Багаторівнева організація ЕОМ
Сучасний комп'ютер складається з кількох функціональних вузлів: процесор, пам'ять, контролери пристроїв і т.д. Кожен вузол представляє собою складний електронний пристрій, до складу якого можуть входити мільйони логічних елементів, для кращого розуміння принципу роботи кожного вузла і комп'ютера в цілому вводиться поняття рівнів подання комп'ютера.
Фізичний рівень[ред.]
Фізичний рівень ІТ представляє її программноаппаратную реалізацію. На фізичному рівні ІТ розглядається як система, що складається з великих під - систем: обробки даних, обміну даними, накопичення даних, отримання і відображення інформації, подання знань та управління даними і знаннями. З системою, що реалізує ІТ на фізичному рівні, взаємодіють користувач і розробник системи.
Підсистеми обробки даних[ред.]
Будується на базі ЕОМ різних класів і відрізняються за обчислювальної потужності і продуктивності. Залежно від специфіки вирішуваних завдань застосовуються як великі універсальні ЕОМ (мейнфрейми) для обробки величезних обсягів інформації, так і персональні комп'ютери (ПК). У мережі використовуються як сервери, так і клієнти (робочі станції).
Підсистеми обміну даними[ред.]
Включають комплекси програм і пристроїв (модеми, підсилювачі, комутатори, кабелі та ін.), Що створюють обчислювальну мережу і здійснюють комутацію, маршрутизацію і доступ до мереж.
Підсистема накопичення даних[ред.]
Реалізовується за допомогою банків даних і БД на зовнішніх пристроях комп'ютера, який ними керує. Можлива організація як локальних баз і банків, що реалізуються на окремих комп'ютерах, так і організація розподілених банків даних, що використовують мережі ЕОМ і розподілену обробку даних.
Підсистеми отримання, відображення інформації і представлення знань[ред.]
застосовуються для формування моделі предметної області з її фрагментів і моделі розв'язуваної задачі. На стадії проектування розробник формує в пам'яті комп'ютера комплекс моделей вирішуваних завдань. На стадії експлуатації користувач звертається до підсистеми відображення інформації і представлення знань і, виходячи з поставленого завдання, вибирає відповідну модель рішення, після чого через підсистему управління даними включаються інші підсистеми. Підсистема управління даними і знаннями, як правило, частково реалізується на тих же комп'ютерах, на яких функціонують відповідні підсистеми, а частково за допомогою систем управління організацією обчислювального процесу і СУБД. При великих потоках інформації створюються спеціальні служби адміністраторів мережі і БД.
Рівень аналогової схемотехніки[ред.]
Напівпровідникові електронні пристрої діляться на два великі класи: аналогові і цифрові (дискретні). В основі класифікації лежить можливість зміни в устрої електричного сигналу, що несе інформацію. Якщо інформаційний сигнал змінюється безперервно і може приймати довільні значення в широкому діапазоні, аналоговий пристрій, якщо ж сигнал змінюється дискретно і може приймати тільки два фіксованих значення, відповідні двом цифрам двійкової системи числення - нулю і одиниці, то пристрій відноситься до цифрових, або дискретним . У аналогових пристроях сам електричний сигнал і його параметри - рівень, частота і фаза електричного коливання - несуть інформацію про фізичну величиною. У цифрових пристроях інформація про величину закодована цифровим кодом, що складається з безлічі двійкових розрядів, кожен з яких може приймати тільки одне з двох фіксованих значень, яким відповідають два рівня напруги (зазвичай вони забезпечуються відкритим чи закритим станом транзистора, що працює в ключовому режимі). Інформацію про різних фізичних величинах і контрольованих процесах отримують за допомогою датчиків, званих також вимірювальними перетворювачами. Ці пристрої здійснюють перетворення вимірюваної величини в пропорційний їй електричний сигнал. Дуже часто ці сигнали невеликі, вимірювані тисячними частками вольт. Після передачі по електричним, радіочастотним або оптичним каналам зв'язку сигнали приходять сильно ослабленими, і для нормальної роботи приймачів інформації з цими сигналами потрібно їх попереднє посилення. Також невеликий рівень електричних сигналів, зчитувальних з носіїв інформації у всіляких магнітних і оптичних запам'ятовуючих пристроях. Таким чином, для нормальної роботи різних електронних пристроїв і систем необхідне посилення слабких сигналів. Це відноситься не тільки до чисто аналоговим пристроям, а й до цифрових, так як первинним інформаційним сигналом все одно залишається малопотужний електричний сигнал, який повинен бути посилений. Тому підсилювачі є одними з основних вузлів різної апаратури в пристроях автоматики, обчислювальної та інформаційно-вимірювальної техніки.
Підсилювач - це пристрій, що збільшує інтенсивність вхідного сигналу, використовуючи енергію джерела живлення. Залежно від призначення розрізняють підсилювачі напруги та потужності, підсилювачі сигналу змінного і постійного струму, підсилювачі, призначені для посилення сигналів в різних діапазонах частот.
У аналогових електронних пристроях підсилювачі не тільки забезпечують просте посилення вхідного сигналу. На їх основі виконуються найрізноманітніші пристрої функціональної обробки сигналів, а також різні генератори електричних сигналів.
Рівень цифрової схемотехніки[ред.]
Цифрова електронна обчислювальна машина – складний комплекс пристроїв обробки інформації. Інформація в ЕОМ подається за допомогою електричних сигналів: неперервних і дискретних (переривистих). Неперервні сигнали використовуються в аналогових обчислювальних машинах (АОМ), дискретні – в цифрових ЕОМ. Цифровий спосіб обробки інформації – універсальний і тому найбільш поширені цифрові ЕОМ. Дискретні електричні сигнали поділяються на імпульси і потенціали (рівні напруги). На входах і виходах двійкового елемента діють напруги, які набувають у сталому режимі двох значень – високого UH і низького UL рівнів (індекси від англійських слів High і Low). Ці напруги відображають електричні сигнали. Сигнал з двома станами називається двійковим. Перехід елемента з одного стану в інший називається його перемиканням. На основі елементів будують типові функціональні вузли. Елементарні дії, які виконуються в комп'ютерах за один машинний такт, називаються мікроопераціями. Наприклад, інкремент або декремент слова, зсув, інверсія, додавання та ін.
Імпульс – дискретний сигнал визначеної тривалості.
Тривалість потенціалу у загальному випадку наперед не визначена. Різниця між потенціалом і імпульсом у тому, що імпульс має спад, що не керується. У цифрових ЕОМ використовується двійкова система числення з цифрами 0 і 1, тому що в ЕОМ застосовуються електричні схеми з двома стійкими станами. Цифри 0 і 1 можуть відображатися додатними і від’ємними імпульсами, наявністю і відсутністю імпульсів, високим і низьким потенціалами, пакетами синусоїдальних колихань у протилежних фазах (радіоімпульси) і таке інше. Несинусоїдальний сигнал прийнято називати відеоімпульсом. Схеми ЕОМ поділяються на імпульсні, потенціальні і імпульсно- потенціальні – в залежності від того, який тип сигналів використовується у них для подання інформації, що обробляється. Службові і допоміжні сигнали при цьому можуть бути двох типів. В цифровій інтегральній мікроелектроніки як правило застосовують потенціальні системи елементів. Це визначається тим, що для формування і генерації імпульсів необхідні електронні схеми з конденсаторами і котушками індуктивності, а при інтегральній технології виробництво мікросхем з конденсаторами і котушками індуктивності складає певні труднощі. По призначенню схеми ЕОМ поділяються на логічні, що обробляють інформацію, запам’ятовуючі, що зберігають інформацію, і допоміжні, що обслуговують їх роботу. У комп'ютерах команди виконують послідовністю мікрооперацій над двійковими словами (числами). Типовими функціональними вузлами комп'ютерів називаються мікроелектронні схеми, призначені для виконання однієї або декількох мікрооперацій. За логікою роботи функціональні вузли розподіляються на комбінаційні та послідовнісні схеми. У комбінаційних схемах логічний стан виходів елементів залежить тільки від комбінації вхідних сигналів у даний момент часу. До функціональних вузлів комбінаційного типу відносяться суматори, дешифратори, шифратори, мультиплексори і демультиплексори, схеми порівняння (компаратори) і контролю за парністю, кодоперетворювачі. У послідовнісних схемах логічне значення виходів визначають як комбінацією вихідних сигналів, так і станом пам'яті схеми в даний момент часу. До функціональних вузлів послідовнісного типу відносяться регістри, лічильники, генератори чисел і керуючі автомати. На основі типових функціональних вузлів будують різноманітні пристрої комп'ютерів. Універсальність комп'ютерів забезпечує можливість приймання і видавання інформації, її зберігання та арифметико-логічне опрацьовування, а також керування усім обчислювальним процесом. Ці функції реалізуються відповідними пристроями введення, виведення, запам'ятовування, арифметико-логічними і керування.
Рівень системотехніки[ред.]
Наведемо кілька прикладів систем : 1) Сонячна система; 2) живий організм; 3) обчислювальний центр; 4) промислове підприємство; 5) електрична схема; 6) кримінальний кодекс даної країни; 7) система лінійних рівнянь; 8) галузь промисловості ; 9) система соціального забезпечення; 10) операційна система ЕОМ. Зауважимо, що деякі з перерахованих систем допускають двоякий опис. Так, операційна система може задаватися як своїми функціями (управління процесом проходження завдань та розподілу ресурсів даної ЕОМ), так і набором програм, що реалізують ці функції. У більшості тих випадків, коли система задається по просторовим ознаками, дослідник одночасно виробляє структуризацію системи. Під структуризацією будемо розуміти виділення в системі двох типів об’єктів – безлічі елементів і безлічі зв’язків та встановлення співвідношення цих множин один з одним.
Система – це сукупність взаємопов’язаних елементів, об’єднаних в одне ціле для досягнення певної мети.
Під метою розуміється сукупність результатів, які визначаються призначенням системи. Наявність мети і змушує пов’язувати елементи в систему, тобто виникає поняття цілісності – найбільш важливого властивості системи. Елемент належить системі тому, що він пов’язаний з іншими її елементами, так що безліч елементів, що складають систему, неможливо розбити на два і більше незв’язаних підмножини. Видалення з системи елемента або сукупності елементів неодмінно змінює її властивості в напрямку, відмінному від мети.
Системотехніка – науково-технічний напрям в кібернетиці, що вивчає питання планування, проектування, конструювання і функціонування (експлуатації) складних інформаційних систем і машин з метою отримання найбільшого соціально-економічного ефекту.
Вона інтегрує окремі галузі знань в єдиний комплекс знань. Системотехніка приймає, як кількісні, так і якісні оцінки, проте відмовляється від традицій поетапного рішення і існування послідовного (обчислювального або не обчислювального) алгоритму рішення. Вона виходить з того, що для складних проблем такого алгоритму може не існувати і лише, людський розум призначен для вирішення сучасних складних проблем.
Головне практичне завдання системотехніки[ред.]
Виявивши і описавши складність, обгрунтувати додаткові (нові) фізично реалізуємі зв'язки, які при накладенні на складну систему зобов'язані забезпечити керованість системи в необхідних межах, збереження області самостійності, що в цілому повинне сприяти підвищенню ефективності системи. Нові зв'язки системи зобов'язані підсилити її сприятливі і ослабити несприятливі тенденції поведінки, зберігши і укріпивши при цьому її цілеспрямованість, а також орієнтувати систему на інтереси підсистем
Концепція системотехніки[ред.]
Полягає в представленні реальних (що існують) або уявних (створюємих) складних систем за допомогою спрощених описів, тобто моделей, що відображають визначені, найбільш важливі грані суті складної системи, і дослідженні таких моделей. При цьому формування моделей здійснюється на підставі тих даних, які можна отримати про складну систему експериментальними і, перш за все, інтелектуальними засобами.
Мікроархітектурний рівень[ред.]
Мікроархітектурний рівень - це рівень організації обробки інформації всередині функціонального вузла. Функціональні вузли - це такі вузли, що забезпечують виконання функцій комп'ютера (сприйняття , або обробка вхідних даних; зберігання інформації; виконання арифме-тичних, логічних та інших операцій; виведення результатів обчислень; тощо) . Сюди відносяться регістри різного призначення, пристрій обробки вступних команд, пристрій перетворення даних, пристрій управління. Регістр - комірка внутрішньої пам'яті.
На цьому рівні можна бачити сукупності 8 або 32 регістрів, які формують локальну пам'ять і схему, звану АЛП (арифметико-логічний пристрій). АЛП виконує прості арифметичні операції. Регістри разом з АЛП формують такт даних, по якому поступають дані. Основна операція тракту даних полягає в наступному. Вибирається один або два регістри, АЛП проводить над ними яку-небудь операцію, наприклад складання, а результат поміщається в один з цих регістрів. На деяких машинах робота такту даних контролюється особливою програмою, яка називається мікропрограмою. На інших машинах такт даних контролюється апаратними засобами. На машинах, де такт даних контролюється програмним забезпеченням мікропрограма — це інтерпретатор для команд. Мікропрограма викликає команди з пам'яті і виконує їх одну за іншою, використовуючи при цьому такт даних.
Концепції мікроархітектури[ред.]
У загальному випадку, всі ЦПУ, одночіпові мікропроцесори і багаточіпових реалізації виконують програми, виробляючи наступні кроки:
1) Читання інструкції та її декодування; 2) пошук всіх пов'язаних даних, необхідних для обробки інструкції; 3) обробка інструкції; 4) запис результатів.
Ця послідовність виглядає просто, але ускладнюється тим фактом, що ієрархія пам'яті (де розташовуються інструкції і дані), яка включає в себе кеш, основну пам'ять та енергонезалежні пристрої зберігання, такі як жорсткі диски, завжди була повільніше самого процесора. Крок (2) часто привносить тривалі (за мірками ЦПУ) затримки, поки дані надходять з комп'ютерної шині. Значна частина досліджень присвячена розробкам, які дозволяють уникати таких затримок, наскільки це можливо. Протягом багатьох років головною метою було виконувати більше інструкцій паралельно, збільшуючи таким чином ефективну швидкість виконання програм. Ці зусилля викликають ускладнення логіки і структури схем. Спочатку ці техніки могли бути реалізовані тільки на дорогих мейнфреймах і суперкомп'ютерах внаслідок великого обсягу схем, необхідного для цього. У міру того, як напівпровідникова промисловість розвивалася, все більша кількість цих технік могло бути реалізовано в єдиному напівпровідниковому чипі.
Рівень машинних команд[ред.]
Рішення задач на комп'ютері реалізується за допомогою спеціальним чином оформлених інструкцій, керуючих послідовністю дій обчислювальної машини в процесі обробки інформації для вирішення конкретного завдання (комп'ютерних програм)
Машинна мова - це система команд, даної конкретної електронно обчислювальної системи.
Комп'ютерна програма, записана на машинній мові, складається з машинних інструкцій, кожна з яких представлена в машинному коді у вигляді двійкового коду окремої операції зі складу команд машини. Кожна машинна команда містить інформацію трьох видів:
1) вказівка на те, які дії повинен зробити мікропроцесор (відповідь па це питання дає частина команди, яка називається кодом операції (КОП)); 2) вказівка на об'єкти, над якими треба провести якісь дії (ці елементи машинної команди називаються операндами); 3) вказівка на спосіб дії (ці елементи називаються типами операндів).
Сучасні комп'ютери автоматично виконують кілька сотень різних команд. Наприклад, стандартний набір сучасних персональних комп'ютерів містить близько 240 машинних команд. Всі машинні команди можна розділити на групи за видами виконуваних операцій:
операції пересилки інформації всередині ЕОМ; арифметичні операції над інформацією; логічні операції над інформацією; операції звернення до зовнішніх пристроїв ЕОМ; операції передачі управління (служать для зміни природного порядку виконання команд); обслуговуючі та допоміжні операції.
Рівень операційної системи[ред.]
Операційна система (ОС) - комплекс системних і керуючих програм, призначених для найбільш ефективного використання всіх ресурсів обчислювальної системи (ПС) (Обчислювальна система - взаємопов'язана сукупність апаратних засобів обчислювальної техніки і програмного забезпечення, призначена для обробки інформації) і зручності роботи з нею.
Призначення ОС[ред.]
Організація обчислювального процесу в обчислювальній системі, раціональний розподіл обчислювальних ресурсів між окремо вирішуваних завдань, надання користувачам численних сервісних засобів, що полегшують процес програму-вання і налагодження завдань. Операційна система виконує роль своєрідного інтерфейсу між користувачем і ПС, тобто ОС надає користувачеві віртуальну довідку.
Інтерфейс - сукупність апаратури і програмних засобів, необхідних для підключення периферійних пристроїв до ПЕОМ - персональна електронно-обчислювальна машина.
Це означає, що ОС значною мірою формує у користувача уявлення про можливості ПС, зручність роботи з нею, її пропускної здатності. Різні ОС на одних і тих же технічних засобах можуть надати користувачеві різні можливості для організації обчислювального процесу або автоматизованої обробки даних.
Режими ОС[ред.]
Відповідно до умов застосування розрізняють три режими ОС: пакетної обробки, розділення часу, і реального часу. У режимі пакетної обробки ОС послідовно виконує зібрані в пакет завдання. У цьому режимі користувач не має контакту з ЕОМ, отримуючи лише результати обчислень. У режимі поділу часу ОС одночасно виконує кілька завдань, допускаючи звернення кожного користувача до ЕОМ. У режимі реального часу ОС забезпечує управління об'єктами відповідно до прийнятими вхідними сигналами. Час відгуку ЕОМ з ОС реального часу на обурює вплив має бути мінімальним. Операційна система може працювати як в однопрограмних режимі, так і в режимі мультипрограмування.
Однопрограмний режим[ред.]
При однопрограмних режимі в оперативній пам'яті в кожний момент часу знаходиться тільки одна виконувана програма, всі завдання виконуються послідовно. Для роботи в цьому режимі достатній обсяг оперативної пам'яті 64 Кбайт. Режим мультипрограмування може виконуватися з фіксованим і змінним числом завдань.
Режим мультипрограмування[ред.]
У режимі мультипрограмування з фіксованим числом завдань оперативна пам'ять об'ємом не менше 128 Кбайт розподіляється при генерації системи або оператором між одночасно виконуваних фіксованим числом завдань не більше 15. Допускається в рамках завдання распараллелівать процес обчислення шляхом організації одночасно виконуваних завдань загальним числом не більше 255. Між цими завданнями, виконуваними в рамках завдань, ресурси розподіляються динамічно.
У режимі мультипрограмування зі змінним числом завдань всі ресурси, включаючи оперативну пам'ять, мінімальний обсяг якої становить 256 Кбайт, розподіляються між одночасно виконуваними завданнями динамічно. Число завдань може бути довільним, але не більше 15. Число завдань, організованих для розпаралелювання обчислень, не лімітується і визначається динамічно відповідно до наявності вільних ресурсів.
Рівень мови асемблера[ред.]
Низькорівнева мова програмування — мова програмування наближена до машинного коду. Для перетворення її у двійковий код були створені спеціальні програми — транслятори. Найбільш застосовуватими трансляторами є: компілятори — перетворюють текст програми в машинний код, який можна зберегти і після цього використовувати уже без компілятора (прикладом є виконувальні файли з розширенням .exe); інтерпретатори — перетворюють частину програми в машинний код, виконують і після цього переходять до наступної частини. При цьому щоразу при виконанні програми використовується інтерпретатор.
Мови високого рівня[ред.]
Високорівнева мова програмування — мова програмування, розроблена для швидкого і зручного використання програмістом.
Основна риса високорівневих мов — це абстракція.
Обчислювальна система - взаємопов'язана сукупність апаратних засобів обчислювальної техніки і програмного забезпечення, призначена для обробки інформації.
Прикладом мови низького рівня є мова асемблера — мова (сімейство мов), оператори якої є позначенням машинних команд процесора. Мови низького рівня орієнтовані на конкретний тип процесора і враховують його особливості. Певні відмінності є і в синтаксисі програм під різні компілятори. Асемблер — загальноприйнята назва транслятора з автокоду. Асемблер перекладає початкову програму, написану на автокоді, в програму на машинній мові. Оскільки асемблер здійснює трансляцію на мову завантажувача, при завантаженні програми необхідне налаштування умовних адрес (адрес, значення яких залежить від розташування даної програми в пам'яті ЕОМ і від її зв'язків з іншими програмами).Команди мови асемблера відповідають машинним кодамвідповідного мікропроцесора чи мікроконтролера.Фактично, мова асемблера являє собою зручнішу символьну форму запису машинних команд. Як наслідок,програми написані для одного типу процесорів, на іншому не будуть функціонувати. Мова асемблера також містить засоби для створення міток та переходів, що необхідно для створення циклів та розгалужень. Можуть бути наявні засоби для створення макросів, процедур. Кожне сімейство (модельний ряд) мікропроцесорів має свій набір команді, відповідно, свій набір інструкцій на мові асемблера.
Основні режими виконання[ред.]
Існують три основні режими виконання для сучасних мов програмування високого рівня:
Інтерпретація; компіляція; генерація машинного коду; проміжні представлення; транскомпіляція.
Перше покоління[ред.]
Початок 1950-х років — мови перших комп'ютерів. Перша мова асемблера, створена за принципом «одна інструкція — один рядок».
Друге покоління[ред.]
Кінець 1950-х — початок 1960-х р.р. Розроблено символьний асемблер, в якому з'явилося поняття змінної. Це перша повноцінна мова програмування.
Третє покоління[ред.]
1960-ті — мови програмування високого рівня. Їхні характеристики:
відносна простота; незалежність від конкретного комп'ютера; можливість використання потужних синтаксичних конструкцій.
Четверте покоління[ред.]
Початок 1970-х — до сьогоднішнього часу. Створюються мови, призначені для реалізації великих проектів. Проблемно-орієнтовані мови, що оперують конкретними поняттями вузької галузі.
This article "Багаторівнева організація ЕОМ" is from Wikipedia. The list of its authors can be seen in its historical and/or the page Edithistory:Багаторівнева організація ЕОМ.
