Шестое и последующие поколения ЭВМ

Электронные и оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом, нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем, распознающие сложные образы.

Они были предназначены для решения сложных задач, требовавших высокой скорости вычислений. Это LARC фирмы UNIVAC, Stretch фирмы IBM и "CDC-6600" (семейство CYBER) фирмы ControlDataCorporation, в них были применены методы параллельной обработки (увеличивающие число операций, выполняемых в единицувремени), конвейеризация команд (когда во время выполнения одной команды вторая считывается из памяти и готовится к выполнению) и параллельная обработка при помощи процессора сложной структуры, состоящего из матрицы процессоров обработки данных и специального управляющего процессора, который распределяет задачи

Рисунок 11 - IBM и "CDC-6600

 

и управляетпотоком данных в системе. Компьютеры, выполняющие параллельно несколько программ при помощи нескольких микропроцессоров, получили название мультипроцессорных систем.

 

 

8.Вопросы:

1. Перечислите два основных события нулевого поколения.
2. Что использовалось в оперативных запоминающих устройствах?
3. Что представил Джек Кибли в 1959г.?
4. Кто и когда создал первый персональный компьютер?

5. Сформулировать основную концепцию ЭВМ пятого поколения.

 

ТЕМА 2:

"Структурная и функциональная схема ЭВМ"

Содержание:

1. Основные структуры ЭВМ:

1.1С общей шиной

1.2С общей памятью

1.3Распределительная структура

2. Основные устройства:

2.1Счётчик команд

2.2Регистры

2.3Дешифратор

2.4АЛУ

2.5Основная память

3. Вопросы

 

Основные структуры ЭВМ

С общей шиной

При организации ЭВМ на основе общей шины (ОШ) взаимодействие между ее устройствами осуществляется через общую шину, к которой подключены все устройства, входящие в состав ЭВМ.

 

 

Рисунок 12 - Структура ЭВМ на основе ОШ

Взаимодействие между всеми устройствами ЭВМ осуществляется в режиме разделения времени общей шины (т.е. поочередно). Общая шина не обеспечивает высокой пропускной способности, что ограничивает число подключаемых устройств и общую производительность ЭВМ. Однако простота реализации обеспечили широкое использование такой структуры в ранних мини-ЭВМ и персональных компьютерах, а также в контроллерах - небольших специализированных микропроцессорных системах, предназначенных для управления производственными и бытовыми устройствами и приборами.

 

 

Рисунок 13 - Структура ЭВМ с единым интерфейсом

Наибольшее распространение имеют три основные (типовые) конфигурации (структуры) ВК (ЭВМ). Первая, простейшая, строится на основе единого интерфейса (ОШ) (Рисунки 12 и 13).

 ОШ здесь выполнена как двунаправленная асинхронная магистраль. Через нее обмениваются информацией все устройства. Обмен осуществляется по принципу «ведущий – ведомый».

Основная память в этой структуре всегда пассивна. Активным может быть ЦП или КПУ. Для подключения ПУ к ЭВМ (к ОШ) используется контроллер ПУ (КПУ), выполняющий роль устройства управления при обмене информацией с другими устройствами. Для каждого типа ПУ используется свой тип контроллера: контроллер клавиатуры, принтера, монитора и т. п. Ведущее устройство выставляет запрос на обмен, т. е. фактически запрос на захват ОШ. Получив ОШ в свое распоряжение, ведущее устройство выставляет адрес ведомого устройства и управляет обменом информации с ним по ОШ, посылая необходимую адресную и управляющую информацию. Например, при обмене с ОП – адрес ячейки ОП и сигнал чтения/записи. Такую структуру имеют обычно мини – и микро-ЭВМ: РДР/11, СМ ЭВМ. Достоинства: простота структуры и обмена информации по ОШ.

Недостатки: при большом количестве устройств ПУ, в частности, ОШ становится «узким» местом в системе ввиду ее ограниченной пропускной способности. Активные устройства при большой загрузке ОШ достаточно часто (все с большей вероятностью) обнаруживают ОШ занятой обменом с другими устройствами и вынуждены ждать ее освобождения. Ожидание в очереди на обмен ограничивает производительность ВК.

Как быть? Как уменьшить простои устройств и, следовательно, увеличить производительность? Первый способ – увеличить пропускную способность ОШ, если можно. Если нельзя, то применить второй способ – использовать несколько интерфейсов: два, три и т. д.

 Второй недостаток: при большом количестве ПУ становятся ощутимыми затраты оборудования на их подключение к ОШ, т. е. суммарные затраты оборудования на реализацию КПУ.

 В силу указанных недостатков единый интерфейс находит применение в тех случаях, когда количество ПУ невелико (до 10-15 штук), т. е. в микро-ЭВМ. В тех случаях, когда количество ПУ велико (более 10-15), использование ОШ неэффективно.

 

С общей памятью

  ЭВМ имеет две разновидности: ЭВМ с общей и индивидуальной памятью.

 

 

Рисунок 14 - Структуры ЭВМ с общей памятью

Главное различие между ЭВМ с общей и индивидуальной (локальной, распределенной) памятью состоит в характере адресной системы. В машинах с общей памятью адресное пространство всех процессоров является единым, следовательно, если в программах нескольких процессоров встречается одна и та же переменная X, то эти процессоры будут обращаться в одну и ту же физическую ячейку общей памяти. Это вызывает как положительные, так и отрицательные последствия:

1) Наличие общей памяти не требует физического перемещения данных между взаимодействующими программами, которые параллельно выполняются в разных процессорах. Это упрощает программирование и исключает затраты времени на межпроцессорный обмен.

2) Несколько процессоров могут одновременно обращаться к общим данным и это может привести к получению неверных результатов. Чтобы исключить такие ситуации, необходимо ввести систему синхронизации параллельных процессов, что усложняет механизмы операционной системы.

3) Поскольку при выполнении каждой команды каждым процессором необходимо обращаться в общую память, то требования к пропускной способности коммутатора этой памяти чрезвычайно высоки, что и ограничивает число процессоров в системах с общей памятью величиной 10...20.

В системах с индивидуальной памятью каждый процессор имеет независимое адресное пространство и наличие одной и той же переменной X в программах разных процессоров приводит к обращению в физически разные ячейки индивидуальной памяти этих процессоров. Это приводит к необходимости физического перемещения данных между взаимодействующими программами в разных процессорах, однако, поскольку основная часть обращений производится каждым процессором в собственную память, то требования к коммутатору ослабляются и число процессоров в системах с распределенной памятью и коммутатором типа гиперкуб может достигать нескольких десятков и даже сотен.

Распределительная структура

Магистральность – это способ соединения между различными модулями компьютера, когда входные и выходные устройства модулей соединяются одними и теми же проводами, совокупность которых называется шиной. Магистраль компьютера состоит из нескольких групп шин, разделяемых по функциональному признаку — шина адреса, шина данных, шина управления.

Микропрограммируемость – это способ реализации принципа программного управления. Суть его состоит в том, что принцип программного управления распространяется и на реализацию устройства управления. Другими словами, устройство управления строится точно так же, как и весь компьютер, только на микроуровне, т.е. в составе устройства управления имеется своя память, называемая управляющей памятью или памятью микрокоманд, свой «процессор», свое устройство управления и т. д.

Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры ЭВМ. Централизованное управление осуществляет устройство управления главного, или центрального, процессора. Подключаемые к центральному процессору модули (контроллеры и КВВ) могут, в свою очередь, использовать специальные шины или магистрали для обмена управляющими сигналами, адресами и данными. Инициализация работы модулей обеспечивается по командам центральных устройств, после чего они продолжают работу по собственным программам управления. Результаты выполнения требуемых операций представляются ими “вверх по иерархии” для правильной координации всех работ.

Иерархический принцип построения и управления характерен не только для структуры ЭВМ в целом, но и для отдельных ее подсистем.

 

 

 

 

Рисунок 15 – Иерархия ЭВМ

 

Наиболее распространенной является структура вычислительной системы (ВС), имеющая две или три (в большинстве случаев) общих магистрали (шины), к которым под воздействием устройств управления могут поочередно подключаться  входящие в систему узлы.

 

 

Рисунок 16 – Структура вычислительной системы с 3-мя общими магистралями

Основные устройства

2.1Счётчик команд

Счетчик команд — регистр процессора, содержащий адрес текущей выполняемой команды. В зависимости от архитектуры содержит либо адрес инструкции, которая будет выполняться, либо той, которая выполняется в данный момент.

В большинстве процессоров, после выполнения команды, если она не нарушает последовательности команд (например, команда перехода), счетчик автоматически увеличивается (постинкремент). Понятие счётчика команд сильно связано с фон Неймановской архитектурой, одним из принципов которой является выполнение команд друг за другом в определенной последовательности.

 

Регистры

Регистр процессора — блок ячеек памяти, образующий сверхбыструю оперативную память (СОЗУ) внутри процессора; используется самим процессором и большой частью недоступен программисту: например, при выборке из памяти очередной команды она помещается в регистр команд, к которому программист обратиться не может. (Имеются также регистры, которые в принципе программно доступны, но обращение к ним осуществляется из программ операционной системы, например, управляющие регистры и теневые регистры дескрипторов сегментов.Этими регистрами пользуются в основном разработчики операционных систем).

Набор регистров микропроцессора включает:

§ РОНы;

§ сегментные регистры;

§ указатели команд и регистр флагов;

§ регистры управления;

§ регистры адреса системы;

§ регистры отладки;

§ регистры тестирования.

Всего микропроцессор содержит 32 регистра, из которых 15 регистров могут адресоваться пользователем, кроме этого имеется указатель команд и 16 системных регистров недоступных пользователю. Все 16-тиразрядные регистры микропроцессоров 8086, 80186, 80286 содержатся в 32-разрядных регистрах микропроцессора 80i386.

 

Дешифратор

Дешифратор (декодер) — комбинационное устройство, преобразующее n-разрядный двоичный, троичный или k-ичный код в-ичныйодноединичный код, где — основание системы счисления. Логический сигнал появляется на том выходе, порядковый номер которого соответствует двоичному, троичному или k-ичному коду.

Дешифраторы являются устройствами, выполняющими двоичные, троичные или k-ичные логические функции (операции).

 

                                          Рисунок 17 - Пример дешифратора 2х4

2.4АЛУ (Арифметико-логическое  устройство)

АЛУ - предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор).

Функционально АЛУ состоит обычно из двух регистров, сумматора и схем управления.

Рисунок 18 - 4-битного АЛУ 74181

Основная память

Основная память (ОП) предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

ПЗУ (ROM) предназначено для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации; позволяет оперативно только считывать информацию, хранящуюся в нем (изменить информацию в ПЗУ нельзя);

ОЗУ (RAM) предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени.

Главным достоинством оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка оперативной памяти следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).

Кроме основной памяти на системной плате ПК имеется и энергонезависимая память CMOSRAM, постоянно питающаяся от своего аккумулятора; в ней хранится информация об аппаратной конфигурации ПК (о всей аппаратуре, имеющейся в компьютере), которая проверяется при каждом включении системы.

 

3.Вопросы:

 

1. В каком режиме осуществляется взаимодействие между всеми устройствами ЭВМ?

2. Различие между ЭВМ с общей и индивидуальной памятью.

3. Дать определение магистральности.

4. Дать определение микропрограммируемости. В чём заключается её суть?

5. Что такое счётчик команд?

6. Перечислить набор регистров микропроцессора.

7. Для чего предназначены основная память(ОП), ПЗУ, ОЗУ?

 

ТЕМА 3:

"Представление данных в ЭВМ"

Содержание:

1.Системы счисления

2.Общая формула счисления

3.Двоичная, троичная, восьмеричная, 16-ричная системы счисления

4. Перевод из десятичной системы счисления в другие

5. Вопросы

 

 

Системы счисления

Система счисления — символический метод записи чисел, представление чисел с помощью письменных знаков.

Система счисления:

· даёт представления множества чисел (целых и/или вещественных);

· даёт каждому числу уникальное представление (или, по крайней мере, стандартное представление);

· отражает алгебраическую и арифметическую структуру чисел.

Системы счисления подразделяются на позиционные, непозиционные и смешанные. Чем больше основание системы счисления, тем меньшее количество разрядов (то есть записываемых цифр) требуется при записи числа в позиционных системах счисления.

 

Римская система счисления

Каноническим примером почти непозиционной системы счисления является римская, в которой в качестве цифр используются латинские буквы:

 I обозначает 1,

 V — 5,

 X — 10,

 L — 50,

 C — 100,

 D — 500,

 M — 1000

Например, II = 1 + 1 = 2

Здесь символ I обозначает 1 независимо от места в числе.

На самом деле, римская система не является полностью непозиционной, так как меньшая цифра, идущая перед большей, вычитается из неё, например:

IV = 4, в то время как:

 VI = 6

Система счисления майя

Майя использовали 20-ричную систему счисления за одним исключением: во втором разряде было не 20, а 18 ступеней, то есть за числом (17)(19) сразу следовало число (1)(0)(0). Это было сделано для облегчения расчётов календарного цикла, поскольку (1)(0)(0) = 360 примерно равно числу дней в солнечном году.

Для записи основными знаками были точки (единицы) и отрезки (пятёрки).

Кипу инков

Прообразом баз данных, широко использовавшихся в Центральных Андах (Перу, Боливия) в государственных и общественных целях в I—II тысячелетии н. э., была узелковая письменность Инков — кипу, состоявшая как из числовых записей десятичной системы, так и не числовых записей в двоичной системе кодирования. В кипу применялись первичные и дополнительные ключи, позиционные числа, кодирование цветом и образование серий повторяющихся данных. Кипу впервые в истории человечества использовалось для применения такого способа ведения бухгалтерского учёта как двойная запись

В позиционных системах счисления один и тот же числовой знак (цифра) в записи числа имеет различные значения в зависимости от того места (разряда), где он расположен. Изобретение позиционной нумерации, основанной на поместном значении цифр, приписывается шумерам и вавилонянам; развита была такая нумерация индусами и имела неоценимые последствия в истории человеческой цивилизации. К числу таких систем относится современная десятичная система счисления, возникновение которой связано со счётом на пальцах. В средневековой Европе она появилась через итальянских купцов, в свою очередь заимствовавших её у мусульман.

Под позиционной системой счисления обычно понимается b-ричная система счисления, которая определяется целым числом b > 1, называемым основанием системы счисления. Целое число x в b-ричной системе счисления представляется в виде конечной линейной комбинации степеней числа b: , где ak — это целые числа, называемые цифрами, удовлетворяющие неравенству.

 

Каждая степень bk в такой записи называется весовым коэффициентом разряда. Старшинство разрядов и соответствующих им цифр определяется значением показателя k (номером разряда). Обычно для ненулевого числа x требуют, чтобы старшая цифра an − 1 в его b-ричном представлении была также ненулевой.

Если не возникает разночтений (например, когда все цифры представляются в виде уникальных письменных знаков), число x записывают в виде последовательности его b-ричных цифр, перечисляемых по убыванию старшинства разрядов слева направо:

Например, число сто три представляется в десятичной системе счисления в виде:

Наиболее употребляемыми в настоящее время позиционными системами являются:

1 — единичная[1] (счёт на пальцах, зарубки, узелки «на память» и др.);

2 — двоичная (в дискретной математике, информатике, программировании);

3 — троичная;

8 — восьмеричная;

10 — десятичная (используется повсеместно);

12 — двенадцатеричная (счёт дюжинами);

16 — шестнадцатеричная (используется в программировании, информатике);

60 — шестидесятеричная (единицы измерения времени, измерение углов и, в частности, координат, долготы и широты).

Общая формула счисления

x=a_kb^k(n-1)

Кроме графического счисления, учет движения судна может производиться по формулам аналитическим методом.

Аналитическим счислением называется вычисление приращений к исходным координатам, обусловленным движением судна, с помощью которых определяются счислимые координаты на заданный момент времени.

Аналитическое счисление может быть табличным, когда задачи счисления решают с использованием таблиц и автоматизированным, когда решение получают с помощью вычислительных машин. Аналитическое счисление применяется при плавании вдали от берегов на океанских переходах, когда ведение прокладки на картах мелкого масштаба становится неточным из-за больших погрешностей графических построений. Кроме того, аналитическое счисление применяется при решении астрономических задач, когда вычисляются координаты счислимых мест. Оно может применяться при вычислении обсервованных координат при разновременных линиях положения для приведения наблюдений к одному моменту и, наконец формулы аналитического счисления заложены во все автоматические счислители координат и путепрокладчики.

Получим основные формулы аналитического счисления. Предположим, что судно находилось в точке отшествия А (Рисунок  7.1) с известными координатами φ1, λ1 и, следуя постоянным курсом по локсодромии, пришло в точку пришествия В с координатами φ2, λ2. Если будут известны сделанные судном РШ и РД, то координаты точки В легко получить из соотношений.