Е поколение, с 1975 года по сегодняшний день

Особенности ЭВМ:   использование при создании компьютеров больших интегральных схем (БИС – 1000 – 100000 компонентов на кристалл) и сверхбольших интегральных схем (СБИС – 100 тыс. – 10 млн элементов на кристалл). Началом данного поколения считают 1975 год – фирма Amdahl Corp. выпустила шесть компьютеров AMDAHL 470 V/6, в которых были применены БИС в качестве элементной базы. Стали использоваться быстродействующие системы памяти на интегральных схемах емкостью в несколько мегабайт. При включении машины запуск системы осуществляется с использованием хранимой в ПЗУ программы самозагрузки, обеспечивающей выгрузку операционной системы и резидентного программного обеспечения. В середине 70-х появились первые персональные компьютеры (ПК).

Быстродействие (количество операций в секунду):десятки и сотни млн.

Программное обеспечение:базы и банки данных.

Примеры:суперкомпьютеры (многопроцессорная архитектура и использование принципа параллелизма), широкое использование ПК.

Перспективы эволюции ЭВМ 5-го поколения:

Главный упор при создании компьютеров делается на их «интеллектуальность», внимание акцентируется не столько на элементной базе, сколько на переходе от архитектуры, ориентированной на обработку данных, к архитектуре, ориентированной на обработку знаний – использование и обработка компьютером знаний, которыми владеет человек для решения проблем и принятия решений.

Особенности ЭВМ: вычислительные системы со многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; параллельно-векторная структура. Оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой – с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Блок-схема ЭВМ

В этой главе рассмотрим архитектуру вычислительной машины, в том числе и персонального компьютера (ПК). Архитектура определяет принципы организации вычислительной системы и функции отдельных устройств системы, не уточняя, как эти принципы реализуются внутри ЭВМ. Основные принципы и схему устройств первых вычислительных машин (рис. 2.1) предложил коллектив ученых во главе с Джоном фон Нейманом. Эти принципы работы во многом сохранились и в современных компьютерах.

Принципы Джона фон Неймана:

1. Принцип двоичного кодирования. В соответствии с этим принципом вся информация кодируется с помощью двоичных сигналов (битов). Ранее для этой цели использовалась десятичная система счисления. 2. П ринцип программного управления. Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности. 3. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. 4. Принцип адресуемости памяти. ОП состоит из пронумерованных ячеек, и процессору в любой момент времени доступна любая ячейка.

Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название «фон-неймановской архитектуры». На базе структуры ЭВМ фон Неймана проектировались вычислительные машины с первого по четвертое поколений. В дальнейшем центральные устройства АЛУ и УУ были объединены в единый блок, называемый центральным процессором (ЦП),

Рис. 2.1. Блок-схема ЭВМ по Нейману

который непосредственно осуществляет процесс обработки данных и программное управление этим процессом. (Если ЦП реализован в виде большой интегральной схемы, то он называется микропроцессором МП). Такая блок-схема представлена на рис. 2.2 с указанием минимального набора функциональных блоков.

· Процессор, который включает  арифметико-логическое устройство (АЛУ), служащее для выполнения арифметических и логических операций, и устройство управления (УУ).

· Память для хранения программ, исходных данных и результатов расчета (ЗУ – запоминающее устройство).

· Устройства для ввода исходных данных и для вывода

 

В ЭВМ (рис. 2.2) происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры. Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день – фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины). Вероятно, в ЭВМ пятого поколения будет другая архитектура,  

Рис. 2.2. Структура ЭВМ

 

отличная от фон-неймановской, учитывая тот факт, что в основе обработки информации будут использоваться не вычислительные алгоритмы, а алгоритмы искусственного интеллекта, логические выводы и т.п.

Блок-схема и состав ПК

Персональный компьютер (ПК) – универсальная ЭВМ, предназначенная для индивидуального пользования. В основе схемного решения ПК заложен принцип открытой архитектуры, что позволяет собирать ПК из отдельных узлов и деталей, а также при наличии в ПК внутренних расширительных гнезд использовать дополнительные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту (рис. 2.3). Связь между устройствами ПК осуществляется с помощью сопряжений, называемых интерфейсами, которые представляют собой совокупность стандартизованных аппаратных и программных средств, обеспечивающих обмен информацией между устройствами. В основе построения интерфейсов лежат унификация и стандартизация (использование единых способов кодирования данных, форматов данных, стандартизация разъемов и т.д.). Наличие стандартных интерфейсов позволяет унифицировать передачу информации между устройствами независимо от их особенностей. В персональных компьютерах, как правило, используется структура с одним общим интерфейсом, называемым системной шиной. При такой структуре все устройства ПК обмениваются информацией и управляющими сигналами через системную шину (рис. 2.3). Физически она представляет собой систему функционально объединенных проводов, по которым передаются три потока данных: непосредственно информация, управляющие сигналы и адреса. Количество проводов в системной шине, предназначенных для передачи непосредственно информации, называется разрядностью шины. Разрядность шины соответствует числу битов информации, которое может передаваться по шине одновременно, а количество проводов для передачи адресов (адресных линий) определяет, какой объем оперативной памяти может быть адресован. Поскольку шина является общей для всех устройств компьютера, в нем предусмотрена система приоритетных прерываний, устанавливающая, какое из устройств системы займет шину в данный момент времени. Поэтому каждому устройству, подключенному к шине, присваивается определенный приоритет.

Достоинства ЭВМ с шинной структурой:

· простота и, как следствие, невысокая стоимость;

· гибкость, так как унификация связи между устройствами позволяет достаточно легко включать в состав ПК дополнительные устройства, т.е. легко модифицировать конфигурацию компьютера.

Недостатком является снижение производительности системы из-за задержек, связанных со временем ожидания устройствами возможности занять шину, пока осуществляется передача информации между устройствами с более высоким приоритетом. Для преодоления этого недостатка в ПК может использоваться архитектура с двумя шинами.

Характеристики блоков ПК

Визуально пользователю видны только системный блок, монитор, компьютерная мышь, клавиатура и другие внешние устройства. Рассмотрим подробнее основные составные части персонального компьютера.

В состав системного блока входят:

1. Центральный процессор (ЦП) – микропроцессор (МП);

2. Вентилятор центрального процессора;

3. Системная плата («материнская»);

4. Оперативная память;

5. Жёсткий диск;

6. Видеокарта;

7. Дисковод компакт-дисков;

8. Корпус с блоком питания;

9. Вентилятор корпуса;

10.  Звуковая карта;

11.  Сетевая карта;

12.  Модем;

13.  Плата USB;

14.  Плата 1394.

К системному блоку подключаются:

15.  Клавиатура;

16.  Мышь;

17.  Монитор.

 

тактовый   клавиатура

генератор

 

    центральный           оперативная             постоянная                                                                

        процессор            память (ОЗУ)       память (ПЗУ)

 

С И С Т Е М Н А Я             Ш И Н А

   контроллер           контроллер                      контроллер

 

  периферийное         периферийное              периферийное

   устройство              устройство                     устройство

 

Рис. 2.3. Шинная структура ПК

 

 

Кроме этого, подключаются внешние устройства различного назначения:

18.  Принтер;

19.  Сканер;

20.  Устройство графического ввода;

21.  Устройство Wi-Fi;

22.  Устройство Bluetooth;

23.  Устройство считывания различных карт памяти;

24.  Цифровой фотоаппарат.

Первые 14 устройств, входящие в системный блок, являются обязательными. Без них функционирование ПК на сегодняшний день невозможно. Поэтому многие из них, такие как звуковая карта, сетевая карта, модем, плата USB, плата 1394 сегодня помещаются непосредственно на системную плату в виде больших интегральных схем (БИС). Подключаемые устройства 15 – 17 также необходимы для работы компьютера. Остальные ВУ (внешние устройства) можно считать дополнительными функциональными устройствами.

Микропроцессор (Центральный процессор) – это главный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков и для выполнения арифметических и логических операций. От его свойств во многом зависят все характеристики вычислительной системы. Исторически около двух десятков фирм открывало собственное проектирование и производство процессоров. Большинство из них (такие как Motorola, Zilog и др.) остаются известными производителями электроники, но глобальное производство процессоров для ПК осталось у 2-х традиционных производителей: Intel и AMD (Advanced Micro Devices). Это давно образовавшиеся научно-производственные корпорации с полным циклом производства, маркетинга и сбыта продукции.

В своей основе эти два конкурирующих процессора имеют различные научные школы проектирования вычислительной техники и, как результат, процессоры различной архитектуры. На одном кристалле сосредоточены миллионы транзисторов, соединённых в блоки вычислений, передачи данных, формирования сигналов для взаимодействия с другими частями компьютера, временного хранения промежуточных данных, вычисления оптимального программного пути в серии микрокоманд, работа с шиной данных.

ЦП имеет множество параметров – порядка 80 – 100 или более. Мы из всего числа выберем несколько, по которым упрощённо, но эффективно можно сравнить и выбрать процессор в обычных условиях. Об остальных характеристиках скажем, что они очень интересны сами по себе, но в реальных условиях работы инженера мы не сможем их корректно сравнить без проведения специализированных тестов, применения дорогостоящего оборудования и огромных трудозатрат.

Итак, перечислим некоторые основные характеристики процессоров.

Частота ядра – частота, на которой работают внутренние элементы процессора: внутренняя шина, арифметическо-логическое устройство (АЛУ), внутренняя память процессора. Например – 2,4 ГГц, 4,8 ГГц.

Частота и поддерживаемый тип системной шины – шины для передачи адресов и данных на системной плате. Например – 400 МГц FSB (Front Side Bus).

Двоичная совместимость – с приложениями, написанными для предыдущих моделей процессора. Например – полная двоичная совместимость.

Тип сокета – тип монтажного разъёма, в который вставляется процессор при сборке ПК. Например – 423, 478 и т.д.

Тип технологического процесса – обычно указывается ширина дорожки проводника на кристалле. Например – 0,13 мкм, 90 нм, 45 нм.

Поддержка новых технологий внутренней работы процессора – архитектуры, наборов команд. Например – Hyper Threading, Net Burst, SSE3.

От правильного выбора этих параметров будет зависеть не только производительность компьютера сегодня, но и возможность его модернизации («апгрейд») через год, два и более.

Система охлаждения. Вентиляторы МП и корпуса являются необходимыми элементами создания правильного температурного режима работы процессора и всех компонентов, находящихся внутри закрытого пространства корпуса. Это критично также и для системной платы, жёсткого диска и видеокарты.

Системная плата («материнская»)коммутирует все отдельные платы и компоненты ПК: микропроцессор, оперативную память, жёсткий диск и от ее характеристик во многом зависит работа ПК. В IBM-совместимых ПК системная плата выполняет минимально необходимые (базовые) функции, а остальным занимаются присоединенные к ней платы расширения. Большая часть устройств системной платы помещена в одну или несколько СБИС (сверхбольших микросхем), называемых набором микросхем (chipset). От этого набора в значительной степени зависят характеристики системной платы и всего ПК. Говорят, что свойства системной платы не могут быть лучше свойств «чипсета», на котором она изготовлена. Из многих производителей чипсетов можно отметить (кроме самих производителей процессоров – Intel и AMD) фирмы ATI и MSI. Они же изготавливают и хорошие системные платы для всех видов ПК. Для серверов высоким качеством отмечена продукция фирмы Tyan.

Из множества характеристик плат укажем лишь практически применимые:

тип применяемого процессора – все системные платы ориентированы на конкретные типы микропроцессоров;

качество изготовления самой платы – применение высококачественного стеклотекстолита, который не деформируется в течение времени под воздействием непредсказуемого градиента температур, слабых, но продолжительных механических нагрузок, кратковременных ударов при монтаже, сохранение свойств платы при попадании на неё элементов пыли, жидкости, теплопроводящей пасты, применяемой при монтаже процессора. Например – качественные платы из красного стеклотекстолита фирмы MSI;

гибкость конфигурации – наличие перспективного сокета под процессор, наличие достаточного количества разъёмов для расширения памяти, подключения внутренних дополнительных плат и внешних устройств, как в первоначальном варианте, так и с течением времени, когда задачи и потребности пользователя могут измениться. Например – перспективный сокет, имеющий 4 линейки ОЗУ, 2 разъёма для подключения жёстких дисков по протоколу SATA, 2 разъёма для подключения жёстких дисков по протоколу SATA II и т.д.;

форм-фактор системной платы – геометрический стандарт изготовления, который определит типы корпусов, в которые плата может быть размещена. Например – MicroVAX, которая войдёт в маленький аккуратный корпус типа Tower.

Оперативная память или RAM (Random Access Memory) – выполняется в виде прямоугольной пластины из стеклотекстолита в виде линейки, на которой расположен набор микросхем динамической памяти, которая адресуется произвольно (Random), имеет минимальное время доступа в сравнении со всеми остальными видами памяти, но сохраняет информацию только до момента выключения питания. Технологические требования плотности расположения элементов на кристалле БИС достаточно специфичны. По этой причине список производителей микросхем RAM весьма ограничен. Это Micron и Samsung, а также Hyundai, Infineon, Win bond. Лидером разработки микросхем и выпуска качественных модулей остаётся американская корпорация Micron. Цена её быстрых и качественных модулей выше средней, поэтому найти новый «родной» Micron на нашем рынке достаточно сложно. Также можно отметить американскую марку Transcend.

Для сравнения оперативной памяти в качестве основных параметров стоит рассматривать следующие:

частота шины памяти – допустимая частота внешнего обмена данными. Например – 166 МГц, 200 МГц;

тип протокола обмена – почти все производители RAM перешли на DDR (Double Data Rate), когда обмен происходит по каждому фронту тактового импульса. Например – DDR2, DDR3;

архитектура модуля, количество корпусов БИС – внутреннее построение модуля, его разбиение на банки данных с соответствующими особенностями адресации и шириной внутренней шины. Например – 1 ГБ, 2 банка по 512 МБ или 4 банка по 256 МБ;

наличие SPD – Serial Presents Detect показывает при загрузке и работе серийный номер, производителя модуля памяти и некоторые его характеристики.

Жесткий диск – сложное энергонезависимое ЗУ, объединяющее в себе электронику (контроллер диска), магнитные материалы (сам диск и его поверхность), физику твёрдого тела (вращение) и аэродинамику (полёт головок над быстро вращающейся поверхностью). Диск с магнитной поверхностью вращается на шпинделе, над диском располагаются магнитные головки, которые производят запись-считывание информации с поверхности вращающегося диска. Сложнейшее устройство хранения информации традиционно выпускалось технологическими лидерами IBM, Hitachi, Seagate, Maxtor, Western Digital. Сегодня лидирующие позиции удерживают WD и Seagate.

Как и у остальных устройств, выделим часть параметров в качестве основных.

Тип интерфейса – тип обмена данных между диском и системной платой. Например – АТА-6 133 МБ/с, SАТА-II 300 МБ/с.

Ёмкость жёсткого диска – 80 ГБ, 160 ГБ.

Количество дисков – физическое количество вращающихся пластин. Например – 1 диск, 2 диска.

Скорость вращения шпинделя – 7,5 тыс. об./мин, 5,4 тыс. об./мин (RPM).

Среднее ожидание сектора – среднее время подвода головки к заданному сектору (Average Latency).