ЭВМ. 
Основные понятия

ЭВМ (компьютеры) в настоящее время являются основными средствами реализации информационных технологий. При помощи ЭВМ осуществляют сбор, обработку, хранение и передачу информации, представленной в дискретной форме. Очень часто информационные технологии, ориентированные на обработку данных в дискретной форме, называют компьютерными технологиями.

Структурно ЭВМ представляет собой взаимодействующую совокупность двух компонентов: системы аппаратных средств (hardware) и системы программного обеспечения (software). Для предусмотренного функционирования ЭВМ в ней должны протекать определенные процессы. Управление этими процессами может быть реализовано как аппаратными, так и программными средствами.

Как правило, для управления ЭВМ используется иерархическая система аппаратно-программных решений. При этом на самом нижнем уровне управления используются аппаратные средства, на верхних уровнях — программные.

Основой системы программного обеспечения является операционная система (ОС). ОС может наращиваться программными инструментальными средствами, сервисными программами (утилитами) и другими системными программами.

Аппаратные решения, как правило, приводят к уменьшению временных затрат, но программные решения более динамичны в реализации. Развитие программных средств требует непрерывного увеличения объема памяти ЭВМ и существенного увеличения быстродействия, как памяти, так и процессора, стимулируя непрерывное совершенствование аппаратных средств.

Для уменьшения временных затрат часть программных решений заменяется на аппаратные, поэтому граница «полномочий» программных и аппаратных средств в разных моделях ЭВМ может не совпадать.

Центральным устройством ЭВМ является процессор. Процессор — это программно-управляемое устройство обработки информации. Обработка информации производится в соответствии с алгоритмом обработки.

Алгоритм — это точное предписание, определяющее порядок действий для достижения результата. Программа — это алгоритм обработки информации в грамматике конкретного языка программирования.

Программу, написанную на машинном языке, называют исполняемой программой или машинным кодом. Среди языков программирования имеется язык программирования, ориентированный на человека, но максимально приближенный к машинному языку. Это язык ассемблера или ассемблер (assembler).

Программы в машинных кодах получают путем трансляции (перекодировки) соответствующих программ, написанных на языках высокого уровня или на ассемблере. Трансляция производится специальными программами — компиляторами или интерпретаторами. Компиляторы выполняют перекодировку команд языка высокого уровня в машинные исполняемые коды до выполнения программы. Интерпретаторы используются реже. В этом случае перекодировка команд языка высокого уровня в машинные команды производится с использованием аппаратуры процессора в процессе выполнения программы.

Обычно программная совместимость сочетается с конструктивной совместимостью. Соблюдение программной совместимости усложняет модификацию и эволюцию ЭВМ, удорожает модели семейства, но ее придерживаются в силу сложности разработки программ.

Семейство ЭВМ — это ряд программно совместимых моделей ЭВМ различной производительности и стоимости. Обычно, кроме программной совместимости, для всех моделей семейства соблюдается и конструктивная совместимость. Это позволяет всем моделям семейства использовать и общий парк периферийных устройств. Программно-совместимые ЭВМ могут выпускаться не только одной фирмой.

По словам разработчиков первого семейства программно-совместимых моделей IBM/360, создание семейства стало возможным благодаря осознанию того, что в ЭВМ полезно различать две независимые структуры: физическую и логическую.

Логическая структура — это структура ЭВМ с точки зрения пользователя и программного обеспечения. Это набор и структура команд, форматы данных, регистры и т. д.

Физическая структура — это то, что видит в ЭВМ инженер по электронике, разработчик микросхем.

Логическая и физическая структуры ЭВМ могут не совпадать. Осознание возможности независимости логической и физической структур позволило специалистам IBM в рамках единой логической структуры создать ряд моделей ЭВМ с различной производительностью и физической структурой, что и обеспечивало их программную совместимость.

В настоящее время часто вместо терминов логическая и физическая структуры используют термины, соответственно, архитектура и микроархитектура.

Многоплатформенность программных продуктов

Платформой называется сочетание аппаратных средств ЭВМ и операционной системы. Многоплатформенность означает наличие программных продуктов, идентичных на уровне исходных текстов для разных программно-несовместимых ЭВМ.

Многоплатформенность программных продуктов направлена на решение проблем программной несовместимости при организации сложных многомашинных информационных систем, допускающих наращивание вычислительной мощности.

Традиционная классификация ЭВМ

Это первое поколение ЭВМ — это ЭВМ на электронных лампах. Возможности ламповых ЭВМ были ограничены из-за эксплуатационных параметров ламповых элементов.

Второе поколение ЭВМ — это ЭВМ на полупроводниковых дискретных компонентах.

Появление ЭВМ третьего поколения, а конкретно семейства IBM/360, стало этапным. Это было семейство программно-совместимых ЭВМ, производительностью от 10 тысяч операций для младших моделей и до одного миллиона — для старших. Эту тенденцию нарушило появление нового класса ЭВМ — миникомпьютеров или мини-ЭВМ. Главной особенностью мини-ЭВМ была их ориентация не на вычисление, а на управление. Это были программируемые устройства управления — контроллеры. Слово «мини» в названии класса ЭВМ означало скорее не «миниатюрная», а «минимальная» (ограниченная, урезанная). В мини-ЭВМ урезывались вычислительные возможности (набор арифметических команд и точность вычисления). Для мини-ЭВМ была разработана своя упрощенная архитектура. С появлением мини-ЭВМ модели традиционных семейств ЭВМ с «нормальными» вычислительными возможностями получили название «ЭВМ общего назначения».

Появился новый класс ЭВМ на основе микропроцессоров — микро-ЭВМ.

Микро-ЭВМ ориентированы на управление объектами с малым количеством управляемых параметров. По этой причине основное «урезание возможностей» в микро-ЭВМ сводилось к ограничению по количеству точек управления и, возможно, разрядности данных.

Успехи микроэлектроники создали условия для возникновения нового продукта массового применения: ЭВМ типа «one on one — один для одного», т. е. персонального компьютера ПК (PC — Personal Computer).

РС появились в результате эволюции микро-ЭВМ после перехода элементной базы от интегральных схем с малой и средней степенью интеграции к большим и сверхбольшим интегральным схемам. Архитектура РС имеет существенные отличия от архитектуры микро-ЭВМ.

Структуры ЭВМ

ЭВМ определяется как программно-управляемое устройство обработки данных в числовой форме. Имеется несколько программных моделей (концепций реализации вычислений на ЭВМ). В большинстве современных ЭВМ реализована классическая концепция, предложенная ученым фон Нейманом Это архитектура ЭВМ, поддерживает следующие принципы:

• · двоичного кодирования,
• · программного управления,
• · однородности памяти,
• · адресуемой памяти.

Классический вариант этой машины по концепции фон Неймана должен содержать следующие блоки (рис. 1.1.):

• · оперативную память,
• · арифметико-логическое устройство,
• · устройство управления,
• · устройства ввода-вывода,
• · внешние запоминающие устройства.

Оперативная память предназначена для хранения, как команд программы, так и данных. По концепции фон Неймана принципиально важно, чтобы команды и данные в оперативной памяти были неразличимы. Это позволяет иметь общую оперативную память с единой адресацией, что упрощает программирование ветвлений программ и более эффективное использование ячеек памяти.

Блок устройства управления предназначен для формирования сигналов управления (микроопераций) для выполнения команд программы. Основными блоками устройства управления являются: регистр указателя адреса очередной команды (счетчик команд), регистр команд, блок дешифрации команды, блоки формирования микроопераций, регистр состояния (программы).

Команды поступают из оперативной памяти на регистр команд устройства управления по шинам передачи команд.

Для непосредственной связи с человеком устройство управления содержало пульт управления и панель сигнализации. В классической схеме ЭВМ предусмотрены устройства ввода и вывода. К устройствам ввода/вывода относятся устройства хранения информации вне ЭВМ и переноса на другие ЭВМ. Внешними устройствами могут быть устройства:

• · внешней памяти,
• · ввода/вывода

Многомашинные комплексы.

В многомашинных комплексах каждая ЭВМ использует свою операционную систему, а одна из них — дополнительно программу организации совместной работы ЭВМ в комплексе. Схема двухмашинного комплекса на основе моделей IBM/360 представлена на рис. 1.2.

Каждая модель комплекса содержит процессор, модули памяти и систему ввода/вывода (каналы в/в). Обмен данными производится через систему ввода/вывода.

Многомашинные комплексы в настоящее время определяются как асимметричные, слабосвязанные многопроцессорные системы; системы с неоднородным доступом к памяти (NUMA — Non-Uniform Memory Access).

Многопроцессорные системы.

Многопроцессорные системы определяются как симметричные мультипроцессорные системы (SMP системы — Summitries Multiprocessor). Все процессоры системы работают в едином виртуальном и физическом пространстве оперативной памяти. Любой из процессоров может обслуживать внешние прерывания. Это сильно связанные системы.

Эволюция режимов работы ЭВМ

На формировании структур ЭВМ, кроме особенностей развития элементной базы и смены областей использования, значительный след оставила эволюция их режимов работы. Основными режимами были следующие:

• · непосредственного доступа,
• · однопрограммной пакетной обработки,
• · мультипрограммной пакетной обработки,
• · коллективного доступа,
• · клиент-сервер.

Кластерные структуры.

Это наиболее перспективные структуры эксплуатации современных ЭВМ.

Кластер — это совокупность объединенных компьютеров (узлов), управляемых и используемых, как единое целое. Каждый узел кластера может быть однопроцессорным или многопроцессорным.

Основными целями кластера являются обеспечение:

• · высокой доступности и отказоустойчивость,
• · распределением нагрузки,
• · повышения производительности.

Высокая доступность и отказоустойчивость обеспечивается избыточными процессорами, гарантирующими доступность при отказе отдельных серверов.

Grid системы. Название системы Grid трактуется как решетка (сеть). Имеется в виду об" единение вычислительных кластеров разных фирм в сеть, с использованием интернет-технологий.

Вопросы и/или темы для проверки:

• 1. Программная совместимость ЭВМ.
• 2. Физическая структура ЭВМ.
• 3. Характеристика режимов обработки
• 4. Основной признак смены поколения ЭВМ.
• 5. Особенности мини-ЭВМ.
• 6. Особенности микро-ЭВМ.
• 7. Особенности и предназначение PC.
• 8. Основные блоки устройства управления.
• 9. Определение кластера.
• 10. Определение Grid-системы