ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, СИСТЕМЫ И СЕТИ.

ВМ и ВС предназначены для автоматизации процессов обработки, хранения и передачи информации. ВМ относятся к сложным системам, при их описании и проектировании используются понятия и принципы, определенные в обшей теории систем: система, алгоритм, функция, структура, функциональная и структурная организации.

Система — это совокупность элементов или устройств, соединенных между собой для достижения определенной цели. Среди систем выделяют сложные системы. Это качественное понятие. Перечислим основные отличительные признаки сложных систем. Большая размерность — большое число элементов: сотни, тысячи. Разнородность элементов и узлов, как следствие этого — отсутствие единого математического аппарата для описания поведения этих элементов и узлов. Многокритериальность при оптимизации выбора вариантов построения системы.

Вычислительнаямашина — это система, выполняющая заданную, четко определенную последовательность операций (программу) в соответствии с выбранным алгоритмом обработки информации.

ЭВМ – Электронная Вычислительная Машина. Как и всякая другая машина ЭВМ обеспечивает преобразование сырья, поступающего на вход машины, в конечный продукт. Особенность ЭВМ в том, что в качестве сырья на вход машины поступает информация (исходные данные), а на выход выдаются результаты решения задачи. Термин вычислительная означает, что обработка информации осуществляется путем выполнения сравнительно простых математических (арифметических, логических и т.п.) операций, т.е. путем вычислений. Термин электронная означает, что машина построена на основе электронных элементов, электронной элементной базы.

Алгоритм — набор предписаний, однозначно определяющий содержание и последовательность выполнения действий для систематического решения задачи. Для алгоритма можно выделить семь характеризующих его параметров: совокупность возможных исходных данных, совокупность возможных результатов, совокупность возможных промежуточных результатов, правило начала процесса обработки данных, правило непосредственной обработки, правило окончания процесса, правило извлечения результата. Алгоритм должен обладать свойствами массовости и результативности.

Программа - это запись алгоритма в форме, воспринимаемой ЭВМ. Любая программа состоит из отдельных команд. Каждая команда предписывает определенное действие и указывает, над какими операндами это действие производится. Программа представляет собой совокупность команд, записанных в определенной последовательности, обеспечивающих решение задачи на ЭВМ.

СОД(системыобработкиданных) – это совокупность технических средств и программного обеспечения (ПО), предназначенная для информационного обслуживания пользователей и (или) технических объектов (рисунок 1).

СОД

ТС

ПО

информация

об

объекте

результаты

обработки

СОД делятся на два больших класса: СОДобщегоназначения и автоматизированныеСОД (АСОД). АСОД или просто

АС – это человеко-машинная сис-

тема, в которой информация об объекте управления или исследования (изучения) собирается и обрабатывается с помощью ЭВМ, а результаты обработки выдаются человеку–оператору АС и используются им для принятия решения по управлению (исследованию) объектом.

К классу АС относятся: информационно-измерительные системы (ИИС), АС управления технологическими процессами (АСУ ТП) и т.п. АС.

Технические средства СОД строятся на базе ЭВМ (в основном). Следует отметить, что в настоящее время термин ЭВМ (компьютер) трактуется широко – под ним понимается не только аппаратура, но и ПО, т.е. система в целом. Поэтому в ВТ аппаратную часть СОД обычно называют ВК.

ВК – это аппаратная основа всех СОД. Простейшим из ВК является однопроцессорный ВК. Большинство ЭВМ относятся к классу однопроцессорных, наиболее простых. Более сложные ВК встречаются (используются) реже. К ним относятся многомашинные и многопроцессорные (мультипроцессорные) ВК. Многомашинные ВК – это прежде всего локальные сети ЭВМ. Мультипроцессорные ВК образуют класс супер-ЭВМ (в смысле вычислительной мощности). В одном ряду с понятиями ЭВМ, СОД, ВК стоит и понятие ВС.

ВС - сложная динамическая система, состоящая из двух частей (элементов) - АО и ПО, находящихся во взаимодействии (рисунок 2). Здесь: АО - аппаратное обеспечение. АО ВС - это технические средства ВС, т.е. ВК. ПО ВС - это системное ПО (СПО) и прикладное ПО (ППО), т.е., если точнее, ВС состоит из трех частей (рисунок 3).

Следует отметить, что в популярных источниках вместо терминов СОД, АС, ВК, ВС обычно используют термин ЭВМ (или компьютер), т.е. термином ЭВМ обычно называют СОД, другими словами, ВК, решающий какие-то конкретные задачи.

Таким образом, терминЭВМ(вширокомсмысле) является популярным термином для обозначения более сложных специальных понятий, которые используются в ВТ: ВК, ВС, СОД, АС.

КлассыЭВМ

Информация– сведения о тех или иных явлениях природы, событиях общественной жизни, процессах в технических устройствах. Информация, зафиксированная на носителях, называется сообщением.

Сообщения отличаются друг от друга по источнику информации, по способу представления, по продолжительности и т.д. Сообщения могут быть непрерывными (аналоговыми) и дискретными (цифровыми).

Аналоговоесообщение представляется некоторой физической величиной (обычно электрическим током или напряжением), изменение которой во времени отражает протекание рассматриваемого процесса, например, температуры в нагревательной печи. Физическая величина, передающая непрерывное сообщение, может в определенном интервале принимать любые значения и изменяться в произвольные моменты времени, т.е. может иметь бесконечное множество состояний.

Дискретное сообщение характеризуется конечным набором состояний, например, передача текста. Каждое из этих состояний можно представить в виде конечной последовательности символов или букв, принадлежащих конечному множеству, называемому алфавитом. Такая операция называется кодированием, а последовательность символов - кодом. Число символов, входящих в алфавит, называется основаниемкода. Важным здесь является не физическая природа символов кода, а то, что за конечное время можно передать только конечное число состояний сообщения. Причем чем меньше основание кода, тем длиннее требуются кодовые группы для передачи фиксированного набора сообщений.

Гибридные - вычислительные машины комбинированного действия работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

ИсторияразвитияЭВМ

1. Считается, что первым механизмом для счета являлся абак, в котором сложение и вычитание чисел выполнялось перемещением камешков по желобам доски. Подобные устройства встречаются в разных вариантах в различных странах древнего мира.

Но настоящая потребность в автоматическом вычислении возникла в средние века в связи с резко возросшими в этот период торговыми операциями и океаническим судоходством. Торговля требовала больших денежных расчетов, а судоходство - надежных навигационных таблиц.

2. Первые эскизысчетнойтаблицысоздал Леонардо да Винчи (около 1500года). А первые сведения о работающейсчетноймашинеотносятсяк1646году в Германии. Но подробное устройство этой счетной машины не сохранилось.

3. В 1646году во Франции Паскальсоздалмеханическоеустройство, которое складывало и вычитало многозначные числа. В 1673годув Германии Лейбницстроитсчетнуюмашину, выполняющую все четыре арифметических действия. Он же предложил использовать двоичнуюсистемусчислениядля нужд вычислительной математики. В этот период были созданы и другие счетные машины. Все они были построены в одном экземпляре (поскольку создавались десятки лет) и не могли долго работать - слишком сложны были их механизмы и слишком примитивная технология их изготовления.

4. Только в 1820годубыл налажен серийный выпуск (сотни штук в год) арифмометров конструкции ТомасадеКальмера. Вычисления, состоящие из последовательности арифметических операций, все еще лежали за пределами возможностей счетной машины.

5. В 1834годуЧ.Бэббиджразработал проект счетной машины, позволяющей реализовать вычисления любой сложности. Машина была задумана как механическая и стала прообразомЦВМ. Его машина содержала механический эквивалент практически всех основных устройств современной ЭВМ: память ("склад" на 1000 чисел по 50 десятичных знаков), арифметическое устройство ("мельница"), устройство управления, устройства ввода и вывода информации. Последовательность выполнения операций и пересылки чисел между устройствами задавалисьпрограммойнаперфокартахЖаккарда(1804), которые использовались для управления работой ткацких станков. Кроме того, в машине Бэббиджа предусматривалась возможность изменения программы в зависимости от результата вычислений, говоря современным языком, имелись команды условных переходов. Интересно отметить, что Бэббидж изобрел наиболее эффективный способ сложения чисел - сложение по схеме со сквозным переносом. Эту машину Бэббидж строил всю оставшуюся жизнь (до 1871 года), но создал только ее отдельные узлы. В то же время (50-е годы прошлого столетия) благодаря трудам английского математика АдыЛавлейсзародилосьмашинноепрограммирование(она пыталась написать программы к еще не созданной счетной машине Бэббиджа).

6. В конце XIX начале XX веков начали появляться электромеханические счетно-аналитические машины для выполнения расчетно-бухгалтерских и статистических операций. Сильным толчком к развитию таких устройств стал конкурс, объявленный в США при проведении переписи 1888года. В нем победил табуляторХоллерита. Табулятор Холлерита является родоначальником семейства электронно-механических машин для обработки статистических данных. В 1898годуХоллерит организовал фирму, которая поставляла такие машины всему миру.

Эти машины непрерывно совершенствовались: в 1913 году создан табулятор,печатающийрезультаты; в 1921 году к нему добавлена коммутационная доска, на которой хранилась программа обработки данных, считываемая с различных позиций перфокарты.

7. Первые вычислительные машины в современном смысле появились в конце 30-х начале 40-х годов. В 1936-37годуК.Цузе (Германия) спроектировал машину с программным управлением. В 1941 году она была создана (машинанаэлектромагнитныхреле). Это первая в мире ЦВМ с программным управлением. Программа наносилась на перфоленту и целиком вводилась в машину. Поскольку перфолента двигалась в одну сторону, все циклы записывались в развернутом виде, т.е. в виде последовательности групп команд. После этого оператор уже не мог влиять на последовательность выполнения команд программы.

8. В 1937годуГ.Айкин(США) разработал проект электромеханической универсальной ЦВМ с программным управлением. Она была построена в 1944 году фирмой IBM и названа "Марк-1". В 1947 году под руководством Айкина построена более мощная машина "Марк-2". В ней для хранения чисел и выполнения операций использовано 16000 электромеханических реле. В этот период был разработан целый ряд подобных релейных вычислительных машин, одна из которых практически полностью повторяла "аналитическую" машину Бебиджа.

Эти релейные вычислительные машины были ненадежны, медленно работали и потребляли много энергии, но позволили накопить большой опыт по созданию машин для автоматизированных вычислений. На них было опробовано двоичное кодирование чисел, представление чисел в форме с плавающей запятой, способы выполнения операций над числами на основе релейных схем и т.д.

9. В этот же период начали появляться машины, построенные на электронных лампах, причем первоначально лампы стали использоваться в простейших счетчиках импульсов. На них строились схемы с двумя устойчивыми состояниями, впоследствии названные триггерами. Исследуя свойство триггеров, американские ученые Дж.МоучлииД.Эккер пришли к выводу о целесообразности использования в вычислительных машинах вместо электромеханических реле ламповых триггеров. В 1946годупод их руководством построена вычислительная машина "ЭНИАК" для баллистических расчетов. Она содержала 18000 электронных ламп и 1500 реле. Использование электронных ламп позволило резко (на два порядка) повысить скорость выполнения операций.

Анализируя работу этой машины, математик Дж.Нейман сформулировал основные концепции организации ЭВМ. В соответствии с этими концепциями началась разработка ЭВМ "ЭДВАК" - прообраза современных ЭВМ. Она была построена в 1950году. А в 1949 году в Англии была введена в эксплуатацию первая в мире ЭВМ с хранимой в памяти программой - "ЭДСАК", созданная под руководством М. Уилкса.

Вычислительные машины "ЭДВАК" и "ЭДСАК" положили начало первому поколению ЭВМ - поколению ламповых машин (1945-1960 гг.). С начала 50-х годов было осуществлено много проектов ЭВМ, в каждом из которых применялись новые типы устройств, способы управления вычислительным процессом и обработки информации. Особое внимание уделялось улучшению характеристик памяти, поскольку в ламповых ЭВМ она была незначительной. Так в 1952 г. впервые были использованы ферритовые сердечники.

Принципы действия ЭВМ.

АЛУ- производит арифметические и логические преобразования над поступающими в него машиннымисловами, т.е. кодами определенной длины, представляющими собой числа или другой вид информации.

Память- хранит информацию, передаваемую из других устройств, в том числе поступающую извне через устройство ввода, и выдает во все другие устройства информацию, необходимую для протекания вычислительного процесса.

Устройствоуправления(УУ) - автоматически, без участия человека, управляет вычислительным процессом, посылая всем другим устройствам сигналы, предписывающие те или иные действия, в частности, заставляет ОП пересылать необходимые данные, включать АЛУ на выполнение необходимой операции, перемещает полученный результат в необходимую ячейку ОП.

Пультуправления- позволяет оператору вмешиваться в процесс решения задачи, т.е. давать директивы устройству управления.

Устройствоввода- позволяет ввести программу решения задачи и исходные данные в ЭВМ и поместить их в ОП. В зависимости от типа устройства ввода исходные данные для решения задачи вводятся непосредственно с клавиатуры (дисплей, пишущая машина), либо должны быть предварительно помещены на какой-либо носитель - перфокарты, перфоленты, магнитные карты, магнитные ленты, магнитные и оптические диски и т.д. В системах САПР осуществляется ввод графической информации.

Устройствовывода- служит для вывода из ЭВМ результатов обработки исходной информации. Чаще всего это символьная информация, которая выводится с помощью различного типа ПчУ или на экран дисплея. В ряде случаев это графическая информация в виде чертежей и рисунков, которые могут быть выведены с помощью графических дисплеев, графопостроителей, принтеров, плоттеров и т.д.

Лекция2

МНОГОУРОВНЕВАЯОРГАНИЗАЦИЯВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХПРОЦЕССОВ

Часть свойств ЭВМ приобретает благодаря наличию в ней электрического и электромеханического оборудования, специально предназначенных для реализации этих свойств. Примером такого устройства является АЛУ.

Ряд других свойств реализуется без специальных электронных блоков с помощью программных средств. При этом используются имеющиеся аппаратные средства ЭВМ, выполняющие действия, предписанные специальными программами.

Следует иметь в виду, что с помощью аппаратных средств соответствующие функции ЭВМ выполняются значительно быстрее, чем программным путем, но при этом ЭВМ становится сложнее и дороже. Поэтому в малых ЭВМ с достаточно простым АЛУ стремятся как можно больше функций реализовать программным путем, а в больших ЭВМ для повышения быстродействия - по максимуму использовать аппаратные средства.

Вообще же стараются как можно оптимальнее соотнести аппаратные и программные средства, чтобы при сравнительно небольших аппаратных затратах достигнуть высокой эффективности и быстродействия.

Системапрограммного (математического) обеспечения - это комплекс программных средств, в котором можно выделить операционную систему, комплект программ технического обслуживания и пакеты прикладных программ. На рис. 1.2 изображена упрощенная структура вычислительной системы как совокупности аппаратных и программных средств.