Transcript Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

Вычислительные системы, сети и телекоммуникации
Классификация ЭВМ
По принципу действия
– Аналоговые вычислительные машины (АВМ) —
вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией,
представленной в непрерывной (аналоговый форме), т.е. в виде непрерывного ряда
значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).
– Цифровые вычислительные машины (ЦВМ) —
вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией,
представленной в дискретной, а точнее в цифровой форме.
– Гибридные вычислительные машины (ГВМ) —
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.
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации
Аналоговые ЭВМ
Принцип действия
U1
U2
U3
U3 
1
3
U 1  U 2 
- U 3  U1  U 2
U2
U1
U3
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации
Аналоговые ЭВМ
Принцип действия
R
доп
C
U вх
t
U вых
~
1
RC
C
U
вх
U вх
 RC
dt
R
доп
инт
t
инт
 K  RC
U вых
a
U вых
U  a t  c, где a  const
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации
Аналоговые ЭВМ
Принцип действия
U  A sin t  C
2
d U
dt
2
U 0
A
A
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации
Классификация ЭВМ
По сферам деятельности человека
– для автоматизации вычислений
– для систем управления
– для решения задач искусственного
интеллекта
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации
Классификация ЭВМ
По назначению
– Универсальные
– Проблемно-ориентированные
– Специализированные
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации
Классификация ЭВМ
По назначению
– Многопользовательские
– Рабочие станции
– Персональные компьютеры
– Сервера
– Кластерные ЭВМ
– Ноутбуки
– Карманные компьютеры
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации
Классификация ЭВМ
По функциональным (вычислительным)
возможностям и размерам
– Супер ЭВМ
– Большие ЭВМ
– Малые ЭВМ
– Супер-мини
– Микро ЭВМ
– Микроконтроллеры и микропроцессоры
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации
Классификация ЭВМ
По функциональным (вычислительным)
возможностям и размерам
Класс компьютера
Параметры
Супер
компьютеры
Большие
компьютеры
Малые
компьютеры
Микро
компьютеры
Производительность
(MIPS)
1000 -1 000 000
100 -10000
10-1000
10-100
Емкость ОП (Мбайт)
2000-100 000
512-10000
128-2048
32- 512
Емкость внешнего
ЗУ (Гбайт)
500-50 000
100-10000
20-500
10-50
Разрядность (бит)
64-256
64-128
32-128
32-128
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Структура и характеристики ЭВМ
Электронная вычислительная машина —
это комплекс технических и программных средств,
предназначенный для автоматизации подготовки и решения
задач пользователей.
Структура ЭВМ
Архитектура ЭВМ
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Структура и характеристики ЭВМ
Структура — совокупность элементов и их связей:

структура технических средств,

структура программных средств,

структура аппаратно-программных средств.
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Структура и характеристики ЭВМ
Архитектура ЭВМ —
это многоуровневая иерархия аппаратно-программных
средств, из которых строится ЭВМ.
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Структура и характеристики ЭВМ
Характеристики ЭВМ
с точки зрения человеко-машинного интерфейса
 технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ
(быстродействие и производительность, показатели надежности, достоверности,
точности, емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры,
стоимость технических и программных средств, особенности эксплуатации и др.);
 характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ
(возможность расширения состава технических и программных средств;
возможность изменения структуры)
 состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг
(операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства
автоматизации программирования).
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Структура и характеристики ЭВМ
Быстродействие —
число определенного типа команд, выполняемых ЭВМ за одну
секунду.
Производительность —
это объем работ (например, число стандартных программ),
выполняемый ЭВМ в единицу времени.
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Структура и характеристики ЭВМ
Единица измерения быстродействия - MIPS (Million Instructions Per Second —
миллион операций в секунду, обычно рассматриваются наиболее короткие
операции типа сложения).
Для оценки современных ЭВМ применяется достаточно редко по
следующим причинам:
–
набор команд современных микропроцессоров может включать
сотни команд, сильно отличающихся друг от друга длительностью
выполнения;
–
значение, выраженное в MIPS, меняется в зависимости от
особенностей программ;
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Структура и характеристики ЭВМ
Единица измерения быстродействия - MFPOPS (Million Floating
Point Operations Per Second — миллион операций с плавающей
точкой в секунду).
Для персональных ЭВМ этот показатель практически не
применяется из-за особенностей решаемых задач и
структурных характеристик ЭВМ.
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Структура и характеристики ЭВМ
Тестовые наборы для комплексных оценок
производительности:
–
наборы тестов фирм-изготовителей для оценивания качества
собственных изделий
–
стандартные универсальные тесты для ЭВМ, предназначенных для
крупномасштабных вычислений;
–
специализированные тесты для конкретных областей применения
компьютеров.
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Структура и характеристики ЭВМ
Примеры тестовых наборов:
–
компания Intel для своих микропроцессоров ввела показатель
iCOMP-Intel Comparative Microprocessor Performance;
–
пакет математических задач Linpack, по которому ведется список
ТОР 500, включающий 500 самых производительных компьютерных
установок в мире;
–
для тестирования ПК по критериям офисной группы приложений
использовался тест Winstone97-Business, для группы «домашних
компьютеров» — WinBench97-CPUMark32, а для группы ПК для
профессиональной работы — 3DWinBench97-UserScene.
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Структура и характеристики ЭВМ
Емкость запоминающих устройств —
количество структурных единиц информации, которые
одновременно можно разместить в памяти.
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Структура и характеристики ЭВМ
Бит — одна двоичная цифра, наименьшая структурная
единица информации
Байт = 8 бит.
10
1Кбайт = 2 байта = 1024 байта,
10
20
1Мбайт = 2 Кбайта = 2 байта,
10
20
30
1 Гбайт = 2 Мбайта = 2 Кбайта = 2 байта.
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Структура и характеристики ЭВМ
Емкость оперативной памяти
–
для ПЭВМ в 2004 г. обычно 128-256 Мб, в 2006 г. – 256-512 Мб
Емкость внешней памяти
–
флоп (1.44Мб)
–
винчестер (40Гб - 120Гб)
–
CD (DVD) (600Мб - 18Гб)
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Структура и характеристики ЭВМ
Надежность —
это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять
требуемые функции в течение заданного времени (стандарт
ISO - 2382/14-78 (Международная организация стандартов))
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Структура и характеристики ЭВМ
Точность —
возможность различать почти равные значения (стандарт ISO —
2382/2-76).
Точность получения результатов обработки в основном
определяется разрядностью ЭВМ, которая в зависимости от
класса ЭВМ может составлять 32, 64 и 128 двоичных разрядов.
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Структура и характеристики ЭВМ
Достоверность — свойство информации быть
правильно воспринятой.
Достоверность характеризуется вероятностью
получения безошибочных результатов.
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Общие принципы построения ЭВМ
Основным
современных
принципом
ЭВМ
построения
является
всех
программное
управление
В основе его лежит представление алгоритма
решения любой задачи в виде программы
вычислений
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Общие принципы построения ЭВМ
«Алгоритм
предписаний,
—
конечный
определяющий
набор
ре-
шение задачи посредством конечного
количества операций»
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Общие принципы построения ЭВМ
«Программа
упорядоченная
команд,
для
ЭВМ
—
последовательность
подлежащая
(стандарт ISO 2382/1-84 г.).
обработке»
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Общие принципы построения ЭВМ
Принцип программного управления,
описанный Дж. фон Нейманом
Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи,
должны быть представлены в виде программы, состоящей из
последовательности управляющих слов — команд.
Каждая команда содержит указания на конкретную
выполняемую операцию, местонахождение (адреса)
операндов и ряд служебных признаков.
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Общие принципы построения ЭВМ
Фон-неймановской архитектура компьютеров
содержит пять компонент:
•- Арифметико-логическое устройство (АЛУ).
•- Устройство управления.
•- Память.
•- Устройство ввода информации.
•- Устройство вывода информации.
(Подавляющее большинство современных
компьютеров).
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Общие принципы построения ЭВМ
Операнды — переменные, значения которых
участвуют в операциях преобразования
данных.
Список (массив) всех переменных
(входных данных, промежуточных значений и
результатов вычислений) - неотъемлемый
элемент любой программы.
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Общие принципы построения ЭВМ
Для доступа к программам, командам и
операндам используются их адреса.
В качестве адресов выступают номера ячеек
памяти ЭВМ, предназначенных для хранения
объектов
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Общие принципы построения ЭВМ
Структурные единицы информации ЭВМ
Последовательность битов в формате, имеющая
определенный смысл, представлена полем.
Последовательность, состоящая из определенного,
принятого для данной ЭВМ числа байтов, называется
словом
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Общие принципы построения ЭВМ
Структурные единицы информации ЭВМ
• самая малая структурная единица - бит;
• последовательность битов - поле;
• полей длинной 8 бит - байт;
• последовательность байтов (2, 4, 8) - слово (особенность слова как
структурной единицы в том, что оно записывается в ОЗУ и считывается из
него за один цикл).
Последовательность слов одинакового смысла - массив.
Файл — это имеющий имя информационный массив (программа, данные,
текст и т.п.), размещаемый во внешней памяти и рассматриваемый как
неделимый объект при пересылках и обработке.
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Общие принципы построения ЭВМ
Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поколений,
отвечающая программному принципу управления
Программы и
исходные данные
УВв
ОЗУ
АЛУ
УУ
УВыв
ВЗУ
Результаты
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Общие принципы построения ЭВМ
Структурная схема ПЭВМ
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Общие принципы построения ЭВМ
Основные компоненты персонального компьютера:
•Системный блок
– Материнская плата
– Процессор
– Оперативная память
– Корпус с блоком питания
•Периферийные устройства (в том числе, клавиатура,
мышь, монитор, принтер и т.д.)
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Общие принципы построения ЭВМ
Децентрализация построения и управления вызвала к
жизни также элементы, которые являются общим стандартом
структур современных ЭВМ:
–
модульность построения;
–
магистральность;
–
иерархия управления.
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Общие принципы построения ЭВМ
Модульная конструкция ЭВМ –
делает ее открытой системой,
способной
к
адаптации
и
совершенствованию
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Общие принципы построения ЭВМ
Модульность
структуры
ЭВМ
требует стандартизации и унификации
оборудования, номенклатуры технических
и
программных
средств,
средств
сопряжения
—
интерфейсов,
конструктивных решений, унификации
типовых элементов замены, элементной
базы
и
нормативно-технической
документации.
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Общие принципы построения ЭВМ
В современных ЭВМ принцип
децентрализации и параллельной
работы распространен как на
периферийные устройства, так и на
сами ЭВМ (процессоры).
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Общие принципы построения ЭВМ
Все существующие типы ЭВМ
выпускаются семействами, в которых
различают старшие и младшие
модели.
Информационная, аппаратная и
программная совместимость
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Общие принципы построения ЭВМ
Общие и специальные шины или магистрали
для обмена информацией
Стандартизация и унификация привели к появлению
иерархии шин и к их специализации:
–
системная шина — для взаимодействия основных устройств;
–
локальная шина — для ускорения обмена видеоданными;
–
периферийная шина — для подключения «медленных»
периферийных устройств.
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Общие принципы построения ЭВМ
Децентрализация управления
предполагает
иерархическую организацию
структуры
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Общие принципы построения ЭВМ
Иерархический принцип построения памяти
ЭВМ:
–
сверхоперативное запоминающее устройство небольшой емкости
–
кэш-память или память блокнотного типа
–
кэш L1 (Еп= 16 - 32 Кбайта с временем доступа 1 - 2 такта процессора);
–
кэш L2 (Еп=128 - 512 Кбайт с временем доступа 3 - 5 тактов)
–
кэш L3 (Еп=2 - 4 Мбайта с временем доступа 8 - 10 тактов).
–
оперативное запоминающее устройство
–
постоянное запоминающее устройство
–
внешнее запоминающее устройство
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Общие принципы построения ЭВМ
Децентрализация
управления
и
структуры ЭВМ позволила перейти к
более сложным
многопрограммным
(мультипрограммным) режимам.
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Общие принципы построения ЭВМ
Признаки классической структуры ЭВМ (фон
Неймана):
–
ядро ЭВМ образует процессор — единственный вычислитель в структуре,
дополненный каналами обмена информацией и памятью;
–
линейная организация ячеек всех видов памяти фиксированного размера;
–
одноуровневая адресация ячеек памяти, стирающая различия между всеми
типами информации;
–
внутренний машинный язык низкого уровня, при котором команды содержат
элементарные операции преобразования простых операндов;
–
последовательное централизованное управление вычислениями;
–
достаточно примитивные возможности устройств ввода-вывода.
Вычислительные системы сети и телекоммуникации
Общие принципы построения ЭВМ
Недостатки классической структуры ЭВМ (фон
Неймана):
–
практически исчерпаны структурные методы повышения производительности
ЭВМ;
–
плохо развиты средства обработки нечисловых данных (структуры, символы,
предложения, графические образы, звук, очень большие массивы данных и
др.);
–
несоответствие машинных операций операторам языков высокого уровня;
–
примитивная организация памяти ЭВМ;
–
низкая эффективность ЭВМ при решении задач, допускающих параллельную
обработку, и т.п.