Типи ЕОМ і можливості обчислювальних систем

Лекція №8

Застосування ЕОМ в наукових дослідженнях

Електронно-обчислювальна машина (ЕОМ) є пристроєм, призначеним для виконання обчислювальних і логічних операцій відповідно до програми, що управляє її роботою.

ЕОМ розділяються на універсальні і спеціалізовані. Універсальні ЕОМ використовуються для вирішення будь-яких завдань, якщо вони мають відповідний алгоритм. Спеціалізовані ЕОМ призначені для задач певного призначення (управляючі, інформаційні і ін.).

Рис. 8.1. Структурна схема ЕОМ

Цифрові ЕОМ обробляють інформацію (дані), що вводяться в дискретній формі, у вигляді послідовних операцій (арифметичних і логічних) відповідно до заздалегідь підготовленої програми. Після введення в пам'ять машини програма управляє роботою ЕОМ з урахуванням отриманої інформації (даних). Програма і дані вводяться в машину за допомогою пристрою введення (рис. 8.1). Результат розв’язування задачі видається користувачеві в тій або іншій формі за допомогою пристрою виводу. Послідовність операції, визначена програмою, витримується за допомогою пристрою управління (ПУ). Вибравши чергову команду з пристрою пам'яті ЕОМ, управляючий пристрій готує арифметично-логічний пристрій (АЛП) для виконання відповідної операції, указує адреси елементів пам'яті, з яких в АЛП повинні поступити необхідні дані (операнди). Результат виконання операції вводиться в пам'ять. Після виконання всієї програми за замовленням користувача результати видаються у вигляді роздруку (таблиці) або виводяться на екран дисплея. Пристрої пам'яті ЕОМ поділяються на основну (оперативну) (ОП) або основний запам'ятовуючий пристрій (ОЗП) і зовнішній запам'ятовуючий пристрій (ЗЗП). У цих пристроях зберігаються програма, початкові, проміжні і остаточні результати. Основною характеристикою ОЗП є ємкість.

Пристрій управління, АЛП і пам'ять складають центральний процесор (ЦП) ЕОМ, що забезпечує управління послідовністю команд програми, виконання арифметичних і логічних (І, АБО) операцій, виведення даних і введення результатів в пам'ять.

Обчислювальна машина окрім основних блоків, процесора, оперативного запам’ятовуючого пристрою (ОЗП), пристрою управління містить різноманітні за своїми функціями і принципами роботи периферійні пристрої. Сюди входять пристрої, призначені для зберігання об'ємів інформації (див. рис. 8.1), пристрої введення в ЕОМ і виводу з неї інформації для реєстрації на носіях у друкованому вигляді, перфорації, на магнітних чи оптичних дисках, флеш-пам’ять і т. д. або шляхом індикації на екран (пристрої введення-виведення).

Відомі в даний час пристрої введення інформації можна розділити на дві групи: ручні і автоматичні (рис. 8.2).

До групи пристроїв ручного введення входять пульти управління ЕОМ, пристрої вводу алфавітно-цифрової інформації «КЛАВІАТУРА», маніпулятор «МИША», дисплеї та ін. Ці пристрої, маючи в своєму розпорядженні клавіатуру, дозволяють вводити інформацію безпосередньо, без попередньої підготовки.

Надзвичайно широкого поширення серед користувачів набули дисплейні пристрої, зручні для безпосереднього спілкування людини з ЕОМ. Дисплей складається з клавіатури, подібній клавіатурі друкуючій машинки, і екрану, за розміром і формою аналогічного екрану телевізора. У режимі введення інформація або програма набирається за допомогою клавіатури на екрані дисплея і після візуальної перевірки натисненням спеціальної клавіші переноситься в пам'ять ЕОМ. Це дозволяє істотно скоротити кількість помилок при введенні інформації. До недоліків можна віднести невисоку швидкість введення (близько 10...12 символів/с).

У групу автоматичних пристроїв входять пристрої для зчитування інформації з проміжного носія і пристрою безпосереднього введення.

Рис. 8.2. Класифікація пристроїв вводу інформації

До пристроїв введення з проміжного носія інформації відносяться пристрої зчитування інформації з перфокарт і перфострічок (для ЕОМ перших поколінь), магнітних та оптичних дисків, флеш-пам’яті і магнітних стрічок.

Перфокарта є картонним прямокутником із зрізаним верхнім лівим кутом. По ширині перфокарта розбивається на 80 колонок. По висоті перфокарти може розташовуватися до 12 рядків, яким привласнені номери зверху вниз. Прямокутні отвори перфоруються на перетинах колонок і рядків.

Перфострічка це щільна паперова або целюлозна стрічка, яка може бути різної ширини. Перфострічка володіє більшою ємкістю, чим перфокарта. На рулоні в 300 м розміщується до 120 тис. знаків. Найбільш поширені 5-, 7- і 8-дорожні стрічки. Перевагою перфострічки є отримання її одночасно з виконанням іншої основної операції по виписці документа, реєстрації операцій або розрахунку. До недоліків слід віднести трудність угрупування інформації, нанесеної на перфострічці.

Магнітна стрічка застосовується в основному в якості ЗЗП. Як і перфострічка, вона буває різної ширини і має різну кількість доріжок запису. Щільність запису на магнітній стрічці значно вища, ніж на перфострічці. Перевагою магнітної стрічки є можливість її багатократного використання і зміни частини запису.

Серед сучасних найбільш поширених фізичних способів зберігання інформації відносять такі:

- в напівпровідникових мікросхемах зберігання інформації відбувається в електронних елементах з двома стійкими станами або в запам’ятовуючих напівпровідникових ємностях;

- при магнітоелектричному та магнітооптичному способах для зберігання інформації застосовують ефект намагнічування локальної області (домена) магнітного поверхневого шару носія;

- при оптичному способі застосовується лазерний промінь для зчитування або запису/зчитування інформації з дисків зі спеціальним покриттям та відбиваючим шаром.

Напівпровідникові запам’ятовуючі пристрої (ЗП) мають високу швидкодію, довільним доступом до даних, що зберігаються, та застосуванням електронних схем для зберігання даних за високої (у порівнянні з іншими способами зберігання) питомої вартості зберігання інформації.

Енергозалежні напівпровідникові ЗП за типом електронної схеми елемента пам’яті поділяють настатичні та динамічні.

Елементом динамічного ЗП (DRAM – Dynamic Random Access Memory) є напівпровідниковий конденсатор. Наявність зараду на конденсаторі інтерпретується схемою управління пам’яттю як логічна «1», відсутність заряду – логічний «0». У зв’язку з витоками заряд на конденсаторі довго не зберігається, із-за чого через певний час стан «1» потрібно відновлювати (регенерувати).

Елементом статичного ЗП (SRAM – Static Random Access Memory) – є електронна схема з двома стійкими станами (тріггер). Регенерація даних для тріггера не потрібна, інформація у такому ЗП зберігається до того часу, поки не буде вимкнено живлення.

Електронна схема динамічного ЗП простіша, сам елемент меншше розміром, ніж у статичного ЗП, потребує менше електроенергії при порівняно невисокій питомій вартості зберігання інформації. З іншого боку, статичні ЗП мають більшу швидкодію. У зв’язку з цим динамічні ЗП є основою оперативної пам’яті великого об’єму (сотни мегабайт – одиниці гексабайт), а статичні служать для створення над швидкодіючої пам’яті невеликого об’єму (десятки кілобайт – одиниці мегабайт).

Магнітна пам’ять. Фзичний принцип зберігання заснований на можливості утворювати в магнітному матеріалі носія зони залишкової намагніченості з різнонаправленими векторами магнітної індукції. Мінімальна фізична одиниця зберігання – магнітний домен.

Магнітний домен – це макроскопічна однорідно намагнічена область у феромагнітних зразках, відділена від сусідніх областей тонкими перехідними шарами (доменними границями).

Під впливом зовнішньоь магнітного поля власні магнітні поля доменів орієнтуються іу відповідності з напрямом магнітних силових ліній. Після припинення впливу зовнішнього поля на поверхні домена утворюються зони залишкової намагніченості.

Зчитування інформації проводиться при проходженні доменів під головкою читання носія, при цьому магнітний потік домена частково замикається через осердя головки. Під час проходження над доменами з різною полярністю намагнічування потокозчеплення обмотки головки міняється, і в ній індукується різниця потенціалів тієї чи іншої полярності, які згідно з прийнятим методом запису сприймаються як сигнали логічної «1» або логічного «0».

До магніточутливих матеріалів відносять деякі різновиди оксидів заліза, нікель, кобальт, з’єднання рідкоземельних матеріалів з кобальтом, сплави, магнітопласти і магнітоеласти з в’язкою із пластмас та резини, мікропорошкові магнітні матеріали. Магнітні матеріали тонким шаром (несколько мікрометров) наносять на немагнітну основу. Для жорстких дисків у якості основи застосовують звичайно алюміній, для магнітних стрічок – різні пластмаси.

Магнітооптична пам’ять. Фізичний принцип зберігання та зчитування інформації такий же, як і в магнітній пам’яті. Різниця полягає в способі запису і зчитування з магнітного шару. В якості магніточутливого матеріалу використовують сплав кобальту, заліза і тербію (магнітно-жорстка речовина) з великою коерцитивною силою, що перешкоджає зміні магнітної орієнтації доменів. Коерцитивна сила характеризується напруженістю магнітного поля, яка необхідна для перемагнічування магнітного матеріалу. Чим більша коерцитивна сила, тим більш сильне магнітне поле потрібно для перемагнічування.

У процесі запису лазерний промінь фокусується на поверхні магнітного шару. В точці фокусування поверхня розігрівається до температури точки Кюрі (біля 200 ^оС), коерцитивна сила падає до нуля, і поле головки для записування формує запис. Після охолодження матеріалу нова магнітна орієнтація доменів у даній точці зберігається.

Для зчитування інформації з диска використовується поляризований лазерний промінь зниженої потужності, недостатній, щоб розігріти поверхню для перемагнічування. Магнітне поле орієнтованих доменів незначно (на декілька градусів) змінює поляризацію відбитого променя (ефект Керра), чого виявляється досить для виділення ознак різної магнітної орієнтації та співставлення цих ознак з логічними «1» або «0».

Оптична пам’ять. Фізичний принцип оптичної пам’яті заснований на зміні інтенсивності променя малопотужного лазера, відбитого від елемента (піта) поверхні носія. Для реалізації цього принципу використовують різні технологічні підходи.

При виготовленні носія (диска) у виробничих умовах інформація у вигляді мікроскопічних заглиблень записується на матеріал з високою відбивальною здатністю (наприклад, алюмінієву підкладку). В пристрої читання ця інформація зчитується фотоелементом, який сприймає відбите від поверхні носія світло лазерного променя. Якщо світло від лазера потрапляє на заглиблення, то інтенсивність відбитого світла міняється, що сприймається як логічна «1» або логічний «0» в залежності від прийнятого методу зчитування.

До автоматичних пристроїв безпосереднього введення інформації відносяться пристрої, що зчитують інформацію із спеціальних бланків, з друкарського тексту і з графіків. Ведуться інтенсивні розробки пристрою введення інформації з голосу.

До автоматичних пристроїв безпосереднього введення відносяться також пристрої прийому інформації з ліній зв'язку.

Пристрої виведення інформації (рис. 8.3) поділяються на пристрої виводу: цифрової інформації на проміжний носій; на різного роду екрани (графобудувач, друкуючі пристрої); на зовнішнє середовище (пристрої видачі даних в лінії зв'язку та ін.).

До першої групи відносяться пристрої виведення інформації на перфокарти, перфострічки (для ЕОМ перших поколінь), магнітні стрічки, магнітні диски, магніто-оптичні диски, твердо тільна пам’ять, оптичні компакт-диски. Такий спосіб виводу зручний при виведенні відлагоджених програм і вивіреної інформації для подальшого використання. Вивідні пристрої другої групи або друкують алфавітно-цифрову інформацію, що поступає з ЕОМ, на папері (друкуючі пристрої), або відображають її на екранах у вигляді тексту, зображень і графіків (дисплеї), або малюють графіки і креслення на папері (графічні пристрої і креслярські машини). Вивідні пристрої третьої групи призначені для передачі інформації видаленим користувачам. Ці пристрої в сукупності із засобами комунікації дозволяють широко використовувати мережеві властивості сучасних обчислювальних засобів і створювати систему колективного користування з великою кількістю віддалених від ЕОМ абонентів.

Створення автоматизованих систем обробки даних, переробка інформації багатьох абонентів часто припускають використання багатомашинних обчислювальних систем. При цьому окремі ЕОМ повинні бути пристосовані до роботи з іншими машинами на відповідних рівнях організації обчислювальної системи.

Рис. 8.3. класифікація пристроїв виведення інформації

Реалізація перерахованих вимог здійснюється у міру вдосконалення ЕОМ, які в своєму розвитку пройшли чотири покоління, що характеризуються різною елементною базою, математичним забезпеченням і структурою.

У першому поколінні ЕОМ як елементна база використовувалися електронні лампи. ЕОМ мали малу ємність оперативного запам’ятовуючого пристрою і низьку продуктивністю (близько 20 тис. операцій за секунду). Такі ЕОМ були розраховані на обробку тільки цифрових даних.

ЕОМ другого покоління створювалися на напівпровідниках, вони мали розширений обсяг оперативної пам'яті, швидкість обробки інформації досягала сотень тисяч операцій за секунду. Розширився набір периферійних пристроїв. З'явилася можливість диференціювати ЕОМ за застосуванням: для вирішення науково-технічних і економічних завдань, для управління виробничими процесами і т. д.

Третє покоління це ЕОМ на інтегральних схемах і обчислювальні системи, що представляють собою ряди програмно і інформаційно сумісних машин. Ці ЕОМ мають широкі можливості за швидкодією (від декількох десятків тисяч до декількох мільйонів операцій за секунду), обсягом оперативної і зовнішньої пам'яті, набору периферійних пристроїв, що забезпечує різноманітні запити користувачів. ЕОМ третього покоління дозволяють широко використовувати багатопрограмну обробку інформації. З'явилася можливість створення багатомашинних комплексів і мереж термінальних пристроїв збору і видачі інформації. Розвиток апаратних і програмних засобів системи переривань програм сприяв освоєнню режиму розподілення часу. Цей режим забезпечує роботу в реальному часі всім користувачам за термінальними пристроями.

Четверте покоління ЕОМ представляє собою багатопроцесорні системи на великих інтегральних схемах, що використовують загальну пам'ять і зовнішні пристрої. Вони дозволяють об'єднати обчислювальні потужності в єдину обчислювальну мережу, що має велику кількість абонентів. Характерною для ЕОМ четвертого покоління є орієнтація окремих процесорів на виконання певних операцій або вирішення конкретних класів завдань.

В даний час ведуться роботи із створення ЕОМ п'ятого покоління. ЕОМ і обчислювальні системи п'ятого покоління крім високої продуктивності повинні мати ряд нових властивостей: можливістю взаємодії з ЕОМ за допомогою природної мови, людської мови і графічних зображень; здатністю системи навчатися, робити логічні судження, вести «розумну» бесіду з людиною у формі питань і відповідей; здатністю системи «розуміти» зміст бази даних, яка при цьому перетворюється на «базу знання», і використовувати ці «знання» при вирішенні завдань. Передбачається, що в ЕОМ п'ятого покоління швидкодія зросте вище 2 млн. оп/с, а обсяг оперативної пам'яті до 0,5...5 Мбайт для персональних комп'ютерів. Для надпродуктивних ЕОМ ці показники складуть: 1...100 млрд оп/с і 8..160 Мбайт.