Основи інформатики

">     Сукупність  пристроїв, призначених для автоматичної або автоматизованої обробки  інформації називають обчислювальною технікою. Конкретний набір, пов'язаних між собою пристроїв, називають обчислювальною системою. Центральним пристроєм більшості обчислювальних систем є електронна обчислювальна машина (ЕОМ) або комп'ютер. 

     Архітектура комп'ютера 

     Комп'ютер - це електронний пристрій, що виконує операції введення інформації, зберігання та оброблення її за певною програмою, виведення одержаних результатів у формі, придатній для сприйняття людиною. За кожну з названих операцій відповідають спеціальні блоки комп'ютера:

• пристрій введення,
• центральний процесор,
• запам'ятовуючий пристрій,
• пристрій виведення.

     Всі ці блоки складаються з окремих  дрібніших пристроїв. Зокрема в  центральний процесор можуть входити  арифметико-логічний пристрій (АЛП), внутрішній запам'ятовуючий пристрій у вигляді  регістрів процесора та внутрішньої  кеш-пам'яті, керуючий пристрій (КП). Пристрій введення, як правило, теж не є однією конструктивною одиницею. Оскільки види інформації, що вводиться, різноманітні, джерел може бути декілька. Це стосується і пристрою виведення.

     Схематично  загальна структура комп'ютера зображена  на рис.1.  

     

     Рис. 1. Загальна структура комп'ютера  

     Запам'ятовуючий  пристрій - це блок ЕОМ, призначений для тимчасового (оперативна пам'ять) та тривалого (постійна пам'ять) зберігання програм, вхідних і результуючих даних та деяких проміжних результатів. Інформація в оперативній пам'яті зберігається тимчасово лише при включеному живленні, але оперативна пам'ять має більшу швидкодію. В постійній пам'яті дані можуть зберігатися навіть при вимкненому комп'ютері, проте швидкість обміну даними між постійною пам'яттю та центральним процесором, у переважній більшості випадків, значно менша.

     Арифметико-логічний пристрій - це блок ЕОМ, в якому відбувається перетворення даних за командами програми: арифметичні дії над числами, перетворення кодів та ін.

     Керуючий  пристрій координує роботу всіх блоків комп'ютера. У певній послідовності він вибирає з оперативної пам'яті команду за командою. Кожна команда декодується, за потреби елементи даних з указаних в команді комірок оперативної пам'яті передаються в АЛП. АЛП настроюється на виконання дії, вказаної поточною командою (в цій дії можуть брати участь також пристрої введення-виведення); дається команда на виконання цієї дії. Цей процес буде продовжуватися доти, доки не виникне одна з наступних ситуацій: вичерпано вхідні дані, з одного з пристроїв надійшла команда на припинення роботи, вимкнено живлення комп'ютера.

     Описаний  принцип побудови ЕОМ носить назву  архітектури фон Неймана - американського вченого угорського походження Джона фон Неймана, який її запропонував.

     Сучасну архітектуру комп'ютера  визначають також  такі принципи:

1. Принцип програмного керування. Забезпечує автоматизацію процесу обчислень на ЕОМ. Згідно з цим принципом, запропонованим англійським математиком Ч.Беббіджем у 1833 р., для розв'язання кожної задачі складається програма, що визначає послідовність дій комп'ютера. Ефективність програмного керування є високою тоді, коли задача розв'язується за тією самою програмою багато разів (хоч і за різних початкових даних).
2. Принцип програми, що зберігається в пам'яті. Згідно з цим принципом, сформульованим Дж. фон Нейманом, команди програми подаються, як і дані, у вигляді чисел й обробляються так само, як і числа, а сама програма перед виконання завантажується в оперативну пам'ять. Це прискорює процес її виконання.
3. Принцип довільного доступу до пам'яті. Згідно з цим принципом, елементи програм та даних можуть записуватися у довільне місце оперативної пам'яті. Довільне місце означає можливість звернутися до будь-якої заданої адреси (до конкретної ділянки пам'яті) без перегляду попередніх.

     На  підставі цих приниців можна стверджувати, що сучасний комп'ютер - технічний пристрій, який після введення в пам'ять  початкових даних у вигляді цифрових кодів і програми їх обробки, вираженої також цифровими кодами, здатний автоматично здійснити обчислювальний процес, заданий програмою, і видати готові результати розв'язання задачі у формі придатній для сприйняття людиною.

     Реальна структура комп'ютера значно складніша, ніж розглянута вище (її можна назвати логічної структурою). У сучасних комп'ютерах, зокрема персональних, все частіше здійснюється відхід від традиційної архітектури фон Неймана, зумовлений прагненням розробників та користувачів до підвищення якості та продуктивності комп'ютерів. Якість ЕОМ характеризується багатьма показниками. Це і набір команд, які комп'ютер здатний розуміти, і швидкість роботи (швидкодія) центрального процесора, кількість периферійних пристроїв введення-виведення, які можна приєднати до комп'ютера одночасно і т.д. Головним показником є швидкодія - кількість операцій, яку процесор здатний виконати за одиницю часу. На практиці корситувача більше цікавить продуктивність комп'ютера - показник його ефективної швидкодії, тобто здатності не просто швидко функціонувати, а швидко розв'язувати конкретні поставлені задачі.

     Як  результат, всі ці та інші фактори  спричинили принципове і конструктивне  вдосконалення елементної бази комп'ютерів, тобто створення нових, більш швидких, надійних і зручних у роботі процесорів, запам'ятовуючих пристроїв, пристроїв введення-виведення і т.д. Проте, слід усвідомлювати, що швидкість роботи елементів неможливо збільшувати безмежно (існують сучасні технологічні обмеження та обмеження, зумовлені фізичними законами). Тому розробники комп'ютерної техніки шукають вирішення цієї проблеми вдосконаленням архітекутри ЕОМ.

     Так, з'явилися комп'ютери з багатопроцесорною  архітектурою, в яких кілька процесорів працюють одночасно, а це означає, що продуктивність такого комп'ютера дорівнює сумі продуктивностей процесорів. У потужних комп'ютерах, призначених для складних інженерних розрахунків і систем автоматизованого проектування (САПР), часто встановлюють два або чотири процесори. У надпотужних ЕОМ (такі машини можуть, наприклад, моделювати ядерні реакції в режимі реального часу, передбачати погоду в глобальному масштабі) кількість процесорів досягає кількох десятків.

     Швидкість роботи комп'ютера істотно залежить від швидкодії оперативної пам'яті. Тому постійно ведуться пошуки елементів для оперативної пам'яті, які потребували б якомога менше часу на операції читання-запису. Але разом із швидкодією зростає вартість елементів пам'яті, тому нарощення швидкодійної оперативної пам'яті потрібної ємності не завжди прийнятна економічно.

     Проблема  вирішується побудовою багаторівневої пам'яті. Оперативна пам'ять складається  з двох-трьох частин: основна частина  великої ємності будується на відносно повільних (більш дешевих) елементах, а додаткова (так звана кеш-пам'ять) складається зі швидкодійних елементів. Дані, до яких процесор звертається найчастіше містяться в кеш-пам'яті, а більший обсяг оперативної інформації зберігається в основній пам'яті.

     Раніше  роботою пристроїв введення-виведення  керував центральний процесор, що займало в нього чимало часу. Архітектура сучасних комп'ютерів передбачає наявність каналів прямого доступу до оперативної пам'яті для обміну даними з пристроями введення-виведення без участі центрального процесора, а також передачу більшості функцій керування периферійними пристроями спеціалізованим процесорам, що розвантажує центральний процесор і підвищує його продуктивність.  

     Методи класифікації комп'ютерів 

     Номенклатура  видів комп'ютерів на сьогодні величезна: машини розрізняються за призначенням, потужністю, розмірами, елементною базою і т.д. Тому класифікують ЕОМ за різними ознаками. Слід зауважити, що будь-яка класифікація є певною мірою умовна, оскільки розвиток комп'ютерної науки і техніки настільки стрімкий, що, наприклад, сьогоднішня мікро-ЕОМ не поступається за потужністю міні-ЕОМ п'ятирічної давності і навіть суперкомп'ютерам віддаленішого минулого. Крім того, зарахування комп'ютерів до певного класу досить умовне як через нечіткість розмежування груп, так і в наслідок впровадження в практику замовного складання комп'юерів, коли номенклатуру вузлів і конкретні моделі їх адаптують до вимог замовника. Розглянемо найбільш поширені критерії класифікації комп'ютерів.

     Класифікація  за призначенням

• великі електронно-обчислювальні машини (ЕОМ);
• міні ЕОМ;
• мікро ЕОМ;
• персональні комп'ютери.

     Великі  ЕОМ (Main Frame)

     Застосовують  для обслуговування великих галузей  народного господарства. Вони характеризуються 64-розрядними паралельно працюючими процесорами (кількість яких досягає до 100), інтегральною швидкодією до десятків мільярдів операцій за секунду, багатокористувацьким режимом роботи. Домінуюче положення у випуску комп'ютерів такого класу займає фірма IBM (США). Найбільш відомими моделями супер-ЕОМ є: IBM 360, IBM 370, IBM ES/9000, Cray 3, Cray 4, VAX-100, Hitachi, Fujitsu VP2000.

     На  базі великих ЕОМ створюють обчислювальний центр, що містить декілька відділів або груп (структура якого зображена  на рис. 2). Штат обслуговування - десятки  людей.  

     

     Рис.2. Структура обчислювального центру на базі великої ЕОМ 

     Центральний процесор - основний блок ЕОМ, у якому відбувається обробка даних і обчислення результатів. Уявляє собою декілька системних блоків в окремій кімнаті, де підтримується постійна температура та вологість повітря.

     Група системного програмування - займається розробкою, відлагодженням і втіленням програмного забезпечення, потрібного для функціонування обчислювальної системи. Системні програми забезпечують взаємодію програм з обладнанням, тобто програмно-апаратний інтерфейс обчислювальної системи.

     Група прикладного програмування - займається створенням програм для виконання конкретних дій з даними, тобто забезпечення користувацького інтерфейсу обчислювальної системи.

     Група підготовки даних - займається підготовкою даних, які будуть опрацьовані на прикладних програмах, створених прикладними програмістами. Зокрема, це набір тексту, сканування зображень, заповнення баз даних.

     Група технічного забезпечення - займається технічним обслуговуванням всієї обчислювальної системи, ремонтом та відлагодженням апаратури, під'єднанням нових пристроїв.

     Група інформаційного забезпечення - забезпечує технічною інформацією всі підрозділи обчислювального центру, створює і зберігає архіви розроблених програм (бібліотеки програм) та накопичених даних (банки даних).

     Відділ  видачі даних - отримує дані від центрального процесора і перетворює їх у форму, зручну для замовника (роздрук).

     Великим ЕОМ притаманна висока вартість обладнання та обслуговування, тому робота організована у неперервний цикл.

     Міні  ЕОМ

     Подібна до великих ЕОМ, але менших розмірів. Використовують у великих підприємствах, наукових закладах і установах. Часто  використовують для керування виробничими процесами. Характеризуються мультипроцесорною архітектурою, підключенням до 200 терміналів, дисковими запам'ятовуючими пристроями, що нарощуються до сотень гігабайт, розгалуженою периферією. Для організації роботи з мініЕОМ, потрібен обчислювальний центр, але менший ніж для великих ЕОМ.

     МікроЕОМ

     Доступні  багатьом установам. Для обслуговування достатньо обчислювальної лабораторії  у складі декількох чоловік, з  наявністю прикладних програмістів. Необхідні системні програми купуються  разом з мікроЕОМ, розробку прикладних програм замовляють у великих обчислювальних центрах або спеціалізованих організаціях.

     Програмісти обчислювальної лабораторії займаються втіленням придбаного або замовленого  програмного забезпечення, виконують  його налаштування і узгоджують його роботу з іншими програмами та пристроями комп'ютера. Можуть вносити зміни в окремі фрагменти програмного та системного забезпечення.  

     Персональні комп'ютери