На первых этапах внедрения ЭВМ в деятельность человека решение задач, в основном, можно было разделить на два больших класса:
- научные и технические расчеты - для них типичным является возможность работы со словами фиксированной длины, относительно небольшие объемы входной информации (исходных данных) и выходной информации (результатов расчета) и очень большое количество разнотипных вычислительных операций, которые необходимо проделывать в процессе решения;
- планово-экономические расчеты, статистика - носят совсем иной характер. Они связаны с вводом в машину очень большого количества (массивов) исходных данных. Сама же обработка требует сравнительно небольшого числа простейших логических и арифметических операций. Однако в результате обычно выводится и печатается очень большое количество информации, причем, как правило, в отредактированной форме в виде таблиц, ведомостей, различных форм и т.д. задачи такого типа получили название задач обработки данных. ЭВМ, предназначенные для их решения, часто называют системой автоматизированной обработки данных. Подобные ЭВМ составляют основу системы АСУ.
|
|
Для системы обработки данных важно отметить возможность ввода, хранения, обработки и вывода большого количества текстовой (алфавитно-цифровой) информации, которая представлена словами переменной длины. Кроме того, для таких систем важно наличие большого количества периферийных запоминающих устройств, хранящих большое количество информации (накопители на дисках и лентах), а также высокопроизводительных устройств ввода и вывода данных.
Для решения этих двух типов задач первоначально строили ЭВМ, которые различались уже на уровне аппаратного обеспечения. Однако резкое расширение сферы использования ЭВМ, совершенствование аппаратного и программного обеспечения, расширение понятия научно-технических расчетов привело к стиранию границ между этими двумя типами задач, а, следовательно, и типами ЭВМ. В результате появились ЭВМ общего назначения (mainframe), которые в настоящее время выполняют основной объем вычислительных работ и машинной обработки информации в различных ВЦ и АСУ.
Современные ЭВМ общего назначения универсальны и могут использоваться как для решения научно-технических задач численными методами, так и в режиме автоматической обработки данных в АСУ. Такие ЭВМ имеют высокое быстродействие, память большого объема, гибкую систему команд и способов представления данных, широкий набор периферийных устройств.
Однако для того чтобы понять радикальные отличия структуры первых микро- и мини-ЭВМ, появившиеся в начале 70 годов, от структур основных типов ЭВМ, существующих в то время – ЭВМ общего назначения – необходимо рассмотреть структуру типичного представителя этих ЭВМ (например, ЕС–ЭВМ), прототипами которых были машины IBM 360/370. Их быстродействие составляло от 200 тысяч оп/сек (ЕС 1030) до 5000 тысяч оп/сек (ЕС 1065) и более для старших моделей машин этого семейства. Упрощенная структура ЭВМ серии ЕС изображена на рис.1.3.
|
|
Рис. 1.3. Структура ЭВМ общего назначения
Собственно обработка данных производится в центральном процессоре (ЦП), содержащем АЛУ и УУ. Это самая быстродействующая часть ЭВМ. Поэтому возникает проблема взаимодействия быстродействующего процессора с большим числом сравнительно медленно действующих периферийных устройств (ПУ). Для эффективного использования всего вычислительного комплекса требуется организовать параллельную во времени работу ЦП и ПУ. Такой режим в ЭВМ общего назначения организуется при помощи специализированных вспомогательных процессоров ввода/вывода, называемых каналами. Периферийные устройства связаны с каналами через собственные блоки управления (УПУ) (их часто называют контроллерами ПУ) и систему сопряжения, называемую интерфейсом. Коротко рассмотрим функции этих устройств.
КАНАЛЫ
Поскольку каналы предназначены для освобождения центрального процессора от вспомогательных операций, не связанных с вычислениями, каналы имеют непосредственный доступ к ОП параллельно ЦП, естественно со своими приоритетами. Ввиду того, что ПУ существенно различаются по быстродействию и режимам работы, каналы подразделяют на байт-мультиплексные, блок-мультиплексные и селекторные.
Байт-мультиплексный канал может обслуживать одновременно несколько сравнительно медленно действующих ПУ - печатающих, УВВ с перфокарт и перфолент, дисплеев и др. Байт-мультиплексный канал попеременно организует с ними сеансы связи для передачи между ОП и ПУ небольших порций информации фиксированной длины (обычно 1-2 байта). В простейшем случае происходит циклический опрос ПУ, например, при работе с дисплейной станцией. В более сложном варианте байт-мультиплексный канал начинает обслуживать ПУ по их запросу, причем первым опрашивает ПУ с высшим приоритетом, а затем по очереди обращается ко всем остальным ПУ, беря от каждого по одному байту информации. Таким образом, мультиплексный канал работает с "медленными" устройствами, способными ожидать обслуживание без потери информации.
Селекторный и блок-мультиплексный каналы связывают ЦП и ОП с ПУ, работающими с высокой скоростью передачи информации (магнитные диски, ленты и др.).
Селекторный канал предназначается для монопольного обслуживания одного устройства. При работе с селекторным каналом ПУ после пуска операции остается связанным с каналом до окончания цепи операций. Запросы на обслуживание других ПУ, так же как и новые команды пуска операций ввода-вывода от процессора, в это время не воспринимаются каналом: до завершения цепи операций селекторный канал по отношению к процессору представляется занятым устройством. Таким образом, селекторный канал предназначен для работы с быстродействующими устройствами, которые могут терять информацию вследствие задержек или прерываний в обслуживании.
Блок-мультиплексный канал обладает тем свойством, что операции, не связанные с передачей данных (установка головок на цилиндр, поиск записи и т.д.), выполняются для нескольких устройств в мультиплексном режиме, а передача блока информации происходит в монопольном (селекторном) режиме.
Следует отметить, что аппаратные средства можно разделить на две части: средства, предназначенные для обслуживания отдельных ПУ, подключенных к каналу, и оборудование, являющееся общим для устройств и разделяемое всеми устройствами во времени.
|
|
Средства канала, выделенные для обслуживания одного ПУ, принято называть подканалом.
ИНТЕРФЕЙС
Связи всех устройств ЭВМ друг с другом осуществляются с помощью интерфейса. Интерфейс представляет собой совокупность линий и шин сигналов, электронных схем и алгоритмов, предназначенную для осуществления обмена информацией между устройствами. От характеристик интерфейсов во многом зависят производительность и надежность ЭВМ.
В заключение следует отметить, что все выше сказанное относится к серийно–выпускаемым в свое время крупным ЭВМ общего назначения серии ЕС (IBM 360/370). Однако в этот же период были разработаны и серийно производились супер-ЭВМ типа Крэй1, Крэй2, Кибер-205, "Эльбрус", ПС-2000, и т.д. Их колоссальная производительность достигалась за счет уникальных структур аппаратного и программного обеспечения. Эти ЭВМ выпускались в незначительных количествах, как правило, под конкретный заказ. Более подробно о многопроцессорных ЭВМ речь пойдет в отдельном разделе данного курса.
МАЛЫЕ ЭВМ
Уже отмечалось, что наиболее массовое внедрение ЭВМ в деятельность человека началось тогда, когда в конце 60-х годов удалось построить небольшие, достаточно простые, надежные и дешевые вычислительные устройства, элементной базой которых были микросхемы. Уменьшение объема аппаратуры и стоимости машины было достигнуто за счет укорочения машинного слова (12-16 разрядов вместо 32-64 в машинах общего назначения), уменьшения по сравнению с ЭВМ общего назначения количества типов обрабатываемых данных (в некоторых моделях только целые числа без знака), ограниченного набора команд, сравнительно небольшого объема ОП и небольшого набора ПУ.
Укорочение машинного слова повлекло за собой множество проблем, связанных с представлением данных, адресацией, составом и структурой команд, логической структурой процессора, организацией обмена информацией между устройствами ЭВМ. В процессе эволюции ЭВМ эти проблемы, так или иначе, решались, что привело к созданию малых ЭВМ, структура которых существенно отличалась от структуры больших машин.
|
|
Следует отметить, что структуры современных микро- и мини-ЭВМ весьма сложны и в ряде случаев мало отличаются от структуры мощных ЭВМ – все зависит от мощности используемого процессора, объема и быстродействия ОП, производительности подсистем ввода-вывода и т.д. Однако, первые мини- и микро-ЭВМ, появившиеся в начала 70 годов, имели весьма простую структуру, радикально отличавшуюся от структуры больших машин того времени.
Типичная структура такой микро-ЭВМ изображена на рис. 1.4.
Рис. 1.4. Обобщенная структура первых микро-ЭВМ
Такая структура называется магистрально-модульной. Ее основу составляет общая магистраль (общая шина), к которой подсоединены в нужной номенклатуре и количестве все устройства машины, выполненные в виде конструктивно законченных модулей. Эта структура более простая и гибкая, чем у больших ЭВМ. Устройства машины обмениваются информацией только через общую шину.
Такая структура оказывается эффективной, а система обмена данных через общую шину - достаточно динамичной лишь при небольшом наборе ПУ.
Универсальность применения при ограниченном наборе команд может быть обеспечена лишь при сравнительно высоком быстродействии машины – в первых моделях около 200-800 тысяч операций в секунду, что превышало скорость многих ЭВМ общего назначения. Высокое быстродействие позволило малым ЭВМ обслуживать технологические процессы в реальном масштабе времени, а также компенсировать замедление обработки данных, связанное с тем, что малый объем аппаратных средств вынуждает реализовать многие процедуры обработки программным путем (например, операции арифметики с плавающей запятой).
Подобное решение оказалось настолько эффективным, что в настоящее время простейшие контроллеры и микро-ЭВМ продолжают строиться по этой же схеме. Однако, структуры сколько-нибудь сложных микро- и мини-ЭВМ, в частности, персональные компьютеры в процессе эволюции существенно усложнились. Современный персональный компьютер имеет весьма сложную структуру магистралей, иерархию внутренней памяти и множество подсистем ввода-вывода различного быстродействия. Архитектура современного персонального компьютера, а также процесс ее эволюции будет рассмотрен в отдельном разделе.
Вопросы для самопроверки
1. Укажите, чем АВМ отличается от ЦВМ.
2. Назовите основные этапы эволюции ЭВМ.
3. Опишите классическую структуру ЭВМ по Нейману и укажите свойства каждого блока.
4. В чем заключается принцип оптимального соотношения аппаратных и программных средств при построении вычислительной техники?
5. Опишите способ обращения пользователя ЭВМ к ее аппаратным средствам.
6. Кратко укажите, что нового появилось в каждом поколении ЭВМ по отношению к предыдущему.
7. Чем различается принцип построения малых ЭВМ и больших ЭВМ общего пользования?