Лекция 4




НазваниеЛекция 4
страница5/7
Дата31.12.2012
Размер0.54 Mb.
ТипЛекция
1   2   3   4   5   6   7

Структура и особенности управляющих вычислительных комплексов


Основные отличая управляющих вычислительных комплексов {Егоров}состоят в следующем.


Модульность. Распространяется на функциональный и конструктивный уровень. Примеры модулей: модуль основного арифметического устройства, модуль ОЗУ, модуль вывода данных на печать.

Укороченное слово. Большинство датчиков, измеряющих физические величины, подлежащие дальнейшей обработке управляющим комплексом, имеют точность 0,1-1,0 %. Для представления этих данных достаточно оперировать с числами длиной 12-14 двоичных разрядов. Для вычислительного комплекса удобно иметь 16-ти разрядное слово, что позволяет получить более высокое быстродействие центрального процессора.

Уменьшенный объем оперативного запоминающего устройства. Объем прямоадресуемой оперативной памяти первых управляющих вычислительных комплексов составлял 8-128 Кбайт.

Архитектура «общей шины». Ускоряет пересылки данных между центральным процессором и оперативной памятью и внешними устройствами, а также допускает проведение обмена параллельно с работой центрального процессора (режим прямого доступа в память), что обеспечивает ограниченный мультипрограммный режим работы.

Простая и дешевая периферия. Периферийные и внешние запоминающие устройства предъявляли более низкие требования по быстродействию по сравнению с универсальными машинами, что позволяло сделать их более простыми и следовательно и более дешевыми.


Специализированное программное обеспечение.


Относительно низкая стоимость.


Структурная схема управляющего вычислительного комплекса представлена ниже.


Системный интерфейс





Блок центрального процессора




Внешняя память:
гибкий диск, винчестер, лента





Видео-терминал





Прин
тер





ЦАП


АЦП




Устройство дискретного ввода-вывода

























Порты Арифметическое

ввода- устройство

вывода

















































Таймер































Контроллер прерываний


























Объект
управления




Аналоговый и цифровой ввод-вывод
в реальном времени




Контроллеры периферийных устройств




























Внутренняя память:




























ОЗУ































ПЗУ






























Вектора развития вычислительных машин, комплексов и систем


Человеческие существа – несчастные создания – облечены потребностями…



Все выше и выше …!


15 декабря 1951 года, что наверное можно считать датой рождения отечественной вычислительной техники, в монастырском местечке Феофания, что под Киевом, при проведении приемо-сдаточных испытаний Малая Электронная Счетная Машина (МЭСМ) подсчитала значения 585 точек функции распределения вероятностей, которые необходимы для определения рассеивания стрельбы артиллерийских орудий.

Машина МЭСМ удовлетворяла принципам Джона фон Неймана и выполняла вычисления в двоичной системе, включала команду условного перехода, хранила программу вычислений в собственной оперативной памяти на триггерных регистрах (63 команды и 31 число), постоянные неизменяемые части программы и константы набирались на штекерном запоминающем устройстве. Внешняя память была представлена магнитным барабаном.


Дальнейшее развитие вычислительной техники, как и любой техники, рассматриваемой с утилитарной точки зрения (телевизоры, стиральные машины, самолеты и автомобили) осуществлялось по согласованным направлениям классической триады «Массовость \ Цена \ Качество».


При построении вычислительных машин, комплексов и систем улучшения достигались по нескольким направлениям – векторам развития.

Необходимо отметить, что вряд ли в истории Человечества были такие отрасти техники, где рост шел бы так стремительно. Один из эмпирических законов в области вычислительной техники – «Закон Мура» гласит об удвоении плотности упаковки транзисторов на кристалле каждые 18 месяцев.


Примером общепризнанной классификации вычислительных систем является разделение по 2-м двухзначным признакам (поток команд - поток данных \ одиночность – множественность), которая была предложена Флинном {8}.

В работе Панфилова И.В. и Половко А.М. {6} вычислительные системы классифицировались по назначению (универсальные и специализированные) \ типам связей \ степени централизации управления \ степени распределения функций.

В данном курсе лекций история вычислительных машин, комплексов и систем рассматривается с точки зрения современного разработчика-системотехника. Учебный материал группируется не в полном соответствии с законами классификации, а с целью систематизации. Изложения ведется по направлениям-векторам технического развития.

В первую очередь следует оговориться, что рассмотрение ведется в рамках господствующей на сегодняшней день двоичной парадигмы. Попытки использования недвоичного представления чисел и нетрадиционных систем счисления предпринимались на ранних этапах развития. Хотя попытки не имели развития и промышленной истории, следует отметить технические достижения и людей, «ходивших в разведку» по этому направлению.

Во первых, следует упомянуть ЭВМ «Сетунь», которая была разработана в 1957-58 годах СКБ при Московском университете и серийно выпускалась Казанским заводом математических машин. Всего завод выпустил 50 таких машин. Руководил разработкой участник Великой отечественной войны Брусенцов Николай Петрович.

Первое существенное техническое отличие ЭВМ «Сетунь» – использование троичной системы счисления, которое при хранении чисел на феррит-диодных регистрах, ввиду особенностей пороговых режимов их работы, давало сокращение оборудования до 7 раз. Вторая принципиальная особенность – программирование на основе польской инверсной записи. На основе опыта разработки «Сетуни» Н.П. Брусенцовым вместе с Е.А. Жоголевым в 1961-1968 годах разрабатывались архитектурные решения, реализованные в опытной машине, названной «Сетунь-70». Алгоритм функционирования данной машины был описан на расширенном языке «Алгол-60». Машина имела архитектуру команд, которую сейчас называют RISC (Reduced Instuction Set Computing). Команды переменной длины складывались из слогов адреса и операций. Программа вычислений задавалась над стеком операндов в постфиксной форме, что дополнительно обеспечивало условия для структурного программирования.

Особенности ЭВМ: троичная симметричная система представления данных и программ, трехзначная логика в пороговой реализации на электромагнитных элементах с однопроводной передачей сигналов, страничная двухуровневая организация памяти, двухстековая архитектура, послоговое кодирование программ, управление ходом программы в духе структурированного процедурного программирования.


Разработка ЭВМ в системе остаточных классов начиналась в 1957 году в знаменитом СКБ-245 и затем продолжалась в Научно-исследовательском институте дальней радиосвязи. Коллектив разработчиков: Ю.А. Базилевский, В.И.Рамеев, Ю.А. Шрейдер, И.Я. Акушский и Д.И. Юдицкий. Основное преимущество машины – рекордная для того времени производительность, которая была необходима для решения задач противовоздушной обороны.


Этапы технологического развития элементной базы – лампа, транзистор, интегральная микросхема были рассмотрены в Приложении 2.


Вектор параметрического развития - увеличение частоты работы процессора, рост размеров оперативной и внешней памяти, скоростей работы внешних устройств. Достижения на данном направлении наиболее значительны – рост параметров на порядки. Если у первой ЭВМ М-1 размер оперативной памяти измерялся сотнями слов – а именно 512 слов, то современные представители даже не класса супер-ЭВМ, а обычные персональные компьютеры обладают уже оперативной памятью размером в 512 Мегабайт. Обратите внимание - рост составил 6 порядков.

Направление архитектурных решений – развитие схем и методов адресации, введение индексных регистров, регистров общего назначения, управляющих слов состояния программы.

Развитие вычислительных структур – наиболее консервативное. Первая классическая вычислительная структура состояла из 4-х почти полносвязных устройств – ОЗУ-АЛУ-ВУ-УУ. Обмен данными ОЗУ-АЛУ и АЛУ-ВУ осуществлялся непосредственно, а доступ в память от внешних устройств – через АЛУ.

В дальнейшем функциональный состав машины почти не изменялся, соединение, с точки зрения теории графов – полносвязное, однако технически взаимодействие осуществлялось посредством стандартизованного интерфейса типа «Общая шина».

Организация работы (согласование скоростей работы внешних «медленных» устройств и «быстрой» памяти и вычислений, параллелизм и конвееризация, (как «проливание» через последовательность устройств). Классификация по Флинну (поток команд-данных \ одиночность-множественность).

Развитие на уровне управляющей программы вычислительной системы – программирование в машинных кодах, использование системных управляющих программ (супервизоров), появление операционной системы с ее развитием до современного понятия инфраструктура.

Направление развития потребительских свойств – удобство интерфейса пользователя, пакетный или диалоговый доступ к системе, удобство и надежность операционной системы, набор доступных прикладных программ и систем, языков программирования, …

Все достижения - результат постижения предмета – делали люди, которые постепенно совершенствовали свои творения. Тут наверное нечего добавить к впервые услышанному от профессора Германа Тимофеевича Артамонова: «Сколь совершенен человек – столь совершенны его творения! <Верно и обратное …>»

Далее в виде таблиц - способы представления чисел, системы счисления

Этапы технологического и параметрического развития

Направления-вектора развития вычислительных машин, комплексов и систем.


Способы представления чисел

Системы счисления

Двоичная парадигма

    Позиционные



Непозиционные

Двоичная

    Троичная

    Десятичная

    Знакоразрядная



Система
остаточных классов

Римская




Восьмиричная,
Шестнадцати
ричная


















Нетрадиционные счисления


Технологическое развитие

1944-1955

1955-1964

1965-1974

1975-1984

Последние
достижения


Ламповые
машины


Транзисторные машины

Машины на интегральных микросхемах

Низкой и средней степени интеграции

Большие и сверхбольшие ИМС

Квантовые
компьютеры

Биологические компьютеры

Параметрические улучшения




Рост частоты (производитель ности)

Увеличение
размеров памяти

Скорость работы внешних устройств

Первые ЭВМ

М1


М2

20 операций/с.


2 тыс. операций/с.

ОЗУ -512 25-разрядных чисел;

256 чисел запоминающего устройства на магнитном барабане

512 чисел ОЗУ с временем обращения 25 мкс, 50 тыс. чисел на магнитной ленте



Частота вращения магнитного барабана 2860 об/мин.

Универсальные и управляющие ЭВМ










Современные
машины

1-3 Ггц

100 –200 Мбайт ОЗУ

20-60 Гбайт дисковой памяти






Направления-вектора развития вычислительных машин, комплексов и систем.

Архитектурные решения

Развитие вычислительных структур

Организация работы

Системное программное обеспечение

Пользовательские свойства

Способы
адресации

Классическая структура

Согласование скоростей

«Прямое»
управление

Пакетный \ диалоговый режим

Индексные регистры

Магистральная структура

Конвееризация

Супервизоры

Интерфейс
(командный –
объекты \ действия)

Децентрализация управления вводом-выводом

Многопроцессорные системы

Параллелизм

Операционные системы

Удобство и надежность ОС

Иерархия
памяти

Многомашинные системы

Организация потоков команд и данных

Инфра
структуры

Прикладные
системы и языки программирования



Структурное и архитектурное развитие


Г. Майрс в своем двухтомнике {4} отмечает, что появление всех существенных различий ЭВМ класса Система 34, Cистема 370, фирмы IBM, ЭВМ PDP-11, VAX-11,UNIVAC1108, процессор 8085 фирмы Intel датируетсся 50 годами. Эти отличия вычислительных машин, появившихся после машины EDVAC, сводятся к следующим:

  1. Индексные регистры.

Позволяют формировать адреса памяти добавлением содержимого указанного регистра к содержимому поля команды. Этот принцип впервые реализован в 1949 году в ЭВМ Массачусетского университета и использован в 1953 году фирмой Electro Data Corporetion при производстве ЭВМ Datatron.

  1. Регистры общего назначения.

  2. Представление данных в форме с плавающей точкой.

  3. Косвенная адресация.

  4. Программные прерывания.

  5. Асинхронный ввод–вывод.

  6. Виртуальная память.

  7. Мультипроцессорная обработка.


Развитие периферийных устройств и управления


Прогресс в управлении периферийными устройствами возможно выразить в виде петли развития.


7. Процессор ввода-вывода
со своей локальной памятью





































M

P

1. Процессор управляет
вводом-выводом

M

P

T































M

PIO T































2. Простой контроллер
с пулингом

M

P

K

T





































6. Процессор ввода-вывода
со своим набором команд




























3. Простой контроллер
с прерыванием































M

P




















































PIO T




4. Контроллер с прямым
доступом в память



































































M

P











































5. Контроллер
с буфером команд




K

T




























































Развитие программного обеспечения


Вычислительная машина с точки зрения пользователя – устройство для обработки данных – выполнения некоторой работы с информацией. Устройство – вычислительную машину удобно разделить на аппаратные средства, характеризуемые производительностью и показателями надежности, и программные средства, которые опять таки – «Разделяй и властвуй» – в школьном курсе информатики принято подразделять на системные и прикладные.

Операционной системой называют комплекс всех подпрограмм, с помощью которых обеспечивается управление и максимальное использование аппаратных и программных ресурсов.

Наиболее важными для системного программиста ресурсами являются следующие:

  • память (оперативная, внешняя);

  • процессоры (центральный, каналы ввода-вывода);

  • внешние устройства (диски, устройства ввода-вывода, печатающие устройства);

  • информация (программные сегменты, подпрограммы, данные).

Функции операционной системы





С точки зрения пользователя




С точки зрения системного программиста
Управ-ление

Задания

Задачи

Данные

Восста-
новление




Память

Про
цессор

Устройства

Инфор-мация














































Обрабатывающие программы










































Ресурсы

Время
ЦП

Вспомогательная память

Данные

Персонал

Программы

Основная память

Каналы ввода-вывода

Устрой-ства ввода-вывода






1   2   3   4   5   6   7

Похожие:

Лекция 4 iconЛекция I и проблема языка и сознания лекция II 31 слово и его семантическое строение лекция III 51 развитие значения слов в онтогенезе лекция IV 67 развитие понятий и методы их исследования лекция V 91 «семантические поля»
Монография представляет собой изложение курса лекций, про* читанных автором на факультете психологии Московского государственного...
Лекция 4 iconКурс лекций Москва 2008 Содержание Лекция Введение 3 Лекция Научные знания в средневековой Руси и окружающем мире 9 Лекция История науки и техники в XIV первой половине XVII вв. 19
Лекция Развитие науки и техники в России в Новое время (вторая пол. XVII-XVIII вв.) 26
Лекция 4 iconЛекция-визуализация Лекция 2
Лекция физиология и биофизика возбудимых тканей. Биоэлектрические явления в возбудимых системах. Учение о биотоках. Токи покоя и...
Лекция 4 iconЛекция Введение в бд и субд. Модели данных 2 Лекция Инфологическая модель «Сущность-связь»
Лекция Программирование в Mathcad, Интерполяция и регрессия, функции сглаживания данных и предсказания. 104
Лекция 4 iconТекст лекций н. О. Воскресенская Оглавление Лекция 1: Введение в дисциплину. Предмет и задачи курса Лекция 2: Основные организационные формы и практические мероприятия пр
Лекция 4: пр и средства массовой информации. Информационная политика РФ – тенденции и проблемы развития. Правовые основы пр
Лекция 4 iconЛекция №8. Особенности занятий легкой атлетикой с детьми, подростками, юношами лекция №9. Особенности занятий легкой атлетикой с женщинами …63 ЛИТЕРАТУРА лекция №1 «Введение в предмет. История развития легкой атлетики»
Лекция №6. Организация и проведение соревнований по легкой атлетике
Лекция 4 iconЛекция религии современных неписьменных народов: человек и его мир лекция шаманизм приложение список сокращений Лекция предмет и основные понятия истории религий слово «религия»
Редактор Т. Липкина Художник Л. Чинёное Корректор Г. Казакова Компьютерная верстка М. Егоровой
Лекция 4 iconЛекция одиннадцатая. Постиндустриальный мир как замкнутая хозяйственная система. 77 Лекция двенадцатая. Постиндустриальный мир как единственный полюс хозяйственной мощи. Кризис модели «догоняющего»
Лекция четвертая. Трансформация производственных отношений постиндустриального общества. 25
Лекция 4 iconЛекция Полупроводниковые приборы
Лекция 19. Предельная чувствительность и шумы электронных усилителей
Лекция 4 iconЛекция
Лекция Обзор и архитектура вычислительных сетей 8 Тема Основные определения и термины 8
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница