Рефераты. Электронно вычислительные машины и вычислительные системы

Электронно вычислительные машины и вычислительные системы

Типы вычислительных машин (ВМ).

ВМ различают:

По способу представления и обработки информации (аналоговые и цифровые, гибридные, комбинированного типа).

По среде представления и обработки информации:

механические;

электромеханические;

гидравлические;

- пневматические;
- оптические;
- магнитные;

История ВМ.
1833г. – Ч. Бебидж. Ввел программное управление с помощью перфокарт
(Англия).
1890г. – Холлерит. Сконструировал табулятор, сумматор и перфоратор.
1944г. – Г. Цузе и Айкен спроектировал Марк1 (релейная вычислительная машина).
1946г. – Моучли, Эккерт сконструировали электронную машину «Эниак».
1950г. – Серийное производство ЭВМ в США.
1951г. – Киев, институт электроники, Лебедев сконструировал МЭСМ.
1954г. – Москва –БЭСМ.

По назначению ЭВМ классифицируются следующим образом:
1. Универсальные;
2. Проблемно-ориентированные;
3. Специализированные.

Режим работы:
1. Однопрограммные ВМ.

1. индивидуального пользования.

2. машинно-пакетной обработки.
2. Мультипрограммные ВМ.

1. пакетная обработка.

2. машины коллективного пользования.

1. без разделения времени.

2. С разделением времени.

Количество процессоров:
1. Однопроцессорные.
2. Мультипроцессорные.
3. Многомашинные системы.

Классификация по способу объединения и размещения:
1. Сосредоточенные.
2. Системы с телеобъединением или теледоступом.
3. Вычислительные сети.

По особенности функционирования:
- Без режима реального времени.
- С режимом реального времени.

По набору параметров:
1. Супер-ЭВМ – для решения крупномасштабных вычислительных задач, для обслуживания крупных баз данных.
2. Большие ЭВМ – для комплектования ведомственных и региональных центров.

Представители: IBM S/390 (1-10 процессоров) – производительность(1,5 –

160мил. Оп/сек).
3. Средние ЭВМ – для управления сложными процессами, используются в качестве серверов. Представители: RS/6000, AS/400.
4. Персональные и профессиональные ЭВМ – для индивидуальных пользователей.
5. Встраиваемые микропроцессоры – бытовая техника.
6. Калькуляторы.

Основные характеристики вычислительных машин.
1. Технические характеристики:

1. Внешние:

1. Производительность.

2. Быстродействие.

3. Быстродействие при выполнении операций с плавающей точкой.

4. Производительность по Гибсону (на наборе задач).

5. Объем оперативной памяти.

6. Количество периферийных устройств.

2. Внутренние:

1. Длина слова процессора.

2. Длина слова ОП.

3. Наличие буферной (КЕШ) памяти.

4. Скорость передачи информации ядро ПУ.
2. Эксплуатационные характеристики:

1. Потребляемая мощность.

2. Габариты.

3. Надежность.

4. Обслуживаемость.
3. Экономические характеристики:

1. цена новой ЭВМ.

2. Стоимость обслуживания.

3. Стоимость эксплуатационных расходов.

4. Общий коэффициент эффективности.

Области и способы применения ЭВМ.
1. Автоматизация вычислений.
2. Системы управления – начиная с 60-х гг. Требования: они должны более дешевые по сравнению с большими машинами. Должны быть более надежными;
3. Задачи искусственного интеллекта.

Существуют две модели ЭВМ:
1. Модель фон Неймана (1945г.). Предусматривает: Автоматическое программное управление решением задач.
2. Совместное хранение программ и данных в ОП. Гарвардская модель (1944г.).

Предусматривает выделение памяти под данные и программы.
3. Промежуточная. С использованием ТЕГов и дескрипторов. ТЭГ – указатель вида информации. Дескриптор – таблица, описывающая размещение информации в памяти машины.
При разработке архитектуры ЭВМ нужно учитывать следующие моменты:
1. Общая структура машин.
2. Организация вычислительно процесса.
3. Способы общения пользователя с ЭВМ.
4. Логическая организация представления, хранения и преобразования информации.
5. Логическая организация совместной работы различных устройств.
6. Логическая организация совместной работы аппаратных и программных средств.

Форматы информации:
1 бит (б), 1 байт (8б), слово, поле, запись, файл и т.д.
|Поколени|Этапы постановки и решения задачи |
|я ЭВМ | |
| |Поста|Выбор|Прогр|Орган|Получ|вычис|
| |новка|алг-м|амир.|из. |. |ления|
| |задач|а |На |Выч. |Маш. | |
| |и | |яз. |проце|пр. | |
| | | | |сса | | |
|1 | | | | | | |
|2 | | | | | | |
|3 | | | | | | |
|4 | | | | | | |
|5 | | | | | | |

Человек – машина – человек

Причины стремительного роста персональных компьютеров.
1. Высокая эффективность применения и малая стоимость по сравнению с другими классами.
2. Возможность индивидуального непосредственного общения с ЭВМ без посредников, программистов и ограничений.
3. Большие возможности при обработке информации.
4. Высокая надежность и простота эксплуатации.
5. Возможность расширения и адаптации к особенностям применения.
6. Наличие развитого ПО для всех сфер человеческой деятельности.
7. Простота использования, основанная на дружественном интерфейсе.
8. Возможность объединения машин в сеть.
9. Возможность подключения к персональным компьютерам различных периферийных устройств. Возможность встраивания ПК в системы САУ.

Информационно – логические основы построения ЭВМ.
Преимущества двоичной системы:
1. Более простая реализация алгоритмов выполнения арифметических и логических операций.
2. Более надежная физическая реализация основных функций.
3. Экономичность и простота аппаратной реализации схем ЭВМ.

Операция сложения с плавающей точкой.

A10=1,375, B11=-0,625, C=A+B

A2=0 1.011, A=0,1375*101

B2=1 0.101=00 1 001=01 1 0101, B=-0,0625*101
(p=p1 - p2=1.
B2ok=01 1 1010, B2дк=01 1011
А2ok=01 01011, А2дк=0101011

Т.о. 01 11010 0111011

+ +

01 01011 0101011

1 00101 0100110

00110=С2 С10=0,75
С2н=0,011 , С10=0,75

Умножение и деление чисел с плавающей точкой.
При умножении/делении порядки складываются/вычитаются. Мантиссы соответственно умножаются или делятся. Знаки результат формируется путем сложения знаков операнда.

Арифметические операции над двоично – десятичными числами.
Каждая цифра десятичного числа кодируется тетрадой, и знак числа кодируется тоже тетрадой.
1. Сложение начинают с младших цифр тетрад и производят с учетом переноса.
2. Знак суммы определяется знаком наибольшего слагаемого.
3. Для того чтобы обеспечить своевременный перенос производится десятичная коррекция. К каждой тетраде добавляется число шесть. В результате осуществленная корректировка суммы – из тетрад, откуда не было переноса, вычитается 6. При этой коррекции переносы из тетрад блокируются.
4. При вычитании к тетраде с большим кодом прибавляется другая тетрада в дополнительном коде. И выбирается знак.

Логические основы ЭВМ.
Количество возможных функций: 22n

При n=0 N=21=2
Yi=0 – заземление;
Или y1=1 – генер. n=1 ,то N=4
|x|Y0 |Y1 |Y2 |Y3 |
|0|0 |1 |0 |1 |
| |0 |1 |1 |0 |
|1| | | | |

Ген повт инв

Правила алгебры логики.
1. ХV1=1 X*0=0

XV0=X X*1=X

2. XVX=1 X*X=0

XVX=X X*X=X

Законы алгебры логики.

1. Х1Х2=Х2Х1 - коммутативный
2. (Х1Х2)Х3=Х1(Х2Х3) – ассоциативный
3. Х1(Х2VX3)=X1X2VX1X3 – дистрибутивный
4. X1VX1X2=X1(1VX2)=X1*1=X1 – поглощения
5. X1X2VX1X2=X1(X2VX2)=X1*1=X1 – склеивания
6. (FVX)(FVX)=F
7. XVXF=XVF X(XVF)=XF - свертки
8. Правила Де Моргана
- X1VX2=X1X2
- X1X2=X1VX2

Порядок проектирования логических схем.
1. Словесное описание.
2. Формализация описания – запись таблицы истинности.
3. Запись функции в СДНФ или СКНФ.
4. Минимизация.
5. Представление минимизированного выражения в требуемом базисе.
6. Изготовление устройства.
7. Тестирование.

Элементная база ЭВМ.

Элемент – узел – блок – устройство

Классификация интегральных схем:
- по сложности
1. ИС – малая степень интеграции (десятки транзисторов).
2. СИС – средние (сотни транзисторов).
3. БИС - большие (десятки тысяч транзисторов).
4. СБИС – сверхбольшие (миллионы транзисторов).
5. УБИС – ультрабольшие (десятки миллионов транзисторов).
- по типу сигналов
1. Потенциальные.
2. Импульсные.
- по технологии изготовления
1. МОП структура (МДП структура).

1. КМОП –комплиментарные.

2. NМОП – полупроводники n-типа.

3. рМОП – полупроводники р-типа.
2. ТТЛ – логика.
3. ЭСЛ.
4. U2Л.
- по особенностям функционирования
1. Формирующие – генераторы.
2. Логические комбинационные схемы.
3. Запоминающие.

Комбинационные схемы.
К ним относятся ЛЭ: «Не», «И», «ИЛИ», «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ», дешифраторы, сумматоры комбинационные, компараторы.

Схемы с памятью.
1. Триггеры:
- JK
- RS
- D
- T
2. Накапливающий сумматор.
3. Регистр.
4. Счетчик.

Проблема развития элементарной базы.
Циклическое послойное изготовление элементов (частей) электронной схемы по циклу: программа – рисунок – схема. По программе на напыленный фоторезисторный слой наносится рисунок будущего слоя микросхемы. Рисунок протравливается, фиксируется, закрепляется и изолируется от новых слоев.
Нанесение рисунков называется фоторезистолистография. Сейчас применяется оптическая листография. Но дифракция, интерференция и т.п. ограничивают точность. Существует также электронная (лазерная) листография, ионная и рентгеновская листография. Размеры сокращают для того, чтобы можно быть увеличить частоты (чем больше размеры транзистора, тем больше его емкость).
Но уменьшение размеров приводит к тому, что удельная мощность увеличивается. Она увеличивается с ростом напряжения питания и с ростом частоты. Уменьшение напряжения нежелательно. Максимальная частота, которая может быть в элементах 1011 – 1012 Гц. Такой уровень частоты может быть только в СИС. Будут использоваться ССИС – сверхскоростные ИС средней степени интеграции. Используются кремниевые и арсенид галивые микросхемы.
Перспективы:
Новое направление – использование сверхпроводимости и туннельного эффекта
(для уменьшения мощности) и биомолекулярная технология.

Страницы: 1, 2, 3