Классификация средств вычислительной техники и их сравнительный анализ.

По точности вычислений:

Цифровые ЭВМ – высокая точность, зависящая от разрядности, широкий круг решения задач, ремонтоспособность, постоянно улучшающиеся характеристики. Время решения задач зависит от точности и аппаратных характеристик.

Аналоговые ЭВМ – низкая точность, определяемая погрешностями решающих элементов, низкая надежность, узкий круг решения задач, короткой время решения поставленных задач.

Гибридные ЭВМ – в зависимости от необходимой точности и времени выполнения задач отдельных частей ЭВМ используются и аналоговые, и цифровые элементы.

По назначению:

1) Специализированные – узкий круг решения задач, высокие требования к точности и быстродействию, высокая устойчивость к ударам, радиационному облучению, устойчивость к влаге...

2) Универсальные – широкий круг решения задач, решение с желаемой точностью за желаемое время, устройства ввода-вывода ориентированы на неопытного пользователя.

Джон фон Нейман

Венго-американский математик, физик и педагог еврейского происхождения, сделавший важный вклад в информатику, физику, математику, экономику и другие отрасли науки. Фон Нейман наиболее известен за создание архитектуры компьютера, которая до сих пор используется в современных компьютерах.

Принципы фон Неймана

- возможность ввода-вывода исходных данных

- использование двоичного кода для внутримашинного ввода информации

- считывание первой команды из памяти и организация ее выполнения

- организация автоматического выполнения команд

Неймановская Архитектура

Для реализации этих принципов компьютер должен быть снабжен устройствами ввода-вывода, арифметико-логическим устройством, устройством управления, запоминающим устройством для хранения данных. Программа и данные хранятся в одной памяти через одну шину. Последняя команда обязательно должна завершать процесс вычислений, иначе машина зациклится.

Гарвардская архитектура.

В гарвардской архитектуре принципиально невозможно осуществить операцию записи в память программ, что исключает возможность случайного разрушения управляющей программы в случае ошибки программы при работе с данными или атаки третьих лиц. Кроме того, для работы с памятью программ и с памятью данных организуются отдельные шины обмена данными (системные шины), как это показано на структурной схеме, приведенной на рисунке 1.

Эти особенности определили области применения гарвардской архитектуры. Гарвардская архитектура применяется в микроконтролерах и в сигнальных процессорах, где требуется обеспечить высокую надёжность работы аппаратуры. В сигнальных процессорах Гарвардская архитектура дополняется применением трехшинного операционного блока микропроцессора. Трехшинная архитектура операционного блока позволяет совместить операции считывания двух операндов с записью результата выполнения команды в оперативную память микропроцессора. Это значительно увеличивает производительность сигнального микропроцессора без увеличения его тактовой частоты. В Гарвардской архитектуре характеристики устройств памяти программ и памяти данных не всегда выполняются одинаковыми. В памяти данных и команд могут различаться разрядность шины данных и распределение адресов памяти. Часто адресные пространства памяти программ и памяти данных выполняют различными. Это приводит к различию разрядности шины адреса для этих видов памяти. В микроконтроллерах память программ обычно реализуется в виде постоянного запоминающего устройства, а память данных — в виде ОЗУ. В сигнальных процессорах память программ вынуждены выполнять в виде ОЗУ. Это связано с более высоким быстродействием оперативного запоминающего устройства, однако при этом в процессе работы осуществляется защита от записи в эту область памяти. Применение двух системных шин для обращения к памяти программ и памяти данных в гарвадской архитектуре имеет два недостатка — высокую стоимость и большое количество внешних выводов микропроцессора. При использовании двух шин для передачи команд и данных, микропроцессор должен иметь почти вдвое больше выводов, так как шина адреса и шина данных составляют основную часть выводов микропроцессора. Для уменьшения количества выводов кристалла микропроцессора фирмы-производители микросхем объединили шины данных и шины адреса для внешней памяти данных и программ, оставив только различные сигналы управления (WR, RD, IRQ) а внутри микропроцессора сохранили классическую гарвардскую архитектуру. Такое решение получило название модифицированная гарвардская архитектура. Модифицированная гарвардская структура применяется в современных микросхемах сигнальных процессоров. Ещё дальше по пути уменьшения стоимости кристалла за счет уменьшения площади, занимаемой системными шинами пошли производители однокристальных ЭВМ — микроконтроллеров. В этих микросхемах применяется одна системная шина для передачи команд и данных (модифицированная гарвардская архитектура) и внутри кристалла. В сигнальных процессорах для реализации таких алгоритмах как быстрое преобразование Фурье и цифровая фильтрация часто требуется еще большее количество внутренних шин. Обычно применяются две шины для чтения данных, одна шина для записи данных и одна шина для чтения инструкций. Подобная структура микропроцессора получила название расширенной гарвардской архитектуры. Этот подход практикуют производители сигнальных процессоров — фирмы Analog Devices (семейства сигнальных процессоров BlackFin и Tiger Shark), Texas Instrunents (семейства сигнальных процессоров C5000™ DSPs и C6000™ DSPs), Freescale (семейства сигнальных процессоров MSC8251 и DSP56K).

Этапы ЭВМ.

- Ручной этап - начался на заре человеческой цивилизации и базировался на использовании различных частей тела, в первую очередь, пальцев рук и ног.

- Механический этап (регистрируются механические движения), можно рассмотреть любое количество различных состояний, конструкция ориентирована на десятичную систему счисления.

1) Арифмометр 1 Паскаля.

2) Арифмометр Лейбница (1673), который выполнял 4 операции

3) Чарльз Бэббидж (1822) предложил механическое устройство, способное рассчитывать таблицы функций. Предложил разделить команды и данные.

- Электромеханический этап

1) Конрад Кузе (1941) создал первую машину на электромагнитных реле

2) Говард Эйкен (1943) – машины Марк 1, Марк 2, Марк 3, Марк 4. Перфокарты

- Электронный этап

1) Говард Эйкен (1945) – машина Electronic Numeral Integration And Computer – длина 90 метров, ширина 15 метров, вес 30 тонн, потребляет 150 кВТ (примерно 1500 лампочек), частота 100 кГЦ сложение за 0,9 мс, умножение 2,8 мс, что в 3 порядка больше, чем релейная машина.

2) (1945) – ламповые ЭВМ

3) (1965-1975) – схемы малой интеграции (уменьшаются затраты)

4) Интегральные схемы большой и сверхбольшой интеграции

5) Квантовый компьютер, нейрокомпьютер