Поняття про обчислювальну техніку. Персональні комп'ютери Функціональна схема комп'ютера. Склад засобів обчислювальної техніки комплексів арм Що входить до складу обчислювальної техніки

Поняття обчислювальної системи

Конкретний набір пристроїв і програм, що взаємодіють між собою, призначений для обслуговування однієї робочої ділянки, називається обчислювальною системою.

Сукупність пристроїв, призначених для автоматичного або автоматизованого оброблення даних, називається обчислювальною технікою або апаратними засобами. Склад обчислювальної системи називається конфігурацією. Апаратні та програмні засоби обчислювальної системи прийнято розглядати окремо.

Критеріями вибору апаратного та програмного рішення є продуктивністьі ефективність.

Центральний пристрій обчислювальної системи – комп'ютер. Комп'ютер– це електронний прилад, призначений для автоматизації створення, зберігання, обробки та транспортування даних. Хоча апаратні та програмні засоби розглядаються окремо, слід зазначити, що ці засоби обчислювальної системи працюють у нерозривному зв'язку та в безперервній взаємодії.

Історія розвитку обчислювальної техніки. Покоління ЕОМ.

(Пропонується студентам для самостійного вивчення).

Класифікація ЕОМ

Масовість використання ПК не повинна заступити той факт, що крім ПК є й інші більш потужні обчислювальні системи:

· Суперкомп'ютери;

· Великі ЕОМ (мейнфрейми);

· Мінікомп'ютери;

· Мікрокомп'ютери (до них відносять персональні ПК).

Ці ЕОМ відрізняються:

· продуктивністю;

· Розмірами;

· функціональним призначенням.

Архітектура та структура ЕОМ

При розгляді комп'ютерних пристроїв прийнято розрізняти їхню архітектуру і структуру.

Архітектуроюкомп'ютера називається його опис на певному загальному рівні, що включає опис можливостей програмування, системи команд, системи адресації, організації пам'яті і т.д. Архітектура визначає принципи дії, інформаційні зв'язки та взаємне поєднання основних логічних вузлів комп'ютера: процесора, оперативного ЗУ, зовнішніх ЗУ та периферійних пристроїв. Спільність архітектури різних комп'ютерівзабезпечує їхню сумісність з погляду користувача.

СтруктураКомп'ютер - це сукупність його функціональних елементів і зв'язків між ними. Елементами можуть бути різні пристрої - від основних логічних вузлів комп'ютера до найпростіших схем. Структура комп'ютера графічно представляється як структурних схем, з допомогою яких можна дати опис комп'ютера будь-якому рівні детализации.

Класична архітектура(архітектура фон Неймана) - один арифметико-логічний пристрій (АЛУ), через який проходить потік даних, та один пристрій управління (УУ), через який проходить потік команд – програма. Це однопроцесорний комп'ютер. До цього типу архітектури відноситься і архітектура персонального комп'ютера загальною шиною. Всі функціональні блоки тут пов'язані між собою загальною шиною, званою також системною магістраллю.Фізично магістраль є багатопровідною лінією з гніздами для підключення електронних схем. Сукупність проводів магістралі поділяється окремі групи: шину адреси, шину даних і шину управління.

Класифікація засобів обчислювальної техніки

1. Апаратне забезпечення

Склад обчислювальної системи називається конфігурацією. Апаратні та програмні засоби обчислювальної техніки прийнято розглядати окремо. Відповідно, окремо розглядають апаратну конфігурацію обчислювальних систем та їхню програмну конфігурацію. Такий принцип поділу має для інформатики особливе значення, оскільки дуже часто вирішення тих самих завдань може забезпечуватися як апаратними, так і програмними засобами. Критеріями вибору апаратного чи програмного рішення є продуктивність та ефективність. Зазвичай прийнято вважати, що апаратні рішення в середньому виявляються дорожчими, зате реалізація програмних рішень потребує більш високої кваліфікації персоналу.

До апаратного забезпеченняобчислювальних систем відносяться пристрої та прилади, що утворюють апаратну конфігурацію. Сучасні комп'ютери та обчислювальні комплекси мають блочно-модульну конструкцію – апаратну конфігурацію, необхідну для виконання конкретних видів робіт, яку можна збирати з готових вузлів та блоків.

Основними апаратними компонентами обчислювальної системи є: центральний процесорта периферійні пристрої, які з'єднані між собою системною магістраллю (Рис.1.) Основна пам'ять призначена для запам'ятовування програм та даних у двійковому вигляді та організована у вигляді впорядкованого масиву осередків, кожна з яких має унікальну цифрову адресу. Як правило, розмір осередку становить 1 байт. Типові операції над основною пам'яттю: зчитування та запис вмісту осередку з певною адресою.

2. Центральний процесор

Центральний процесор - це центральний пристрій комп'ютера, який виконує операції з обробці даних та керує периферійними пристроями комп'ютера. До складу центрального процесора входять:

Пристрій управління - організує процес виконання програм та координує взаємодію всіх пристроїв обчислювальної системи під час її роботи;

Арифметико-логічний пристрій - виконує арифметичні та логічні операціїнад даними: додавання, віднімання, множення, розподіл, порівняння та ін;

Запам'ятовуючий пристрій - є внутрішню пам'ятьпроцесора, що складається з регістрів, при використанні яких процесор виконує розрахунки і зберігає проміжні результати; для прискорення роботи з оперативною пам'яттю використовується кеш-пам'ять, у яку з випередженням підкачуються команди та дані з оперативної пам'яті, необхідні процесору для подальших операцій;

Генератор тактової частоти – генерує електричні імпульси, що синхронізують роботу всіх вузлів комп'ютера.

Центральний процесор виконує різні операції з даними за допомогою спеціалізованих осередків для зберігання ключових змінних та часових результатів - внутрішніх регістрів. Регістри поділяються на два види (рис.2.):

Регістри загального призначення - використовуються для тимчасового зберігання ключових локальних змінних та проміжних результатів обчислень, включають регістри даних та регістри-покажчики; основна функція полягає у забезпеченні швидкого доступудо часто використовуваних даних (зазвичай без звернень до пам'яті).

Спеціалізовані регістри - використовуються контролю роботи процесора, найважливіші їх: регістр команд, покажчик стека, регістр прапорів і регістр, містить інформацію про стан програми.

Регістри даних програміст може використовувати на свій розсуд для тимчасового зберігання будь-яких об'єктів (даних або адрес) та виконання над ними необхідних операцій. Індексні регістри так само, як і регістри даних, можуть використовуватися довільним чином; їхнє основне призначення - зберігати індекси або усунення даних і команд від початку базової адреси (при вибірці операндів з пам'яті). Адреса бази у своїй може бути у базових регістрах.

Сегментні регістри є найважливішим елементом архітектури процесора, забезпечуючи адресацію 20-розрядного адресного простору за допомогою 16-розрядних операндів. Основні сегментні регістри: CS – регістр сегмента коду; DS – регістр сегмента даних; SS – регістр сегмента стека, ES – додатковий сегментальний регістр. Звернення до пам'яті здійснюється у вигляді сегментів - логічних утворень, накладених будь-які ділянки фізичного адресного простору. Початкова адреса сегмента, поділена на 16 (без молодшої шістнадцяткової цифри) заноситься в один із сегментних регістрів; після чого надається доступ до ділянки пам'яті, що починається із заданої сегментної адреси.

Адреса будь-якого осередку пам'яті складається з двох слів, одне з яких визначає розташування в пам'яті відповідного сегмента, а інше - усунення в межах цього сегмента. Розмір сегмента визначається обсягом даних, що містяться в ньому, але ніколи не може перевищувати величину 64 Кбайт, що визначається максимально можливою величиною зсуву. Сегментна адреса сегмента команд зберігається в регістрі CS, а зсув до байта, що адресується - в регістрі покажчика команд IP.

Рис.2. Регістри 32-х розрядного процесора

Після завантаження програми в IP заноситься усунення першої команди програми. Процесор, вважавши її з пам'яті, збільшує вміст IP точно на довжину цієї команди (команди процесорів Intel можуть мати довжину від 1 до 6 байт), у результаті IP вказує на другу команду програми. Виконавши першу команду, процесор зчитує з другої пам'яті, знову збільшуючи значення IP. В результаті в IP завжди знаходиться зміщення чергової команди - команди, що йде за виконуваною. Описаний алгоритм порушується лише за виконання команд переходів, викликів підпрограм та обслуговування переривань.

Сегментна адреса сегмента даних зберігається в регістрі DS, зсув може бути в одному з регістрів загального призначення. Додатковий сегментний регістр ES використовується для звернення до полів даних, що не входять до програми, наприклад відеобуфера або системних осередків. Однак за необхідності його можна налаштувати і на один із сегментів програми. Наприклад, якщо програма працює з великим обсягом даних, для них можна передбачити два сегменти і звертатися до одного з них через регістр DS, а до іншого через регістр ES.

Регістр-покажчик стека SP використовується як покажчик вершини стека. Стеком називають область програми тимчасового зберігання довільних даних. Зручність стека полягає в тому, що його область використовується багаторазово, причому збереження в стеку даних і вибірка звідти виконується за допомогою команд push і pop без вказівки імен. Стек традиційно використовується для збереження вмісту регістрів, що використовуються програмою, перед викликом підпрограми, яка, у свою чергу, використовуватиме регістри процесора у своїх особистих цілях. Вихідний вміст регістрів витягується зі стека після повернення з підпрограми. Інший поширений прийом - передача підпрограмі необхідних нею параметрів через стек. Підпрограма, знаючи, в якому порядку поміщені в стек параметри, може забрати їх звідти та використовувати під час виконання.

Відмінною особливістю стека є своєрідний порядок вибірки даних, що містяться в ньому: у будь-який момент часу в стеку доступний тільки верхній елемент, тобто елемент, завантажений в стек останнім. Вивантаження зі стека верхнього елемента робить доступним наступний елемент. Елементи стека розташовуються в області пам'яті, відведеної під стек, починаючи з дна стека (з його максимальної адреси) за адресами, що послідовно зменшуються. Адреса верхнього доступного елемента зберігається в регістрі-покажчику стека SP.

Спеціальні регістри доступні лише у привілейованому режимі та використовуються операційною системою. Вони контролюють різні блоки кеш-пам'яті, основну пам'ять, пристрої вводу-виводу та інші пристрої обчислювальної системи.

Існує один регістр, який доступний як у привілейованому, так і в режимі користувача. Це регістр PSW (Program State Word – слово стану програми), який називають прапорним. Прапорний регістр містить різні біти, необхідні центральному процесору, найважливіші - коди умов, що використовуються при порівняннях та умовних переходах. Вони встановлюються в кожному циклі арифметико-логічного пристрою процесора та відображають стан результату попередньої операції. Вміст прапорного регістру залежить від типу обчислювальної системи та може включати додаткові поля, які вказують: режим машини (наприклад, користувальницький або привілейований); біт трасування (який використовується для налагодження); рівень пріоритету процесора; статус дозволу переривань. Прапорний регістр зазвичай читається в режимі користувача, але деякі поля можуть записуватися тільки в привілейованому режимі (наприклад, біт, який вказує режим).

Регістр покажчик команд містить адресу наступної, що стоїть у черзі виконання команди. Після вибору команди з пам'яті регістр команд коригується і покажчик переходить до наступної команди. Покажчик команд слідкує за ходом виконання програми, вказуючи в кожний момент відносну адресу команди, що йде за виконуваною. Реєстр програмно недоступний; нарощування адреси у ньому виконує мікропроцесор, враховуючи у своїй довжину поточної команди. Команди переходів, переривань, виклику підпрограм і повернення їх змінюють вміст покажчика, здійснюючи цим переходи в необхідні точки програми.

Регістр акумулятора використовується в переважній кількості команд. Команди, що часто застосовуються, використовують цей регістр, мають укорочений формат.

Для обробки інформації зазвичай організовується передача даних із осередків пам'яті в регістри загального призначення, виконання операції центральним процесором та передача результатів в основну пам'ять. Програми зберігаються як послідовності машинних команд, які має виконувати центральний процесор. Кожна команда складається з поля операції та полів операндів - даних, над якими виконується дана операція. Набір машинних команд називається машинною мовою. Виконання програм здійснюється в такий спосіб. Машинна команда, яку вказує програмний лічильник, зчитується з пам'яті і копіюється в регістр команд, де декодується, після чого виконується. Після виконання програмний лічильник вказує на наступну команду і т.д. Ці дії називаються машинним циклом.

Більшість центральних процесорів мають два режими роботи: режим ядра та користувальницький, який задається бітом слова стану процесора (прапорного регістру). Якщо процесор запущено в режимі ядра, він може виконувати всі команди з набору вказівок та використовувати всі можливості апаратури. Операційна система працює в режимі ядра та надає доступ до всього обладнання. Програми користувачів працюють у режимі користувача, який дозволяє виконання безлічі команд, але робить доступним тільки частина апаратних засобів.

Для зв'язку з операційною системою програма користувача повинна сформувати системний виклик, який забезпечує перехід в режим ядра і активізує функції операційної системи. Команда trap (емульоване переривання) перемикає режим роботи процесора з користувальницького режиму ядра і передає управління операційній системі. Після завершення роботи управління повертається до програми користувача, до команди, що йде за системним викликом.

У комп'ютерах, крім інструкцій для виконання системних викликів, є переривання, які викликаються апаратно для попередження про виняткові ситуації, наприклад, спроба поділу на нуль або переповнення при операціях з плаваючою точкою. У всіх подібних випадках управління переходить до операційної системи, яка повинна вирішити, що робити далі. Іноді потрібно завершити програму з повідомленням про помилку, іноді можна проігнорувати (наприклад, при втраті значущості числа його можна прийняти рівним нулю) або передати керування програмою для обробки деяких видів умов.

За способом розташування пристроїв щодо центрального процесора розрізняють внутрішні та зовнішні пристрої. Зовнішніми, як правило, є більшість пристроїв введення-виведення даних (їх також називають периферійними пристроями) та деякі пристрої, призначені для тривалого зберігання даних.

Узгодження між окремими вузлами та блоками виконують за допомогою перехідних апаратно-логічних пристроїв, які називають апаратними інтерфейсами. Стандарти на апаратні інтерфейси в обчислювальної техніки називають протоколами - сукупністю технічних умов, які мають бути забезпечені розробниками пристроїв для успішного узгодження їх роботи з іншими пристроями.

Численні інтерфейси, присутні у архітектурі будь-якої обчислювальної системи, можна умовно розділити на великі групи: послідовні і паралельні. Через послідовний інтерфейс дані передаються послідовно, біт за бітом, а через паралельний - одночасно групами бітів. Кількість бітів, що у однієї посилці, визначається розрядністю інтерфейсу, наприклад, восьмиразрядные паралельні інтерфейси передають один байт (8 біт) однією цикл.

Паралельні інтерфейси зазвичай мають складніший пристрій, ніж послідовні, але забезпечують більш високу продуктивність. Їх застосовують там, де важлива швидкість передачі даних: для підключення друкувальних пристроїв, пристроїв введення графічної інформації, пристрої запису даних на зовнішній носій і т.п. Продуктивність паралельних інтерфейсів вимірюють байтами за секунду (байт/с; Кбайт/с; Мбайт/с).

Влаштування послідовних інтерфейсів простіше; як правило, для них не треба синхронізувати роботу передавального та приймаючого пристрою (тому їх часто називають асинхронними інтерфейсами), але пропускна здатність їх менша і коефіцієнт корисної дії нижче. Оскільки обмін даними через послідовні пристрої проводиться не байтами, а бітами, їхня продуктивність вимірюють бітами в секунду (біт/с, Кбіт/с, Мбіт/с). Незважаючи на простоту перекладу одиниць вимірювання швидкості послідовної передачі в одиниці вимірювання швидкості паралельної передачі даних шляхом механічного поділу на 8, такий перерахунок не виконують, оскільки він не коректний через наявність службових даних. В крайньому випадку, з поправкою на службові дані, іноді швидкість послідовних пристроїв виражають у знаках на секунду або символи на секунду (с/с), але ця величина має не технічний, а довідковий, споживчий характер.

Послідовні інтерфейси застосовують для підключення повільних пристроїв (найпростіших пристроїв друку низької якості: пристроїв введення та виведення знакової та сигнальної інформації, контрольних датчиків, малопродуктивних пристроїв зв'язку тощо), а також у тих випадках, коли немає істотних обмежень щодо тривалості обміну даними (Цифрові фотокамери).

Другою основною складовою комп'ютера є пам'ять. Система пам'яті конструюється як ієрархії шарів (рис.3.). Верхній шар складається із внутрішніх регістрів центрального процесора. Внутрішні регістри надають можливість для зберігання 32 х 32 біт на 32-розрядному процесорі та 64 х 64 біт на 64-розрядному процесорі, що становить менше одного кілобайта в обох випадках. Програми самі можуть управляти регістрами (тобто вирішувати, що у них зберігати) без втручання апаратури.

Рис.3. Типова ієрархічна структура пам'яті

У наступному шарі знаходиться кеш-пам'ять, переважно контрольована обладнанням. Оперативна пам'ять розділена на кеш-рядки, зазвичай по 64 байт, з адресацією від 0 до 63 у нульовому рядку, від 64 до 127 у першому рядку і т.д. Найчастіше використовувані рядки кеша зберігаються у високошвидкісній кеш-пам'яті, розташованій усередині центрального процесора або дуже близько до нього. Коли програма повинна прочитати слово з пам'яті, кеш-мікросхема перевіряє, чи потрібний рядок у кеші. Якщо це так, відбувається результативне звернення до кеш-пам'яті, запит задовольняється повністю з кеша і запит до пам'яті на шину не виставляється. Вдале звернення до кешу, зазвичай, у часі займає близько двох тактів, а невдале призводить до звернення до пам'яті з значною втратою часу. Кеш-пам'ять обмежена у розмірі, що зумовлено її високою вартістю. У деяких машинах є два або навіть три рівні кешу, причому кожен наступний повільніший і більший за попередній.

Далі слідує оперативна пам'ять (ОЗУ - оперативний пристрій, що запам'ятовує, англ. RAM, Random Access Memory - пам'ять з довільним доступом). Це головна робоча область пам'яті обчислювальної системи. Усі запити центрального процесора, які можуть бути виконані кеш-пам'яттю, надходять для обробки в основну пам'ять. При роботі кількох програм на комп'ютері бажано складні програмипоміщати в оперативну пам'ять. Захист програм друг від друга та його переміщення у пам'яті реалізується з допомогою устаткування комп'ютера двома спеціалізованими регістрів: базовим регістром і граничним регістром.

У найпростішому випадку (рис.4.а), коли програма починає працювати, в базовий регістр завантажується адреса початку модуля програми, що виконується, а граничний регістр говорить про те, скільки займає виконуваний модуль програми разом з даними. При вибірці команди з пам'яті апаратура перевіряє лічильник команд, і якщо він менший, ніж граничний регістр, додає до нього значення базового регістру, а суму передає пам'яті. Коли програма хоче прочитати слово даних (наприклад, з адреси 10000), апаратура автоматично додає до цієї адреси вміст базового регістру (наприклад, 50000) та передає суму (60000) пам'яті. Базовий регістр дає можливість програмі посилатися на будь-яку частину пам'яті, що йде за адресою, що зберігається в ньому. Крім того, граничний регістр забороняє програмі звернення до будь-якої частини пам'яті після програми. Таким чином, за допомогою цієї схеми вирішуються обидві завдання: захисту та переміщення програм.

В результаті перевірки та перетворення даних, адреса, сформована програмою та звана віртуальною адресою, переводиться на адресу, яка використовується пам'яттю та звана фізичною адресою. Пристрій, який виконує перевірку та перетворення, називається пристроєм керування пам'яттю або диспетчером пам'яті (MMU, Memory Management Unit). Диспетчер пам'яті знаходиться або у схемі процесора, або близько до неї, але логічно знаходиться між процесором і пам'яттю.

Більш складний диспетчер пам'яті складається з двох пар базових та граничних регістрів. Одна пара призначена для тексту програми, інша пара – для даних. Командний регістр і посилання на текст програми працюють із першою парою регістрів, посилання дані використовують другу пару регістрів. Завдяки такому механізму з'являється можливість ділити одну програму між декількома користувачами при зберіганні в ОЗУ лише однієї копії програми, що у простій схемі. Працюючи програми №1 чотири регістри розташовуються так, як показано на рис.4 (б) зліва, під час роботи програми №2 - справа. Керування диспетчером пам'яті є функцією операційної системи.

Наступним у структурі пам'яті йде магнітний диск(жорсткий диск). Дискова пам'ять на два порядки дешевша за ОЗУ в перерахунку на біт і більше за величиною, але доступ до даних, розміщених на диску, займає приблизно на три порядки більше часу. Причиною низької швидкості жорсткого дискає той факт, що диск є механічною конструкцією. Жорсткий дискскладається з однієї або декількох металевих пластин, що обертаються зі швидкістю 5400, 7200 або 10800 оборотів за хвилину (рис.5.). Інформація записується на пластини у вигляді концентричних кіл. Головки читання/запису в кожній заданій позиції можуть прочитати кільце на пластині, що називається доріжкою. Всі разом доріжки для заданої позиції вилки утворюють циліндр.

Кожна доріжка розділена на кілька секторів, зазвичай по 512 байт на сектор. На сучасних дисках зовнішні циліндри містять Велика кількістьсекторів, ніж внутрішні. Переміщення головки від одного циліндра до іншого займає близько 1 мс, а переміщення до довільного циліндра вимагає від 5 до 10 мс залежно від диска. Коли головка розташовується над потрібною доріжкою, слід чекати, поки двигун поверне диск так, щоб під головкою став потрібний сектор. Це займає додатково від 5 до 10 мс залежно від швидкості обертання диска. Коли сектор перебуває під головкою, процес читання або запису відбувається зі швидкістю від 5 Мбайт/с (для низькошвидкісних дисків) до 160 Мбайт/с (для високошвидкісних дисків).

Останній шар займає магнітна стрічка. Цей носій часто використовувався для створення резервних копійпростір жорсткого диска або для зберігання великих наборів даних. Для доступу до інформації стрічку поміщали пристрій для читання магнітних стрічок, потім її перемотували до запитуваного блоку з інформацією. Весь процес тривав хвилини. Описана ієрархія пам'яті типова, але в деяких варіантах можуть бути не всі рівні або інші види (наприклад, оптичний диск). У будь-якому випадку при русі ієрархії зверху вниз час довільного доступу значно збільшується від пристрою до пристрою, і місткість зростає еквівалентно часу доступу.

Крім описаних вище видів у багатьох комп'ютерах є постійна пам'ять з довільним доступом (ПЗУ - постійний пристрій, ROM, Read Only Memory - пам'ять тільки для читання), яка не втрачає свій вміст при вимкненні живлення обчислювальної системи. ПЗУ програмується у процесі виробництва та після цього його вміст не можна змінити. На деяких комп'ютерах в ПЗУ знаходяться програми початкового завантаження, які використовуються при запуску комп'ютера, і деякі картки вводу-виводу для керування низькорівневими пристроями.

Електрично стирається ПЗП (EEPROM, Electrically Erasable ROM) і флеш-ОЗУ (flash RAM) також енергонезалежні, але на відміну від ПЗП їх вміст можна стерти і переписати. Однак запис даних на них потребує набагато більше часу, ніж запис в оперативну пам'ять. Тому вони використовуються так само, як і ПЗУ.

Існує ще один вид пам'яті - CMOS-пам'ять, яка є енергозалежною та використовується для зберігання поточної датита поточного часу. Пам'ять отримує живлення від акумулятора, вбудованого в комп'ютер, може містити параметри конфігурації (наприклад, вказівка, з якого жорсткого диска робити завантаження).

3. Пристрої введення-виводу

Іншими пристроями, що тісно взаємодіють з операційною системою, є пристрої введення-виводу, які складаються з двох частин: контролера та самого пристрою. Контролер є мікросхемою (набір мікросхем) на платі, що вставляється в роз'єм, яка приймає і виконує команди операційної системи.

Наприклад, контролер приймає команду читання певного сектора диска. Для виконання команди контролер перетворює лінійний номер сектора диска на номер циліндра, сектора та головки. Операція перетворення ускладнюється тим, що зовнішні циліндри може мати більше секторів, ніж внутрішні. Потім контролер визначає, над яким циліндром в даний момент головка, і дає послідовність імпульсів, щоб перемістити головку на необхідну кількість циліндрів. Після цього контролер чекає, поки повернеться диск, помістивши потрібний сектор під головку. Потім послідовно виконуються процеси читання та збереження бітів у міру надходження їх з диска, процеси видалення заголовка та обчислення контрольної суми. Далі контролер збирає отримані біти у слова та зберігає їх у пам'яті. Для цієї роботи контролери містять вбудовані мікропрограми.

Сам пристрій вводу-виводу має простий інтерфейс, який має відповідати єдиному стандарту IDE (IDE, Integrated Drive Electronics – вбудований інтерфейс накопичувачів). Оскільки інтерфейс пристрою прихований контролером, то операційна система бачить лише інтерфейс контролера, який може відрізнятись від інтерфейсу пристрою.

Так як контролери для різних пристроїввводу-виводу відрізняються один від одного, то для управління ними потрібне відповідне програмне забезпечення – драйвери. Тому кожен виробник контролерів повинен постачати драйвери для підтримуваних ним операційних систем. Щоб встановити драйвер в операційну систему, існує три способи:

Знову скомпонувати ядро ​​разом з новим драйвером і потім перезавантажити систему, так працює безліч систем UNIX;

Створити запис у файлі, що входить в операційну систему, про те, що потрібно драйвер і перезавантажити систему, під час початкового завантаження операційна система знайде потрібний драйверта завантажить його; так працює операційна система Windows;

Прийняти нові драйвери та оперативно їх встановити засобами операційної системи під час її роботи; спосіб використовується знімними шинами USB і IEEE 1394, які завжди потребують динамічно завантажуваних драйверів.

Для зв'язку з кожним контролером є певні регістри. Наприклад, мінімальний контролер диска може мати регістри для визначення адреси на диску, адреси пам'яті, номер сектора та напрямки операції (читання або запис). Щоб активізувати контролер, драйвер отримує команду від операційної системи, потім транслює її у величини, придатні для запису регістри пристрою.

На деяких комп'ютерах регістри пристроїв введення-виводу відображаються в адресному просторі операційної системи, тому їх можна читати або записувати як звичайні слова в пам'яті. Адреси регістрів розміщуються в ОЗУ за межами досяжності програм користувачів, щоб програми користувачів убезпечити від апаратури (наприклад, за допомогою базового та граничного регістрів).

На інших комп'ютерах регістри пристроїв розташовуються в спеціальних портах вводу-виводу, і кожен регістр має свою адресу порту. На таких машинах у привілейованому режимі доступні команди IN та OUT, які дозволяють драйверам зчитувати та записувати регістри. Перша схема усуває необхідність спеціальних команд введення-виводу, але використовує деяку кількість адресного простору. Друга схема не торкається адресного простору, але вимагає наявність спеціальних команд. Обидві схеми широко використовуються. Введення та виведення даних здійснюється трьома способами.

1.Користувачська програма видає системний запит, який ядро ​​транслює у виклик процедури відповідного драйвера. Потім драйвер починає процес введення-виводу. У цей час драйвер виконує дуже короткий програмний цикл, постійно опитуючи готовність пристрою, з яким він працює (зазвичай є якийсь біт, який вказує на те, що пристрій зайнятий). Після завершення операції введення-виведення драйвер поміщає дані туди, куди потрібно, і повертається в вихідний стан. Потім операційна система повертає керування програмою, яка здійснювала виклик. Цей метод називається очікуванням готовності або активним очікуванням і має один недолік: процесор повинен опитувати пристрій, доки він не завершить свою роботу.

2.Драйвер запускає пристрій і просить його видати переривання після закінчення введення-виводу. Після цього драйвер повертає дані, операційна система блокує програму виклику, якщо це потрібно, і починає виконувати інші завдання. Коли контролер виявляє закінчення передачі, він генерує переривання, щоб сигналізувати про завершення операції. Механізм реалізації введення-виведення відбувається таким чином (рис.6.а):

Крок 1: драйвер передає команду контролеру, записуючи інформацію в регістри пристрою; контролер запускає пристрій введення-виводу.

Крок 2: після закінчення читання або запису контролер посилає сигнал мікросхеми контролера переривань.

Крок З: якщо контролер переривань готовий до прийому переривання, він подає сигнал на певний контакт центрального процесора.

Крок 4: контролер переривань виставляє номер пристрою введення-виводу на шину так, щоб центральний процесор міг прочитати його та дізнатися, який пристрій завершив роботу. При прийомі центральним процесором переривання вміст лічильника команд (PC) і слова стану процесора (PSW) поміщається в поточний стек, а процесор перемикається в привілейований режим роботи (режим роботи ядра операційної системи). Номер пристрою вводу-виводу може використовуватися як індекс частини пам'яті, який використовується для пошуку адреси обробника переривань даного пристрою. Ця частина пам'яті називається вектором переривань. Коли обробник переривань (частина драйвера пристрою, що надіслав переривання) починає свою роботу, він видаляє розташовані в стеку лічильник команд і слово стану процесора, зберігає їх і запитує пристрій, щоб отримати інформацію про його стан. Після того як обробка переривання завершена, управління повертається до програми користувача, до тієї команди, виконання якої ще не було закінчено (рис. 6 б).

3.Для введення-виведення інформації використовується контролер прямого доступу до пам'яті (DMA, Direct Memory Access), який управляє потоком бітів між оперативною пам'яттю та деякими контролерами без постійного втручання центрального процесора. Процесор викликає мікросхему DMA, каже їй, скільки байтів потрібно передати, повідомляє адреси пристрою та пам'яті, а також напрямок передачі даних і дозволяє мікросхемі діяти самій. Після завершення роботи DMAініціює переривання, яке обробляється відповідним чином.

Переривання можуть відбуватися у невідповідні моменти, наприклад, під час обробки іншого переривання. З цієї причини центральний процесор має можливість забороняти переривання і дозволяти їх пізніше. Поки переривання заборонені, всі пристрої, які завершили роботу, продовжують надсилати свої сигнали, але робота процесора не переривається доти, доки переривання не буде дозволено. Якщо закінчують роботу відразу кілька пристроїв у той час, коли переривання заборонені, контролер переривань вирішує, яке з них має бути оброблено першим, зазвичай спираючись на статичні пріоритети, призначені для кожного пристрою.

Обчислювальна система Pentium має вісім шин (шина кеша, локальна шина, шина пам'яті, PCI, SCSI, USB, IDE та ISA). Кожна шина має свою швидкість передачі даних та свої функції. В операційній системі для керування комп'ютером та його конфігурації повинні знаходитись відомості про всі шини.

Шина ISA (Industry Standard Architecture, промислова стандартна архітектура) - вперше з'явилася на комп'ютерах IBM PC/AT, працює на частоті 8,33 МГц і може передавати два байти за такт із максимальною швидкістю 16,67 Мбайт/с.; вона включена в систему зворотної сумісності зі старими повільними платами вводу-вывода.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect, інтерфейс периферійних пристроїв) - створена компанією Intel як наступниця шини ISA, може працювати на частоті 66 МГц і передавати по 8 байт за такт зі швидкістю 528 Мбайт/с. В даний час шини PCI використовують більшість високошвидкісних пристроїв вводу-виводу, а також комп'ютери з процесорами, відмінними від Intel, так як з нею сумісно багато плат вводу-виводу.

Локальна шина в системі Pentium використовується для передачі центральним процесором даних мікросхемі PCI-моста, який звертається до пам'яті виділеної шини пам'яті, що часто працює на частоті 100 МГц.

Шина кешу використовуються для підключення зовнішнього кеша, оскільки системи Pentium мають кеш першого рівня (кеш L1), вбудований у процесор, і великий зовнішній кеш другого рівня (кеш L2).

Шина IDE служить для приєднання периферійних пристроїв: дисків та пристроїв для читання компакт-дисків. Шина є нащадком інтерфейсу контролера диска на PC/AT, в даний час входить до стандартного комплекту всіх систем, заснованих на процесорах Pentium.

Шина USB (Universal Serial Bus, універсальна послідовна шина) призначена для приєднання до комп'ютера повільних пристроїв введення-виведення (клавіатури, миші). Вона використовує маленький чотирипровідний роз'єм, два дроти якого постачають електроживлення до USB-пристроїв.

Шина USB - це централізована шина, по якій головний пристрій кожну мілісекунду опитує пристрої введення-виводу, щоб дізнатися, чи є дані. Вона може керувати завантаженням даних із швидкістю 1,5 Мбайт/с. Всі пристрої USB використовують один драйвер, тому їх можна приєднувати до системи без її перезавантаження.

Шина SCSI (Small Computer System Interface, системний інтерфейс малих комп'ютерів) - високопродуктивна шина, що застосовується для швидких дисків, сканерів та інших пристроїв, що потребують значної пропускної спроможності. Її продуктивність сягає 160 Мбайт/с. Шина SCSI використовується у системах Macintosh, популярна у UNIX-системах та інших системах на базі процесорів Intel.

Шина IEEE 1394 (FireWire) є біт-послідовною шиною і підтримує пакетну передачу даних зі швидкістю, що досягає 50 Мбайт/с. Ця властивість дозволяє підключати портативні цифрові відеокамери та інші мультимедійні пристрої до комп'ютера. На відміну від шини USB шина IEEE 1394 немає центрального контролера.

Операційна система повинна вміти розпізнавати апаратні складові та вміти їх налаштовувати. Ця вимога призвела компанії Intel і Microsoft до розробки системи персонального комп'ютера, званої plug and play (включи і працюй). До появи цієї системи кожна плата вводу-виводу мала фіксовані адреси регістрів введення-виводу та рівень запиту переривання. Наприклад, клавіатура використовувала переривання 1 та адреси в діапазоні від 0x60 до 0x64; контролер гнучкого диска використовував переривання 6 та адреси від 0x3F0 до 0x3F7; принтер користувався перериванням 7 та адресами від 0x378 до 0х37А.

Якщо користувач купував звукову картуі модем, траплялося, що ці пристрої випадково використовували одне й теж переривання. Виникав конфлікт, тому пристрої було неможливо працювати разом. Можливим рішеннямбуло вбудувати набір DIP-перемикачів (джамперів, jumper - перемичка) в кожну плату і налаштувати кожну плату таким чином, щоб адреси портів та номери переривань різних пристроївне конфліктували один з одним.

Plug and play дозволяє операційній системі автоматично збирати інформацію про пристрої вводу-виводу, централізовано призначати рівні переривання та адреси введення-виводу, а потім повідомляти кожній платі цю інформацію. Така система працює на комп'ютерах Pentium. Кожен комп'ютер із процесором Pentium містить материнську плату, на якій знаходиться програма - система BIOS(Basic Input Output System – базова система введення-виводу). BIOS містить програми введення-виведення низького рівня, включаючи процедури: для читання з клавіатури, для виведення інформації на екран, для введення-виведення даних з диска та ін.

Під час початкового завантаження комп'ютера стартує система BIOS, яка перевіряє кількість встановленої в системі оперативної пам'яті, підключення та коректність роботи клавіатури та інших основних пристроїв. Далі BIOS перевіряє шини ISA та PCI та всі пристрої, приєднані до них. Деякі з цих пристроїв традиційні (створені до виходу стандарту plug and play). Вони мають фіксовані рівні переривання та адресу порту введення-виводу (наприклад, задані за допомогою перемикачів або перемичок на платі введення-виводу без можливості зміни їх операційною системою). Ці пристрої реєструються, далі проходять реєстрацію пристрою plug and play. Якщо присутні пристрої відрізняються від тих, що були під час останнього завантаження, конфігурування нових пристроїв.

Потім BIOS визначає пристрій, з якого буде завантажуватися, по черзі пробуючи кожне зі списку, що зберігається в CMOS-пам'яті. Користувач може змінити цей список, увійшовши до конфігураційної програму BIOSвідразу після завантаження. Зазвичай спочатку робиться спроба завантажитись з гнучкого диска. Якщо це не вдається, використовується компакт-диск. Якщо в комп'ютері відсутній гнучкий диск або компакт-диск, система завантажується з жорсткого диска. З завантажувального пристрою зчитується в пам'ять та виконується перший сектор. У цьому секторі знаходиться програма, яка перевіряє таблицю розділів наприкінці завантажувального сектора, щоб визначити, який із розділів є активним. Потім з розділу читається вторинний завантажувач. Він зчитує з активного розділу операційну систему та запускає її.

Після цього операційна система опитує BIOS, щоб отримати інформацію про конфігурацію комп'ютера та перевіряє наявність драйвера для кожного пристрою. Якщо драйвер відсутній, операційна система просить користувача вставити гнучкий диск або компакт-диск із драйвером (ці диски постачаються виробником пристрою). Якщо всі драйвери дома, операційна система завантажує в ядро. Потім вона ініціалізує таблиці драйверів, створює всі необхідні фонові процеси та запускає програму введення пароля або графічний інтерфейскожному терміналі.

5. Історія розвитку засобів обчислювальної техніки

Усі IBM-сумісні персональні комп'ютери укомплектовані Intel-сумісними процесорами. Історія розвитку мікропроцесорів сімейства Intel коротко така. Перший універсальний мікропроцесор фірми Intel з'явився в 1970 р. Він називався Intel 4004, був чотирирозрядним і мав можливість вводу/виводу та обробки чотирибитних слів. Швидкодія його становила 8000 операцій на секунду. Мікропроцесор Intel 4004 був розрахований на застосування в програмованих калькуляторах з пам'яттю розміром 4 Кбайт.

Через три роки фірма Intel випустила процесор 8080, який міг виконувати вже 16-бітові арифметичні операції, мав 1б-розрядну адресну шину і, отже, міг адресувати до 64 Кбайт пам'яті (25160 = 65536). 1978 ознаменувався випуском процесора 8086 з розміром слова в 16 біт (два байта), 20-розрядною шиною і міг оперувати вже з 1 Мбайт пам'яті (2 520 0 = 1048576, або 1024 Кбайт), розділеної на блоки (сегменти) кожен. Процесором 8086 комплектувалися комп'ютери, сумісні з IBM PC та IBM PC/XT. Наступним великим кроком у розробці нових мікропроцесорів став процесор 8028б, що з'явився в 1982 році. Він мав 24-розрядну адресну шину, міг розпоряджатися 16 мегабайтами адресного простору і ставився на комп'ютери, сумісні з IBM PC/AT. У жовтні 1985 року був випущений 80386DX з 32-розрядною шиною адреси (максимальний адресний простір - 4 Гбайт), а в червні 1988 року - 80386SX, більш дешевий порівняно з 80386DX і 24-розрядний. Потім у квітні 1989 року з'являється мікропроцесор 80486DX, а травні 1993 - перший варіант процесора Pentium (обидва з 32-разрядной шиною адреси).

У травні 1995 року у Москві на міжнародній виставці Комтек-95 фірма Intel представила новий процесор – P6.

Однією з найважливіших цілей, поставлених розробки P6, було подвоєння продуктивності проти процесором Pentium. При цьому виробництво перших версій P6 буде здійснюватися за вже налагодженою "Intel" і використовуваною під час виробництва останніх версій Pentium напівпровідникової технології (О,6 мкм, З, З).

Використання того ж процесу виробництва дає гарантію того, що масове виробництво P6 буде налагоджено без серйозних проблем. Водночас це означає, що подвоєння продуктивності досягається лише за рахунок всебічного покращення мікроархітектури процесора. При розробці мікроархітектури P6 використовувалася старанно продумана і налаштована комбінація різних архітектурних методів. Частина з них була раніше випробувана в процесорах "великих" комп'ютерів, частина запропонована академічними інститутами, розроблені інженерами фірми "Intel". Ця унікальна комбінація архітектурних особливостей, яку в "Intel" визначають словами "динамічний виконання", дозволила першим кристалам P6 перевершити рівень продуктивності, що спочатку планувався.

При порівнянні з альтернативними "Intel" процесорами сімейства х86 з'ясовується, що мікроархітектура Р6 має багато спільного з мікроархітектурою процесорів Nx586 фірми NexGen та K5 фірми AMD, і, хоч і меншою мірою, з M1 фірми "Cyrix". Ця спільність пояснюється тим, що інженери чотирьох компаній вирішували те саме завдання: використання елементів RISC-технології при збереженні сумісності з CISC-архітектурою Intel х86.

Два кристали в одному корпусі

Головна перевага та унікальна особливість Р6 - розміщенав одному корпусі з процесором вторинна статична кеш-пам'ять розміром 256 кб, з'єднана із процесором спеціально виділеною шиною. Така конструкція має значно спростити проектування систем з урахуванням Р6. Р6 – перший призначений для масового виробництва мікропроцесор, що містить два чіпи в одному корпусі.

Кристал ЦПУ Р6 містить 5,5 мільйонів транзисторів; кристал кеш-пам'яті другого рівня – 15,5 мільйонів. Для порівняння, остання модель Pentium включала близько 3,3 мільйонів транзисторів, а кеш-пам'ять другого рівня реалізовувалась за допомогою зовнішнього набору кристалів пам'яті.

Така велика кількість транзисторів у кеші пояснюється його статичною природою. Статична пам'ять у P6 використовує шість транзисторів для запам'ятовування одного біта, тоді як динамічної пам'яті було б достатньо одного транзистора на біт. Статична пам'ять швидша, але дорожча. Хоча кількість транзисторів на кристалі з вторинним кешем втричі більша, ніж на кристалі процесора, фізичні розміри кешу менше: 202 квадратні міліметри проти 306 у процесора. Обидва кристали разом укладені в керамічний корпус з 387 контактами (dual cavity pin-drid array). Обидва кристали виробляються із застосуванням однієї і тієї ж технології (0,6 мкм, 4-шарова метал-БіКМОП, 2,9 В). Можливе максимальне споживання енергії: 20 Вт при частоті 133 МГц.

Перша причина об'єднання процесора та вторинного кешу в одному корпусі – полегшення проектування та виробництва високопродуктивних систем на базі Р6. Продуктивність обчислювальної системи, побудованої на швидкому процесорі, дуже залежить від точного настроювання мікросхем оточення процесора, зокрема вторинного кешу. Не всі фірми-виробники комп'ютерів можуть дозволити собі відповідні дослідження. У Р6 вторинний кеш вже налаштований процесор оптимальним чином, що полегшує проектування материнської плати.

Друга причина об'єднання – підвищення продуктивності. Кзш другого рівня пов'язаний з процесором спеціально виділеною шиною шириною 64 біти і працює на тій же тактовій частоті, що і процесор.

Перші процесори Рentium з тактовою частотою 60 і 66 МГц зверталися до вторинного кешу по 64-розрядної шини з тактовою частотою. Проте зі зростанням тактової частоти Pentium для проектувальників стало дуже складно і дорого підтримувати таку частоту на материнській платі. Тому почали застосовувати дільники частоти. Наприклад, у 100 МГц Pentium зовнішня шина працює на частоті 66 МГц (у 90 МГц Pentium – відповідно 60 МГц). Pentium використовує цю шину як для звернень до вторинного кешу, так для звернення до основної пам'яті та інших пристроїв, наприклад набору чіпів PCI.

Використання спеціально виділеної шини для доступу до вторинного кешу покращує продуктивність обчислювальної системи. По-перше, при цьому досягається повна синхронізація швидкостей процесора та шини; по-друге, виключається конкуренція з іншими операціями введення-виводу та пов'язані з цим затримки. Шина кеша другого рівня повністю відокремлена від зовнішньої шини, через яку відбувається доступ до пам'яті та зовнішніх пристроїв. 64-бітова зовнішня шина може працювати зі швидкістю, що дорівнює половині, однієї третьої або однієї четвертої від швидкості процесора, при цьому шина вторинного кешу працює незалежно на повній швидкості.

Об'єднання процесора і вторинного кеша в одному корпусі та їх зв'язок через виділену шину є кроком у напрямку методів підвищення продуктивності, що використовуються в найбільш потужних RISC-процесорах. Так, у процесорі Alpha 21164 фірми "Digital" кеш другого рівня розміром 96 кб розміщений в ядрі процесора, як первинний кеш. Це забезпечує дуже високу продуктивність кешу за рахунок збільшення кількості транзисторів на кристалі до 9,3 мільйонів. Продуктивність Alpha 21164 становить 330 SPECint92 при тактовій частоті 300 МГц. Продуктивність Р6 нижче (за оцінками "Intel" - 200 SPECint92 при тактовій частоті 133 МГц), однак Р6 забезпечує найкраще співвідношення вартість/продуктивність для свого потенційного ринку.

Оцінюючи співвідношення вартість/продуктивність слід враховувати, що, хоча Р6 може бути дорожче своїх конкурентів, більшість інших процесорів має бути оточена додатковим набором чіпів пам'яті і контролером кеша. Крім того, для досягнення порівнянної продуктивності роботи з кешем інші процесори повинні будуть використовувати кеш більшого, ніж 256 кб розміру.

Intel, як правило, пропонує численні варіації своїх процесорів. Це робиться з метою задовольнити різноманітні вимоги проектувальників систем і залишити менше простору для моделей конкурентів. Тому можна припустити, що незабаром після початку випуску Р6 з'являться як модифікації зі збільшеним обсягом вторинної кеш-пам'яті, так і дешевші зовнішнім розташуваннямвторинного кешу, але за збереженої виділеної шині між вторинним кешем і процесором.

Pentium як точка відліку

Процесор Pentium зі своєю конвеєрною та суперскалярноюархітектурою досяг вражаючого рівня продуктивності. Pentium містить два 5-стадійні конвеєри, які можуть працювати паралельно і виконувати дві цілі команди за машинний такт. При цьому паралельно може виконуватися лише пара команд, що йдуть у програмі один за одним і задовольняють певним правилам, наприклад, відсутність регістрових залежностей типу запис після читання.

P6 для збільшення пропускної здатності здійснений перехід до одного 12-стадійного конвеєра. Збільшення числа стадій призводить до зменшення виконуваної кожної стадії роботи і, як наслідок, зменшення часу знаходження команди кожної стадії на 33 відсотки проти Pentium. Це означає, що використання при виробництві P6 тієї ж технології, що і при виробництві 100 МГц Pentium, призведе до отримання P6 тактовою частотою 133 МГц.

Можливості суперскалярної архітектури Pentium, з її здатністю до виконання двох команд за такт, було б важко перевершити без нового підходу. Застосований у P6 новий підхід усуває жорстку залежність між традиційними фазами "вибірки" та "виконання", коли послідовність проходження команд через ці дві фази відповідає послідовності команд у програмі.

Новий підхід пов'язаний з використанням так званого пулу команд та з новими ефективними методами передбачення майбутньої поведінки програми. При цьому традиційна фаза "виконання" замінюється на дві: "диспетчування/виконання" та "відкат". В результаті команди можуть починати виконуватися в довільному порядку, але завершують виконання завжди відповідно до їх вихідного порядку в програмі. Ядро P6 реалізовано як три незалежні пристрої, що взаємодіють через пул команд (рис. 1).

Основна проблема на шляху підвищення продуктивності

Рішення про організацію P6 як трьох незалежних та взаємодіючих через пул команд пристроїв було прийнято після ретельного аналізу факторів, що обмежують продуктивність сучасних мікропроцесорів. Фундаментальний факт, справедливий для Pentium та багатьох інших процесорів, у тому, що з виконанні реальних програм потужність процесора не використовується повною мірою.

У той час як швидкість процесорів за останні 10 років зросла щонайменше в 10 разів, час доступу до основної пам'яті зменшився лише на 60 відсотків. Це збільшення відставання швидкості роботи з пам'яттю по відношенню до швидкості процесора і було тією фундаментальною проблемою, яку довелося вирішувати при проектуванні P6.

Один із можливих підходів до вирішення цієї проблеми – перенесення її центру тяжкості на розробку високопродуктивних компонентів, що оточують процесор. Однак масовий випуск систем, що включають високопродуктивний процесор, і високошвидкісні спеціалізовані мікросхеми оточення, був би занадто дорогим.

Можна було спробувати вирішити проблему з використанням грубої сили, а саме збільшити розмір кешу другого рівня, щоб зменшити відсоток випадків відсутності необхідних даних у кеші.

Це рішення ефективне, але також надзвичайно дороге, особливо з огляду на сьогоднішні швидкісні вимоги до компонентів кешу другого рівня. P6 проектувався з точки зору ефективної реалізації цілісної обчислювальної системи, і вимагалося, щоб висока продуктивність системи в цілому досягалася з використанням дешевої підсистеми пам'яті.

Таким чином,реалізована в P6 комбінація таких архітектурних методів, як покращене передбачення переходів (майже завжди правильно визначається майбутня послідовність команд), аналіз потоків даних (визначається оптимальний порядок виконання команд) та випереджальне виконання (передбачена послідовність команд виконується без простоїв в оптимальному порядку), дозволила подвоїти продуктивність по відношенню до Pentium при використанні тієї ж технології виробництва. Ця комбінація методів називається динамічним виконанням.

В даний час "Intel" веде розробку нової 0,35 мкм технології виробництва, що дозволить випускати процесори P6 з тактовою частотою ядра понад 200 МГц.

Р6 як платформа для побудови потужних серверів

Серед найбільш значимихтенденцій розвитку комп'ютерів останніми роками можна назвати як усе зростаюче використання систем з урахуванням процесорів сімейства х86 як серверів додатків, і зростаючу роль " Intel " як постачальника непроцесорних технологій, як-от шины, мережеві технології, стиснення відео, флеш-пам'ять та засоби системного адміністрування.

Випуск процесора Р6 продовжує політику перенесення можливостей, якими раніше володіли лише більш дорогі комп'ютери, на масовий ринок. Для внутрішніх регістрів Р6 передбачений контроль парності, а сполучна ядро ​​процесора і кеш другого рівня 64-бітова шина оснащена засобами виявлення та виправлення помилок. Вбудовані у Р6 нові можливості діагностики дозволяють виробникам проектувати надійніші системи. У Р6 передбачена можливість отримання через контакти процесора або за допомогою програмного забезпеченняінформації про більш ніж 100 змінних процесора або події, що відбуваються в ньому, таких як відсутність даних в кеші, вміст регістрів, поява самодифікуючого коду і так далі. Операційна система та інші програми можуть зчитувати цю інформацію визначення стану процесора. У Р6 також реалізована покращена підтримка контрольних точок, тобто забезпечується можливість відкату комп'ютера в зафіксований раніше стан у разі помилки.

Подібні документи

Кошти обчислювальної техніки виникли давно, оскільки потреба у різноманітних розрахунках існувала ще на зорі розвитку цивілізації. Бурхливий розвиток обчислювальної техніки. Створення перших ПК, міні-комп'ютерів, починаючи з 80-х років ХХ століття.

реферат, доданий 25.09.2008


Характеристика систем технічного та профілактичного обслуговування засобів обчислювальної техніки. Діагностичні програми операційних систем. Взаємозв'язок систем автоматизованого контролю. Захист комп'ютера від зовнішніх несприятливих впливів.

реферат, доданий 25.03.2015


Розробка інформаційно-аналітичної системи аналізу та оптимізації зміни обчислювальної техніки. Структура автоматизованого керування засобами обчислювальної техніки. Програмне забезпечення, обґрунтування економічної ефективності проекту.

дипломна робота , доданий 20.05.2013


Ручний етап розвитку обчислювальної техніки. Позиційна система числення. Розвиток механіки XVII столітті. Електромеханічний етап розвитку обчислювальної техніки. Комп'ютери п'ятого покоління. Параметри та відмінні особливостісуперкомп'ютера.

курсова робота , доданий 18.04.2012


Пристрій та принцип роботи персонального комп'ютера (ПК). Діагностика працездатності ПК та визначення несправностей. Завдання технічного обслуговування засобів обчислювальної техніки. Розробка методик підтримки техніки у працездатному стані.

курсова робота , доданий 13.07.2011


Вивчення зарубіжної, вітчизняної практики розвитку обчислювальної техніки, і навіть перспективи розвитку ЕОМ найближчим часом. Технологія використання комп'ютерів. Етапи розвитку обчислювальної промисловості, у нашій країні. Злиття ПК та засобів зв'язку.

курсова робота , доданий 27.04.2013


Класифікація проектних процедур. Історія синтезу обчислювальної техніки та інженерного проектування. Функції систем автоматизованого проектування, їхнє програмне забезпечення. Особливості застосування тривимірних сканерів, маніпуляторів та принтерів.

реферат, доданий 25.12.2012


Автоматизація обробки даних. Інформатика та її практичні результати. Історія створення засобів цифрової обчислювальної техніки. Електромеханічні обчислювальні машини. Використання електронних ламп та ЕОМ першого, третього та четвертого покоління.

дипломна робота , доданий 23.06.2009


Поняття та характеристика персонального комп'ютера, його основні частини та їх призначення. Засоби навчання інформатики та особливості організації роботи у кабінеті обчислювальної техніки. Обладнання робочих місць та застосування програмного забезпечення.

реферат, доданий 09.07.2012


Склад обчислювальної системи - конфігурація комп'ютера, його апаратні та програмні засоби. Пристрої та прилади, що утворюють апаратну конфігурацію персонального комп'ютера. Основна пам'ять, порти вводу-виводу, адаптер периферійного пристрою.

Обчислювальна техніка

Основні поняття.

Часто поняття «обчислювальна техніка» ототожнюють із поняттям «комп'ютер». У цьому випадку під цим поняттям мають на увазі наступне:

Визначення: Комп'ютер(Англ. computer– «обчислювач») – машина щодо обчислень.

За допомогою обчислень комп'ютер здатний обробляти інформацію за наперед визначеним алгоритмом. Крім того, більшість комп'ютерів здатні зберігати інформацію та здійснювати пошук інформації, виводити інформацію на різні видипристроїв видачі інформації Свою назву комп'ютери отримали за своєю основною функцією – проведення обчислень. Проте нині краще сказати, основні функції комп'ютерів – обробка інформації та управління.

Основні принципи: Виконання поставлених перед ним завдань комп'ютер може забезпечувати за допомогою переміщення будь-яких механічних частин, руху потоків електронів, фотонів, квантових частинок або використання ефектів від будь-яких інших добре вивчених фізичних явищ.

Найбільшого поширення серед комп'ютерів набули звані «електронно-обчислювальні машини», ЕОМ. Власне, для переважної більшості людей слова «електронно-обчислювальні машини» та «комп'ютери» стали словами – синонімами, хоча насправді це не так. Найбільш поширений тип комп'ютерів – персональний електронний комп'ютер.

p align="justify"> Архітектура комп'ютерів може безпосередньо моделювати вирішувану проблему, максимально близько (в сенсі математичного опису) відображаючи досліджувані фізичні явища. Так, електронні потоки можуть використовуватися як моделі потоків води при моделюванні дамб або гребель. Подібним чином сконструйовані аналогові комп'ютери були звичайними у 60-х роках XX століття, проте сьогодні стали досить рідкісним явищем.

У більшості сучасних комп'ютерів проблема спочатку описується в математичних термінах, при цьому вся необхідна інформація подається в двійковій формі (у вигляді одиниць та нулів), після чого дії щодо її обробки зводяться до застосування простої алгебри логіки. Оскільки практично вся математика може бути зведена до виконання булевих операцій, досить швидкий електронний комп'ютерможе бути застосовним для вирішення більшості математичних завдань (а також більшості завдань з обробки інформації, які можуть бути легко зведені до математичних).

Виявили, що комп'ютери все-таки можуть вирішити не будь-яке математичне завдання. Вперше завдання, які не можуть бути вирішені за допомогою комп'ютерів, було описано англійським математиком Аланом Тюрінгом.

Результат виконаної задачі може бути представлений користувачеві за допомогою різних пристроїв введення-виведення інформації, таких як лампові індикатори, монітори, принтери і т.п.

Користувачі-початківці і особливо діти часто насилу сприймають ідею того, що комп'ютер - просто машина і не може самостійно "думати" або "розуміти" ті слова, які він показує. Комп'ютер лише механічно відображає задані програмою лінії та кольори за допомогою пристроїв введення-виводу. Людський мозок сам визнає в зображеному на екрані образи, числа чи слова та надає їм ті чи інші значення.

З погляду розподілу інформатики деякі науки, говорять про науку «обчислювальна техніка».

Визначення: Інформатика та обчислювальна техніка– це область науки і техніки, що включає сукупність засобів, способів і методів людської діяльності, спрямованих на створення та застосування:

· ЕОМ, систем та мереж;

· Автоматизованих систем обробки інформації та управління;

· Систем автоматизованого проектування;

· Програмного забезпечення обчислювальної техніки та автоматизованих систем.

Визначення: Обчислювальна техніка – це

1) область техніки, що об'єднує засоби автоматизації математичних обчислень та обробки інформації у різних галузях людської діяльності;

2) наука про принципи побудови, дії та проектування цих коштів.

§2. "Обчислювальна техніка" = "комп'ютер".

Етимологія

Слово комп'ютерє похідним від англійських слів to compute, computer, які перекладаються як «обчислювати», «обчислювач» (англійське слово, у свою чергу, походить від латинського computo –"Обчислюю"). Спочатку в англійськоюце слово означало людину, яка здійснює арифметичні обчислення із залученням або без залучення механічних пристроїв. Надалі його значення було перенесено самі машини, проте сучасні комп'ютери виконують безліч завдань, не пов'язаних безпосередньо з математикою.

Вперше трактування слова комп'ютерз'явилася 1897 року в Оксфордському англійському словнику. Його укладачі тоді розуміли комп'ютер як механічний обчислювальний пристрій. В 1946 словник поповнився доповненнями, що дозволяють розділити поняття цифрового, аналогового та електронного комп'ютерів.

Класифікації комп'ютерів

Чітких меж між класами комп'ютерів немає. У міру вдосконалення структур та технології виробництва, з'являються нові класи комп'ютерів, межі існуючих класів суттєво змінюються.

Існують різні класифікації комп'ютерної техніки:

I. за принципом дії

1. аналогові(АВМ),

2. цифрові(ЦВМ)

3. гібридні(ГВМ)

ІІ. за етапами створення (за поколіннями)

1. 1-е покоління, 50-ті рр.: ЕОМ на електронних вакуумних лампах;

2. 2-е покоління, 60-ті рр..: ЕОМ на дискретних напівпровідникових приладах (транзисторах);

3. 3-е покоління, 70-ті рр..: ЕОМ на напівпровідникових інтегральних схемах з малим та середнім ступенем інтеграції (сотні - тисячі транзисторів в одному корпусі); Примітка. Інтегральна схема - електронна схема спеціального призначення, виконана у вигляді єдиного напівпровідникового кристала, що поєднує велику кількість діодів та транзисторів.

4. 4-е покоління, 80-ті рр..: ЕОМ на великих та надвеликих інтегральних схемах - мікропроцесорах (десятки тисяч - мільйони транзисторів в одному кристалі);

5. 5-е покоління, 90-ті рр..: ЕОМ з багатьма десятками паралельно працюючих мікропроцесорів, що дозволяють будувати ефективні системи обробки знань; ЕОМ на надскладних мікропроцесорах з паралельно-векторною структурою, що одночасно виконують десятки послідовних команд програми;

6. 6-е та наступні покоління: оптоелектронні ЕОМ з масовим паралелізмом та нейронною структурою - з розподіленою мережею великого числа (десятки тисяч) нескладних мікропроцесорів, що моделюють архітектуру нейронних біологічних систем.

ІІІ. по призначенню

1. універсальні(загального призначення),

2. проблемно-орієнтовані

3. спеціалізовані

1. Базова ЕОМ .

2. Універсальна ЕОМ.

3. Спеціалізована ЕОМ .

1) Керуюча ЕОМ .

2) Бортова ЕОМ .

3) Виділена ЕОМ .

4) Побутова (домашня) ЕОМ .

IV. за розмірами та функціональним можливостям

1. надвеликі (суперЕОМ),

2. великі,

4. надмалі (мікроЕОМ)

1) універсальні

а) розраховані на багато користувачів

б) однокористувацькі (персональні)

2) спеціалізовані

а) розраховані на багато користувачів (сервери)

б) однокористувацькі (робочі станції)

V. За умовами експлуатації комп'ютери поділяються на два типи:

1. офісні (універсальні);

2. спеціальні.

Слід зазначити, що є інші класифікації. Наприклад:

· З архітектури.

· За продуктивністю.

· За кількістю процесорів.

· За споживчими властивостями.

Короткий опискласів комп'ютерів

За принципом дії

Критерієм розподілу обчислювальних машин на ці три класи є форма представлення інформації, з якою вони працюють (дивися малюнок).

Рис.Дві форми надання інформації в машинах:

а –аналогова; б -цифрова імпульсна.

Цифрові обчислювальні машини (ЦВМ)- Обчислювальні машини дискретної дії, працюють з інформацією, представленою в дискретній, а точніше, у цифровій формі.

Такі обчислювальні машини часто називають ЕОМ (електронно-обчислювальні машини, електронні обчислювальні машини). Найширше застосування отримали ЦВМ з електричним поданням дискретної інформації – електронні цифрові обчислювальні машини. , зазвичай звані просто електронними обчислювальними машинами(ЕОМ),без згадки про їх цифровий характер.

На відміну від АВМ, ЕОМ числа представляються у вигляді послідовності цифр. У сучасних ЕОМ числа представляються як кодів двійкових еквівалентів, тобто як комбінацій 1 і 0. У ЕОМ здійснюється принцип програмного управління. ЕОМ можна поділити на цифрові, електрифіковані та лічильно-аналітичні (перфораційні) обчислювальні машини.

ЕОМ поділяються на великі ЕОМ, міні-ЕОМ та мікроЕОМ. Вони відрізняються своєю архітектурою, технічними, експлуатаційними та габаритно-ваговими характеристиками, областями застосування.

Переваги ЕОМ:

§ висока точність обчислень;

§ універсальність;

§ автоматичне введення інформації, необхідне для вирішення задачі;

§ різноманітність завдань, які вирішуються ЕОМ;

§ незалежність кількості обладнання від складності завдання.

Недоліки ЕОМ:

§ складність підготовки задачі до вирішення (необхідність спеціальних знань методів вирішення задач та програмування);

§ недостатня наочність перебігу процесів, складність зміни параметрів цих процесів;

§ складність структури ЕОМ, експлуатація та технічне обслуговування;

§ вимога спеціальної апаратури під час роботи з елементами реальної апаратури

Аналогові обчислювальні машини (АВМ)- Обчислювальні машини безперервної дії, працюють з інформацією, представленою в безперервній (аналоговій) формі, тобто. як безперервного низки значень будь-якої фізичної величини (найчастіше електричного напруги).

Аналогові обчислювальні машини дуже прості та зручні в експлуатації; програмування завдань на вирішення ними, зазвичай, нетрудомістке; швидкість вирішення завдань змінюється за бажанням оператора і може бути зроблена скільки завгодно великою (більше, ніж у ЦВМ), але точність вирішення задач дуже низька (відносна похибка 2-5%). На АВМ найефективніше вирішувати математичні завдання, що містять диференціальні рівняння, що не потребують складної логіки.

Це обчислювальна машина безперервної дії, яка обробляє аналогові дані. Призначена вона для відтворення певних співвідношень між фізичними величинами, що безперервно змінюються. Основні галузі застосування пов'язані з моделюванням різних процесів та систем.

У АВМ всі математичні величини видаються як безперервні значення будь-яких фізичних величин. Головним чином, як машинна змінна виступає напруга електричного ланцюга. Їх зміни відбуваються за тими самими законами, що зміни заданих функцій. У цих машинах використовується метод математичного моделювання (створюється модель об'єкта, що досліджується). Результати рішення виводяться у вигляді залежностей електричної напруги у функції часу на екран осцилографа або фіксуються вимірювальними приладами. Основним призначенням АВМ є вирішення лінійних та диференційованих рівнянь.

Переваги АВМ:

§ висока швидкістьрозв'язання задач, порівнянна зі швидкістю проходження електричного сигналу;

§ простота конструкції АВМ;

§ легкість підготовки завдання до розв'язання;

§ наочність перебігу досліджуваних процесів, можливість зміни параметрів досліджуваних процесів під час дослідження.

Недоліки АВМ:

§ мала точність одержуваних результатів (до 10%);

§ алгоритмічна обмеженість розв'язуваних задач;

§ ручне введення розв'язуваного завдання в машину;

§ великий обсяг задіяного обладнання, що зростає зі збільшенням складності завдання

Гібридні обчислювальні машини(ГВМ) – обчислювальні машини комбінованої дії, працюють з інформацією, представленою і в цифровій, і аналоговій формі; вони поєднують у собі переваги АВМ та ЦВМ. ГВМ доцільно використовуватиме розв'язання завдань управління складними швидкодіючими технічними комплексами.

Іноді такі машини називають комбіновані обчислювальні машини», « аналого-цифрові обчислювальні машини (АЦВМ)»

Вони мають такі характеристики, як швидкодія, простота програмування та універсальність. Основною операцією є інтегрування, яке виконується за допомогою цифрових інтеграторів.

У таких машинах числа представляються як і ЕОМ (послідовністю цифр), а спосіб вирішення завдань як і АВМ (метод математичного моделювання).

За етапами створення

Поділ комп'ютерної техніки на покоління – дуже умовна, несувора класифікація обчислювальних систем за рівнем розвитку апаратних та програмних засобів, і навіть способів спілкування з комп'ютером.

Ідея ділити машини на покоління викликана життя тим, що за час короткої історіїсвого розвитку комп'ютерна техніка зробила велику еволюцію як у сенсі елементної бази(Лампи, транзистори, мікросхеми та ін.), так і в сенсі зміни її структури, появи нових можливостей, розширення областей застосування та характеру використання.

ЕОМ І-го покоління[ first-generation computer ]

До першого покоління зазвичай відносять машини, створені межі 50-х.

Всі ЕОМ І-го покоління були зроблені на основі електронних лампщо робило їх ненадійними – лампи доводилося часто міняти.

Рис. Електронна лампа

Ці комп'ютери були величезними, незручними та надто дорогими машинами, які могли придбати лише великі корпорації та уряди. Лампи споживали величезну кількість електроенергії та виділяли багато тепла.

Набір команд був невеликий, схема арифметико-логічного пристрою та пристрої керування досить проста, програмне забезпечення практично не було. Показники обсягу оперативної пам'яті та швидкодії були низькими. Для введення-виводу використовувалися перфострічки, перфокарти, магнітні стрічки та друкувальні пристрої.

Рис. Перфокарта

Швидкодія близько 10-20 тисяч операцій на секунду.

Але це лише технічна сторона. Дуже важлива інша – способи використання комп'ютерів, стиль програмування, особливості математичного забезпечення.

Програмування виконувалося мовами програмування низького рівня. Програми цих машин писалися мовою конкретної машини. Математик, що склав програму, сідав за пульт керування машини, вводив та налагоджував програми та виробляв за ними рахунок. Процес налагодження був найдовшим за часом.

Незважаючи на обмеженість можливостей, ці машини дозволили виконати найскладніші розрахунки, необхідні для прогнозування погоди, вирішення задач атомної енергетики та ін.

Досвід використання машин першого покоління показав, що існує величезний розрив між часом, що витрачається на розробку програм, та часом рахунку.

Рис. а – Комп'ютер "Еніак", б – ЕОМ «Урал»

Ці проблеми почали долати шляхом інтенсивної розробки засобів автоматизації програмування, створення систем обслуговуючих програм, що спрощують роботу на машині та збільшують ефективність її використання. Це, своєю чергою, зажадало значних змін у структурі комп'ютерів, вкладених у те, щоб наблизити її до вимог, які з досвіду експлуатації комп'ютерів.

Вітчизняні машини першого покоління: МЭСМ (мала електронна лічильна машина), БЭСМ, Стріла, Урал, М-20.

ЕОМ II-го покоління[second-generation computer ]

Машини цього покоління були сконструйовані приблизно 1955-65 роках.

В 1958 р. в ЕОМ (ЕОМ ІІ-го покоління) були застосовані напівпровідникові транзистори, винайдені 1948 р. Вільямом Шоклі.

Історія винаходу:

· 1 липня 1948 року на одній із сторінок «New York Times», присвяченій радіо та телебаченню, було вміщено скромне повідомлення про те, що фірма «Белл телефон лабораториз» розробила електронний прилад, здатний замінити електронну лампу. Фізик-теоретик Джон Бардін і провідний експериментатор фірми Уолтер Браттейн створили перший транзистор, що діє. Це був точково-контактний прилад, в якому два металеві «усики» контактували з бруском з полікристалічного германію.

· Створенню транзистора передувала завзята, майже 10-річна робота, яку у 1938 чи 1939 році розпочав фізик-теоретик Вільям Шоклі. Втім, якщо точніше, історія транзистора почалася набагато раніше. Ще 1906 року француз Пікар запропонував кристалічний детектор, потім 1922 року радянський радіофізик О.В. Лосєв показав можливість посилення та генерування коливань за допомогою таких детекторів. Через 3 роки професор Лейпцизького університету Юліус Лілієнфельд спробував створити підсилювальний напівпровідниковий прилад. Проте ці експерименти було забуто. Про них згадали лише після того, як транзистор завоював всесвітнє визнання.

· Сталося це, до речі, досить швидко. Після кількох років пошуків технології виготовлення напівпровідникових приладів та винаходу нових конструкцій (зокрема, площинного транзистора, запатентованого У. Шоклі в 1951 році) ціла низка американських фірм приступила до серійного випуску транзисторів, які спочатку використовувалися в основному в апаратурі радіо та зв'язку.

Транзистори були більш надійні, довговічні, малі, могли виконати значно складніші обчислення, мали велику оперативну пам'ять. 1 транзистор здатний був замінити ~ 40 електронних ламп і працює з більшою швидкістю.

При цьому спочатку у цих комп'ютерах застосовувалися як електронні лампи, і дискретні транзисторні логічні елементи. Пізніше дискретні транзисторні логічні елементи витіснили електронні лампи.

§ В якості носіїв інформаціївикористовувалися магнітні стрічки("БЕСМ-6", "Мінськ-2", "Урал-14") та магнітні сердечники.

§ Їх оперативна пам'ятьь була побудована на магнітних сердечниках.

§ Став розширюватися діапазон обладнання вводу-виводу, що застосовується, з'явилися високопродуктивні пристрої для роботи з магнітними стрічками, магнітні барабани та перші магнітні диски.

§ В якості програмного забезпеченнястали використовувати мови програмування високого рівня. Засоби таких мов допускають опис всієї необхідної послідовності обчислювальних дій у наочному, легко сприйманому вигляді. Програма, написана алгоритмічною мовою, незрозуміла комп'ютеру, який сприймає лише мову своїх команд. Тому спеціальні програми, які називаються трансляторами, перекладають програму з високого рівня мови на машинну мову.

§ З'явився широкий набір бібліотечних програмна вирішення різноманітних математичних завдань.

§ З'явилися моніторні системи, що управляють режимом трансляції та виконання програм. З моніторних систем надалі виросли сучасні операційні системи. Отже, операційна система є програмним розширеннямпристрої керування комп'ютера. Для деяких машин другого покоління вже було створено операційні системи з обмеженими можливостями.

§ Машинам другого покоління була властива програмна несумісність, яка ускладнювала організацію великих інформаційних систем. Тому в середині 60-х років намітився перехід до створення комп'ютерів, програмно сумісних та побудованих на мікроелектронній технологічній базі.

§ Швидкодія- До сотень тисяч операцій за секунду.

§ Ємність пам'яті- До кількох десятків тисяч слів.

Особливості, на відміну першого покоління.

1. Вища надійність.

2. Найменше споживання енергії.

3. Вища швидкодія за рахунок:

· Підвищення швидкості перемикання рахункових та запам'ятовуючих елементів

· Зміни у структурі машин.

Рис. а – Транзистор, б – пам'ять на магнітних сердечниках

Вже починаючи з другого покоління, машини стали ділитися великі, середні і малі за ознаками розмірів, вартості, обчислювальних можливостей. Так, невеликі вітчизняні машини другого покоління (“Наірі”, “Раздан”, “Мир” та ін.) з продуктивністю близько 10 4 операцій на секунду були наприкінці 60-х років цілком доступні кожному вузу, тоді як згадана вище БЭСМ -6 мала професійні показники (і вартість) на 2 – 3 порядки вище.

Рис. БЕСМ-6.

ЕОМ III-го покоління[third-generation computer]

У 1960 р. з'явилися перші інтегральні схеми (ІС), які набули широкого поширення у зв'язку з малими розмірами, але величезними можливостями.

Рис. Інтегральні схеми

ІС (інтегральна схема) – це кремнієвий кристал, площа якого приблизно 10 мм2. Перша ІС здатна замінити десятки тисяч транзисторів. Один кристал виконує таку ж роботу, як і 30-ти тонний "Еніак". А комп'ютер із використанням ІС досягає продуктивності 10 млн. операцій на секунду.

У 1964 році фірма IBM оголосила про створення шести моделей сімейства IBM 360 (System 360), що стали першими комп'ютерами третього покоління.

Машини третього покоління – це сімейства машин із єдиною архітектурою, тобто. програмно сумісних. Як елементну базу у яких використовуються інтегральні схеми, які також називаються мікросхемами.

Машини третього покоління мають найрозвиненіші операційні системи. Вони мають можливості мультипрограмування, тобто. одночасного виконання кількох програм. Багато завдань управління пам'яттю, пристроями та ресурсами стала брати на себе операційна система або безпосередньо сама машина.

Приклади машин третього покоління – сімейства IBM-360, IBM-370, ЄС ЕОМ (Єдина система ЕОМ), СМ ЕОМ (Сімейство малих ЕОМ) та інших. Швидкодія машин усередині сімейства змінюється від кількох десятків тисяч до мільйонів операцій на секунду. Ємність оперативної пам'яті сягає кількох сотень тисяч слів.

Перші інтегральні схеми (ІС)

Перша інтегральна схема, розроблена 1960 року, була прототипом сучасних мікрочіпів. Інтегральна схема складається з мініатюрних транзисторів та інших елементів, що монтуються на кремнієвому кристалі.

37 років тому, у 1964 році, фірма IBM оголосила про створення шести моделей сімейства IBM 360 (System 360), що стали першими комп'ютерами третього покоління.

Моделі мали єдину систему команд і відрізнялися один від одного обсягом оперативної пам'яті та продуктивністю. Глава фірми IBM Томас Уотсон-молодший назвав появу цього сімейства машин "найважливішою подією в історії компанії". Перші зразки машин серії IBM 360 надійшли до замовників у другій половині 1965 року, а до 1970 року фірма розробила близько 20 моделей, проте деякі так і не були доведені до серійного виробництва (Усього було випущено більше 33 тис. машин цього сімейства).

При створенні моделей сімейства використовувався ряд нових принципів, що робило машини універсальними та дозволяло з однаковою ефективністю застосовувати їх як для вирішення завдань у різних галузях науки і техніки, так і для обробки даних у сфері управління та бізнесу (число 360 у назві серії вказує на здатність машин працювати у всіх напрямках – не більше 360°). Найважливішими з нововведень були:

· Елементна та технологічна база машин третього покоління;

· Програмна сумісність всіх моделей сімейства;

· операційна система, що містить транслятори для найпоширеніших на той час мов програмування (Фортран, Кобол, RPG, Алгол 60, ПЛ/1), причому була можливість включати в систему транслятори для інших мов;

· "Універсальність" системи команд, яка забезпечувалася шляхом додавання додаткових команд для різних цілей до так званої стандартної системи команд;

· можливість підключення великої кількості зовнішніх пристроївстандартного сполучення цих пристроїв з процесором через апаратуру каналів зв'язку (при цьому була можливість об'єднувати кілька машин в одну обчислювальну систему);

· Організація пам'яті, яка не залежить від фізичної реалізації, що забезпечує просте переміщення та гнучку захист програм;

· Могутня система апаратно-програмних переривань, що дозволяла організувати ефективну роботу машин у реальному масштабі часу. Створення моделей серії IBM 360 справило значний вплив на весь перебіг розвитку комп'ютерної техніки. Структура та архітектура цих машин з тими чи іншими змінами в елементній базі були відтворені у ряді сімейств ЕОМ багатьох країн.

ЕОМ ІІІ-го покоління.В 1960 р. з'явилися перші інтегральні схеми (ІС), які набули широкого поширення у зв'язку з малими розмірами, але величезними можливостями.

· Комп'ютер з використанням ІС досягає продуктивностів 10 млн. операцій на секунду.

· У 1964 році, фірма IBM оголосила про створення шести моделей сімейства IBM 360 (System 360), що стали першими комп'ютерами третього покоління.

· Машини третього покоління - це сімейства машин із єдиною архітектурою, тобто. програмно сумісних.

· В якості елементної базиу них використовуються інтегральні схеми, які також називаються мікросхемами.

· Машини третього покоління мають розвинені операційні системи.

· Вони мають можливостями мультипрограмування, тобто. одночасного виконання кількох програм.

ЕОМ IV покоління[fourth-generation computer]

На початку 1970-х почали використовувати середні інтегральні схеми. А потім – великі інтегральні схеми.

Крім зміни елементно-технологічної бази, з'явилися нові ідеї щодо структури обчислювальних машин, програмування, використання та експлуатації обчислювальних систем тощо.

Вперше стали застосовуватися великі інтегральні схеми (ВІС), які за потужністю приблизно відповідали 1000 ІС. Це спричинило зниження вартості виробництва комп'ютерів. У 1980 р. центральний процесор невеликий ЕОМ виявилося можливим розмістити на кристалі площею 1/4 дюйма (0,635 см 2 .).

БІСи застосовувалися вже у таких комп'ютерах, як “Ілліак”, ”Ельбрус”, ”Макінтош”. Швидкодія таких машин складає тисячі мільйонів операцій на секунду. Місткість ОЗУ (оперативної пам'яті) зросла до 500 млн. двійкових розрядів. У таких машинах одночасно виконуються кілька команд над кількома наборами операндів.

З точки зору структури: машини цього покоління є багатопроцесорніі багатомашинні комплекси, що працюють на загальну пам'ять та загальне поле зовнішніх пристроїв. Місткість оперативної пам'яті порядку 1 - 64 Мбайт.

Поширення персональних комп'ютерів до кінця 70-х років призвело до деякого зниження попиту великі ЕОМ і міні-ЕОМ. Це було предметом серйозного занепокоєння фірми IBM (International Business Machines Corporation) – провідної компанії з виробництва великих ЕОМ, й у 1979 р. фірма IBM вирішила спробувати свої сили над ринком персональних комп'ютерів, створивши перші персональні комп'ютери – IBM PC.

Їх характерні:

· Застосування персональних комп'ютерів;

· Телекомунікаційна обробка даних;

· комп'ютерні мережі;

· Широке застосування систем управління базами даних;

· Елементи інтелектуальної поведінки систем обробки даних та пристроїв.

ЕОМ четвертого покоління – використовують великі та надвеликі інтегральні схеми(ВІС та НВІС), віртуальну пам'ять , багатопроцесорний з паралельним виконанням операцій принцип побудови, розвинені кошти діалогу.

ЕОМ V-го покоління[fourth-generation computer], ЕОМ VI-го поколінняі так далі

ЕОМ п'ятого покоління - 90-і рр..: ЕОМ з багатьма десятками паралельно працюючих мікропроцесорів, що дозволяють будувати ефективні системи обробки знань; ЕОМ на надскладних мікропроцесорах з паралельно-векторною структурою, що одночасно виконують десятки послідовних команд програми.

ЕОМ шостого покоління та наступні покоління: оптоелектронні ЕОМ з масовим паралелізмом та нейронною структурою – з розподіленою мережею великої кількості (десятки тисяч) нескладних мікропроцесорів, що моделюють архітектуру нейронних біологічних систем.

Кожне наступне покоління ЕОМ має у порівнянні з попереднім суттєво найкращі характеристики. Так, продуктивність ЕОМ і ємність всіх пристроїв збільшуються, як правило, більше ніж на порядок.

Якщо перед розробниками ЕОМ з I по IV поколінь стояли такі завдання, як збільшення продуктивності в області числових розрахунків, досягнення великої ємності пам'яті, то основним завданням розробників ЕОМ V покоління (і наступних) є створення штучного інтелекту машини (можливість робити логічні висновки з поданих фактів ), розвиток "інтелектуалізації" комп'ютерів - усунення бар'єру між людиною та комп'ютером. Комп'ютери будуть здатні сприймати інформацію з рукописного або друкованого тексту, з бланків, з людського голосу, дізнаватися користувача за голосом, здійснювати переклад з однієї мови іншою. Це дозволить спілкуватися з ЕОМ усім користувачам, навіть тим, хто не має спеціальних знань у цій галузі. ЕОМ буде помічником людині в усіх галузях.

Розробка наступних поколінь комп'ютерів проводиться на основі великих інтегральних схем підвищеного ступеня інтеграції, використання оптоелектронних принципів ( лазери, голографія).

Відбувається якісний перехід від обробки даних до обробці знань.

Передбачається, що архітектура комп'ютерів майбутнього покоління міститиме два основні блоки. Один із них – це традиційнийкомп'ютер. Але тепер він не має зв'язку з користувачем. Цей зв'язок здійснює блок, званий терміном "інтелектуальний інтерфейс". Його завдання – зрозуміти текст, написаний природною мовою і що містить умову завдання, і перевести його в працюючу програму для комп'ютера.

Також вирішуватиметься проблема децентралізації обчислень за допомогою комп'ютерних мережяк великих, що знаходяться на значній відстані один від одного, так і мініатюрних комп'ютерів, розміщених на одному кристалі напівпровідника.

По призначенню

УніверсальніЕОМ призначені для вирішення найрізноманітніших інженерно-технічних завдань: економічних, математичних, інформаційних та інших завдань, що відрізняються складністю алгоритмів та великим обсягом оброблюваних даних. Вони широко використовуються в обчислювальних центрах колективного користування та інших потужних обчислювальних комплексах.

Характерними рисами універсальних ЕОМ є:

• висока продуктивність;

• різноманітність форм оброблюваних даних: двійкових, десяткових, символьних, при великому діапазоні їх зміни та високої точності їх уявлення;

• велика номенклатура виконуваних операцій, як арифметичних, логічних, і спеціальних;

• велика ємність оперативної пам'яті;

• розвинена організація системи введення-виведення інформації, що забезпечує підключення різноманітних видів зовнішніх пристроїв.

Проблемно-орієнтованіЕОМ служать для вирішення більш вузького кола завдань, пов'язаних, як правило, з керуванням технологічними об'єктами; реєстрацією, накопиченням та обробкою щодо невеликих обсягів даних; виконанням розрахунків щодо відносно нескладних алгоритмів; вони мають обмеженими порівняно з універсальними ЕОМ апаратними та програмними ресурсами.

До проблемно-орієнтованих ЕОМ можна віднести, зокрема, різні управляючі обчислювальні комплекси.

СпеціалізованіЕОМ використовуються для вирішення вузького кола завдань або реалізації певної групи функцій. Така вузька орієнтація ЕОМ дозволяє чітко спеціалізувати їхню структуру, істотно знизити їхню складність і вартість при збереженні високої продуктивності та надійності їхньої роботи.

До спеціалізованих ЕОМ можна віднести, наприклад, програмовані мікропроцесори спеціального призначення; адаптери та контролери, що виконують логічні функції управління окремими нескладними технічними пристроями, агрегатами та процесами; пристрої узгодження та поєднання роботи вузлів обчислювальних систем.

Базова ЕОМ [original computer] - ЕОМ, що є початковою вихідною моделлю в серії ЕОМ певного типу або виду.

Універсальна ЕОМ[universal computer] – ЕОМ, призначена на вирішення широкого класу завдань. ЕОМ цього класу мають розгалужену та алгоритмічно повну систему операцій, ієрархічну структуру ЗУта розвинену систему пристроїв введення-виводуданих.

Спеціалізована ЕОМ [specialized computer] – ЕОМ, призначена на вирішення вузького класу певних завдань. Характеристики та архітектурамашин цього класу визначаються специфікою завдань, на які вони орієнтовані, що робить їх більш ефективними у відповідному застосуванні до універсальним ЕОМ. До розряду спеціалізованих можуть бути віднесені, зокрема, - "керівники", "бортові", "побутові" та "виділені" ЕОМ.

Керуюча ЕОМ[control computer] - ЕОМ, призначена для автоматичного керуванняоб'єктом (пристроєм, системою, процесом) у реальному масштабі часу. Поєднання ЕОМ з об'єктом управління проводиться за допомогою аналого-цифровихі цифро-аналогових перетворювачів.

Методи організації програмно-технічних засобів у комплексах АРМ мають визначатися у загальному контексті аналізованих процесів оперативного управління виробництвом (ОУП) промислових підприємств, цільова функція яких - мінімізувати витрати всіх видів ресурсів виготовлення встановленої номенклатури предметів праці.

Методи організації програмно-технічних засобів у комплексах АРМ мають визначатися у загальному контексті аналізованих процесів оперативного управління виробництвом (ОУП) промислових підприємств, цільова функція яких - мінімізувати витрати всіх видів ресурсів виготовлення встановленої номенклатури предметів праці.

Синтез методів і моделей організації програмно - технічних засобів при представленні АС ОУП як комплексів АРМ госпрозрахункових виробничих колективів мають пройти дві стадії: стадію визначення раціонального складу засобів ВТ та стадії вирішення проблеми розподілу ресурсів обчислювальної системи комплексів АРМ за її кінцевими споживачами.

Технічна (апаратна) сумісність нових засобів ВТ по відношенню до існуючого парку ВТ у замовника та до парку ВТ, що прогнозується для придбання надалі. Практика показує, що цей показник є одним з найважливіших, що береться до уваги при виборі ВТ. Тенденція придбання коштів ВТ апаратно сумісних з наявними пов'язана з багатьма об'єктивними та суб'єктивними причинами, де не останнє місце займає і психологія замовника, його почуття впевненості в успіху застосування цього класу апаратних засобів. Програмна сумісністьщо визначається сумісністю апаратно-реалізованої системи команд, сумісністю форматів представлення даних, сумісністю трансляторів, СУБД і т.д. Значний вплив цього показника на витрату ресурсів можна пояснити наявністю великих обсягів раніше підготовлених нормативних, архівних та статистичних даних, а також спеціалізацією підготовленого персоналу на підприємстві, що має досвід роботи з конкретними базовими засобами програмного забезпечення.

Експлуатаційна сумісність усередині придбаного комплексу засобів ВТ, що дозволяє у разі виходу з ладу окремих модулівАРМ або оперативно проводити заміну модуля, що вийшов з ладу, або провести перепризначення використовуваних пристроїв між конкретними АРМ в межах обчислювальних ресурсів всіх комплексів (всередині цехового комплексу, всередині міжцехового комплексу, всередині системи будь-якого підприємства).

Надійність засобів ВТ за технічними умовами та її відповідність конкретним умовам роботи: вібрації, окиснення, пилу, загазованості, стрибкам напруги тощо. потребує додаткових засобів захисту.

Сукупна швидкість вирішення функціональних завдань за видами АРМ комплексу – швидкість обробки існуючих обсягів даних у різних режимах роботи. Зазвичай визначення значень цього показника недостатньо знати лише обсяги інформаційної бази конкретного АРМ і паспортні характеристики і обчислювальних ресурсів.

Тому для приблизної (порядкової) оцінки значень цього показника істотним є або досвід експлуатації на близьких за класом об'єктах ВТ, або результати, отримані на імітаційних моделях, де бази даних відповідають за обсягами та будовою даних реальним. Апроксимування даних, отриманих на контрольних прикладах, може призвести до похибки результатів, що відрізняються на порядок від отриманих реальних оцінок під час експлуатації системи. Джерелом похибки найчастіше є неоднозначність алгоритмів роботи, утиліт операційних систем, протоколів зв'язку, драйверів і базових мовних засобів при експлуатації систем у багатокористувальному багатозадачному режимі на граничних ресурсах обчислювальних систем або для їх об'ємних елементів. В цьому випадку можливості прямого розрахунку з використанням характеристик швидкодії процесорів, внутрішньомашинних каналів зв'язку, каналів зв'язку мереж, швидкості доступу до даних за видами зовнішніх пристроїв використовуватися неефективно не можуть. В даний час розрядність багатьох процесорів та реалізованих орієнтованих на них мовних засобів не дозволяє забезпечувати все потенційне безліч завдань СУ ППП необхідною точністю обчислень. Тому щодо значень цього показника необхідно запровадити деталізацію за класами завдань конкретних видів АРМ з прив'язкою до розглянутої комбінації засобів ВТ та базового програмного забезпечення.

Вартість реалізації “дружнього інтерфейсу” включає програми навчання і можливість отримання довідок у процесі роботи на АРМ про способи продовження або закінчення діалогу.

Можливість зміни складу та змісту реалізованих на конкретних АРМ функцій, зокрема перерозподілу між персоналом.

Забезпечення вимог захисту від несанкціонованого доступу для баз знань та баз даних, а також забезпечення їхньої “прозорості” у разі потреби.

Нещодавно в побуті з'явився термін «обчислювальна техніка». Це позначення спочатку скоєно не мало на увазі всіх тих аспектів, які вкладаються в нього сьогодні. І, на жаль, більшість людей чомусь вважають, що комп'ютери та обчислювальна техніка – слова-синоніми. Це явна помилка.

Обчислювальна техніка: значення слова

Трактувати значення цього терміна можна зовсім по-різному, тим більше різні словники тлумачити його можуть у різних інтерпретаціях.

Однак якщо підійти до питання як би з якимось узагальненням, можна сміливо стверджувати, що обчислювальна техніка - це технічні пристрої з набором деяких математичних засобів, прийомів і методів для автоматизації (або навіть механізації) обробки будь-якої інформації та процесів обчислень чи опису того чи іншого. іншого явища (фізичного, механічного тощо).

це що таке у широкому розумінні?

Обчислювальна техніка відома людству досить давно. Найпримітивнішими пристроями, які з'явилися за сотні років до нашої ери, можна назвати, наприклад, ті самі китайські рахунки або римський абак. Вже в другій половині нинішнього тисячоліття з'явилися такі пристрої, як шкала Неппера, арифмометр Шиккарда, лічильна і т. д. Поміркуйте самі, сьогоднішні аналоги у вигляді калькуляторів теж сміливо можна віднести до одного з різновидів обчислювальної техніки.

Проте трактування цього терміна набуло більш розширеного значення з появою перших ЕОМ. Сталося це в 1946 році, коли в США була створена перша ЕОМ, що позначалася абревіатурою ЕНІАК (у СРСР такий пристрій було створено в 1950 році і мало назву МЕСМ).

На сьогоднішній день трактування розширилося ще більше. Таким чином, на сучасному етапі розвитку технологій можна визначити, що обчислювальна техніка – це:

• комп'ютерні системи та засоби управління мережами;
• автоматизовані системи управління та обробки даних (інформації);
• автоматизовані засоби проектування, моделювання та прогнозування;
• системи розробки програмного забезпечення та ін.

Кошти для обчислень

Тепер подивимося, що являють собою засоби обчислювальної техніки. В основі будь-якого процесу лежить інформація або, як заведено зараз говорити, дані. Але поняття інформації вважається досить суб'єктивним, оскільки для однієї людини якийсь процес може нести смислове навантаження, а для іншої – ні. Таким чином, для уніфікації даних був розроблений який сприймається будь-якою машиною та застосовується для обробки даних найбільш широко.

Серед самих засобів можна виділити технічні пристрої (процесори, пам'ять, пристрої введення/виводу) та програмне забезпечення, без якого все це залізо виявляється абсолютно марним. Тут окремо слід зазначити, що обчислювальна система має ряд характерних ознак, наприклад, цілісність, організованість, пов'язаність та інтерактивність. Є ще й так звані обчислювальні комплекси, які відносять до багатопроцесорних систем, що забезпечують надійність та підвищений рівеньпродуктивності, недоступний стандартним однопроцессорным системам. І тільки в загальній зв'язці «заліза» і софту можна говорити про те, що вони є основними засобами обчислень. Звичайно, можна сюди додати і методики, за якими проводиться математичне опис того чи іншого процесу, але це може зайняти досить тривалий час.

Влаштування сучасних комп'ютерів

З усіх цих термінів, можна описати і роботу сучасних комп'ютерів. Як було зазначено вище, вони поєднують у собі апаратну і програмну частини, причому одна без іншої функціонувати неспроможна.

Таким чином, сучасний комп'ютер (обчислювальна техніка) – це сукупність технічних пристроїв, що забезпечують функціонування програмного середовища для виконання певних завдань, і навпаки (сукупність програм для роботи «заліза»). Найбільш правильним є перше твердження, а не друге, адже зрештою цей набір потрібен саме для обробки вхідної інформації та висновку результату.

(обчислювальна техніка) включає кілька основних компонентів, без яких не обходиться жодна система. Сюди можна віднести материнські плати, процесори, жорсткі диски, оперативну пам'ять, монітори, клавіатури, миші, периферію (принтери, сканери тощо), дисководи та інших. У плані програмного забезпечення перше місце посідають операційні системи та драйвери. В операційні системипрацюють прикладні програми, а драйвери забезпечують коректне функціонування всіх "залізних" пристроїв.

Декілька слів про класифікацію

Сучасні обчислювальні системи можна класифікувати за кількома критеріями:

• принцип дії (цифрові, аналогові, гібридні);
• покоління (етапи створення);
• призначення (проблемно-орієнтовані, базові, побутові, виділені, спеціалізовані, універсальні);
• можливості та розміри (супервеликі, супермалі, одно- або розраховані на багато користувачів);
• умови застосування (домашні, офісні, виробничі);
• інші ознаки (кількість процесорів, архітектура, продуктивність, споживчі властивості).

Як зрозуміло, чітких кордонів у визначенні класів провести не можна. У принципі, будь-який поділ сучасних систем на групи все одно виглядає суто умовним.