Цифровые вычислительные устройства

3.1. Основные понятия и определения цифровой вычислительной техники.

Вычислительные устройства, выполняющие вычислительные и логические операции на основе представления информации в цифровых, или иначе, дискретных кодах, называют цифровыми. На их основе строят вычислительные машины, которые используют, как правило, электронные компоненты в качестве элементной базы. Такие электронные вычислительные машины получили широкое применение в конце 50-х годов.

В 1948 году американский ученый Дж. Фон Нейман сформулировал общие принципы построения ЭВМ, которые легли в основу построения вычислительных машин и не потеряли своего значения и в настоящее время. Блок-схема неймановской структуры ЭВМ содержит блоки памяти, управления, вычисления и отображения. На рис. 3.1.1 представлен вариант формирования такой структуры.

Рис. 3.1.1. Общая структура ЭВМ

В ЭВМ неймановской структуры вычислительный процесс при решении любой задачи разворачивается во времени. Это означает, что любая сложная задача, которую нужно решить на ЭВМ, разбивается на более простые шаги - операции, выполняемые последовательно во времени. Для выполнения этих операций используется специальный блок: арифметико-логическое устройство, или АЛУ. Для хранения исходных и промежуточных данных, результатов вычислений, а так же инструкций, определяющих когда и в каком порядке необходимо выполнять те или иные операции, используется оперативная память (ОП). Набор инструкций, указывающих порядок выполнения операций, носит название алгоритма вычислений. Алгоритм вычислений, представленный в виде, пригодном для записи в ОП ЭВМ, носит название программы вычислений. Каждая отдельная инструкция, представленная в виде, пригодном для записи в ЭВМ, носит название команды. Таким образом, программа вычислений представляет собой упорядоченную последовательность команд.

Команды программы поочередно выбираются из ОП и поступают в центральное устройство управления (ЦУУ), которое инициирует выполнение указанных в команде действий. Например, если в команде указана операция, которая должна быть выполнена в АЛУ, то ЦУУ выберет из ОП величины, участвующие в операции, называющиеся операндами. Операндами могут быть не только числовые данные, но и символьная информация, логические данные и сами команды.

Все основные процессы по обработке информации протекают в ЦУУ и АЛУ. В связи с этим указанные устройства рассматривают как самостоятельное устройство, называемое процессором. В настоящее время практически не различают понятия ЭВМ и ЦВМ, поэтому мы будем пользоваться обоими обозначениями.

Для того чтобы ЭВМ решила некоторую задачу, необходимо в ОП записать программу вычислений и исходные данные. Для ввода в ОП указанной информации, а так же для вывода из ОП результатов вычислений используются специальные устройства, получившие название устройств ввода-вывода (УВВ). В качестве УВВ чаще всего выступают клавиатура, манипулятор типа «мышь», печатающие устройства, электронные устройства отображения - дисплеи, графопостроители и другие устройства.

Выполнение операций ввода-вывода возлагается на специализированное устройство - канал ввода-вывода (КВВ). В некоторых ЭВМ функции КВВ выполняет сам процессор. Для хранения информации, не участвующей в текущий момент времени в обработке, используется внешняя память, которая состоит из внешних запоминающих устройств (ВЗУ), подключаемых к ОП через каналы ввода-вывода. В ВЗУ хранится информация, периодически вступающая в обработку и для этого пересылаемая в ОП. Чаще всего в качестве ВЗУ в ЦВМ используются накопители на магнитных дисках. УВВ и ВЗУ часто объединяют в общую группу внешних устройств ЭВМ.

Характеристики ЭВМ

В ЭВМ хранится, передается и перерабатывается цифровая информация. Единицами количества дискретной информации являются бит, поле, байт, слово и массив слов.

Битом называется двоичная переменная, принимающая значение «0» или «1». Последовательность битов, имеющая определенный смысл, называется полем. Каждое поле имеет длину, равную количеству битов в поле. Поле, имеющее длину 8 бит, называется байтом. Последовательность битов и байтов, имеющая некоторый смысл, называется словом. Последовательность полей, байтов и слов, имеющих одинаковый смысл, образует массив.

К основным характеристикам цифровых вычислительных машин обычно относят номинальное быстродействие, емкость памяти, среднее время решения задач, производительность, стоимость.

Под номинальным быстродействием понимают количество простейших операций типа “сложение”, выполняемых последовательно АЛУ за 1 секунду. Будем обозначать номинальное быстродействие символом . Так, например, в паспортных данных ЦВМ указывается ее = 200 тыс. оп/сек. Это означает, что АЛУ ее процессора за 1 секунду может выполнить подряд 200 тыс. операций типа “сложение”. Иногда быстродействие ЭВМ определяют во флопах. Один флоп равен 1 млн. операций в секунду. Для оценки быстродействия используется также такой параметр, как тактовая частота – это частота тактовых импульсов синхронизации, вырабатываемых специальной схемой тактового генератора.

Емкость памяти, особенно ОП, во многом определяет класс решаемых на ЦВМ задач. Чем больше емкость памяти ЦВМ, тем более сложные алгоритмы можно записывать в нее. Обычно емкость памяти измеряется в битах, килобитах, мегабитах, словах, килословах и т.д.

Необходимо помнить, что 1 кБайт = 2¹⁰ байт = 1024 байт. Если емкость измеряется в килобайтах, то слово “байт” часто опускается. Так, например, если говорят, что емкость памяти некоторой ЦВМ равна 32 К, то это равносильно 32 Кбайт. Емкость памяти будем обозначать символом Е.

Среднее время решения задачи Т_ср - интегральная характеристика ЭВМ. Эта величина складывается из времени счета Т_сч и времени простоя Т_пр.

Рис. 3.2.1. Зависимость Т_сч от сложности ЦВМ

Как видно из рисунка 3.2.1, время счета существенно зависит от сложности ЦВМ (вернее, от сложности ее процессора). Усложнение с одной стороны позволяет уменьшить время решения задачи. С другой стороны, с усложнением ЭВМ уменьшается ее надежность, увеличиваются простои, связанные с ремонтными работами, профилактическими осмотрами, проверками правильности функционирования. Время простоя Т_пр примерно линейно возрастает с увеличением сложности машины, причем угол ее наклона существенно зависит от технологии изготовления элементной базы ЭВМ. Величина Т_ср=Т_сч+Т_пр имеет минимальное значение при некоторой оптимальной сложности ЭВМ (точка С_опт на рисунке). Это означает, что дальнейшее усложнение ЭВМ с целью уменьшения Т_сч нецелесообразно, так как при этом значительно в большей степени возрастает величина Т_пр. В итоге Т_ср не только не уменьшится, но наоборот, возрастет.

Производительность ЭВМ обычно оценивают количеством задач, решаемых на ЭВМ за достаточно большой промежуток времени. Производительность ЭВМ зависит не только от быстродействия процессора. На нее так же большое влияние оказывает организация вычислительного процесса в ЭВМ, степень загруженности процессора в ходе решения задач.

Стоимость ЭВМ - главный фактор, влияющий на сферы применения цифровой вычислительной техники. Чем меньше стоимость средств вычислительной техники, тем шире их рынок сбыта, тем больше область применения ЭВМ.

Поколения ЭВМ

История развития цифровой вычислительной техники - история борьбы разработчиков за улучшение основных характеристик ЭВМ. Несмотря на свою относительную молодость (первые электронные ЭВМ появились в 1946-1950 гг.) ЭВМ в своем развитии сменили последовательно несколько поколений. Первое поколение охватывало ЭВМ, построенные на электронных лампах. Начиная с середины 50-х годов, на смену ламповым ЭВМ пришли ЭВМ второго поколения, в которых основными элементами были полупроводниковые триоды - транзисторы. Транзисторные ЭВМ обладали значительно более высокой надежностью, меньшим потреблением энергии, более высоким быстродействием и значительно меньшей стоимостью. Однако век транзисторных ЭВМ оказался недолгим. Начиная с середины 60-х годов, на смену транзисторным ЭВМ пришли ЭВМ третьего поколения, элементной базой которых были микросхемы малой степени интеграции. За счет интегральной технологии значительно улучшились все основные характеристики ЭВМ: уменьшились габариты, повысилась надежность, возросло быстродействие, резко снизилась стоимость.

Дальнейшее развитие интегральной технологии привело к тому, что в начале 70-х годов электронная промышленность освоила выпуск интегральных схем повышенной степени интеграции. Каждая такая интеграция заменяет собой довольно сложную электронную схему на лампах и транзисторах.

Применение таких элементов характеризует четвертое поколение ЭВМ, которые стали выпускаться с конца 70-х годов. ЭВМ четвертого поколения еще более улучшили все основные свои характеристики, однако борьба за улучшение основных качественных далеко не закончилось.

Оказалось, что неймановская структура с разворачиванием вычислительного процесса во времени практически исчерпала свои возможности, особенно в области повышения производительности ЭВМ и быстродействия процессора.

На смену ЭВМ с неймановской структурой начинают приходить многопроцессорные ЭВМ. В таких ЭВМ вычислительный процесс разворачивается не только во времени, но и в пространстве, что приводит к значительному сокращению времени решения задачи, т.е. повышению производительности ЭВМ.

Контрольные вопросы

1. Опишите общую структуру ЭВМ неймановской архитектуры.

2. Приведите пример устройств ввода-вывода.

3. Перечислите основные характеристики ЭВМ.

4. Перечислите основные поколения ЭВМ и их элементную базу.