Современные информационные технологии/ 2. Вычислительная техника и программирование.

Капшаев И.Р.

Казахстанско-Британский Технический Университет, г.Алматы, Казахстан

Принципы организации вычислительных систем и сетей.

Объективные потребности человеческого общества на современном этапе развития требуют все более ускоряющего развития и внедрения вычислительной техники. Масштабы использования средств вычислительной техники в инфраструктуре государств мирового сообщества не имеют себе равных. Вычислительная техника (ВТ) в той или иной мере оказывает влияние на все происходящие процессы: информационные, технологические, социальные, финансовые, экономические и т.п.

Информация в настоящее время стала ресурсом, которую, подобно традиционным ресурсам (полезные ископаемые, энергия, трудовые ресурсы и т.п.) можно добывать, перерабатывать, использовать, продавать и покупать. Стратегические возможности государства во многом определяются сейчас не только совокупным используемым объемом традиционных ресурсов, но и во многом наличии и использовании информационных ресурсов.

Трудно найти какую-либо область науки, техники, производства, управления и т.д. где не использовалась бы вычислительная техника. Причем сфера применения ВТ непрерывно развивается, как вширь (появляются все новые и новые задачи и области применения), так и в глубь («на плечи» ВТ ложатся все более сложные задачи, все большая ответственность и трудоемкость).

Широкомасштабная информатизация и комплексная автоматизация производства, науки, техники, управления и т.д. занимает ведущее место среди стратегических направлений научно-технического прогресса развитых и развивающихся странах.

Поэтому уровень развития средств ВТ в мире не имеет себе равных. Создаются все новые и новые электронно-вычислительные машины (ЭВМ) всех классов от гигантских многомашинных и многопроцессорных систем и комплексов до персональных ЭВМ (ПК), предназначенных для индивидуального пользования и встроенных микро-ЭВМ.

Вычислительная система – это комплекс технических средств, предназначенный для обработки вводимой информации по заданному алгоритму в процессе решения задачи.

Обобщенная структурная схема вычислительной системы приведена на рис. 1.. В общем виде любая вычислительная система состоит из четырех групп устройств: арифметико-логического устройства, памяти, группы устройств ввода-вывода, устройства управления.

АЛУ – арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения:

1. арифметических операций (сложение, умножение, вычитание, деление - с вариантами);

2. логических операций (логические сложение и умножение, сложение по модулю 2, инверсия и т.д.);

3. операции сдвига (влево, вправо, логический, арифметический, циклический и т.д.).

УУ (ЦУУ) – устройство управления (центральное устройство управления) – предназначено для управления работой всех остальных устройств.

АЛУ совместно с УУ (ЦУУ) образуют ПРОЦЕССОР.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема вычислительной системы.

ЗУ – запоминающее устройство (память) – предназначено для хранения программ (команд и данных) на время выполнения программы или ее части, а также для долговременного хранения информации.

УВВ – устройство ввода-вывода - наиболее разнообразный класс устройств, предназначенный для организации ввода-вывода информации (могут быть как совмещенные УВВ – дисководы, так и разделенные устройства: клавиатура – устройство ввода, принтер – устройство вывода).

В зависимости от назначения вычислительной системы количественный и качественный состав устройств каждой группы может быть различным.

Классификация вычислительных машин.

Основу вычислительной системы или сети составляют вычислительные машины. Поэтому назначение и возможности каждой вычислительной системы определяют, в первую очередь, вычислительные машины.

Различают следующие виды классификации вычислительных машин.

I. По типу циркулирующих в ВМ сигналов различают:

1. АВМ – аналоговые вычислительные машины – информация представляется в непрерывной (аналоговой) форме. Обладает высоким быстродействием, ориентированы на решение узкого класса задач (чаще возникает необходимость в настройке аппаратуры для решения каждой задачи);

2. ЭЦВМ (ЭВМ) – электронные цифровые вычислительные машины (электронные вычислительные машины) – информация представляется в дискретной (двоичной) форме. По сравнению с АВМ быстродействие значительно ниже, но решают широкий круг задач без дополнительной настройки аппаратуры;

3. ГВМ (КВМ) – гибридные вычислительные машины (комбинированные вычислительные машины) – включают в себя как аналоговые, так и цифровые блоки.

II. По вычислительной мощности различают:

1. вычислительные системы – состоят из большого количества однородных и разнородных ВМ – предназначены для решения (одновременного) нескольких задач с возможной корреляцией результатов работы разных программ (ЦУП);

2. мощные ВМ (большие и сверхбольшие ВМ) – предназначены для решения научно-технических задач, требующих большого объема, управления работой сетевых структур (провайдеры и т.д.);

3. вычислительные машины средней мощности – предназначены для решения задач управления, относительно небольших задач (научно-производственных), управления работой локальных сетей (файл-сервер);

4. персональные ЭВМ (ПЭВМ, компьютеры) - предназначены для работы с одним пользователем одновременно;

5. встроенные ЭВМ (микроЭВМ) – предназначены для решения очень ограниченного круга задач (одной задачи) – автомобильные компьютеры, станки с ЧПУ и т.д.

III. По назначению:

1. универсальные ВМ – предназначены для решения широкого круга разнообразных задач;

2. специализированные ВМ – предназначены (ориентированы) для решения узкоспециализированных задач (например: ВМ для решения задач, связанных с искусственным интеллектом и т.д.)

Принцип программного управления.

Автоматическое управление процессом решения задачи (задач) в ВМ (ВС) достигается с помощью принципа программного управления (впервые предложен Дж. фон Нейманом). В настоящее время является основным принципом организации управления в современных ВМ.

По Дж. фон Нейману принцип программного управления основан на следующих основных положениях:

1. информация в ЭВМ кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы или элементы информации, называемые словами, разнотипные слова информации различают по способу использования;

2. слова информации размещаются в ячейках памяти и идентифицируются номерами ячеек, называемых адресами слов;

3. командой называется алгоритм представленный в форме последовательности управляющих слов, которые определяют наименование операции (код операции), называются словами информации, участвующими в операции. Алгоритм, представленный в терминах машинных команд, называется программой.

4. выполнение вычислений определенных алгоритмом, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определяемом программой.

По Нейману решение задачи на ЭВМ сводится к выполнению арифметических и логических операций над исходными данными и промежуточными результатами. При этом данные представляются в двоичном коде. Перед решением определенной задачи на ЭВМ алгоритм решения записывается в виде последовательности управляющих слов (команд), т.е. составляется программа решения задачи. Процесс вычислений по данной программе состоит в последовательности выполнения команд.

Каждая команда состоит из 2-х частей: операционной и адресной. В операционной части указывается код операции, который определяет действие ВМ по выполнению какой-либо одной операции. В адресной части указывается, над какими словами (операндами) производится действие. При этом в адресной части указывается номер (адрес) ячеек памяти, в которых хранятся используемые в операции слова (данные) и результат вычислений.

Первой выполняется команда, заданная начальным адресом программы. Адрес следующей команды программы либо выбирается последовательно, либо определяется конкретным логическим условием.

Все арифметические и логические операции в ЭВМ выполняются либо с помощью специальных схем – аппаратными средствами, либо реализуются программными способами. Набор операций, реализуемый аппаратными способами, образует систему команд. При программном способе реализации операции, как правило «сложные», разлагаются на ряд простейших (входящих в систему команд) и реализуются аппаратными средствами в несколько этапов. Совокупность операций, реализуемых как программными, так и аппаратными способами, принято называть операционными ресурсами ЭЦВМ.

Литература

1. А. Гук. Процессоры фирмы Intel от 8086 до PENTIUM II. - Санкт-Петербург: Питер-Пресс, 1998г.

2. Бойко В.И. Схемотехника электронных систем. Цифровые устройства. СПб.: «БХВ-Петербург», 2004. – 512 с.

3. Галкин В.А., Григорьев Телекоммуникации и сети. М.: изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003 – 608с.: ил.

4. Гук М. Аппаратные средства IBM PC. – СПб.: Питер, 2002 -928с.: ил.

5. Дюсембаев А. Архитектура компьютеров: Учебное пособие. Алматы.: 2004. – 111 с.

6. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. СПб.: Питер, 2003 – 704 с.

7. Таненбаум Э. Современные операционные системы. М.: Питер, 2005 – 673 с.