Автоматизация поизводства Лекция №9. Технические средства реализации информационных процессов. Центральные устройства ЭВМ

Автоматизация производства. Лекция №9. Технические средства реализации информационных процессов. Центральные устройства ЭВМ

Лекция №9. Технические средства реализации информационных процессов. Центральные устройства ЭВМ

Технические средства реализации информационных процессов

Персональные компьютеры

Компьютер - это универсальное средство для автоматизации обработки информации. Первоначально компьютеры создавались для проведения различного рода вычислений. Затем оказалось, что компьютер может обрабатывать и другие виды информации, т. к. любой вид информации может быть представлен в числовом виде. В настоящее время компьютеры используются для создания текстов, графики, управления предприятиями, хранения и управления различного рода информацией: числовой, звуковой, видео и т.д., создания мультимедийных систем. Компьютер по своей природе может обрабатывать только числовую информацию, поэтому для работы с другими видами информации все данные переводятся в числовую форму, т.е. кодируются. Как правило, в компьютере вся информация представлена в виде нулей и единиц, т.е. в двоичной системе счисления. Перевод вводимой человеком информации в двоичные коды и обратно осуществляют специальные программы, работающие на компьютере.

Персональный компьютер - это однопользовательская электронно-вычислительная машина на базе микропроцессора.

Первые персональные компьютеры были созданы фирмой "Apple". В последнее время наибольшее распространение получили персональные компьютеры, разработанные компьютерной фирмой IBM или IBM-совместимые компьютеры. Слово «персональный» обозначает, что компьютер рассчитан на одновременную работу с одним пользователем, в то время как большие компьютеры могут эксплуатироваться несколькими или многими пользователями одновременно. Кроме того, персональный компьютер обладает небольшими размерами и относительно низкой стоимостью, что делает его доступным для широкого круга потребителей. Он может без труда быть модернизирован. Кроме того, для персональных компьютеров разработано множество типов и видов средств программного обеспечения, которое может быть выбрано пользователем в зависимости от сферы его деятельности.

Периферийные устройства

Для ввода и вывода информации к компьютеру подключаются дополнительные устройства, называемые периферийными. Основные из них:

• Монитор -устройство для изображения текстовой и графической информации;

• Клавиатура - устройство для ввода символьной информации;

• Мышь - указательное устройство, упрощающее ввод информации и управление работой;

• Принтер - устройство для вывода текстовой и графической информации на печать;

• Модем - модулятор/демодулятор, устройство для преобразования и усиления сигналов, поступающих из линий связи в компьютер и выходящих из него;

Телекоммуникации и компьютерные сети

В настоящее время большинство компьютеров работают не изолированно друг от друга. Два и более компьютеров, соединенных друг с другом посредством кабелей, телефонных линий, радиоканалов и т.д. называются компьютерной сетью. Они подключаются к глобальным и локальным сетям, что обеспечивает им возможность обмена информацией с другими компьютерами.
Если в одном помещении находится несколько компьютеров, пользователи которых постоянно обмениваются информацией друг с другом, то целесообразно их объединить в локальную сеть.
Локальная сеть - это группа из нескольких компьютеров, объединенных между собой посредством кабелей, телефонных линий или радиоканалов, через которые компьютеры могут обмениваться информацией.

Глобальные сети - это сети в состав которых входит множество сетей и обмен данными в которых ведется по определенным правилам. Одной из разновидностей глобальных сетей является Интернет.

Интернет - это всемирная совокупность компьютерных сетей, "сеть сетей', обмен информацией в которых производится по протоколу TCP/IP и на территории которой существует единое адресное пространство.

Одним из самых простых и популярных способов использования Интернет является Электронная почта - система, позволяющая обмениваться сообщениями между пользователями сети. Обмен сообщениями осуществляется по определенному протоколу. Одним из таких протоколов является SMTP (Simple Mail Transfer Protocol).

Центральные устройства ЭВМ

Основная память(ОП). Структурная схема ОЗУ

Комплекс технических средств, реализующих функции памяти, называется запоминающим устройством (ЗУ). ЗУ делятся на основную память (ОП), сверхоперативную память (СОЗУ) и внешние запоминающие устройста (ВЗУ).

ОП состоит из двух типов устройств :

• оперативное ЗУ (ОЗУ или RAM-Random Accses Memory);

• постоянное ЗУ (ПЗУ или ROM - Read Only Memory).

Основной составной частью микросхемы памяти является массив элементов памяти. Каждый ЭП может хранить хранить 1бит информации. ЗУ, позволяющее обращаться по адресу к любому элементов памяти в произвольном порядке, называется ЗУ с произвольным доступом.

При матричной организации памяти адрес элементов памяти определяется двумя координатами X и Y. На пересечении этих координат находится элементов памяти. Структурная схема ОЗУ приведена на рисунке.

Связь с ОЗУ осуществляется по системной магистрали (СМ). По шине управления передается сигнал, определяющий, какую операцию необходимо выполнить. ПО шине данных передается информация, записываемая в память или считываемая из нее. По шине адреса передается адрес участвующих в обмене элементов памяти (поскольку данные передаются машинными словами, а один элемент памяти может воспринять только один бит информации, блок элементов памяти состоит из n матриц элементов памяти, где n-количество разрядов в машинном слове). Максимальная емкость памяти определяется количеством линий в шине адреса системной магистрали.

В зависимости от способа хранения информации ОЗУ подразделяются на:

1. Статические ОЗУ (SRAM - Static RAM).

2. Динамические (DRAM - Dynamic RAM).

В статических ОЗУ в качестве элементов памяти используется статический триггер, который способен сохранять состояние 0 или 1 неограниченно долго (при включенном ПК). Динамические ОЗУ строятся на конденсаторах, реализованные внутри кристалла кремния. Динамические элементы памяти (конденсаторы) с течением времени разряжаются и записанная информация теряется. Динамические элементы памяти требуют периодического восстановления заряда - регенерации. Во время регенерации запись новой информации должна быть запрещена.

Основными характеристиками ОЗУ являются время доступа (быстродействие), емкость.

Время доступа - это промежуток времени, за который может быть записано или прочитано содержимое ячейки памяти после подачи ее адреса и соответствующего управляющего сигнала.

Емкость определяет количество ячеек или битов в устройстве памяти.

По сравнению со статическими ОЗУ, динамические ОЗУ имеют более высокую удельную емкость и меньшую стоимость, но большее энергопотребление и меньшее быстродействие. ОЗУ имеют модульную структуру. Увеличение емкости ОЗУ производится установкой дополнительных модулей.

На производительность ЭВМ влияет не только время доступа, но и такие параметры, как тактовая частота и разрядность шины данных системной магистрали. Если тактовая частота недостаточно высока, то ОЗУ простаивает в ожидании обращения. При тактовой частоте, превышающей возможности ОЗУ, в ожидании будет находиться системная магистраль, через которую поступил запрос в ОЗУ.

Интегральной характеристикой производительности ОЗУ с учетом частоты и разрядности шины данных является пропускная способность, которая измеряется в Мегабайтах в секунду.

Микросхемы ПЗУ также построены по принципу матричной структуры. Функции элементов памяти в них выполняют перемычки в виде проводников, полупроводниковых диодов или транзисторов. В такой матрице наличие перемычки соответствует "1", а ее отсутствие -0. Запись информации в ПЗУ осуществляется посредством программатора.

Стековая память. Кэш-память

Сверхоперативные ЗУ используется для хранения небольших объемов информации и имеют значительно меньшее время считывания/записи, чем ОЗУ. СОЗУ обычно строятся на регистрах и регистровых структурах.

Если к любому регистру можно обратиться для записи/чтения по его адресу, то такая регистровая структура образует СОЗУ с произвольным доступом.

Безадресные регистровые структуры могут образовывать два вида устройств памяти: магазинного типа и память с выборкой по содержанию (ассоциативные ЗУ).

Если запись в регистровую структуру производится через один регистр, а считывание - через другой, то такая память является аналогом задержки и работает по принципу "первым вошел - последним вышел" (FIFO-First Input, First Output).

Если же запись и чтение производится через один и тот же регистр, то такое устройство называется стековой памятью, работающее по принципу "первым вошел - последним вышел" (FILO-First Input, Last Output).

Стековая память получила широкое распространение. Для ее реализации в ОЗУ посредством программ операционной системы выделяется часть памяти под стек. Специальный регистр микропроцессора (указатель стека) постоянно хранит адрес ячейки ОЗУ, выполняющий функции вершины стека. Чтение числа всегда производится из вершины стека, после чего указатель стека изменяется и указывает на очередную ячейку стековой памяти.

В микропроцессорах ассоциативные ЗУ (память с выборкой по содержанию ) используются в составе кэш-памяти для хранения адресной части команд и операндов исполняемой программы. При этом нет необходимости обращаться к ОЗУ за следующей командой или требуемым операндом: достаточно поместить в маску необходимый адрес, если искомая информация имеется в СОЗУ, то она сразу будет выдана. Обращение к ОП будет необходимо лишь при отсутствии требуемой информации в СОЗУ. За счет такого использования СОЗУ сокращается число обращений к ОЗУ.

Эволюция микропроцессоров. Основные технические характеристики МП.

Классификация микропроцессоров

Микропроцессором называют полупроводниковый кристалл или комплект кристаллов, на которых реализуется центральный процессор ЭВМ, т.е. совокупность арифметико-логического устройства и центрального устройства управления. В 1969 году компании Intel удалось создать комплект из четырех интегральных микросхем (ИМС) с полным набором элементов характерным для процессора. Длина слова первого МП составляла всего 4 бита. В 1971 г. был выпущен 4-разрядный коммерческий МП Intel 4004, который стал применяться в микрокалькуляторах. Уже в 1972г. появился 8-разрядный МП Intel 8008, а в 1947г. - его улучшенный вариант Intel 8080. Он нашел применение в первых встроенных ЭВМ для управления производственными процессами.

Развитие микропроцессоров шло по разным направлениям, важнейшим из которых -увеличение разрядности. Подавляющее большинство микропроцессоров производимых в настоящее являются однокристальными 32-разрядными, за исключением ряда 64-разрядных комплектов.

Микропроцессоры характеризуется:

• тактовой частотой;

• разрядностью;

• архитектурой.

Тактовая частота микропроцессоров (более строго -тактовая частота, при которой способен работать МП) определяется максимальным временем выполнения элементарного действия в МП. Работа МП синхронизируется импульсами тактовой частоты от задающего генератора. Чем выше тактовая частота МП (при прочих равных условиях), тем выше его быстродействие.

Разрядностью микропроцессоров  называют максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно. Понятие разрядность включает:

• разрядность внутренних регистров микропроцессоров ;

• разрядность шины данных;

• разрядность шины адреса.

От разрядности шины данных зависит скорость передачи информации между микропроцессоров и другими устройствами. Разрядность щины адреса определяет адресное пространство микропроцессоров.

Архитектура микропроцессоров  является емким понятием, имеющим при этом неоднозначное толкование. Архитектурой часто называют организацию микропроцессоров  с точки зрения пользователя.

Можно ограничить рассмотрение архитектуры микропроцессоров  следующими элементами:

• системой команд и способами адресации;

• возможностью совмещения выполнения команд во времени;

• наличие дополнительных устройств и узлов в составе микропроцессоров;

• режимами работы микропроцессоров.

Система команд представляет собой совокупность команд, которую способен выполнить МП. Она включает полный список кодов операций, для каждой из которых указывается число операндов и допустимые способы их адресации. Способы адресации определяют технику вычисления адресов ячеек памяти и выполнения операций над адресными регистрами.

В соответствии с составом системы команд различают:

1. МП с CISC-архитектурой (CISC-complex instruction set computer-компьютер со сложной системой команд).

2. МП с RISC-архитектурой (RISC-reduced instruction set computer-компьютер с сокращенной системой команд).

МП с CISC-архитектурой являются традиционными, а их система команд включает большое количество команд для выполнения арифметических и логических операций, команд управления, пересылки и ввода-вывода данных.

Система команд микропроцессоров с RISC-архитектурой упрощена и сокращена до такой степени, что каждая команда выполняется за единственный такт. Такой подход упростить структуру МП и тем самым повысить его быстродействие.

Некоторые наиболее развитые микропроцессоры обеспечивают совмещение нескольких последовательно расположенных команд во времени, организуя конвейрную обработку. Эта архитектурная особенность оказывает заметное влияние на скорость выполнения линейных участков программ.

МП поддерживает широкий спектр режимов работы, среди которых:

• Однопрограммный режим.

• Многопрограммный режим.

• Система виртуальных машин.

В однопрограммном режиме в каждый момент времени может находиться в ОЗУ и выполняться только одна пользовательская программа.

В многопрограммный режиме обеспечивается хранение в ОЗУ несколько программ и попеременное их выполнение с той или иной дисциплиной обслуживания, что целесообразно главным образом при возможности совмещения во времени счета в микропроцессор и операций ввода-вывода. На основе многопрограммного режима работы микропроцессора могут быть организованы однопользовательский многопрограммный, а при наличии соответствующих аппаратных средств - и многопользовательский многопрограммный режим работы ПК. Система виртуальных машин является дальнейшим развитием мультипрограммирования, основной признак которого - возможность одновременной работы нескольких ОС.

Структура вычислительной системы

Вычислительная система (суперкомпьютер) – совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или вычислительных машин, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для подготовки и решения задач пользователей

Формально, отличие вычислительное системы от вычислительной машины выражается в количестве вычислителей. Множественность вычислителей позволяет реализовать в вычислительной системе параллельную обработку. С другой стороны, современные вычислительные машины с одним процессором также обладают определенными средствами распараллеливания вычислительного процесса. Иными словами, грань между вычислительной системой от вычислительной машиной часто бывает весьма расплывчатой.

Если же рассматривать 3 компонента архитектуры (способ обработки информации, структуру устройств и сами устройства, составляющие ЭВМ и вычислительной системы), то можно считать в концептуальном плане ВС диалектической противоположностью ЭВМ.

Архитектура вычислительной системы

определяет:

• основные функциональные возможности системы;

• сферу применения (научно-техническая, экономическая, управление и т. д.);

• режим работы (пакетный, мультипрограммный, разделения времени, диалоговый и т. д.);

характеризует:

• параметры вычислительной системы (быстродействие, набор и объем памяти, набор периферийных устройств и т. д.);

• особенности структуры (одно-, многопроцессорная) и т. д.

Составные части архитектуры вычислительной системы определяются следующей схемой.

Архитектура первого уровня определяет, какие функции по обработке данных решаются системой, а какие передаются внешнему миру: пользователю, оператору ЭВМ, администратору баз данных и т.д.

Система взаимодействует с внешним миром через два набора интерфейсов:

• языки (язык программирования, язык оператора терминала, язык управления заданиями, язык общения с базой данных, язык оператора ЭВМ)

• системные программы (программы редактирования, связи, оптимизации, восстановления и обновления информации, интерпретации, управления и т.д., т.е. программы, созданные разработчиком системы).

Оба интерфейса должны быть созданы при разработке архитектуры системы. Уровни, определяемые интерфейсами внутри программного обеспечения, могут быть представлены как архитектура программного обеспечения. К примеру, если прикладные задачи реализованы на языках программирования, которые не входят в набор языков, предоставляемых системой пользователю, то здесь речь может идти об архитектуре уровня, позволяющего определить указанные языки.

Любая вычислительная система состоит из того, что в англоязычных странах принято называть словом hardware, или техническое обеспечение: процессор, память, монитор, дисковые устройства и т.д., объединенные магистральным соединением, которое называется шиной. Вычислительная система состоит также из специального комплекса программных средств (программного обеспечения).

7