Основные принципы организации ПЭВМ» по дисциплине «Вычислительная техника и основы программирования

Введение

 

Тема реферата «Основные  принципы организации ПЭВМ» по дисциплине «Вычислительная техника и основы программирования».

Цель работы – рассмотреть  и изучить:

Поколения языков программирования.

Понятие архитектуры ЭВМ.

Структура и принципы функционирования ЭВМ.

Основные характеристики вычислительной техники.

Перспективы развития вычислительных средств.

 

1. Поколения языков  программирования

 

Языки программирования принято  делить на пять поколений. В первое поколение входят языки, созданные  в начале 50-х годов, когда первые компьютеры только появились на свет. Это был первый язык ассемблера, созданный по принципу “одна инструкция - одна строка”.

Расцвет второго поколения  языков программирования пришелся на конец 50-х – начало 60-х годов. Тогда был разработан символический ассемблер, в котором появилось понятие переменной. Он стал первым полноценным языком программирования. Благодаря его возникновению заметно возросли скорость разработки и надежность программ.

Появление третьего поколения  языков программирования принято относить к 60-м годам. В это время родились универсальные языки высокого уровня, с их помощью удается решить задачи из любых областей. Такие качества новых языков, как относительная  простота, независимость от конкретного  компьютера и возможность использования  мощных синтаксических конструкций, позволили  резко повысить производительность труда программистов. Понятная большинству  пользователей структура этих языков привлекла к написанию небольших  программ (как правило, инженерного  или экономического характера) значительное число специалистов из некомпьютерных областей. Подавляющее большинство  языков этого поколения успешно  применяется и сегодня.

Сначала 70-х годов по настоящее  время продолжается период языков четвертого поколения. Эти языки предназначены  для реализации крупных проектов, повышения их надежности и скорости создания. Они обычно ориентированы  на специализированные области применения, где хороших результатов можно  добиться, используя не универсальные, а проблемно-ориентированные языки, оперирующие конкретными понятиями  узкой предметной области. Как правило, в эти языки встраиваются мощные операторы, позволяющие одной строкой  описать такую функциональность, для реализации которой на языках младших поколений потребовались  бы тысячи строк исходного кода.

Рождение языков пятого поколения  произошло в середине 90-х годов. К ним относятся также системы  автоматического создания прикладных программ с помощью визуальных средств  разработки, без знания программирования. Главная идея, которая закладывается  в эти языки, - возможность автоматического  формирования результирующего текста на универсальных языках программирования (который потом требуется откомпилировать). Инструкции же вводятся в компьютер  в максимально наглядном виде с помощью методов, наиболее удобных  для человека, не знакомого с программированием.

Совокупность устройств, предназначенных для автоматизированной обработки данных, называют вычислительной техникой. Конкретный набор взаимодействующих  между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания рабочего участка, называют вычислительной системой. Центральным устройством  большинства вычислительных систем является компьютер.

При рассмотрении ЭВМ как  средства обработки информации важную роль играют понятие архитектуры  ЭВМ, классификация ЭВМ, структура  и принципы функционирования ЭВМ, а  также основные характеристики вычислительной техники.

 

2.Понятие архитектуры  ЭВМ

 

С середины 60-х годов существенно  изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместо независимой разработки аппаратуры и некоторых средств  математического обеспечения стала  проектироваться система, состоящая  из совокупности аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на первый план выдвинулась концепция их взаимодействия. Так возникло принципиально новое понятие — архитектура ЭВМ. программирование вычислительный техника

Под архитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации  аппаратно-программных средств и  их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении  соответствующих классов задач.

Архитектура ЭВМ охватывает широкий круг проблем, связанных  с построением комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих  множество факторов. Среди этих факторов важнейшими являются: стоимость, сфера  применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации, а одним из главных компонентов архитектуры  являются аппаратные средства. Основные компоненты архитектуры ЭВМ можно  представить в виде схемы, показанной на рис. 1.

 

Рис. 1. Основные компоненты архитектуры  ЭВМ

 

Архитектуру вычислительного  средства следует отличать от его  структуры. Структура вычислительного  средства определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки узлы и т. д.) и  описывает связи внутри средства во всей их полноте. Архитектура же определяет правила взаимодействия составных частей вычислительного  средства, описание которых выполняется  в той мере, в какой это необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она регламентирует не все связи, а наиболее важные, которые должны быть известны для более грамотного использования данного средства.

Так, пользователю ЭВМ безразлично, на каких элементах выполнены  электронные схемы, схемно или программно реализуются команды и т.д. Важно другое: как те или иные структурные особенности ЭВМ связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю, какие альтернативы реализованы при создании машины и по каким критериям принимались решения, как связаны между собой характеристики отдельных устройств, входящих в состав ЭВМ, и какое влияние они оказывают на общие характеристики машины. Иными словами, архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, относящихся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.

 

3. Структура и  принципы функционирования ЭВМ

 

Более чем за полвека развития вычислительных средств прогресс в аппаратной реализации ЭВМ и их технических характеристик превзошел все прогнозы, и пока не заметно снижение его темпов. Несмотря на то, что современные ЭВМ внешне не имеют ничего общего с первыми моделями, основополагающие идеи, заложенные в них и связанные с понятием алгоритма, разработанным Аланом Тьюрингом, а также архитектурной

реализацией, предложенной Джоном фон Нейманом, пока не претерпели коренных изменений (за исключением систем параллельной обработки информации).

Любая ЭВМ неймановской архитектуры  содержит следующие основные устройства:

- арифметико-логическое устройство (АЛУ);

- устройство управления (УУ);

- запоминающее устройство (ЗУ);

- устройства ввода-вывода (УВВ);

- пульт управления (ПУ).

В современных ЭВМ АЛУ  и УУ объединены в общее устройство, называемое центральным процессором. Обобщенная логическая структура ЭВМ представлена на рис. 2.

 

Рис. 2. Обобщенная логическая структура ЭВМ

 

Процессор, или микропроцессор, является основным устройством ЭВМ. Он предназначен для выполнения вычислений по хранящейся в запоминающем устройстве программе и обеспечения общего управления ЭВМ. Быстродействие ЭВМ  в значительной мере определяется скоростью  работы процессора. Для ее увеличения процессор использует собственную память небольшого объема, именуемую местной или сверхоперативной, что в некоторых случаях исключает необходимость обращения к запоминающему устройству ЭВМ.

Вычислительный процесс  должен быть предварительно представлен  для ЭВМ в виде программы - последовательности инструкций (команд), записанных в порядке  выполнения. В процессе выполнения программы ЭВМ выбирает очередную  команду, расшифровывает ее, определяет, какие действия и над какими операндами следует выполнить. Эту функцию  осуществляет УУ. Оно же помещает выбранные  из ЗУ операнды в АЛУ, где они и  обрабатываются. Само АЛУ работает под управлением УУ.

Обрабатываемые данные и  выполняемая Программа должны находиться в запоминающем устройстве - памяти ЭВМ, куда они вводятся через устройство ввода. Емкость памяти измеряется в  величинах, кратных байту. Память представляет собой сложную структуру, построенную  по иерархическому принципу, и включает в себя запоминающие устройства различных  типов. Функционально она делится  на две части: внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя, или основная память — это запоминающее устройство, напрямую связанное с процессором  и предназначенное для хранений выполняемых программ и данных, непосредственно  участвующих в вычислениях. Обращение  к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием, но она  имеет ограниченный объем, определяемый системой адресации машины.

Внутренняя память, в свою очередь, делится на оперативную (ОЗУ) и постоянную (ПЗУ) память. Оперативная  память, по объему составляющая большую  часть внутренней памяти, служит для  приема, хранения и выдачи информации. При выключении питания ЭВМ содержимое оперативной памяти в большинстве  случаев теряется. Постоянная память обеспечивает хранение и выдачу информации. В отличие от содержимого оперативной памяти, содержимое постоянной заполняется при изготовлении ЭВМ и не может быть изменено в обычных условиях эксплуатации. В постоянной памяти хранятся часто используемые (универсальные) программы, и данные; к примеру, некоторые программы операционной системы, программы тестирования оборудования ЭВМ и др. При выключении питания содержимое постоянной памяти сохраняется.

Внешняя память (ВЗУ) предназначена  для размещения больших объемов  информации и обмена ею с оперативной  памятью. Для построения внешней  памяти используют энергонезависимые  носители информации (диски и ленты), которые к тому же являются переносимыми. Емкость этой памяти практически  не имеет ограничений, а для обращения  к ней требуется больше времени, чем к внутренней.

Внешние запоминающие устройства конструктивно отделены от центральных  устройств ЭВМ (процессором внутренней памяти), имеют собственное управление и выполняют запросы процессора без его непосредственного вмешательства. В качестве ВЗУ используют накопители на магнитных и оптических дисках, а также накопители на магнитных  лентах.

ВЗУ по принципам функционирования разделяются на устройства прямого  доступа (накопители на магнитных и  оптических дисках) и устройства последовательного  доступа (накопители на магнитных лентах). Устройства прямого доступа обладают большим быстродействием, поэтому  они являются основными внешними запоминающими устройствами, постоянно  используемыми в процессе функционирования ЭВМ. Устройства последовательного  доступа используются в основном для резервирования информации.

Устройства ввода-вывода служат соответственно для ввода  информации в ЭВМ и вывода из нее, а также для обеспечения общения  пользователя с машиной. Процессы ввода-вывода протекают с использованием внутренней памяти ЭВМ. Иногда устройства ввода-вывода называют периферийными или внешними устройствами ЭВМ. К ним относятся, в частности, дисплеи (мониторы), клавиатура, манипуляторы типа «мышь», алфавитно-цифровые печатающие устройства (принтеры), графопостроители, сканеры и др. Для управления внешними устройствами (в том числе и  ВЗУ) и согласования их с системным интерфейсом служат групповые устройства управления внешними устройствами, адаптеры или контроллеры.

Системный интерфейс - это конструктивная часть ЭВМ, предназначенная для взаимодействия ее устройств и обмена информацией между ними.

В больших, средних и супер-ЭВМ  в качестве системного интерфейса используются сложные устройства, имеющие встроенные процессоры ввода-вывода, именуемые  каналами. Такие устройства обеспечивают высокую скорость обмена данными  между компонентами ЭВМ.

Отличительной особенностью малых ЭВМ является использование  в качестве системного интерфейса системных  шин. Различают ЭВМ с многошинной  структурой и с общей шиной. В первых, для обмена информацией между устройствами используются отдельные группы шин, во втором случае все устройства ЭВМ объединяются с помощью одной группы шин, в которую входят подмножества шин для передачи данных, адреса и управляющих сигналов. При такой организации системы шин обмен информацией между процессором, памятью и периферийными устройствами выполняется по единому правилу, что упрощает взаимодействие устройств машины.

Пульт управления служит для  выполнения оператором ЭВМ или системным  программистом системных операций в ходе управления вычислительным процессом. Кроме того, при техническом обслуживании ЭВМ за пультом управления работает инженерно-технический персонал. Пульт  управления конструктивно часто  выполняется вместе с центральным  процессором.

 

4. Основные характеристики  вычислительной техники

 

К основным характеристикам  вычислительной техники относятся  ее эксплуатационно-технические характеристики, такие, как быстродействие, емкость  памяти, точность вычислений и др.

Быстродействие ЭВМ рассматривается  в двух аспектах. С одной стороны, оно характеризуется количеством  элементарных операций, выполняемых  центральным процессором в секунду. Под элементарной операцией понимается любая простейшая операция типа сложения, пересылки, сравнения и т. д. С  другой стороны, быстродействие ЭВМ  существенно зависит от организации  ее памяти. Время, затрачиваемое на поиск необходимой информации в  памяти, заметно сказывается на быстродействии ЭВМ.

В зависимости от области  применения выпускаются ЭВМ с  быстродействием от нескольких сотен  тысяч до миллиардов операций в секунду. Для решения сложных задач  возможно объединение нескольких ЭВМ  в единый вычислительный комплекс с требуемым суммарным быстродействием.

Наряду с быстродействием  часто пользуются понятием производительность. Если первое обусловлено, главным образом, используемой в ЭВМ системой элементов, то второе связано с ее архитектурой и разновидностями решаемых задач. Даже для одной ЭВМ такая характеристика, как быстродействие, не является величиной  постоянной. В связи с этим различают: пиковое быстродействие, определяемое тактовой частотой процессора без учета  обращения к оперативной памяти; номинальное быстродействие, определяемое с учетом времени обращения к  оперативной памяти; системное быстродействие, определяемое с учетом системных  издержек на организацию вычислительного  процесса; эксплуатационное, определяемое с учетом характера решаемых задач (состава операций или их «смеси»).