Основы эвм и ее использование для управления технологическими процессами. Понятия о высоких технологиях

 

Основные типы ЭВМ

 

 В 1955—1960 гг. серийно выпускались машины первого поколения, элементной базой которых являлись радиоэлектронные лампы. Эти ЭВМ предназначались для численного решения научно-технических задач, требовавших большого количества вычислительных операций при малом объеме вводимых и выводимых данных.

Машины второго поколения (1960—1965 гг.) собирались на полупроводниковых диодах и транзисторах, что позволило резко уменьшить потребляемую мощность и повысить надежность работы ЭВМ.

С 1965 г. начали выпускаться ЭВМ третьего поколения, элементной базой которых являются интегральные микросхемы малой и средней степени интеграции. При уменьшении потребляемой мощности, массы и габаритов появилась возможность создавать более надежные машины, в которых многие ошибки обнаруживаются и исправляются в процессе вычислений. При проектировании машин третьего поколения во всем мире проявилась тенденция разработки серий ЭВМ. При этом машины одной серии имели информационную, программную и аппаратурную совместимость.

Информационная совместимость означает единый способ кодирования информации и форматов представления данных. Это позволяет использовать данные, подготовленные на одной модели серии, для непосредственной обработки на других машинах той же серии.

Программная совместимость достигается применением во всех машинах единой системы команд, что позволяет использовать программное обеспечение, разработанное для одной машины, на всех машинах, входящих в серию.

Аппаратурная совместимость обеспечивается стандартизацией элементов, узлов и устройств, электрических разъемов моделей и электрических параметров сигналов. Аппаратурная совместимость создает возможность подключения к процессору любой ЭВМ самых разнообразных периферийных устройств, возможность для наращивания и развития любой ЭВМ.

В 70-е гг. появились машины четвертого поколения, элементной базой которых являются большие интегральные схемы (БИС), содержащие десятки тысяч транзисторов на одном кристалле. Использование БИС позволило заменить энергоемкую и нетехнологичную ферритовую память полупроводниковой, что привело к резкому увеличению емкости памяти данных и программ. Увеличение емкости оперативной памяти, а также применение БИС в периферийных устройствах позволили создать «интеллектуальные» терминалы и «дружественное» программное обеспечение, значительно упростившие общение человека с ЭВМ. Развитие элементной базы постепенно изменяет соотношение между программными и аппаратурными средствами таким образом, что многие операции, выполнявшиеся в ЭВМ первых поколений программным путем, теперь выполняются аппаратурными средствами. Это приводит к повышению быстродействия и к существенному снижению затрат на программирование. Еще одним характерным признаком машин четвертого поколения является постепенная замена электромеханических внешних устройств электронными.

Однако в зависимости от конкретной области применения разработано несколько основных типов ЭВМ, существенно отличающихся по своим количественным характеристикам, структуре аппаратурных и программных средств и объему подключаемых к ним периферийных устройств. В наиболее общем виде средства ВТ можно подразделять на сверхпроизводительные ЭВМ (системы), ЭВМ общего назначения, малые ЭВМ, микроЭВМ и микропроцессоры. Успехи в области микроэлектроники и программного обеспечения делают приведенное распределение достаточно условным, так как границы между типами машин существенно меняются очень быстро.

Сверхпроизводительные машины используются для решения особо сложных технических задач, задач обработки больших объемов данных в реальном времени. Такие машины должны обладать очень большой производительностью.

В этих условиях естественным способом дальнейшего увеличения производительности является создание многомашинных или многопроцессорных вычислительных систем, позволяющих распараллеливать вычислительный процесс. Помимо более высокой производительности многопроцессорные системы обладают и более высокой надежностью, так как система остается работоспособной, пока исправен хотя бы один модуль каждого типа.

ЭВМ общего назначения. Машины первого поколения предназначались для решения только научно-технических задач, не требовавших ввода и вывода большого объема информации.

Во втором поколении ЭВМ появились специальные машины, ориентированные на планово-экономические, учетные и статистические задачи, т. е. задачи обработки данных. Эти задачи связаны с вводом, хранением и выводом очень больших массивов цифро-буквенной информации, что привело к существенному расширению количества и типов внешних (периферийных) устройств ЭВМ. В первую очередь к ним относятся внешние запоминающие устройства (ВЗУ) на магнитных дисках и лентах, устройства ввода — вывода информации с перфокарт и перфолент, устройства ручного ввода данных (клавиатуры дисплеев и электрифицированных пишущих машинок) и ввода данных, поступающих по каналам связи (телетайп), устройства отображения и регистрации (дисплеи, печатающие устройства, графопостроители).

Машины третьего поколения в основном разрабатывались и выпускались в виде серий, что позволило комплектовать из стандартных блоков аппаратурных и программных средств такую вычислительную систему, которая необходима для конкретного пользователя. Поэтому машины, входящие в единую систему ЕС ЭВМ оказались пригодными для решения как научно-технических задач, так и задач обработки данных, и их стали называть электронно-вычислительными машинами общего назначения. Эти ЭВМ имеют высокое быстродействие, многоразрядное машинное слово и широкий набор периферийных устройств.

Для обеспечения одновременной работы внешних устройств в состав ЭВМ общего назначения включаются вспомогательные процессоры, управляющие каналами ввода - вывода информации. При этом мультиплексный канал одновременно обслуживает несколько параллельно работающих «медленных» периферийных устройств, а селекторный канал предназначается для монопольного обслуживания одного из нескольких быстродействующих устройств. Чтобы обмен информацией между модулями ЭВМ и быстродействующими периферийными устройствами протекал с максимально возможной скоростью, используется параллельный способ передачи данных по трактам передачи.

Универсальность машин общего назначения, заключающаяся в большой скорости переработки информации при больших потоках входных и выходных данных, приводит к повышенной сложности аппаратурных и программных средств, высокой стоимости их производства и эксплуатации. Поэтому такие машины целесообразно применять только для решения достаточно крупных задач.

Мини-ЭВМ применяются для решения более простых, но и более распространенных задач. В этих случаях можно ослабить требования к быстродействию, объему оперативной памяти, количеству внешних устройств и скорости обмена информацией с ними; одновременно ужесточаются требования к стоимости производства и эксплуатации ЭВМ, ее массогабаритным параметрам, условиям эксплуатации.

Мини-ЭВМ имеют все характерные черты больших ЭВМ, а отличаются от них в первую очередь меньшей разрядностью трактов обработки и передачи информации. Вторым существенным отличием малых ЭВМ от больших является магистрально-модульная структура, основу которой составляет общая многоразрядная линия связи (общая магистраль, общая шина). Все устройства машины выполняются в виде конструктивно законченных модулей и подключаются к общей шине, через которую производится обмен информацией.

В результате эти два отличия позволили резко уменьшить объем аппаратурных средств, снизить стоимость, уменьшить габариты и массу, упростить обслуживание и ремонт ЭВМ. Машины этого семейства предназначены для крупносерийного производства и легко приспосабливаются к решению разнообразных задач в различных условиях эксплуатации.

Микропроцессорная техника и микроЭВМ. Развитие техники потребовало максимального приближения управляющих систем к объекту управления. Становится типичной ситуация, когда не только отдельный цех или технологическая линия, но даже и отдельный станок или измерительный прибор имеет свой центр управления - микроЭВМ. Применить децентрализованное управление, повышающее надежность и экономичность систем, оказалось возможным только после появления достаточно дешевых малогабаритных и универсальных элементных модулей: больших интегральных схем микропроцессоров (БИС МП).

Применение специализированных БИС становится выгодным только при высокой серийности изделий. Разрешение этого противоречия (высокая степень интеграции — узкая специализация) было найдено в производстве универсальных БИС, логика работы которых определяется не только внутренними связями, но и подаваемыми извне командами, т. е. программным управлением. Такая стандартная универсальная БИС получила название микропроцессора (МП БИС), так как она получена методами микроэлектронной технологии и способна, как и основное устройство ЭВМ — процессор, работать по изменяемой программе.

МП БИС, вобравшие в себя достижения интегральной технологии и универсальность вычислительной техники, обладают сравнительно низкой стоимостью, высокой серийностью и универсальностью применения. МП БИС наиболее совершенная элементная база для построения самой разнообразной аппаратуры, она пришла на смену ИС.

На основе МП БИС строят МП системы или микроЭВМ. Объединив на одной плате большие интегральные схемы микропроцессора, ОЗУ, ПЗУ и устройства управления вводом — выводом, получили одноплатную микроЭВМ. По своим логическим возможностям и скорости выполнения основных операций микроЭВМ практически не уступает мини-ЭВМ. Однако из-за ограниченного числа выводов корпусов БИС в микроЭВМ не удается организовать адресацию большого объема памяти, подключение большого количества внешних потребителей и источников информации, обмен многоразрядной информацией. Поэтому области применения микроЭВМ ограничены задачами, не связанными с обменом большими объемами информации.

Внедрение микропроцессоров и ЭВМ на их основе создало реальные возможности использования ЭВТ в сфере образования. Однако создание массовой вычислительной техники — это, по сути дела, создание персональных ЭВМ (ПЭВМ), которые находятся на рабочем месте. В этом отношении ПЭВМ становятся как бы бытовой техникой, и к ним применимо большинство требований, предъявляемых к сложной бытовой технике: небольшая стоимость, высокая надежность, простота эксплуатации и ремонта.

Очевидно, что при массовом внедрении вычислительной техники в школы ее надежность, простота эксплуатации и ремонта должны быть такими, чтобы ее обслуживанием занимался минимальный по численности персонал. Во избежание чрезмерно больших затрат материальных и трудовых ресурсов на их эксплуатацию и обслуживание необходимо, чтобы сами ЭВМ были чрезвычайно надежными, а их конструкция и математическое обеспечение позволили вести эксплуатацию любому учителю.

Благодаря малой стоимости, массе и габаритам высоконадежные микропроцессорные системы находят разнообразное применение в качестве встроенных устройств контроля и управления различными машинами, технологическими установками, бытовыми приборами, средствами связи и т.п. Обычно специализированная микропроцессорная система выполняет очень ограниченный набор алгоритмов, и поэтому она может иметь небольшой объем ПЗУ и ОЗУ, простое устройство ввода — вывода, малоразрядный процессор. В результате специализированная система зачастую получается много проще и дешевле универсальной микроЭВМ.

Многообразны типы ЭВТ, значительно отличаются их возможности и параметры. Однако принципы, положенные в основу работы этой техники, едины. Центральным блоком, реализующим переработку информации в любом типе ЭВМ, является процессор.

 

Классификация ЭВМ

 

Для лучшего понимания и более продуктивного использования ЭВМ их принято классифицировать по ряду основных признаков специализации, техническим параметрам и по форме представления чисел.

Специализация ЭВМ предусматривает три основных класса машин: универсальные, специального назначения и управляющие.

Универсальные ЭВМ обеспечивают решение любого алгоритма с частой сменой задач.

Специального назначения ЭВМ (специализированные) предназначены для решения задач только определенного класса. Это позволяет конструировать их с необходимыми объемами памяти, определенным быстродействием, специальным управлением и записью полученных результатов. Программы решений в специализированных машинах разрабатываются заранее и записываются в постоянное запоминающее устройство при изготовлении машины.

Управляющие ЭВМ предназначены для управления сложными процессами. Они включаются в систему управления. На вход управляющих машин поступает информация о текущих значениях контролируемых параметров. Машина обрабатывает эту информацию в соответствии с заранее составленным алгоритмом управления, рассчитывает значения управляющих величин и выдает сигналы в систему управления для воздействия на объект управления. В этом случае ЭВМ выполняет непосредственно функции управления, контролируя одновременно оптимальность параметров.

Технические параметры, характеризующие ЭВМ, включают в себя следующие основные показатели: быстродействие, объем памяти, габариты и потребляемую мощность. В соответствии с этими показателями ЭВМ подразделяются на большие, средние и малые (подобное деление условное).

 

Структура ЭВМ

 

ЭВМ представляют собой достаточно сложные устройства, состоящие из ряда соединенных между собой отдельных блоков, обеспечивающих ввод информации в машину, ее хранение, арифметическое и логическое преобразование, вывод информации и управление работой входящих в ЭВМ блоков. ЭВМ могут отличаться друг от друга конструктивным исполнением, быстродействием, точностью решения задач, но все они содержат пять основных устройств. Структурная схема ЭВМ представлена в соответствии с рисунком 110.

Рисунок 110

Устройство ввода информации (УВИ)используется для ввода данных, необходимых для вычислительного процесса, а также для ввода программы, определяющей алгоритм обработки этих данных.

Запоминающие устройства (ЗУ) хранят данные, необходимые для вычислений, промежуточные данные вычислений и конечные результаты перед выводом. Они также содержат команды, управляющие действиями вычислительной машины над хранимыми данными. Информация по мере необходимости выводится из него и передается в арифметическое устройство. После выполнения необходимых вычислений информация вновь вводится в запоминающее устройство. По своему назначению запоминающие устройства подразделяются на оперативные, постоянные и внешние.

Оперативные запоминающие устройства имеют незначительную емкость хранения, но обладают высоким быстродействием. В них хранится информация, необходимая для решаемых в данный момент задач.

Постоянное запоминающее устройство предназначено для хранения программ и постоянных значений некоторых данных (констант).

Внешние запоминающие устройства (иногда их называют «накопители информации») обладают большой емкостью и низким быстродействием. Они чаще всего выполняются на магнитных дисках.

В процессе решения задач между всеми видами запоминающих устройств происходит обмен информацией.

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) выполняет вычисления и расчеты. Это устройство может получать числа и выполнять над ними арифметические операции, такие, как сложение, вычитание, умножение, деление и логические — И, ИЛИ. Арифметическо-логическое устройство должно иметь регистры для хранения числовой информации. Количество этих регистров зависит от класса машины. Арифметические операции могут выполняться последовательно и параллельно. В современных ЭВМ все арифметические операции выполняются параллельно.

Устройство вывода (УВ) предназначено для автоматической выдачи результатов вычислений в виде, удобном для дальнейшего использования. Результаты вычислений обычно выводятся на печатающее устройство. Вывод может осуществляться также на внешние запоминающие устройства. Если необходим практически мгновенный выход, то используются дисплеи (вывод информации на телевизионный экран). Когда ЭВМ применяется в измерительных или управляющих системах, то каналы вывода данных могут быть использованы для управления физическим процессом (например, для регулирования электрического напряжения).

Устройство управления (УУ) предназначено для обеспечения автоматического выполнения программы вычислений, введенной в машину. Оно имеет связь со всеми устройствами машины и организует выполнение следующих функций: автоматический ввод программы и исходных данных в машину; выбор команд программы из запоминающего устройства для выполнения операций; выбор чисел из запоминающего устройства; выполнение операций и запись результата операции в запоминающее устройство по новому адресу; выдача результатов вычислений из машины; контроль и ручное управление машиной со стороны оператора. Устройство управления вырабатывает импульсы тактовой частоты, определяющие порядок работы машины.

 

Структура ПЭВМ

 

При желании комплект ЭВМ может быть расширен путем подключения стандартных внешних устройств для организации более удобной связи с программистом, документирования или хранения информации. Могут быть введены пульт программиста - клавиатура для занесения новых программ и инструкций, дисплей - средство для визуального отображения текстовой и графической информации, накопитель на внешние запоминающие устройства для долговременного хранения информации, графопостроитель при необходимости автоматического вычерчивания чертежей и другие устройства. Все перечисленное наглядно изображено в соответствии с рисунком 111.

Рисунок 111

 Сочетание клавиатуры и дисплея, объединенных в единое устройство, называют терминалом ЭВМ.