую режимом виртуальной памяти. Теоретически доступная
пользователю ОП определяется только разрядностью адресной части команды.
При работе программы та часть, которая необходима для выполнения текущей
команды вызывается в ОП и размещается там. Другая часть размещается в
ячейках внешней страничной памяти или в слотах. Слот – это заполненная
записываемая область во внешней страничной памяти. Она равна размеру
Страницы: 1, 2
|