Аналитические формы представления логических функций

Табличное представление логических функций является весьма наглядным. Однако при большом числе n переменных (аргументов) оно становится очень громоздким и практически необозримым. Если для n = 2 число различных логических функций равно 16, то для n = 3 это число возрастает до 256.

Значительно проще выглядит аналитическая запись логических функций в виде формул.

Широкое распространение получили так называемые нормальные формы представления логических функций. В их основе лежат понятия элементарных дизъюнкций и конъюнкций.

Элементарная дизъюнкция представляет собой дизъюнкцию конечного числа переменных и их отрицаний (инверсий), например, х1 ? x2, x1 ? x2, x1 ? x2 и др. Конъюнкция элементарных дизъюнкций называется конъюнктивной нормальной формой (КНФ), например,

FКНФ = (x ? y) & (x ? y).

110

Элементарная конъюнкция представляет собой конъюнкцию конечного числа переменных и их отрицаний (инверсий), например, х1 & х2, х1 & х2, х1 & х2 и др. Дизъюнкция элементарных конъюнкций называется дизъюнктивной нормальной формой (ДНФ), например,

PДНФ = х & y ? х & y.

Одну и ту же логическую функцию можно представить различными ДНФ и КНФ. Однозначность представления логических функций возможна при записи их в совершенных нормальных формах.

Дизъюнктивная совершенная нормальная форма (ДСНФ) образуется дизъюнкцией так называемых конституент 1 или минтермов. При этом минтермы представляют собой элементарные конъюнкции переменных на тех наборах, на которых функция равна 1. Те переменные, которые в данном наборе равны 0, записываются в минтерме с отрицанием (инверсией), а равные 1 - без отрицания (инверсии).

Таким образом, для образования ДСНФ логической функции, заданной таблично, необходимо выполнить следующую последовательность действий:

1) по каждому набору двоичных переменных, при котором логическая функция принимает значение 1, составить элементарные конъюнкции; 2) в элементарные конъюнкции записать без инверсии переменные, заданные единицей в соответствующем наборе, и с инверсией - переменные, заданные нулем; 3) соединить элементарные конъюнкции знаком дизъюнкции.
Конъюнктивная совершенная нормальная форма (КСНФ) образуется

конъюнкцией так называемых конституент 0 или макстермов. При этом макстермы представляют собой элементарные дизъюнкции переменных на тех наборах, на которых функция равна 0. Те переменные, которые в данном наборе равны 1 , записываются в макстерме с отрицанием (инверсией), а равные 0 - без отрицания (инверсии).

Таким образом, для образования КСНФ логической функции, заданной таблично, необходимо выполнить следующую последовательность действий:

1) по каждому набору двоичных переменных, при котором данная функция принимает значение 0, составить элементарные дизъюнкции;

2) в элементарные дизъюнкции записать без инверсии переменные, заданные нулем в соответствующем наборе, а с инверсией - переменные, заданные единицей;

3) элементарные дизъюнкции соединить знаком конъюнкции.

Любая логическая функция, кроме функции, тождественно равной 0 (f ? 0), представима в ДСНФ, а любая функция, кроме f = 1 , представима в КСНФ.

111

Дизъюнкцией минтермов или конъюнкцией макстермов можно компактно представить, соответственно, в ДСНФ или КСНФ все 16 логических функций двух аргументов, как показано в табл. 5.2.

Таблица 5.2

ДСНФ и КСНФ логических функций двух аргументов

Таким образом, с использованием ДСНФ и КСНФ любая логическая функция представляется аналитическим выражением, в котором участвуют аргументы, связанные логическими операциями отрицания, дизъюнкции и конъюнкции.

112

110 :: 111 :: 112 :: Содержание

Арифметические операции над двоичными числами

Рассматривая реализацию в ЭВМ различных арифметических операций, необходимо учитывать особенности их выполнения для различных форм представления чисел (с фиксированной или плавающей точкой).

Операция алгебраического сложения чисел, представленных в форме с фиксированной точкой, сводится, как уже отмечалось, к арифметическому суммированию с использованием дополнительного кода для отрицательных чисел. Знаковые разряды чисел участвуют в сложении так же, как и значащие. При этом слагаемые должны иметь одинаковое число значащих разрядов. Для выравнивания разрядности слагаемых можно дописать незначащие нули в старшие разряды меньшего по модулю числа.

Если в результате сложения получилась положительная сумма (0 в знаковом разряде), то она представлена в прямом коде. Если в знаковом разряде образовалась единица, то сумма отрицательна и представлена в дополнительном коде.

Пусть, например, требуется сложить целые числа х = - 610 = - 1102 и у = + 310 = + 0112. В соответствующих кодах эти числа представятся следующим образом: xпр = 1.110; xобр = 1.001; xдоп = 1.010; упр = 0.011.

При суммировании xдоп и упр

получен отрицательный результат, следовательно (х + у)доп = 1.101. Переведя этот результат в десятичную систему счисления (1.101)доп > (1.100)обр > (1.011)пр = - 011.1 = - 310, убеждаемся в правильности выполненной операции.

При сложении кодов может возникнуть так называемое переполнение разрядной сетки, при котором результат превышает предельно допустимое положительное или отрицательное значение. Признаком переполнения является наличие переноса в знаковый разряд суммы при отсутствии переноса из знакового разряда (положительное переполнение) или наличие переноса из знакового разряда суммы при отсутствии переноса в ее знаковый разряд (отрицательное переполнение). При положительном переполнении результат операции положительный, а при отрицательном - отрицательный.

Если же переносов из знакового разряда и в знаковый разряд суммы нет или есть оба эти переноса, то переполнения нет и при нуле в знаковом разряде сумма положительна и представлена в прямом коде, а при единице в знаковом разряде сумма отрицательна и представлена в дополнительном коде.

100

Операция алгебраического сложения чисел, представленных в форме с плавающей точкой, производится несколько сложнее. При ее выполнении сначала выравниваются порядки слагаемых. В результате сравнения порядков порядок меньшего по модулю числа принимается равным порядку большего, а его мантисса сдвигается вправо на число разрядов, равное разности порядков.

В процессе сдвига мантиссы меньшего слагаемого происходит потеря младших разрядов, что вносит определенную погрешность в результат выполнения данной операции. При этом может даже оказаться, что мантисса меньшего слагаемого сдвигается за пределы разрядной сетки. Тогда в качестве результата суммирования принимается большее по модулю слагаемое.

После выравнивания порядков производится алгебраическое сложение мантисс по известным правилам (как и для чисел с фиксированной точкой). Порядок результата принимается равным порядку большего слагаемого. В процессе суммирования может нарушиться нормализация результирующей мантиссы. В этом случае производится сдвиг мантиссы с соответствующим изменением порядка результата.

Умножение двоичных чисел является многотактной операцией. Количество таких тактов соответствует разрядности сомножителей. В каждом такте производится умножение множимого на очередной разряд множителя. Образующиеся при этом частичные произведения затем со сдвигами суммируются. Операция умножения двоичных чисел, по существу, сводится к многократному выполнению операций суммирования и сдвига подобно тому, как это делается в десятичной системе счисления. Однако здесь значительно проще по сравнению с десятичной системой образуются частичные произведения. Они либо повторяют множимое, если в соответствующем разряде множителя единица, либо равны 0, если содержится 0 в соответствующем разряде множителя.

Умножение чисел, представленных в форме с фиксированной точкой, рассмотрим на примере перемножения модулей целых чисел: множимого х = 710 = 1112 и множителя у = 510 = 1012. Произведение как результирующая сумма ? частичных произведений будет сформировано за 3 такта.


Его разрядность станет удвоенной по сравнению с разрядностью множителей.

101

В итоге получен необходимый результат: х · у = 1000112 = 1 · 2 + 0 · 24 + 0 · 23 + 0 · 22 + 1 · 21 + 1 · 20 = 32 + 2 + 1 = 3510.

Умножение чисел со знаками можно свести к перемножению их модулей с последующим формированием знакового разряда произведения путем сложения по модулю 2 (без учета переноса) знаковых разрядов множителей: 0 + 0 = 0; 0 + 1 = 1; 1 + 0 = 1; 1 + 1 = 0 (перенос игнорируется).

Операция умножения для чисел, представленных в форме с плавающей точкой, протекает аналогично, с той лишь разницей, что при этом добавляется операция определения порядка произведения алгебраическим сложением порядков множителей и проводится, если необходимо, нормализация результирующей мантиссы с соответствующим изменением порядка произведения.

Если при суммировании порядков возникло переполнение и порядок произведения получился отрицательный, то это означает, что искомое произведение меньше минимально представляемого в ЭВМ числа, и тогда в качестве результата операции может быть записан нуль без перемножения мантисс. Если же возникло переполнение для положительного порядка, то результат при этом может все - таки находиться в диапазоне чисел, представляемых в ЭВМ. Это объясняется тем, что при умножении мантисс происходит нарушение нормапизации вправо, поэтому после нормализации мантиссы переполнение в порядке произведения исчезает.

Операция деления чисел, как и умножение, является многотактной и сводится к выполнению многократных вычитаний и сдвигов. При этом разряды частного определяются (начиная со старшего) последовательным вычитанием делителя сначала из делимого, а затем из образующихся в процессе деления сдвигаемых остатков Если разность между делимым (или очередным остатком) и делителем положительна или равна нулю, то в соответствующий разряд частного заносится 1, а если отрицательна - заносится 0.

Поскольку в ЭВМ операция вычитания в непосредственном виде не выполняется, последовательное вычитание заменяют сложением остатков с дополнительным кодом отрицательного делителя.


При этом новый остаток получается также в соответствующем коде.

Деление в ЭВМ может быть реализовано двумя методами: с восстановлением остатка и без восстановления остатка.

Метод деления с восстановлением остатка состоит в том, что при получении отрицательного остатка в данном разряде частного записывается нуль, и восстанавливается предыдущий положительный остаток прибавлением к полученному отрицательному остатку делителя в прямом коде. Восстановленный остаток после этого сдвигается дополнительно на один разряд влево, и по отношению к нему выполняется изложенная выше последовательность действий.

Метод деления без восстановления остатка состоит в том, что при получении отрицательного остатка в соответствующий разряд частного записывается

102

нуль, а затем этот остаток сдвигается влево на один разряд и к нему прибавляется делитель в прямом коде. В результате получается следующий остаток, у которого анализируется знак и в зависимости от этого выполняются следующие действия.

Рассмотрим на конкретном примере процесс деления целых чисел, представленных в форме с фиксированной точкой. Делимое в этой форме обычно представляется удвоенным количеством разрядов по сравнению с делителем и частным.

Пусть в качестве делимого и делителя заданы, соответственно, числа х = + 35 и у = + 7. Представим эти числа в соответствующих машинных кодах: хпр = 0.100011; упр = 0.111; удоп = 1.001. Для деления данных чисел воспользуемся методом с восстановлением остатка. Вычитание делителя из очередного остатка заменим сложением в дополнительном коде.

103

Как видим, результат получился правильный: х/у = 1012 = 510. Метод деления без восстановления остатка получил более широкое распространение, так как здесь сразу же получается следующий, подлежащий анализу остаток без восстановления предыдущего. Для этого полученный отрицательный остаток сдвигается на один разряд влево и к нему прибавляется делитель в прямом коде. Убедимся в этом на предыдущем примере, для которого первый остаток получился отрицательный: 1101.


Сдвинув его на один разряд влево и прибавив делитель, получим сразу же следующий второй положительный остаток:

Операция деления чисел, представленных в форме с плавающей точкой, выполняется путем деления мантиссы делимого на мантиссу делителя; при этом порядок частного определяется разностью порядков делимого и делителя. Полученное частное нормализуется, и ему присваивается знак плюс, если делимое и делитель имеют одинаковые знаки, и знак минус, если их знаки разные. Деление мантисс выполняется аналогично делению целых чисел с фиксированной точкой. Отличие состоит только в том, что делимое берется такой же разрядности, как и делитель. При этом полагается, что в младшей половине разрядов делимого содержатся нули. После сдвига влево очередного остатка освобождающийся разряд заполняется нулем и деление выполняется точно так же, как и для целых чисел.

Таким образом, независимо от формы представления чисел операции умножения - деления являются более сложными для выполнения, чем операции сложения - вычитания. Например, для n - разрядных чисел время выполнения умножения превышает примерно в n раз время сложения. По этой причине операции умножения - деления обычно называют длинными операциями по сравнению с короткими операциями сложения - вычитания. В современных ЭВМ обычно применяют различные аппаратурные и логические методы для ускоренного выполнения операций умножения - деления.

104

100 :: 101 :: 102 :: 103 :: 104 :: Содержание

Формы представления чисел

В ЭВМ применяются две формы представления двоичных чисел:

- естественная форма, или форма с фиксированной запятой (точкой); - нормальная форма, или форма с плавающей запятой (точкой).

В форме с фиксированной точкой все числа представляются в виде последовательных двоичных цифр (0 и 1) с постоянным для всех чисел положением точки, отделяющей целую часть от дробной.

В современных ЭВМ точку обычно фиксируют справа от самого младшего разряда, поэтому в такой форме представляются только целые числа. Для указания знака числа выделяется крайний слева разряд, в котором записывается нуль для положительных чисел и единица для отрицательных чисел.

В персональных ЭВМ представление чисел с фиксированной точкой обычно реализуется в формате 16 - разрядного машинного слова или в формате 32 - разрядного двойного слова (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Представление чисел с фиксированной точкой в персональныхЭВМ: а) в формате слова; б) в формате двойного слова

94

Данная форма представления чисел наиболее проста и естественна, однако, имеет существенные недостатки.

Прежде всего, достаточно ограниченным является диапазон чисел, представленных в форме с фиксированной точкой. Так, в n - разрядной сетке могут быть представлены целые двоичные числа х, модули которых находятся в пределах 1 ? |х| ? 2n - 1 - 1, что при n = 32 соответствует диапазону абсолютных десятичных чисел примерно от 1 до 109.

Для представления чисел, не укладывающихся в этот диапазон, вводят в процессе программирования масштабные коэффициенты, что является недостатком данной формы представления чисел. Другим недостатком является то, что для этой формы представления относительная точность выполняемых расчетов зависит от величины чисел и является максимальной при выполнении операций с максимально возможными числами.

По этим причинам представление чисел с фиксированной точкой используется в современных ЭВМ как вспомогательное и только для целых чисел,

В ЭВМ, используемых для решения широкого круга вычислительных задач, основным является представление чисел с плавающей точкой, не требующее масштабирования данных.
В общем виде число в такой форме представляется следующим образом:

N = ± m S± P,

где	m - мантисса числа (|m| < 1);
	S - основание системы счисления;
	р - целочисленный порядок.

Следовательно, при представлении чисел с плавающей точкой необходимо записать в разрядной сетке ЭВМ со своими знаками мантиссу ± m и порядок ± р. Мантисса (правильная дробь со знаком) и порядок (целое число со знаком) представляются в системе счисления с основанием S. Знак числа совпадает со знаком мантиссы. Порядок р, который может быть положительным или отрицательным целым числом, определяет положение точки (запятой) в записи числа N. С изменением порядка в ту или иную сторону точка (запятая) как бы "плавает" в изображении числа.

Число разрядов, выделенных для представления порядков, определяет диапазон представимых в ЭВМ чисел с плавающей точкой. Кроме того, этот диапазон зависит также от основания S принятой системы счисления. Так, в применяемых в недавнем прошлом больших ЭВМ типа IBM/360, EC ЭВМ и др. использовалась система счисления с основанием S = 16 = 24, в которой шестнадцатеричные цифры мантиссы изображались группами (тетрадами) по 4 двоичных разряда. В современных персональных ЭВМ мантисса представляется в двоичной системе счисления. Это несколько уменьшает диапазон представляемых чисел по сравнению с шестнадцатеричной системой, но зато увеличивает точность выполняемых расчетов.

Для того чтобы упростить операции над порядками, их обычно сводят к действиям над целыми положительными числами путем использования так называемого смещенного порядка, который всегда положителен. Смещенный порядок Рсм образуется прибавлением к порядку Р такого числа

95

N, чтобы смещенный порядок Рсм = P + N был всегда больше или равен нулю. Заметим, что для представления Рсм в разрядной сетке требуется столько же двоичных разрядов, сколько потребовалось бы для представления несмещенного порядка Р со своим знаком.

Для заданной разрядности мантиссы точность вычислений становится наибольшей, если мантисса представлена в нормализованном виде.


В этом случае в разрядной сетке мантиссы сохраняется наибольшее число значащих цифр. Модуль нормализованной мантиссы должен удовлетворять условию 1/S ? |m| < 1, при котором старший разряд мантиссы в S - й системе счисления не должен быть равным нулю. В процессе вычисления возможно нарушение нормализации вправо, если |m| < 1/S, или влево, если |m| >1. В первом случае производится сдвиг мантиссы влево до появления в старшем разряде ближайшей единицы. При этом в освобождающиеся младшие разряды мантиссы записываются нули и производится соответствующее уменьшение порядка числа. При нарушении нормализации влево производится сдвиг мантиссы вправо с соответствующим увеличением порядка числа. Младшие разряды мантиссы, выходящие за пределы разрядной сетки, отбрасываются. Мантисса, равная нулю, не может быть нормализована, поэтому этот случай рассматривается как потеря значимости и вырабатывается требование прерывания.

Рис. 5.2. Представления чисел с плавающей точкой в коротком (а)и длинном (б) форматах

В современных персональных ЭВМ числа с плавающей точкой представляются в двух форматах: коротком 32 - разрядном и длинном 64 - разрядном (рис. 5.2).

Преимуществом ЭВМ с плавающей точкой является значительно больший диапазон представления чисел по сравнению с ЭВМ с фиксированной точкой при одинаковой длине разрядной сетки, а также одинаковая относительная точность представления как больших, так и малых чисел. При этом не требуется производить масштабирование чисел. Недостатком ЭВМ с плавающей точкой является их аппаратурное усложнение, вызванное спецификой выполнения операций, а следовательно, некоторое увеличение времени их выполнения.

96

94 :: 95 :: 96 :: Содержание

Иерархия и общая характеристика запоминающих устройств

Запоминающие устройства (ЗУ) реализуют функцию памяти ЭВМ и предназначены для записи, хранения и считывания информации, представленной двоичными кодами. К такой информации относятся исходные данные решаемых задач, промежуточные и окончательные результаты, используемые в вычислительном процессе константы и табличные данные и, наконец, коды команд программы. Производительность и вычислительные возможности ЭВМ зависят не только от архитектуры и тактовой частоты процессора (микропроцессора), но в значительной степени определяются составом и характеристиками запоминающих устройств.

Наиболее важными характеристиками ЗУ являются емкость и быстродействие.

Емкость ЗУ определяется максимальным количеством одновременно хранящейся информации и выражается в байтах или более крупных кило - , мега - или гигаединицах (Кбайт = 210 байт, Мбайт = 220 байт, Гбайт = 230 байт).

Быстродействие ЗУ характеризуется продолжительностью операции обращения для записи или считывания, включая время, необходимое для поиска необходимой ячейки памяти. Интервал времени между последовательными обращениями к ЗУ называется циклом обращения. В некоторых ЗУ считывание информации сопровождается ее стиранием (разрушением). В таких ЗУ цикл обращения должен включать время, необходимое на восстановление (регенерацию) считанной информации на прежнем месте.

Емкость и быстродействие являются взаимосвязанными характеристиками ЗУ. С увеличением емкости обычно снижается быстродействие. Компромиссная реализация этих противоречивых требований достигается иерархической структурой ЗУ, в которой объединяются запоминающие устройства, обладающие различными быстродействием и емкостью. В иерархии запоминающих устройств ЭВМ (рис. 10.1) обычно выделяют основную память, сверхоперативную память и внешние запоминающие устройства, или внешнюю память.

Основная память (ОП) содержит оперативное (RAM - Random Access Memory - память с произвольным доступом) и постоянное (ROM - Read Only Memory) запоминающие устройства. Структура ОП состоит из миллионов отдельных ячеек памяти емкостью 1 байт каждая.
Общая емкость

212

основной памяти большинства современных ПЭВМ обычно лежит в пределах от 1 до 32 Мбайт. При этом емкость ОЗУ на один - два порядка превышает емкость ПЗУ: ПЗУ занимает 128 (реже 256) Кбайт, остальной объем - это ОЗУ. Время обращения tобр к ОП не превышает 0,1 - 0,2 мкс.

Рис. 10.1. Иерархическая структура запоминающих устройств ЭВМ

Значительно более высоким быстродействием, но меньшей емкостью по сравнению с ОП обладает сверхоперативная память, представленная внутренней микропроцессорной памятью (МПП) емкостью в несколько байт и буферной высокоскоростной КЭШ - памятью емкостью, достигающей сотен килобайт. Для реализации сверхоперативной памяти обычно используются быстродействующие регистры, выполненные на статических триггерах. Время обращения к памяти составляет сотые доли микросекунды.

В иерархии ЗУ наименее быстродействующими являются устройства внешней памяти, называемые иначе накопителями, поскольку для их построения используются электромеханические средства. В большинстве накопителей в качестве машинного носителя информации используются магнитные или оптические диски, причем магнитные диски могут быть как гибкими, так и жесткими. Накопители на дисках относятся к устройствам с прямым (циклическим) доступом к информации. Существуют также устройства с последовательным доступом в виде накопителей на кассетной магнитной ленте (стриммеров), которые из - за еще более низкого быстродействия применяются лишь в некоторых случаях, например, для резервного копирования и архивирования информации с жестких дисков.

Для оценки быстродействия устройств внешней памяти обычно используются два параметра: время доступа tg (время поиска информации на носителе) и скорость считывания Усч (скорость считывания смежных информационных байтов подряд - трансфер).

213

Сравнительные характеристики (емкость памяти и ее быстродействие) для рассмотренных типов запоминающих устройств приведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Сравнительные характеристики запоминающих устройств

Тип памяти	Емкость	Быстродействие
Основная память
ОЗУ	Единицы - десятки Мбайт	tобр = 0,07 - 0,1 мкс
ПЗУ	Сотни Кбайт	tобр = 0,07 - 0,2 мкс
Сверхоперативная память
МПП	Десятки байт	tобр = 0,001 - 0,004 мкс
КЭШ - память	Сотни Кбайт	tобр = 0,002 - 0,005 мкс
Внешняя память
НЖМД	Сотни Мбайт - единицы Гбайт	tg = 7 - 30 мс Vсч = 500 - 3000 Кбайт/с
НГМД	Единицы Мбайт	tg = 50 - 100 мс Vсч = 40 - 100 Кбайт/с
CD - ROM	Сотни Мбайт - единицы Гбайт	tg = 15 - 300 мс Vсч = 150 - 1500 Кбайт/с

214

212 :: 213 :: 214 :: Содержание

Информация и ее свойства

Изначально термин "информация" произошел от латинского informatio и дословно означал разъяснение, осведомление, изложение. В современных условиях можно уже уверено говорить о том, что этот термин прочно вошел в наш разговорный обиход и создал тем самым естественное ощущение полной ясности и очевидности данного понятия. Однако эта очевидность достаточно условна и является в известной степени кажущейся. Восприятие и оценка информации всегда опираются на кругозор конкретного индивидуума, на его человеческую интуицию и поэтому обычно являются весьма субъективными.

Вот почему говорят, что для понятия "информация" отсутствует строгое научное определение. Впрочем, этому понятию такое определение не может быть дано в принципе. Дело в том, что по своему философскому статусу информация вместе с веществом и энергией относится к числу первичных и потому неопределяемых сущностей окружающего реального мира. В отсутствие строгого научного определения информация обычно рассматривается в широком смысле как отражение реального мира с помощью тех или иных сведений и сообщений. При этом такие сообщения могут быть представлены в виде речи, текста, изображения, цифровых данных, графиков, таблиц и т.п. Это могут быть сообщения о состоянии и свойствах окружающих объектов, сведения о тех или иных явлениях природы, о процессах, протекающих в технических устройствах и живых организмах, об исторических событиях и событиях сегодняшнего дня, о результатах хозяйственно - экономической деятельности предприятия, организации, отрасли или государства в целом и т.д.

Являясь первичным и строго неопределяемым понятием, информация, тем не менее, предопределила рождение нового научного направления, названного информатикой, в рамках которой строго и доказательно изучаются общие методы и средства, обеспечивающие получение, сбор, хранение, передачу, обработку и отображение различной информации. Отсутствие строгого определения информации не препятствует однозначно оценивать ее количество, алгоритмически строго производить над ней необходимые преобразования, подобно тому, как отсутствие строгого определения точки и линии в геометрии не мешает нам вычерчивать различные фигуры, доказывать теоремы и решать задачи.
Нужно сказать, что практически любая наука всегда исходит и опирается на некоторые первичные

11

неопределяемые понятия, а уже затем на этой основе формируется строго, формализованно и доказательно.

Теперь перейдем к основному свойству информации, которым она выделяется из огромной массы различных сообщений и сведений. Находясь в целостном единстве с другими компонентами окружающего мира (веществом, энергией), информация не только отображает этот мир, но и является основным источником его познания, средством преодоления неопределенности, служит тем порогом, той гранью, которая отделяет незнание, неопределенность от знания. Именно информация изменяет или уточняет наши представления о данном явлении или объекте окружающего мира.

Наряду с информацией часто употребляется понятие "данные". Для изучаемого объекта это могут быть его характерные признаки или результаты экспериментальных наблюдений, которые по каким - то причинам в настоящее время не используются, а только хранятся. Если появляется необходимость использовать эти данные для уменьшения и уточнения знаний об объекте, то они путем систематизированной обработки превращаются в информацию, из которой в результате анализа извлекаются искомые знания. Из сказанного необходимо уточнить понятие информации следующим образом. Информация - это не просто любые данные или сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, а только лишь те. которые уменьшают о них степень неопределенности, неполноты знаний.

На рис. 1.1 схематично показан циклический процесс получения информации, уменьшающей неполноту знаний об изучаемом объекте.

Рис. 1.1. Циклический прогресс получения информации

Рассмотренный процесс получения из данных информации, уменьшающей неполноту знаний о том или ином объекте, позволяет более четко

12

разграничить понятия "информация" и "данные". Данные представляются лишь материализованным средством для представления информации. Преобразование и обработка данных позволяет извлечь информацию и на ее основе расширить и углубить знания о том или ином предмете, процессе или явлении.


Другими словами, данные служат исходным "сырьем" для получения информации. Отсюда следует важное положение, что одни и те же данные могут нести различную информацию для различных потребителей. Так, данные об анатомическом строении человека несут различную информацию для портного (количество необходимого материала для одежды, особенности его раскроя), для врача (отклонение от норм в пропорциях фигуры и возможные причины этого), для спортивного тренера (пригодность или непригодность для занятий тем или иным видом спорта).

Для любой информации важным является то, что она не существует сама по себе. При работе с информацией всегда имеется источник, воспроизводящий информацию, и потребитель (получатель), воспринимающий ее. Передача сообщений от источника информации к ее потребителю обеспечивается соответствующими информационными коммуникацией, в составе которых используются носители информации, передатчики, каналы связи, приемники и др.

Для любого потребителя информации очень важной характеристикой является адекватность информации, отражающая определенный уровень соответствия между реальным объектом и его образом, создаваемым с помощью полученной информации.

Адекватность информации может выражаться в трех формах: синтаксической, семантической и прагматической.

Синтаксическая адекватность отображает формально - структурные характеристики информации и не затрагивает ее смыслового содержания. Информация, рассматриваемая только с синтаксических позиций, представляет собой, по существу, просто данные, не имеющие смыслового содержания. Поэтому на этом уровне адекватности учитываются тип носителя информации, способ представления и кодирования, точность преобразования кодов, скорость передачи и обработка данных и др.

Семантическая (смысловая) адекватность на уровне смыслового представления определяет степень соответствия информационного образа объекта и самого реального объекта. Здесь устанавливаются и рассматриваются смысловые связи между кодами представления данных.

Прагматическая (потребительская) адекватность отражает отношение информации и ее потребителя, соответствие информации тем целям, для которых она предназначена. Прагматический аспект связан, главным образом, с ценностью и полезностью использования информации при выработке потребителем эффективного решения для достижения заданной цели.

13

11 :: 12 :: 13 :: Содержание

Информация как предмет трудаЭВМ - универсальное средство обработки информации

На протяжении всей истории развития человеческой цивилизации основным предметом труда являлись объекты материальной сферы. В этих условиях основная часть трудоспособного населения была занята в сфере материального производства и обслуживания, а основные научно - производственные усилия общества направлялись на разработку и совершенствование технологий материального производства. При этом под этой технологией понимается процесс, определяемый совокупностью использования необходимых средств и методов для обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья или материала. Технология изменяет качество или первоначальное состояние материи в целях получения необходимого материального продукта.

Эволюция в развитии человечества и среды его обитания всегда связана с развитием и совершенствованием технологий, лежащих в основе общественно - полезного труда. Среди таких технологий наиболее передовые и наиболее распространенные часто давали название целым эпохам.

Так, например, каменный век - это время, в котором доминировала технология обработки камня для изготовления орудий труда. Бронзовый век - это эпоха, для которой определяющей была технология литья и обработки металлов. Век паровых машин, век электричества, атомный век отражали этапы овладения новыми видами энергии.

Каждая из этих технологий именуется названием предмета труда, однако, это название присваивается целой эпохе липа, тогда, когда по отношению к этому предмету комплексно и универсально решены все проблемы, связанные с его получением, преобразованием, накоплением, обработкой и т.д. Только тогда данная технология обретает массовый и универсальный характер, оказывая на общество существенное влияние.

Теперь рассмотрим с аналогичных позиций информацию, которая также с древнейших времен, подобно вещественным и энергетическим

20

объектам материального мира, становится предметом человеческого труда. С помощью органов чувств человек воспринимал информацию, запоминал и анализировал ее своим мозгом.
Становясь постепенно предметом коллективного труда, информация сформировала человеческую речь в качестве носителя передаваемых сообщений. При неуклонном росте количества информации в помощь человеку стали интенсивно развиваться различные средства сбора, регистрации, хранения и, главное, обработки информации.

По аналогии с процессами переработки материальных ресурсов применительно к информации можно также говорить о существовании информационной технологии. Информационная технология представляет собой процесс, использующий совокупность необходимых средств и методов сбора, передачи и обработки данных (первичной информации) для получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления (информационного продукта). Цель информационной технологии - производство качественно новой информации для ее анализа человеком и принятия на ее основе наиболее обоснованного управленческого решения практически в любой сфере человеческой деятельности, в том числе производственной, хозяйственно - экономической, финансовой, коммерческой, экологической, военной и т.д.

Как и все технологии, информационные технологии находятся в постоянном развитии и совершенствовании. Некоторые достижения в этой области носили порой кардинальный, поистине революционный характер. Следствием подобных преобразований являлось приобретение человеческим обществом нового качества. Отметим наиболее заметные и этапные достижения в сфере обработки информации.

Первая информационная революция связана с изобретением письменности, что привело к гигантскому качественному и количественному скачку в информационных технологиях. Появилась возможность передачи знаний от поколения к поколениям.

Вторая (середина XVI в.) вызвана изобретением книгопечатания, которое радикально изменило существовавшее тогда общество, общую культуру, организацию жизнедеятельности.

Третья (конец XIX в.) обусловлена изобретением электричества, благодаря чему появились телеграф, телефон, радио, позволившие оперативно передавать и накапливать информацию в любом объеме.



Четвертая (середина XX в.) связана с разработкой и широким распространением электронных вычислительных машин (ЭВМ) как универсального средства обработки информации. За относительно короткий период своего развития ЭВМ прошли путь нескольких поколений. Нужно отметить, что смене поколений ЭВМ обычно сопутствовало существенное улучшение основных технико - эксплуатационных характеристик, а это, в свою очередь, положительно отражалось на эффективности реализации соответствующей информационной технологии, особенно таких ее основных этапов, как обработка и передача информации.

21

Возможности улучшения характеристик ЭВМ существенно зависят от той элементной базы, которая используется для построения их электронных схем. Кратко охарактеризуем с этой точки зрения ЭВМ различных поколений.

1 - е поколение (конец 40 - х - начало 50 - х гг.). Элементная база - электронные лампы. Эти ЭВМ отличались громоздкостью, большим потреблением энергии, невысоким быстродействием, низкой надежностью, трудоемким программированием на машинном языке конкретной ЭВМ.

2 - е поколение (конец 50 - х гг.). Элементная база - полупроводниковые приборы. По сравнению с предыдущим поколением улучшились все технические характеристики. Для программирования стали применяться алгоритмические языки.

3 - е поколение (середина 60 - х гг.). Элементная база - интегральные схемы, многослойный печатный монтаж. Резкое уменьшение габаритов ЭВМ, повышение их надежности, увеличение производительности. Создание на базе ЭЕ$М вычислительных систем, одновременно обрабатывающих программы нескольких пользователей, которые могут находиться от ЭВМ на значительном расстоянии и непосредственно общаться с ней независимо друг от друга. Разработка целостной системы программного обеспечения.

4 - е поколение (середина 70 - х гг.). Элементная база - большие и сверхбольшие интегральные схемы, микропроцессоры. Значительно улучшились технические характеристики. Массовый выпуск персональных вычислительных систем с высокой производительностью.

5 - е поколение (середина 80 - х гг.). Дальнейшее повышение степени интеграции элементной базы. Применение оптических и оптико - электронных средств. Использование распределенной обработки данных. Разработка и внедрение телекоммуникационных систем и компьютерных сетей. Глобализация вычислительных сетей.

Приведенная динамика развития средств вычислительной техники в результате привела к тому, что последняя четверть XX века стала по праву называться эпохой информатизации и компьютеризации. Этот процесс продолжает расширяться и углубляться, становясь, по существу, производительной силой общества.

22

20 :: 21 :: 22 :: Содержание

Информационные процессы в управлении

Одной из важнейших областей деятельности современного человека является организационное управление, иначе говоря управление отношениями, возникающими между людьми в процессе их производственно - хозяйственной и социально - экономической деятельности. В таком управлении нуждается не только промышленное и сельскохозяйственное производство, но и наука, культура, строительство, транспорт, связь, образование, здравоохранение и т.д. Объектом управления может стать хозяйственно - экономическая деятельность отдельного предприятия или организации,

22

отрасли, региона и даже государства в целом. Современное управление - это комплексное и системное понятие, включающее в себя различные социальные, экономические, правовые, психологические, физические и многие другие аспекты.

Первым указал на общность подходов к проблемам управления различными объектами, независимо от их физической природы, американский математик Н.Винер в своей книге "Кибернетика, или управление и связь в животном и машине" (1948 г.) В этой книге им были сформулированы общие принципы и положения науки об управлении, которую автор назвал кибернетикой.

С кибернетических позиций управление рассматривается и изучается в инфраструктуре тех или иных систем: технических, биологических, социальных и др. При этом система как объект управления - это организованное множество элементов, образующих целостное единство и согласованно взаимодействующих между собой для достижения поставленной цели. Часто в научной литературе к таким системам применяется термин "большие системы", причем принадлежность к большим системам того или иного объекта связывают главным образом со степенью его сложности, а не с его реальными физическими размерами.

Сложность изучения больших систем обусловлена необходимостью анализа огромного количества разнообразных связей, элементов и явлений, присущих этим системам. Проблема создания больших систем и управления ими стала центральной проблемой в обеспечении эффективного развития общества на современном этапе.

Представляя собой достаточно сложные (большие) системы, современные предприятия и организации требуют создания адекватных по сложности систем организационного управления этими объектами. Главным при создании и функционировании таких систем является определение и анализ целей (цели) деятельности данной организации и выбор рациональных управленческих решений, направленных на достижение поставленных целей. Из сказанного следует, что управление - это информационный процесс, предполагающий выполнение функций по сбору, передаче, хранению, обработке и анализу информации, необходимой для выработки соответствующего управленческого решения. Таким образом, можно сказать, что управление - это целенаправленное воздействие органов управления на управляемый объект.

В теории управления принято более строгое определение этого понятия: управление - это функция системы, ориентированная либо на сохранение ее основного качества при изменении условий окружающей среды, либо на выполнение некоторой целевой программы, призванной обеспечить устойчивость ее функционирования при достижении определенной заданной цели.

Несмотря на сложность современных систем управления, любая из них может быть представлена в виде двух компонентов: управляющей

23

подсистемы и управляемой подсистемы (объекта управления). Взаимосвязь и информационное взаимодействие этих компонентов системы управления показаны на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Структура построения системы организационного управления

Система управления функционирует благодаря взаимодействию управляющей и управляемой подсистем с помощью информационных каналов прямой и обратной связи. По каналу обратной связи управляющая подсистема получает информацию о действительном, о фактическом состоянии объекта управления (управляемой подсистемы). Полученная информация анализируется, а затем, исходя из целей управления и принятых правил выработки управленческих решений, в управляющей подсистеме формируется результатная информация, которая по каналу прямой связи передается в объект управления в виде необходимого управляющего воздействия.



24

В результате такого воздействия объект управления изменяет свое состояние, что вновь фиксируется с помощью информационного канала обратной связи управляющей подсистемой, которая анализирует это изменение и, при необходимости, может выработать новое управленческое решение.

С кибернетических позиций любая система при отсутствии управления в первоначальном состоянии полна неопределенности, ее поведение хаотично. Но как только в системе возникает управление, в ней возникает упорядоченность, начинает уменьшаться царящая в ней неопределенность. Поскольку любое управление в системах является процессом информационным, то количественная значимость управляющей информации, как видно, вполне согласуется с теми количественными мерами информации, которые были ранее определены на основе вероятностных оценок систем, обладающих неопределенностью (см. 1.2).

Следует также иметь в виду, что для больших информационных систем эффективное решение задач управления обычно связано с переработкой больших объемов информации. Решаемые задачи могут стать при этом практически необозримыми. В таких случаях приходится раздел ять глобальные цели функционирования данной системы на отдельные локальные функции управления с последующей их детализацией до конкретных задач, решаемых отдельными исполнителями. Разукрупнение функций организационного управления может производиться, например, в зависимости от стадий (этапов) управления (долгосрочное, перспективное, текущее, оперативное и др. стадии управления), по видам производственно - хозяйственной деятельности (основное производство, вспомогательное производство, капитальное строительство, материально - техническое снабжение, финансирование и кредитование, бухгалтерский учет и др.), по иерархии (уровням) управления (министерство - объединение - предприятие - цех и т.д. вплоть до отдельного исполнителя).

В заключение, завершая краткое рассмотрение информационных процессов в управлении, отметим, что любая информационная система., автоматизирующая выработку управленческих решений, в принципе является человеко - компьютерной системой.В таких системах необходимое управление обеспечивается, с одной стороны, участием человека (аппарата управления), а с другой - использованием различных технических, в том числе компьютерных средств. При этом технические средства с недоступной для человека скоростью, используя формализованные математические модели, методы и алгоритмы, формируют несколько вариантов управленческих решений, учитывающих фактическое состояние объекта управления и возможные отклонения этого состояния от номинального (требуемого). Окончательную оценку этим решениям и выбор из них наиболее рационального делает все - таки человек (руководитель, менеджер), опираясь при этом на свой профессиональный опыт, знания, интуицию и др.

25

22 :: 23 :: 24 :: 25 :: Содержание

Информационные продукты и услуги

На основе и в результате переработки информационных ресурсов обществом создаются различные информационные продукты. Информационный продукт является результатом интеллектуальной деятельности человека и отражает его собственное представление о конкретной предметной области. Обычно он фиксируется на том или ином материальном носителе в виде документов, статей, обзоров, программ, книг и т.д. Таким образом, информационный продукт - это определенная совокупность данных, сформированная производителем в той или иной форме.

Подобно любым другим материальным продуктам информационный продукт распространяется с помощью услуг. Информационная услуга - это получение и предоставление в распоряжение пользователя информационных продуктов.

При предоставлении услуги заключается договор между двумя сторонами - предоставляющей и использующей услугу. В договоре указывается срок ее использования и соответствующее этому вознаграждение.

Информационные услуги реализуются только при наличии соответствующих баз данных в компьютерном или некомпьютерном варианте.

База данных - это совокупность связанных данных, правила организации которых основаны на общих принципах описания, хранения и манипулирования.

Базы данных являются источником и своего рода полуфабрикатом при подготовке информационных услуг соответствующими службами. В них содержатся всевозможные сведения о событиях, явлениях, объектах, процессах, публикациях и т.п.

Базы данных, хотя они так и не назывались, существовали и до компьютерного периода в библиотеках, архивах, фондах, справочных бюро и других подобных организациях. С появлением компьютеров существенно увеличились объемы сведений, хранящихся в базах данных, и соответственно расширился круг информационных услуг.

Перечень этих услуг определяется объемом и предметной ориентацией существующих информационных ресурсов и видами различных информационных

39

продуктов, создаваемых на их основе. Кратко охарактеризуем наиболее распространенные в современном обществе информационные услуги.

Предоставление первоисточника - это традиционная услуга библиотечных служб, предусматривающая не только выдачу первоисточников (тех или иных документов), но также их копий.

Выпуск информационных издании, означающий подготовку печатной продукции в виде реферативных сборников, обзорных изданий, библиографических и справочных указателей.

Ретроспективный поиск информации - это целенаправленный по заявке пользователя поиск информации в базе данных и пересылка результатов либо по почте в виде распечаток, либо по электронной почте в виде файла.

Традиционные услуги научно - технической информации, осуществляемые по предварительному заказу и включающие в себя подготовку различных обзоров, а также переводов текстов.

Дистанционный доступ к удаленным бант данных - наиболее популярная в настоящее время услуга, организуемая в коммуникационной среде компьютерных сетей. Основными пользователями такой услуги являются различные организации, хотя в последние годы наметилась тенденция к существенному увеличению числа индивидуальных пользователей. Такая услуга предоставляется специальными организациями, называемыми вычислительными центрами коллективного пользования, которые располагают мощными ЭВМ с огромной внешней памятью. Дистанционный доступ к базам данных может быть предоставлен по подписке на основе абонентной платы или по договорам. В основном, используется почасовая оплата, зависящая от объема получаемой информации.

В числе информационных услуг могут быть не только уже рассматриваемые виды услуг, так или иначе касающиеся предоставления пользователю каких - либо информационных сведений, но и услуги, связанные с предоставлением пользователю необходимых технических средств, обеспечивающих, например:

- различные виды телекоммуникационной связи; - обработку данных в вычислительных центрах. Следует также сказать и об услугах, связанных с выполнением комплекса работ по разработке - средств программного обеспечения; - информационных систем; - информационных технологий.

Таким образом, в более широком смысле можно говорить о существовании бизнеса информационных продуктов и услуг, который включает в себя не только торговлю и посредничество, но и производство.

40

39 :: 40 :: Содержание

Информационные ресурсы общества

Динамика социально - экономического развития любого общества всегда обеспечивается теми ресурсами, которыми оно располагает. Индустриальному обществу присущи следующие основные виды ресурсов:

- материальные ресурсы - совокупность предметов труда, используемых в процессе производства общественного продукта, например, сырье, материалы, полуфабрикаты, детали и т.д.; - природные ресурсы - объекты, процессы и условия природы, используемые обществом для удовлетворения материальных и духовных потребностей людей, например, запасы ископаемых, размеры территории, географическое положение, климатические условия и т.д.; - трудовые ресурсы - люди, обладающие физическими возможностями, общеобразовательными и профессиональными знаниями для работы в обществе; - финансовые ресурсы - это денежные средства, находящиеся в распоряжении государственных или коммерческих структур; - энергетические ресурсы - носители энергии (уголь, нефть, нефтепродукты, газ, гидроэнергия и т.д.).

В информационном обществе к названным традиционным видам ресурсов добавляется новый, так называемый информационный ресурс, который постепенно стал играть наиболее значимую роль. В 1975 г. проходивший в Испании специальный конгресс ЮНЕСКО определил, что экономический потенциал любой страны наряду с такими традиционными показателями, как численность населения, национальный доход, богатства природных ресурсов и т.п., характеризуется еще и информационной вооруженностью, определяемой способностью быстро и качественно обрабатывать информацию, возникающую во всех сферах деятельности общества. Теперь и в сфере материального производства рациональное управление и принятие эффективных решений становится возможным только на основе своевременного пополнения, накопления и переработки информационного ресурса.

Если в индустриальном обществе стратегическим ресурсом является капитал, то в информационном обществе этим ресурсом становятся знания. В экспортно - импортной политике развитых стран четко прослеживается тенденция роста потребления из - за рубежа невосполнимых природных ресурсов, продукции вредных и энергоемких производств и т.п.
взамен на растущий экспорт своих легковоспроизводимых ресурсов, среди которых неуклонно увеличивается доля продукции наукоемких производств, научно - технических знаний и передовых информационных технологий.

Информационные ресурсы страны, региона, организации должны рассматриваться как стратегические ресурсы, аналогичные по значимости запасам сырья, материалов, энергии, природных ископаемых и т.п.

38

Информационные ресурсы общества, если их понимать как обширные и разнообразные знания, отчуждены от тех людей, которые их создавали, анализировали, обобщали, накапливали и т.п. Эти знания зафиксированы на тех или иных материальных носителях в виде документов, баз данных, алгоритмов, компьютерных программ, произведений искусства, литературы, науки и т.д.

По отношению к информационным ресурсам отдельных государств можно также говорить о тенденции к их глобализации, которая в недалеком будущем обеспечит информационное единство всей человеческой цивилизации.

39

38 :: 39 :: Содержание

Этапы развития информационных технологий

Информационные технологии в процессе своей эволюции постоянно развиваются и совершенствуются. Неуклонно улучшаются их основные характеристики, расширяются возможности и сфера применения, что отражает не только достижения научно - технического прогресса, но и изменения социально - экономических отношений в обществе.

Поскольку процесс развития информационных технологий является достаточно многоплановым и многоаспектным, то и соответствующие этапы такого развития можно рассматривать с различных точек зрения, с использованием различных критериев оценки.

В зависимости от используемого инструментария выделяются следующие этапы информационных технологий.

1 - й этап (до второй половины XIX в) - "ручная" информационная технология, инструментарий которой составляли перо, чернильница, книга. Коммуникации осуществлялись также ручным способом путем переправки через почту писем, пакетов, депеш и т.д.

2 - й этап (с конца XIX в.) - "механическая" технология, инструментарий которой составляли пишущая машинка, телефон, почта, оснащенная более совершенными средствами доставки.

3 - й этап (40 - 60 гг. XX в.) - "электрическая" технология, инструментарий которой составляли ЭВМ первых поколений с соответствующим программным обеспечением, электрические пишущие машинки, ксероксы, портативные диктофоны. Акцент в информационной технологии начинает перемещаться с формы представления информации на формирование ее содержания.

4 - й этап (с начала 70 - х гг.) - "электронная" технология, основным инструментом которой становятся большие ЭВМ (типа IBM/360, EC ЭВМ) и создаваемые на их основе автоматизированные системы управления (АСУ) и информационно - поисковые системы (ИПС). Центр тяжести технологии еще больше смещается на формирование содержательной сущности информации, особенно в сфере управленческой деятельности.

5 - й этап (с середины 80 - х гг.) - "компьютерная" ("новая") информационная технология, основным инструментарием которой является персональный компьютер с широким спектром программных продуктов различного назначения.
Происходит персонализация технологии путем реализации интеллектуальной поддержки принятия решений определенными специалистами. На базе телекоммуникаций начинают широко использоваться компьютерные сети.

57

Среди названных этапов развития информационных технологий, конечно, наиболее значимыми являются этапы, основанные на использовании средств вычислительной техники. Этот период можно охарактеризовать соответствующими этапами, имеющими свои особенности и специфику.

С позиции методологии использования вычислительных средств различают технологии, основанные на централизованной и децентрализованной обработке информации.

Централизованная отработка информации (50 - 70 - е гг.) была первой исторически сложившейся технологией, основанной на использовании крупных вычислительных центров коллективного пользования, оснащенных большими ЭВМ.

К достоинствам такой технологии следует отнести

- возможность обращения пользователя к большим массивам информации и к информационным продуктам широкой номенклатуры; - сравнительная легкость внедрения методологических решений по развитию и совершенствованию информационной технологии благодаря централизованному их принятию и внедрению.

Недостатком такой технологии являются ограниченные возможности пользователя с точки зрения оперативности получения необходимой информации, что часто препятствует правильной выработке управленческих решений.

Этап децентрализованной информационной технологии, начавшийся в 80 - х гг., связан с появлением персональных компьютеров и развитием средств телекоммуникаций. Данная технология также имеет свои достоинства (гибкость структуры, оперативность получения информации и др.) и недостатки (необходимость стандартизации большого числа технических и программных средств, неравномерность развития уровня информационной технологии на локальных местах и др.).

На современном этапе развития информационных технологий все большее распространение получает так называемый рациональный подход, при котором используется как централизованная обработка данных, характерная для первого этапа, так и децентрализованная, базирующаяся на решении локальных задач на рабочих местах пользователей.



В процессе развития информационных технологий менялись не только средства обработки информации, но и сам характер решаемых задач. Если на первом, начальном этапе (до 70 - х гг.) информационные технологии развивались, в основном, по пути автоматизации вычислительных операций и освобождения человека от выполнения текущей рутинной работы, то на втором этапе (с 80 - х гг.) стали разрабатываться информационные технологии, направленные на решение в большей степени стратегических задач.

Эволюция информационных технологий всегда была связана с преодолением определенных препятствий, с решением тех или иных проблем,

58

стоящих на пути информатизации общества. В зависимости от этого информационные технологии прошли несколько этапов своего развития.

1 - й этап (до конца 60 - х гг.) характеризуется проблемой обработки больших объемов информации в условиях ограниченных возможностей технических средств.

2 - й этап (до конца 70 - х гг.) был связан с использованием больших ЭВМ серий IBM/360, EC ЭВМ и др. Проблема этого этапа - отставание программного обеспечения от уровня развития технических средств.

3 - й этап (с начала 80 - х гг.) - персональный компьютер становится инструментом непрофессионального пользователя, а информационные системы - средством поддержки его решений. Проблемы - максимальное удовлетворение потребностей пользователей и создание для них соответствующего интерфейса работы в компьютерной среде.

4 - й этап (с начала 90 - х гг.) характеризуется глобализацией информационных процессов на базе микропроцессорных и телекоммуникационных средств. Наиболее существенными проблемами этого этапа являются:

- выработка соглашений и установление стандартов, протоколов, регламентирующих межкомпьютерные связи; - организация доступа к стратегической информации; - организация защиты и безопасности информации.

Для информационных технологий является вполне естественным, что они со временем устаревают и заменяются новыми. При этом нужно заметить, что информационные продукты, как никакие другие виды материальных товаров, имеют чрезвычайно высокую скорость сменяемости новыми видами или версиями.


Периоды сменяемости колеблются от нескольких месяцев до одного года. Если в процессе внедрения новой информационной технологии этому фактору не уделять должного внимания, то возможно, что к моменту завершения перевода данной фирмы на новую информационную технологию она уже устареет и придется принимать меры к ее модернизации.

Внедрение персонального компьютера в информационную сферу и применение телекоммуникационных средств связи определили новый этап развития информационной технологии и, как следствие, изменение ее названия за счет присоединения одного из синонимов: "новая", "компьютерная" или "современная".

Прилагательное "новая" подчеркивает именно новаторский, а не эволюционный характер этой технологии. Ее внедрение является новаторским в том смысле, что она существенно изменяет содержание всех видов деятельности любой организации.

При разработке и внедрении информационной технологии выбирается один из двух концептуальных подходов, отражающих сложившуюся точку зрения на существующую структуру данной организации и роль в ней компьютерной обработки данных.

59

Первая концепция ориентируется на существующую структуру организации, к которой приспосабливается создаваемая информационная технология. При этом рационализируются лишь рабочие места специалистов, а сами методы работы и информационные взаимосвязи остаются прежними. Степень риска от внедрения такой технологии минимальна, так как затраты незначительны и организационная структура фирмы принципиально не меняется. Некоторое повышение эффективности деятельности фирмы не обеспечивается в долгосрочной перспективе.

Вторая концепция ориентируется на модернизируемую в будущем организационную структуру фирмы. Данная стратегия предполагает максимальное развитие коммуникаций и разработку наиболее рациональных взаимосвязей между подразделениями фирмы. Несмотря на существенные первоначальные затраты, такой подход к разработке информационной технологии в перспективе может оказаться вполне оправданным.

60

57 :: 58 :: 59 :: 60 :: Содержание

Эволюция информационных процессов в обществеИнформационные кризисы и информационные революции

Информация, став с древнейших времен предметом человеческого труда, вызывала в обществе соответствующее развитие информационных процессов, связанных с ее получением, регистрацией, хранением, передачей, обработкой и т.д. Неуклонно увеличиваясь в своем объеме, информация стала проникать практически во все сферы человеческой жизни. Как следствие такого развития (порой лавинообразного) информационных процессов в обществе стали проявляться так называемые информационные кризисы, при которых

- возникают противоречия между ограниченными возможностями человека по восприятию и переработке информации и существующими мощными информационными потоками; - возникает большое количество избыточной информации, которая затрудняет получение и восприятие нужной для потребителя информации; - появляются определенные экономические., ведомственные, политические и другие барьеры, которые препятствуют широкому и массовому распространению информации.

Таким образом, информационные кризисы порождают весьма парадоксальную ситуацию, при которой, с одной стороны, в мире накоплен громадный информационный потенциал, а с другой - люди не могут им воспользоваться в полном объеме в силу своих ограниченных возможностей. Информационные кризисы ставили общество перед необходимостью поиска путей выхода из создавшегося положения. Для этого разрабатывались различные средства, методы и технологии, облегчающие участие человека в информационных процессах.

В предыдущей главе уже говорилось о том, что такие разработки нередко носили поистине революционный характер и с ними, по праву, связывали так называемые информационные революции. До начала XX века эти революции, в основном, были связаны с совершенствованием средств регистрации и передачи информации. Напомним, что к их числу были отнесены изобретения письменности (первая революция), книгопечатание (вторая революция, середина XVI в.), а также открытие электричества и связанные с этим изобретения телеграфа, телефона, радио (третья революция, конец XIX в.).

Особенно кризисным в информационном отношении стал XX в.
Именно в этом веке объемы информации, циркулирующей в обществе,

32

стали расти особенно стремительными темпами. Так, например, общая сумма знаний уже с 1900 г. удваивалась каждые 50 лет, к 1950 г. удвоение происходило каждые 10 лет, 1970 г. - уже каждые 5 лет, а с 1990 г. - ежегодно. Резкий рост объема информации стал наиболее заметным в середине XX в. Лавинообразный поток информации, захлестнувший человека, не давал ему возможность в полной мере воспринять, а тем более обработать и проанализировать информацию. Становилось все труднее ориентироваться в постоянно увеличивающихся потоках информации.

Такая кризисная ситуация, естественно, привела к очередной информационной революции, связанной с разработкой средств вычислительной (компьютерной) техники, получившей наиболее массовое распространение в последние десятилетия XX в. Это время, по праву, стали называть эпохой новых информационных технологий, в основе которых лежит не только компьютерная техника, но и связанные с ней современные средства телекоммуникации. Внедрение ЭВМ, современных средств обработки и передачи информации в различные сферы деятельности послужило началом нового эволюционного процесса, называемого информатизацией общества.

33

32 :: 33 :: Содержание

Эволюция структуры построения ЭВМ

В рассмотренной структурной схеме ЭВМ (рис. 7.1.) имеется весьма существенный недостаток, связанный с тем, что в такой схеме не обеспечивается эффективное взаимодействие быстродействующего процессора с большим числом относительно медленно работающих ПУ. Объясняется это тем, что при выполнении достаточно продолжительных операций ввода - вывода процессор ЭВМ прекращает обработку рабочих программ, так как должен непосредственно управлять этими операциями. Прерывание вычислительного процесса снижает производительность ЭВМ и эффективность использования ее технических средств.

Для устранения указанного недостатка в структурную схему ЭВМ последующих поколений были введены независимые каналы ввода - вывода (КВВ), позволившие разделить процессы обработки и ввода - вывода данных. По существу, КВВ являются специализированными процессорами, имеющими собственную ОП и автономное устройство управления. Центральный процессор выдает в каналы лишь команды на выполнение операций ввода - вывода, не прерывая при этом вычислительного процесса. Соответствующая структура ЭВМ приведена на рис. 7.2. На этом рисунке показаны связи между устройствами на информационном уровне без указания управляющих сигналов.

152

Рис. 7.2. Структурная схема ЭВМ с каналами ввода - вывода

Данная структура получила распространение в 60 - 70 г.г. при проектировании так называемых ЭВМ общего назначения. Периферийные устройства в ней связываются с каналами через собственные устройства управления периферийными устройствами (УПУ) и систему сопряжения, называемую интерфейсом ввода - вывода. Интерфейс строго оговаривает, а в большинстве случаев стандартизирует правила взаимодействия сопрягаемых устройств.

Учитывая большое количество различных ПУ, практически невозможно проектировать каналы ввода - вывода, полностью учитывающие специфику и особенности каждого ПУ и УПУ. Обычно КВВ обеспечивают некоторые общие для различных ПУ особенности ввода - вывода. В ЭВМ, как правило, используются два вида каналов ввода - вывода: мультиплексный и селекторный.
Эти каналы существенно различаются своей пропускной способностью и поэтому обслуживают различные по быстродействию группы периферийных устройств.

Мультиплексный канал обеспечивает обмен данными с относительно медленно действующими периферийными устройствами. Он одновременно обслуживает большое количество таких параллельно работающих ПУ, попеременно организуя с ними кратковременные сеансы связи.

153

Селекторный канал организует обмен с быстродействующими ПУ и обслуживает в монопольном режиме одно периферийное устройство, доводя с ним обмен данными до полного завершения.

Существуют также блок - мультиплексные каналы, которые организуют параллельную (мультиплексную) работу нескольких ПУ при выполнении операций, не связанных с передачей данных (например, поиск необходимых данных на магнитных дисках). При этом обмен данными производится информационными блоками в монопольном (селекторном) режиме.

Использование в составе ЭВМ специализированных каналов ввода - вывода положило начало реализации в структуре ЭВМ принципов модульности и магистральное™. Наиболее полно эти принципы нашли отражение в структуре современных персональных ЭВМ (ПЭВМ), в которых технические средства состоят из различных по назначению и независимых в работе автономных модулей, которые подключаются параллельно к системной магистрали, называемой "общая шина" (рис. 7.3.). В такой структуре можно выбирать конфигурацию технических средств путем подключения к общей магистрали необходимого набора центральных и периферийных устройств.

Рис. 7.3. Структура персональных ЭВМ с общей шиной

Данная структура ПЭВМ стала в настоящее время общим стандартом для современных ЭВМ. В основе этого стандарта лежат следующие основные принципы:

- модульность структуры построения; - магистральность аппаратурных соединений и процессов обмена данными; - параллелизм в работе технических и программных средств; - децентрализация управления и иерархическая организация структуры ЭВМ.

Модульная структура ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию.


К ЭВМ можно подключать дополнительные устройства, улучшая ее технические и эксплуатационные характеристики.

154

Появилась возможность управления конфигурацией технических средств ЭВМ и ее адаптации к конкретным условиям применения в соответствии с требованиями пользователей.

Общая системная магистраль представляет собой линии передачи данных, адресов и сигналов управления. К этой магистрали подключаются как центральные, так и периферийные устройства ПЭВМ. К центральным устройствам относятся микропроцессор и основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства. Микропроцессор по своим логическим возможностям и структуре аналогичен процессору ЭВМ более ранних поколений, однако конструктивно реализован в виде одной большой или сверхбольшой интегральной схемы. Подключение периферийных устройств к системной магистрали обеспечивается через специальные устройства управления, называемые контроллерами.

Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры ЭВМ. Централизованное управление осуществляет устройство управления центрального процессора. По его командам происходит инициализация работы других модулей в иерархии структуры ЭВМ, после чего эти модули продолжают работу под управлением местных устройств управления.

Иерархический принцип построения и управления характерен не только для структуры ЭВМ в целом, но и для отдельных ее подсистем. Например, по этому же принципу строится система памяти ЭВМ.

Модульность построения и децентрализация управления обеспечивают возможности для параллельной работы технических средств ЭВМ, например ее периферийных устройств. Внутри ЭВМ произошло также еще более резкое разделение функций между средствами обработки информации. Наряду с центральным процессором появились специализированные процессоры, например сопроцессоры, выполняющие обработку чисел с плавающей точкой, матричные процессоры и др. Принцип параллелизма распространился также на сами ЭВМ или процессоры. Появились многомашинные и многопроцессорные системы, содержащие несколько ЭВМ или процессоров, работающих согласованно и параллельно.

155

152 :: 153 :: 154 :: 155 :: Содержание

Эволюционные аспекты и общие понятия

Вычислительные машины за свою примерно полувековую историю прошли стремительный и впечатляющий путь, отмеченный частыми сменами поколений ЭВМ. Общей закономерностью этого процесса было стремление

- удовлетворить постоянно возрастающие требования различных областей применения вычислительной техники; - повысить производительность, надежность, логические и интеллектуальные возможности ЭВМ; - облегчить и упростить взаимодействие пользователей с ЭВМ при подготовке и решении различных задач.

Эволюция структурной и функциональной организации вычислительных машин привела к созданию таких объектов вычислительной техники, которые из - за сложности входящего в них оборудования, тесной логической взаимосвязи технических и программных средств при реализации сложных процессов функционирования, множества возможных конфигураций и территориальной рассредоточенности оборудования, по существу, превратили вычислительную машину в вычислительную систему (ВС).

Термин "вычислительная система" впервые появился в начале - середине 60 - х гг. применительно к ЭВМ 3 поколения. Это время знаменовалось переходом на новую элементную базу - интегральные схемы. Следствием этого стала реализация новых технических решений: разделение процессов ввода - вывода и обработки данных, множественный доступ и коллективное использование вычислительных ресурсов в пространстве и во времени. Появились сложные режимы работы ЭВМ - многопользовательская и многопрограммная обработка. Отражая все эти новшества, и появился термин "вычислительная система".

Вычислительная система позволяет объединить в целое значительные вычислительные и информационные ресурсы и предоставить их многочисленным пользователям, находящимся, как правило, на расстоянии от системы и связанным с ней соответствующими каналами передачи данных. Основой реализации различных форм обслуживания многочисленных пользователей стало дальнейшее углубление и расширение мультипрограммности в работе технических и программных средств системы.
Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ явилась возможность построения параллельных ветвей в вычислительном процессе, что не предусматривалось классической структурой ЭВМ. Для этого в составе ВС всегда используется несколько вычислителей (процессоров или ЭВМ), реализующих параллельную обработку.

242

Использование нескольких вычислителей делает вычислительную систему более предпочтительной в экономическом отношении по сравнению с отдельной ЭВМ. Анализ характеристик ЭВМ различных поколений показа!, что в пределах интервала времени, характеризующегося относительной стабильностью элементной базы, связь стоимости и производительности ЭВМ выражается квадратичной зависимостью (закон Гроша):

СЭВМ = КЭВМ · П2ЭВМ.

Построение же вычислительных систем позволяет существенно сократить затраты, так как для них справедлива линейная формула

CВС = КВС ·

n

?

i = 1

  Пi,

где	СЭВМ, СВС - соответственно, стоимость ЭВМ и ВС;
	КЭВМ, КВС - коэффициенты пропорциональности;
	ПЭВМ, Пi - производительность ЭВМ и i - го из n комплектующих систему вычислителей.

На рис. 12.1 представлены графики изменения стоимости вычислений для ЭВМ и ВС. Для каждого поколения ЭВМ и ВС существует критический порог сложности решаемых задач Пкр, после которого применение автономных ЭВМ становится экономически невыгодным, неэффективным. Многие специалисты считают, что использование параллельно работающих вычислителей является одним из основных признаков развития вычислительной техники новых поколений.

Рис. 12.1. Зависимости стоимости ЭВМ и ВСот производительности

243

Кроме выигрыша в стоимости технических средств, следует учитывать и дополнительные преимущества. Наличие нескольких вычислителей в системе позволяет совершенно по - новому решать проблемы надежности, достоверности результатов обработки, резервирования, централизации хранения и обработки данных, децентрализации управления, предоставления пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.

Для организации различных режимов работы и форм обслуживания пользователей при создании ВС учитываются следующие основные принципы:



- модульность структуры; технических и программных средств, что позволяет совершенствовать и модернизировать вычислительные системы, делая их способными к адаптации и самоорганизации; - параллелизм в структуре построения и функциональной организации комплексируемых элементов системы; - иерархия и децентрализация управления процессами, протекающими в системе; - унификация и стандартизация технических и программных решений.

При построении ВС необходимо обеспечить совместимость элементов и модулей, комплексируемых в системе. Как и для отдельных ЭВМ, понятие совместимости имеет 3 аспекта: технический, программный и информационный.

Техническая совместимость обеспечивается использованием унифицированных средств соединения (разъемов, кабелей, шин, соединительных проводов и т.п.), а также соответствием параметров электрических сигналов (амплитуды, длительности, полярности и т.д.) и согласованной последовательностью формирования этих сигналов.

Программная совместимость требует, чтобы команды, передаваемые из одного устройства в другое, были правильно поняты и выполнены последним. Если взаимодействующие устройства относятся к одному и тому же семейству ЭВМ, но к разным его моделям, то здесь обычно обеспечивается совместимость снизу вверх, т.е. ранее созданные программы могут выполняться на более поздних моделях, но не наоборот.

Информационная совместимость комплексируемых средств предполагает, что передаваемые информационные массивы будут одинаково интерпретироваться сопрягаемыми модулями ВС. Для этого должны быть стандартизованы алфавиты, разрядности, форматы данных, структуры и разметка файлов.

Для оценки обобщенных характеристик вычислительных систем используется понятие архитектуры. Архитектура ВС - это совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально - логическую и структурную организацию системы. Это понятие охватывает общие принципы построения и функционирования, наиболее существенные для пользователей,

244

которых больше интересуют возможности систем, а не детали их технического исполнения.



Нужно отметить, что архитектурные свойства вычислительных систем определяются в значительной степени тем, насколько эффективно решены в них вопросы программного обеспечения -. Именно программное обеспечение реализует сложные функции распределения ресурсов системы в процессе параллельных вычислений в одновременно работающих устройствах.

В настоящее время уже накоплен достаточно большой опыт в разработке и использовании ВС самого разнообразного применения. Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы: по целевому назначению и выполняемым функциям, по типам и числу ЭВМ или процессоров, по архитектуре системы, режимам работы, методам управления элементами системы, степени территориальной разобщенности элементов системы и др.

Различные типы ВС отличаются друг от друга своими возможностями и характеристиками. Различия наблюдаются уже на уровне структуры.

Структура ВС - это совокупность комплексируемых элементов и их связей. В качестве таких элементов могут выступать отдельные ЭВМ или процессоры. В зависимости от этого признака все вычислительные системы делятся на многомашинные и многопроцессорные ВС.

Многомашинные вычислительные системы (ММВС) содержат две и более ЭВМ, каждая из которых имеет процессор, оперативную память, набор периферийных устройств и работает под управлением собственной операционной системы. Комплексное взаимодействие ЭВМ в системе может быть организовано по - разному и сводится в любом случае к обеспечению соответствующего уровня взаимодействия их операционных систем.

Многопроцессорные вычислительные системы (МПВС) строятся путем комплексирования нескольких процессоров, работающих с общим полем оперативной памяти и общим набором периферийных устройств. Параллельная работа процессоров и распределение общего ресурса памяти обеспечиваются под управлением общей операционной системы.

В зависимости от степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ВС делятся на системы централизованной и распределенной обработки данных.


Для многопроцессорных систем более характерной является централизованная обработка, а учитывая успехи микроэлектроники, эта централизация становится еще более глубокой, обеспечивающей совмещение уже в одном кристалле нескольких параллельно работающих процессоров. К системам распределенной обработки данных обычно относятся многомашинные вычислительные системы.

В результате развития идей распределенной обработки данных в конце 60 - х гг. появились первые разработки так называемых вычислительных (компьютерных) сетей. Вычислительная сеть представляет собой совокупность ЭВМ и терминалов, соединенных с помощью каналов связи в

245

единую систему распределенной обработки данных. Вычислительная сеть позволяет аккумулировать значительные информационные и вычислительные ресурсы и предоставлять эти ресурсы в распоряжение многочисленных, территориально рассредоточенных пользователей.

246

242 :: 243 :: 244 :: 245 :: 246 :: Содержание

Классификация и области применения ЭВМ

В настоящее время в мире произведены, эксплуатируются и продолжают выпускаться миллионы вычислительных машин, относящихся к различным поколениям, типам, классам, отличающиеся своими техническими

160

характеристиками, вычислительными возможностями и областями применения.

Рынок современных ЭВМ характеризуется разнообразием и динамизмом, каких еще не знала ни одна область человеческой деятельности. Практически каждое десятилетие меняются поколения машин, причем такие темпы сохраняются многие годы. В этих условиях любая предлагаемая классификация ЭВМ очень быстро устаревает и нуждается в корректировке. То, что 10 - 15 лет назад относилось к классу больших ЭВМ, в настоящее время является устаревшей техникой с очень скромными возможностями.

Следует также отметить, что уровень развития вычислительной техники и области ее применения являются, как правило, взаимосвязанными и взаимообусловленными. Так, если классифицировать все ЭВМ в зависимости от их основных технических характеристик (производительность, объемы памяти и др.), то одновременно будут очерчены и области целесообразного применения этих классов ЭВМ. С этих позиций можно использовать следующую классификацию: суперЭВМ, большие ЭВМ, средние ЭВМ, микропроцессоры, микро - и персональные ЭВМ. Охарактеризуем особенности и области применения этих классов ЭВМ.

К суперЭВМ относятся сверхпроизводительные ЭВМ, обладающие необходимыми возможностями для решения крупномасштабных вычислительных задач и научно - технических проблем, для обслуживания крупнейших банков данных. Такие ЭВМ используются, в частности, для решения глобальных задач, связанных с охраной окружающей среды и рациональным использованием природных ресурсов, для поиска оптимальных решений при долгосрочном экономическом планировании.

Сверхвысокую производительность ЭВМ (сотни миллионов операций в секунду) практически невозможно реализовать только путем увеличения быстродействия электронных компонентов, так как их возможности уже приблизились к физическим пределам.
Наиболее реальным является достижение сверхвысокого быстродействия путем использования десятков, сотен или даже тысяч параллельно работающих процессоров. Поэтому класс суперЭВМ, по существу, представляется многопроцессорными вычислительными системами.

Идея параллелизма в работе оборудования нашла также применение в классе больших ЭВМ , представляющих собой многопользовательские машины с центральной обработкой, с большими возможностями для работы с базами данных, с различными формами удаленного доступа. Благодаря широким и универсальным возможностям такие ЭВМ используются для комплектования крупных вычислительных центров. Первоначально казалось, что с появлением быстропрогрессирующих персональных ЭВМ большие машины обречены на вымирание. Однако они продолжают развиваться, и выпуск таких ЭВМ снова стал увеличиваться, хотя их доля в общем парке ЭВМ постоянно снижается.

161

Начало разработки больших ЭВМ было положено фирмой IBM еще в 60 - е г.г. выпуском серий машин IBM/360, IBM/370. Новая серия таких машин S/390 продолжает эту линию. По оценкам фирмы IBM, более половины всего объема данных в информационных системах мира хранится именно на больших машинах.

Развитие ЭВМ данного класса имело большое значение для России. В 1970 - 1990 г.г. основные усилия нашей страны в области вычислительной техники были сосредоточены на программе разработки Единой системы ЭВМ (ЕС ЭВМ), заимствовавшей архитектуру IBM/360/370. Было выпущено несколько десятков тысяч ЭВМ этой системы, достаточно много ЭВМ серии ЕС еще продолжают работать в различных учреждениях и производствах. Для сохранения накопленного громадного информационно - программного потенциала было принято решение о дальнейшем развитии этого направления в рамках подписанного соглашения с фирмой IBM. По этому соглашению Россия получила право производить 23 новейшие модели - аналоги ЭВМ IBM/390 с производительностью от 1,5 до 167 млн. операций в секунду.

Средние ЭВМ, достаточно мощные по производительности, предназначены для управления сложными технологическими и производственными процессами, для распределенной обработки информации в качестве сетевых серверов, для построения многомашинных вычислительных комплексов.


ЭВМ этого типа широко используются для обработки информации в финансовых структурах, например ЭВМ типа AS/400 - "бизнес - компьютеры". Средние ЭВМ имеют развитые технические и программные средства, обеспечивающие их комплексирование в системы и подключение к сетям связи и телекоммуникации.

Следует отметить, что современному классу средних ЭВМ в классификации 70 - 80 г.г. соответствовали в определенной степени так называемые миниЭВМ. Они отличались простотой и надежностью в работе, а главное, имели относительно невысокую стоимость. В нашей стране такие ЭВМ были представлены соответствующим семейством программно - совместимых миниЭВМ (СМ ЭВМ). Подобно ЕС ЭВМ для СМ ЭВМ был характерен высокий уровень стандартизации и унификации, основанный на интегральной микроэлектронике, единой базовой структуре всех моделей ЭВМ, стандартном наборе машинных команд и форматов представления данных, единой широкой номенклатуры периферийных устройств, подключаемых через стандартный интерфейс ввода - вывода типа "Общая шина", единстве принципов конструирования, производства и эксплуатации и т.д. Разработки ЕС и СМ ЭВМ велись с учетом международных стандартов и соглашений.

Интенсивное развитие полупроводниковой микроэлектроники привело к созданию в начале 70 - х г.г. принципиально нового вычислительного устройства - микропроцессора, эквивалентного по своим возможностям

162

процессору прежних ЭВМ, но реализованного на одной или нескольких больших микросхемах.

Микропроцессор с наращиваемой памятью в сочетании с необходимым набором периферийных устройств вместе образуют микроЭВМ. По своим возможностям и универсальности применения микроЭВМ приближаются к средним и даже большим ЭВМ, а по своим эксплуатационным характеристикам (габаритные размеры, надежность, потребляемая мощность и др.) они их значительно превосходят. Благодаря этому микропроцессоры и микроЭВМ могут быть встроенными в различные приборы, машины, технологическое оборудование, устройства бытовой техники и др.


и выполнять в них необходимые функции контроля и управления.

В дальнейшем на базе микропроцессоров появились ориентированные на индивидуального пользователя персональные ЭВМ (ПЭВМ), ставшие в настоящее время наиболее массовыми и распространенными. Им по праву принадлежит одно из важнейших направлений современного научно - технического прогресса. Персональные ЭВМ призваны решать, в первую очередь, те задачи, которые возникают у специалистов различного профиля непосредственно на рабочих местах, т.е. там, где находятся источники данных, подлежащих обработке. Такие ЭВМ стали эффективным средством повышения производительности труда инженеров, технологов, конструкторов, экономистов, работников аппарата управления, сферы обслуживания и т.д. Уже в настоящее время в мире насчитывается около 100 млн. ПЭВМ, и их число будет неуклонно расти. На рис. 7.4. показана структура и динамика развития мирового парка ЭВМ.

Рис. 7.4. Структура и динамика развития мирового парка ЭВМ:1 - большие ЭВМ; 2 - средние ЭВМ; 3 - персональные ЭВМ

В любой индустриально развитой стране суммарный парк ЭВМ должен представлять собой многослойную структуру с определенным соотношением численности ЭВМ различных типов для каждого слоя. Формирование сбалансированного машинного парка обеспечивает обществу наиболее

163

эффективное использование и развитие прогрессивных информационных технологий.

Так, по оценкам специалистов, для такой страны, как Россия, необходимое количество суперЭВМ должно составлять 100 - 200 шт., больших ЭВМ - тысячи, средних ЭВМ - десятки и сотни тысяч, ПЭВМ - миллионы, встраиваемых в оборудование микропроцессоров и микро ЭВМ - миллиарды.

164

160 :: 161 :: 162 :: 163 :: 164 :: Содержание

Классификация информации

Проводя классификацию информации, нужно иметь в виду, что она всегда относительна и достаточно условна. Часто, в зависимости от характера

17

и целей использования, условий внешней среды и других причин одна и та же информация может быть отнесена к различным классификационным группам.

На рис. 1.2. приведена одна из возможных схем классификации информации, циркулирующей в некоторой организации (фирме). В основу классификации положены пять наиболее общих ее признаков: место возникновения, стадия обработки, способ отображения, стабильность, функция управления.

По месту возникновения информацию можно разделить на входную, выходную, внутреннюю и внешнюю.

Входная информация - это информация, поступающая в данную фирму или ее подразделения извне: из других фирм, вышестоящих организаций, органов государственной власти и др.

Выходная информация - это информация, передаваемая за пределы данной фирмы.

Одна и та же информация является входной для данной фирмы, а для другой, ее вырабатывающей, выходной.

По отношению к объекту управления информация может быть внутренней или внешней. Внутренняя информация возникает внутри объекта, внешняя информация - за пределами объекта.

Рис. 1.2. Классификация информации, циркулирующей в организации

В зависимости от стадии обработки информация может быть первичной, вторичной, промежуточной, результатной.

Первичная, или исходная информация - это информация, которая возникает непосредственно в процессе деятельности объекта и регистрируется на начальной стадии.

18

Вторичная информация - это информация, которая получается в результате обработки первичной информации. Может быть промежуточной и результатной.

Промежуточная информация используется в качестве исходных данных для последующих расчетов.

Результатная информация получается в процессе обработки первичной и промежуточной информации и используется для выработки управленческих решений.

По способу отображения информация подразделяется на текстовую и графическую.

Текстовая информация - это совокупность алфавитных, цифровых и специальных символов, с помощью которых представляется информация на физическом носителе (бумага, изображение на экране дисплея).

Графическая информация - это различного рода графики, диаграммы, схемы, рисунки и т.д.

По стабильности информация может быть переменной (текущей) и постоянной (условно - постоянной).

Переменная информация отражает текущие количественные и качественные характеристики производственно - хозяйственной деятельности фирмы. Она может меняться во времени как по своему назначению, так и по количеству. Например, количество произведенной за смену продукции, еженедельные затраты на доставку сырья, количество исправных станков и т.п. Переменная информация, как правило, участвует в одном технологическом цикле машинной обработки.

Постоянная информация - это неизменная и многократно используемая в течение длительного периода времени информация. В основном, это различная нормативно - справочная информация. Нормативная информация содержит местные, отраслевые и общегосударственные нормативы. Например, размер налога на прибыль, размер минимальной оплаты труда, тарифная сетка оплаты государственных служащих и др. Справочная информация включает описание постоянных свойств и признаков объекта. Например, табельный номер служащего, номер цеха, квалификационный разряд работника и др.

Период стабильности информации всегда носит во времени конкретный характер. Обычно он составляет один год, а для оценки уровня стабильности информации используется коэффициент стабильности, рассчитываемый по формуле:

где	ИСобщ - общее число информационных совокупностей;
	ИСизм - число информационных совокупностей, изменившихся за рассматриваемый период (год).

19

Если Kст = 0,85, то информационную совокупность принято считать условно - постоянной.

По функциям управления обычно классифицируют экономическую информацию. При этом выделяют следующие группы: плановую, учетную и оперативную (текущую).

Плановая информация - это информация о параметрах объекта управления на предстоящий период.

Учетная информация характеризует деятельность фирмы за определенный предшествующий период времени.

Оперативная (текущая) информация - это информация, используемая в оперативном управлении и характеризующая производственные процессы в текущий (данный) период времени.

20

17 :: 18 :: 19 :: 20 :: Содержание

Классификация информационных систем

В основу классификации информационных систем могут быть положены различные признаки.

В зависимости от степени автоматизации информационных процессов все системы делятся на ручные, автоматические и автоматизированные.

51

Ручные информационные системы характеризуются отсутствием технических средств переработки информации и выполнением этих операций только человеком.

Автоматические информационные системы выполняют все операции без участия человека.

Автоматизированные информационные системы предполагают участие в процессе обработки информации как человека, так и технических средств. В современном толковании термина "информационная система" обязательно вкладывается понятие именно автоматизированной системы. В дальнейшем будет идти речь только о таких системах.

По характеру использования информации все автоматизированные информационные системы бывают информационно - поисковыми, информационно - управляющими и информационно - советующими.

Информационно - поисковые системы производят ввод, систематизацию, хранение и выдачу информации по запросу пользователя. Применяются в библиотеках, кассах продажи билетов, справочных службах и т.п.

Информационно - управляющие системы вырабатывают информацию, на основании которой человек принимает управленческое решение.

Советующие информационные системы вырабатывают информацию, которая принимается человеком к сведению и не превращается немедленно в серию конкретных действий.

В зависимости от сферы применения информационные системы делятся на системы организационного управления, управления технологическими процессами, автоматизированного проектирования, а также интегрированные (корпоративные) информационные системы.

Системы организационного управления предназначены для автоматизации функций управленческого персонала. К этому классу относятся информационные системы управления как промышленными фирмами, так и непромышленными объектами: банками, страховыми компаниями, торговыми фирмами, гостиницами и др. Учитывая наиболее широкое распространение этого класса систем, часто любые информационные системы понимают именно в данном толковании.

Информационные системы управления технологическими процессами служат для автоматизации управленческих функций при реализации производственного процесса. Они широко используются для поддержания требуемого технологического процесса в металлургической, машиностроительной, электронной, пищевой и др. отраслях промышленности.

Информационные системы автоматизированного проектирования предназначены для автоматизации труда инженеров - конструкторов, архитекторов, дизайнеров при создании ими новой техники или технологии. Основными функциями подобных систем являются моделирование проектируемых объектов, инженерные расчеты, создание проектной документации.

Интегрированные (корпоративные) информационные системы используются для автоматизации всех функций и видов деятельности фирмы.

52

Создание таких систем является достаточно сложным процессом, поскольку требует системного подхода ко всем видам деятельности данной фирмы с позиций главной ее цели (например, получения максимальной прибыли, завоевания рынка сбыта и т.д.) - В результате такой подход может привести к существенным изменениям в самой структуре фирмы.

Рассмотренные виды классификации информационных систем носят достаточно укрупненный характер. Согласно этой классификации практически все существующие информационные системы относятся к классу автоматизированных информационных систем организационного управления, который, как уже отмечалось, идентифицируется кратким термином "информационная система".

Далее мы остановимся на более детальной классификации именно таких информационных систем, положив в ее основу так называемый функциональный признак, определяющий основные цели, задачи и функции управления, реализуемые данной системой.

Существующие виды управленческой деятельности большинства производственных и коммерческих объектов определили типовой набор функционально - ориентированных информационных систем, включающий:

- производственные системы; - системы маркетинга; - финансовые и учетные системы; - системы кадров (человеческих ресурсов); - прочие системы, выполняющие вспомогательные функции в зависимости от специфики деятельности фирмы.



В крупных фирмах основная информационная система функционального назначения может состоять из нескольких функциональных подсистем, реализующих конкретные подфункции управления. Например, производственная информационная система может иметь функциональные подсистемы управления запасами, оперативного контроля и управления производством и т.д.

Расчленение информационных систем по функциональному признаку позволяет разукрупнить и детализировать существующие в организации функции управления, что, в свою очередь, снижает размерность решаемых задач, делает эти задачи более конкретными и обозримыми.

Дальнейшее снижение размерности решаемых задач управления достигается расчленением информационных систем не только по функциональному признаку (видам деятельности), но и по уровням (иерархии) и стадиям (этапам) управления.

Если в качестве объекта управления рассматривать социально - экономические процессы для страны в целом, то здесь в качестве уровней управления можно выделить следующие: высший уровень - министерства и ведомства; средний уровень - объединения, компании и холдинги; нижний уровень - предприятия, организации и учреждения.

53

Для отдельной организации также можно выделить соответствующие уровни управления: высший уровень, представленный руководителями фирмы и менеджерами высшего звена; средний уровень, представленный специалистами и менеджерами среднего звена; нижний уровень, представленный непосредственными исполнителями.

Между информационными системами различных уровней всегда существуют информационные потоки, в которых от вышестоящего уровня к нижестоящему поступает управляющая информация в виде планов, приказов, распоряжений и т.д., а от нижних уровней к вышестоящим - главным образом, информация в виде отчетов, сводок и т.д., отражающих текущее состояние соответствующего уровня управления.

Нужно отметить, что с повышением уровня управления передаваемая информация обычно уменьшается в количественном отношении, однако, при этом растет ее смысловая, содержательная сущность.

Информационные системы любого уровня и любого функционального назначения могут различаться в зависимости от реализуемых стадий (этапов) управления. В числе таких стадий можно назвать, например, долгосрочное, или перспективное управление; среднесрочное, или текущее; краткосрочное, или оперативное управление. Обычно наблюдается некоторая связь между уровнем управления и продолжительностью реализуемого этапа управления. Более высоким уровням управления соответствуют, как правило, более продолжительные стадии управления.

54

51 :: 52 :: 53 :: 54 :: Содержание

Клавиатура и манипуляторы

Клавиатура - важнейшее.для пользователя периферийное устройство, осуществляющее ввод данных, команд и управляющих воздействий в ПЭВМ. С помощью клавиатуры реализуется диалоговое взаимодействие пользователя с ПЭВМ. Это устройство выполнено автономно от системной платы ПЭВМ и, кроме самой клавиатуры, содержит также контроллер клавиатуры, состоящий из буферной памяти и схем управления.

Каждая клавиша клавиатуры имеет порядковый номер. Интерпретация смысла нажатой клавиши осуществляется программным путем. При нажатии на клавишу ее код (номер) преобразуется специальной программой - драйвером в соответствующий код символа. Таким образом, кодировка клавиши не зависит от кодировки символа, обозначенного на ней. Это позволяет использовать клавиатуру не только для алфавита англо - язычных стран, но и для алфавитов других стран, в том числе русского алфавита (кириллицы).

230

Чаще всего клавиатура содержит 101 клавишу, но встречаются еще и старые клавиатуры с 84 клавишами. По своему назначению все клавиши можно разбить на следующие группы:

- буквенно - цифровые клавиши; - клавиши управления курсором; - специальные управляющие, или служебные клавиши; - функциональные клавиши.

Буквенно - цифровые клавиши занимают центральную часть клавиатуры и используются для ввода текста и числовых данных.

Расположение букв и цифр на клавишах соответствует стандартному расположению их на клавиатуре пишущей машинки. Этот стандарт определяется последовательностью первых шести букв в верхнем ряду клавиатуры. Для латинского и русского алфавитов соответствующие стандарты обозначают как QWERTY и ЙЦУКЕН. Ввод с клавиатуры русских букв обеспечивается соответствующим драйвером, который должен быть предварительно загружен в оперативную память и находиться в ней резидентно

Для буквенно - цифровых клавиш существует понятие регистра, определяющего режим их использования. Для этой цели имеются две пары регистров: верхний/нижний и латинский/русский. На верхнем регистре вводятся прописные (заглавные) буквы, а на нижнем - строчные (маленькие), а также специальные символы и цифры, указанные на верхней и нижней части клавиши.
Эти регистры могут использоваться в различных сочетаниях, например верхний латинский, нижний русский и т.п. Переход на тот или иной режим (регистр) производится за счет одновременного нажатия соответствующей клавиши и одной или двух управляющих (служебных) клавиш.

Клавиши управления курсором расположены в правой части панели клавиатуры. При этом курсором называется определенный символ (обычно это узкий мерцающий прямоугольник или жирная черта), указывающий позицию на экране видеомонитора, в которой будет отображаться очередной выводимый на экран символ. С помощью клавиш управления можно перемещать курсор на одну позицию влево, вправо, вверх или вниз, в начало или конец строки, на одну страницу (т.е. на 25 строк) вперед или назад. Режим клавиш управления курсором может быть изменен на режим ввода цифр (0, ..., 9), математических знаков (+ , - , *, /) и точки с помощью так называемой малой цифровой клавиатуры.

Специальные управляющие клавиши, расположенные вокруг группы буквенно - цифровых клавиш, помимо управления режимами использования клавиатуры, обеспечивают также перезагрузку операционной системы, прекращение или приостановку выполнения программы, распечатку на принтере данных, выведенных на экран, и др.

231

Функциональные клавиши F1, ..., F2 размещены в верхней части клавиатуры. Эти клавиши программируются и для каждого программного продукта предназначены для выполнения специальных действий.

Управление работой клавиатуры и ее связь с центральными устройствами ПЭВМ реализует контроллер клавиатуры, который осуществляет:

- сканирование (опрос) состояния клавиш; - буферизацию (временное запоминание) до 20 отдельных кодов клавиш на время между двумя соседними опросами клавиатуры; - преобразование кодов нажатия клавиш в коды ASCII с помощью хранящихся в ПЗУ программируемых системных таблиц драйвера клавиатуры; - тестирование (проверку работоспособности) клавиатуры при включении ПЭВМ.

Подключение контроллера клавиатуры к системной плате осуществляется с помощью 4 - проводного интерфейса, содержащего две шины питания и по одной шине для передачи тактовых импульсов и последовательного кода данных.



Взаимодействие пользователя с ПЭВМ реализуется не только с помощью клавиатуры, но и также с использованием различных типов координатных манипуляторов (устройств указания). С их помощью осуществляется управление движением курсора по экрану видеомонитора с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПЭВМ для использования соответствующими программами. Особенно удобны манипуляторы для задания команд при работе пользователей с программными приложениями Windows (Word, Excel и др.).

К манипуляторам относятся, в частности, устройства типа "мышь", а также трекбол и джойстик.

Мышь представляет собой небольшую коробочку с двумя или тремя клавишами и утопленным на нижней поверхности шариком, свободно вращающимся в любом направлении. Мышь подключается к ПЭВМ через последовательный порт. Пользователь, перемещая мышь по поверхности стола (обычно для этого используются специальные резиновые коврики), может изменять положение курсора на экране монитора, а нажатием клавиш - сообщать прикладной программе текущие значения его координат с указанием на выполнение определенных действий (например, выполнение определенного пункта меню). Мышь требует специальной программной поддержки с помощью специального драйвера, который обычно отслеживает одно - и двукратное нажатие левой клавиши мыши, однократное нажатие правой, а также перемещение мыши при нажатой левой или правой клавиши.

В портативных ПЭВМ функции мыши обычно выполняет встроенный в клавиатуру шарик на подставке с двумя клавишами, называемый трекболом. Его отличием от мыши является то, что мышь необходимо перемещать

232

по поверхности стола, а шар можно вращать, добиваясь перемещения курсора на экране монитора в нужную точку.

К ручным манипуляторам относится и джойстик, представляющий собой подвижную рукоять с одной или двумя кнопками, при помощи которой можно изменять положение курсора на экране монитора. Джойстик чаще используется в ПЭВМ бытового применения, в первую очередь для игр.

В карманных компьютерах в качестве устройства покоординатного ввода используется сенсорный экран.Для того, чтобы указать на конкретный объект, достаточно коснуться экрана в нужном месте специальным световым пером.

233

230 :: 231 :: 232 :: 233 :: Содержание

Количественные оценки и показатели качества информации

Для измерения количества информации вводятся два параметра: количество информации 1 и объем данных Vg. Эти параметры по - разному интерпретируются в зависимости от рассматриваемой формы адекватности. Каждой форме адекватности соответствует своя мера информации.

Синтаксическая мера информации. Эта мера количества информации оперирует с обезличенной информацией, не выражающей смыслового отношения к объекту.

Объем данных в текстовом сообщении измеряется количеством символов (знаков) в этом сообщении. Поэтому часто объем данных называют длиной сообщения. Очевидно, что в зависимости от языка той или иной национальности этот объем может быть различным для сообщения одного и того же смыслового содержания.

В компьютерной технике, как известно, все данные, подлежащие обработке, представляются в кодированном виде с использованием, как правило, двоичной системы счисления. В этой системе счисления минимальной единицей измерения объема данных служит бит (один двоичный разряд). Например, сообщение в виде шестиразрядного двоичного кода 110010 имеет объем данных Vg = 6 бит. В современных компьютерах применяется также более укрупненная единица измерения - байт, который соответствует 8 бит. Отметим, что с увеличением основания системы счисления для одного и того же сообщения требуется меньшее количество цифровых знаков, что приводит к соответствующему уменьшению объема данных. Так, по сравнению с двоичной системой счисления восьмеричная, десятичная и шестнадцатеричная системы счисления приводят к такому уменьшению, соответственно, в 3; 3,33 и 4 раза.

Количество информации I обычно связывают с оценкой неопределенности системы (энтропии системы). Действительно, получение информации о какой - либо системе всегда связано с изменением степени неосведомленности получателя о состоянии этой системы. Такой вероятностно - статистический подход к измерению количества информации был впервые предложен К.Э.Шенноном в его работе "Математическая теория связи", опубликованной в 1948 году.

Согласно этой теории количество информации I? о системе, полученной в сообщении р, оценивается уменьшением неопределенности состояния системы или разностью между начальной энтропией Н (до получения сообщения) и конечной энтропией Н? (после получения сообщения ?), т.е.

I? = H - H?.

14

Если в результате полученного сообщения ? неопределенность в системе полностью исчезает (Н? = 0), то количество информации в этом сообщении равно энтропии:

I? = Н

Иными словами, энтропия системы Н может рассматриваться как мера недостающей информации для устранения неопределенности в системе.

Энтропия системы Н, имеющей N возможных состояний, согласно формуле Шеннона, равна

где Pi - вероятность того, что система находится в i - м состоянии.

Если все состояния системы равновероятны, т.е. их вероятности равны Pi = 1/N , то ее энтропия определяется соотношением:

Если для передачи сообщения используется двоичная система счисления, то n - разрядная двоичная комбинация может отобразить N = 2n различных состояний системы. Для равновероятностных состояний системы и при использовании в формуле Шеннона двоичного логарифма качество информации будет равно объему передаваемых данных V? и соответствовать n битам, т.е. I = V? = n. Для неравновероятных состояний системы всегда I < V? = n. Для оценки информативности сообщений используют отношение количества информации к объему данных:

С увеличением Y уменьшаются объемы работы по преобразованию информации (данных) в системе, т.е. работы по извлечению информативных данных, уменьшающих неопределенность в системе.

Семантическая мера информации. Для измерения смыслового содержания информации, т.е. ее количества на семантическом уровне, получила распространение так называемая тезаурусная мера, которая связывает семантические свойства информации со способностью пользователя принимать поступившее сообщение. Для этого используется понятие тезауруса, т.е. совокупности сведений, которыми располагает пользователь или система.

В зависимости от соотношений между смысловым содержанием информации S и тезаурусом пользователя Sp изменяется количество семантической информации Ic, воспринимаемой пользователем и включаемой им в дальнейшем в свой тезаурус.


Так, например, при Sp ? 0 пользователь вообще

15

может не воспринять и не понять поступающую информацию. Наоборот, при Sp > ? пользователь все знает, и поступающая информация ему не нужна. Максимальное количество семантической информации Ic потребитель получает при согласовании ее смыслового содержания S со своим тезаурусом Sp (Sp = Sponm), когда поступающая информация понятна пользователю и, вместе с тем, несет ему ранее не известные (отсутствующие в его тезаурусе)сведения.

Относительной мерой количества семантической информации может служить коэффициент содержательности С. определяемый отношением семантической информации к ее объему: С = Iс/V?.

Прагматическая мера информации. Эта мера определяет полезность (ценность) информации для достижения пользователем поставленной цели. Данная мера является величиной относительной, зависящей от особенностей использования этой информации в конкретной области при реализации определенной цели. Например, в экономической системе прагматические свойства информации можно оценить приростом экономического эффекта функционирования системы, достигнутым благодаря использованию этой информации для управления системой.

Показатели качества информации. По сравнению с количественными оценками показатели качества информации менее формализованы и потому достаточно условны и субъективны. Перечислим и кратко прокомментируем некоторые из этих показателей

Репрезентативность информации связана с правильностью ее отбора и формирования в целях адекватного отражения свойств объекта.

Содержательность и информативность отражают долю, соответственно, семантической и синтаксической информации в общем объеме данных, т.е. С =

Ic

V?

  и Y =

I

V?

 .

Достаточность (полнота) означает, что информация по своему содержанию (семантике) и прагматике содержит минимальный состав, но достаточный для принятия правильного решения.

Доступность информации для ее восприятия пользователем, достигаемая, в частности, путем согласования ее семантической формы с тезаурусом пользователя.



Актуальность информации характеризует степень сохранения ее ценности при использовании в необходимых целях. Она зависит от динамики изменения характеристик объекта и от интервала времени, прошедшего с момента возникновения данной информации до ее регистрации и использования. С актуальностью информации тесно связан такой показатель качества информации, как ее своевременность (поступление информации должно быть строго согласовано с соответствующими стадиями и этапами решения поставленной задачи).

16

Точность информации определяется степенью ее близости к реальному состоянию объекта, процесса или явления. С точностью также близко связана достоверность информации, которая оценивается вероятностью того, что отображаемое информацией значение параметра отличается от истинного значения этого параметра в пределах необходимой точности.

В заключении следует отметить, что практически все рассмотренные параметры качества информации определяются и формируются на уровне самой методики разработки информационных систем. Хотя, конечно, на некоторые из них оказывают определенное влияние также и технологические характеристики функционирования таких систем.

В этой связи можно, например, высказать определенные соображения по поводу точности как показателя качества информации. Дело в том, что именно точность непосредственно зависит от физической формы представления информации и используемых для ее регистрации технических средств.

Существуют две формы физического представления информации: аналоговая (непрерывная) и дискретная (цифровая). В первом случае информация представляется в виде непрерывного ряда значений какой - либо физической величины (чаще всего электрического напряжения); при этом каждое ее значение отражает соответствующее текущее состояние исследуемого объекта. В аналоговом виде точность представления информации весьма невысокая, поскольку ограничена точностью тех технических устройств, которые используются для ее измерения и регистрации.

При дискретной форме представления используется набор определенных символов (знаков), который формируется в определенные последовательности, отображающей соответствующую информацию.Обычно каждому символу присваивается числовое (цифровое) значение, и тогда представленная информация приобретает чисто цифровой характер. Для информации, отображаемой в цифровой форме, формально нет ограничений по точности представления. Эта точность определяется значением единицы младшего разряда числа. Чем больше количество разрядов, тем выше точность представления. Хотя реальная точность может определяться не младшим разрядом числа, а тем последним разрядом, достоверность которого гарантируется.

Благодаря явным преимуществам цифровой формы по точности представления информации для ее обработки стали применяться именно электронные вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания об их цифровом принципе действия.

17

14 :: 15 :: 16 :: 17 :: Содержание

Контрольные вопросы

Объясните понятие "информация". Чем информация отличается от данных? Через понятие "информация" поясните циклический характер процесса познания окружающего мира. Что такое адекватность информации и в каких формах она проявляется? Какие меры используются для оценки количества информации? Чем отличается количество информации от объема данных? Поясните связь, существующую между количеством информации и энтропией системы. Какие существуют показатели качества информации? Поясните зависимость точности информации от формы физического представления данных. Проведите классификацию информации по различным признакам. Объясните сущность информационной технологии. Назовите революционные этапы на пути ее развития. Дайте общее понятие информатики как области человеческой деятельности. Укажите основные компоненты, формирующие ее состав. В чем состоит кибернетический подход к исследованию систем управления? Какими информационными процессами сопровождается управленческая деятельность? Из каких компонентов обычно состоит структура экономической информации?

Чем характеризуется эволюция информационных процессов в обществе? Каким образом проявляют себя информационные кризисы? Перечислите и охарактеризуйте информационные революции, происшедшие в обществе. В чем состоит сущность современной информационной революции? Чем отличается информатизация общества от компьютеризации? Какими ресурсами обеспечивается развитие индустриального и информационного общества? Назовите принципы, на основе которых реализуется информатизация современного общества. Охарактеризуйте особенности информационной экономики. Рассмотрите роль и значение средств массовой информации для успешной информатизации общества. Дайте общую характеристику информационным продуктам и информационным услугам. Как формируется и чем обеспечивается рынок информационных продуктов и услуг? Укажите истоки возникновения современной проблемы защиты информации. Е5 чем состоит суть такой защиты? Приведите примеры случайного и преднамеренного нарушения зашиты информации. Что представляет собой в целом система защиты информации и как она формируется? Перечислите и охарактеризуйте основные средства, используемые для защиты информации.

48

48 :: Содержание

Сформулируйте общие понятия об информационных системах и информационных технологиях. В чем состоит их взаимосвязь? Рассмотрите основные этапы в эволюции информационных систем и технологий. Каковы отличительные особенности современных информационных технологий? Приведите общую структуру и укажите основные свойства информационной системы. Какие цели достигаются в результате их создания? Охарактеризуйте назначение различных обеспечивающих подсистем в структуре информационной системы. Дайте классификацию информационных систем по функциональному назначению, уровням управления и другим признакам. Рассмотрите аналогии и различия между информационной технологией и технологией материального производства. Представьте в общем виде иерархию отдельных этапов, операций и действий при реализации информационной технологии. Сопоставьте достоинства и недостатки централизованной и децентрализованной технологии обработки данных. Как менялись во времени характер и тип задач, решаемых с использованием информационных технологий? Дайте общую характеристику информационным технологиям: - поддержки принятия решений; - автоматизации офиса.

66

66 :: Содержание

Назовите технологические этапы, обеспечивающие подготовку и решение на ЭВМ информационных задач. В чем состоит сущность постановки задачи, подлежащей решению на ЭВМ? Как используются для этого математические средства? Определите понятие алгоритма решения задачи, назовите его основные свойства и типы. Какие существуют способы описания алгоритма? Дайте понятие программного обеспечения ЭВМ и укажите его основные функции. Каким требованиям должно отвечать программное обеспечение современных ЭВМ? Охарактеризуйте состав системного программного обеспечения ЭВМ. Назовите основные функции, реализуемые операционной системой. Какие функции выполняют операционные оболочки и операционные среды'7 Дайте классификацию языков программирования. Сравните между собой трансляторы - интерпретаторы и трансляторы - компиляторы. Укажите основные стадии предварительной обработки программ пользователей перед их выполнением. В чем заключаются и как реализуются отладка и тестирование программ? Рассмотрите иерархию системных программных средств, используемых пользователем - программистом при подготовке и решении информационных задач.

88

88 :: Содержание

Поясните сущность позиционных систем счисления. Как представляется запись числа в таких системах путем разложения в степенной ряд? Покажите целесообразность использования в ЭВМ двоичной системы счисления. Укажите другие системы счисления, применяемые в ЭВМ. Сформулируйте общие правила перевода целых и дробных чисел из одной позиционной системы счисления в другую.

117

Сравните между собой формы представления чисел с фиксированной и плавающей точками. Как представляются двоичные числа со знаком в прямом, обратном и дополнительном машинных кодах? Для представления каких данных обычно используются форматы фиксированной и переменной длины? Покажите на примерах особенности выполнения арифметических операций над двоичными числами, представленными в формах - с фиксированной точкой; - с плавающей точкой. Определите понятия логической переменной и логической функции. Сколько логических функций существует для n логических переменных? Приведите соотношения, отражающие основные законы алгебры логики. Охарактеризуйте логические функции двух переменных по их табличному представлению. Сформулируйте правила образования ДСНФ и КСНФ логической функции. В чем состоит функциональная полнота системы логических функций? Какие функционально полные или базисные системы логических функций Вы знаете? С какой целью и как осуществляется преобразование логических выражений? Дайте общую характеристику метода минимизирующих карт Карно.

118

117 :: 118 :: Содержание

Укажите особенности комбинационной схемотехники, используемой в ЭВМ. Чем отличаются цифровые автоматы с памятью от комбинационных схем? Перечислите основные технические и эксплуатационные характеристики элементной базы ЭВМ. Что определяет базисный состав логических элементов? Какие логические элементы образуют основной, нормальный и универсальный базисы? Укажите последовательность действий при реализации произвольной логической функции в базисах И - НЕ и ИЛИ - НЕ. Какую функцию выполняют триггеры в составе устройств ЭВМ? Дайте классификацию триггеров. Опишите таблично и с помощью соответствующих аналитических выражений логику работы асинхронного RS - триггера. Приведите функциональные схемы такого триггера, используя логические элементы ИЛИ - НЕ и И - НЕ. Дайте общую характеристику RS - , Т - , D - и JK - триггеров. Приведите схемы статического и сдвигающего регистров. Рассмотрите принцип действия и схемную реализацию двоичных и десятичных счетчиков.

147

Охарактеризуйте принцип действия и логику работы дешифраторов. Составьте таблицу работы комбинационного сумматора с двумя входами (полусумматора). Приведите функциональную схему такого сумматора. Составьте функциональную схему комбинационного сумматора с тремя входами. Сопоставьте схемотехнику многоразрядных комбинационных сумматоров последовательного и параллельного принципов действия.

148

147 :: 148 :: Содержание

Приведите классическую структурную схему ЭВМ и укажите назначение ее основных устройств. Что представляет в структурном отношении процессор ЭВМ и какие функции он выполняет? Приведите иерархию различных типов запоминающих устройств в составе ЭВМ. Определите понятие интерфейса в структуре ЭВМ. Какие функции реализует интерфейс ввода - вывода? Рассмотрите структурные схемы ЭВМ с каналами ввода - вывода и с общей системной магистралью с позиции повышения эффективности работы ЭВМ в целом. Сформулируйте основные принципы, лежащие в основе структурного построения современных ЭВМ. Назовите основные технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ. Приведите хронологию смены поколений ЭВМ в зависимости от используемой элементной базы. Укажите особенности и типовые характеристики ЭВМ различных поколений. Дайте классификацию ЭВМ с учетом их характеристик. Охарактеризуйте области целесообразного применения ЭВМ различных классов. Приведите структуру и динамику развития мирового парка ЭВМ.

164

164 :: Содержание

Определите понятие архитектуры ЭВМ. В чем отражается функциональная и структурная организация ЭВМ? Что означает совместимость ЭВМ: программная, информационная и техническая? В чем заключается принцип программного управления работой ЭВМ? Как организовано функциональное взаимодействие структурных компонентов ЭВМ при автоматическом выполнении команд программы? Охарактеризуйте адресную структуру машинных команд и используемые в них способы адресации операндов. Дайте характеристику существующим режимам работы ЭВМ: однопрограммному, многопрограммному и многопоточному. Рассмотрите особенности различных форм (режимов) обслуживания пользователей. В чем состоит основная цель организации управления основной памятью ЭВМ? Рассмотрите особенности статического и динамического распределения памяти. Каким образом реализуется сегментная и сегментно - страничная организация управления памятью? Охарактеризуйте особенности виртуальной памяти. Что означает защита памяти и как она осуществляется? Охарактеризуйте основные функции интерфейса ввода - вывода. Какие технические и программные средства используются для его реализации? Рассмотрите особенности и разновидности программно - управляемой передачи данных в интерфейсе ввода - вывода. Как реализуется и для передачи каких данных используется прямой доступ к памяти? Какие функции выполняет в ЭВМ система прерываний? Укажите особенности построения и основные характеристики этой системы.

189

189 :: Содержание

Какие технологические достижения определили создание персональных ЭВМ? Назовите основные этапы в их эволюции. Приведите основные отличительные особенности персональных ЭВМ в сравнении с другими классами ЭВМ. Дайте классификацию персональных ЭВМ. Укажите назначение и особенности сетевых компьютеров. Охарактеризуйте подкласс переносных персональных компьютеров. Приведите структурную схему персональной ЭВМ, укажите состав и назначение основных устройств. Что реализует в составе ПЭВМ математический сопроцессор? Что представляет собой внутримашинный системный интерфейс? Каковы его основные функциональные характеристики? Какие функции выполняют системные шины расширений и локальные шины? Как осуществляется их комплексирование? Что включают в себя средства мультимедиа? Определите назначение и укажите архитектурные особенности построения микропроцессоров. Какие типы команд реализуются микропроцессором? Дайте классификацию МП в зависимости от состава системы команд. В чем состоит конвейерная обработка данных в микропроцессоре? Как в микропроцессоре осуществляется буферизация данных и программ с использованием КЭШ - памяти? Какая иерархия существует в устройствах КЭШ - памяти? Приведите функциональную структуру устройства управления микропроцессора. Приведите структурные особенности арифметико - логического устройства микропроцессора. Какие функции выполняет интерфейсная часть микропроцессора? Приведите типовые характеристики современных микропроцессоров.

211

211 :: Содержание

Каковы назначение и основные характеристики запоминающих устройств ЭВМ? Дайте классификацию запоминающих устройств ЭВМ в зависимости от их назначения. Какие типы этих устройств являются энергозависимыми и энергонезависимыми? Какие параметры используются для оценки быстродействия основной и внешней памяти? Укажите состав и логическую структуру основной памяти ЭВМ. Как распределяется между ОЗУ и ПЗУ непосредственно адресуемая память? Чем определяется ее адресное пространство? Что служит элементной базой для оперативной и сверхоперативной памяти? Сравните между собой элементы статического и динамического типов. Какими схемотехническими средствами организуются адресное и безадресное обращения к памяти? В чем состоит матрично - координатный принцип адресного обращения к памяти? Какие безадресные структуры памяти Вы знаете? Каковы назначение и основные характеристики микропроцессорной памяти и КЭШ - памяти? Дайте общую характеристику и классификацию устройств внешней памяти ЭВМ. Какие типы носителей информации используются в устройствах внешней памяти ЭВМ? Перечислите и охарактеризуйте основные типы дисковых накопителей информации. В чем состоит процедура форматирования дисков? Какие физические принципы используются в оптических и магнитооптических запоминающих устройствах? Какими характеристиками обладают такие устройства? Приведите основные характеристики стриммеров.

226

226 :: Содержание

Укажите назначение и состав видеотерминальных устройств ПЭВМ. Дайте классификацию и приведите основные технические характеристики видеомониторов. Какие существуют типы видеоадаптеров? Как реализуется графический режим в цветных видеомониторах? Укажите функции, выполняемые отдельными группами клавиш в составе клавиатуры ПЭВМ. Охарактеризуйте основные типы манипуляторов, используемых в ПЭВМ. Укажите основные признаки, характеризующие различные типы печатающих устройств ПЭВМ. Дайте описание принципа действия матричных принтеров. Рассмотрите особенности построения и характеристики струйных и лазерных принтеров. Охарактеризуйте существующие устройства ввода в ПЭВМ графической информации. Какими типами периферийных устройств осуществляется вывод на печать графической информации? Какое периферийное оборудование используется для подключения ПЭВМ к каналам связи?

241

241 :: Содержание

Укажите эволюционные предпосылки для создания вычислительных систем. Определите понятие и дайте классификацию вычислительных систем в зависимости от состава комплексируемых элементов. Сформулируйте основные принципы, лежащие в основе построения вычислительных систем. Охарактеризуйте особенности построения многомашинных вычислительных систем и проведите их классификацию. Чем отличаются слабо - и сильносвязанные многомашинные вычислительные системы? Как реализуются многомашинные системы с интерфейсом "Общая шина"? Укажите особенности построения многопроцессорных вычислительных систем. Дайте классификацию многопроцессорных систем в зависимости от параллелизма потоков команд и данных. Рассмотрите принцип построения конвейерных многопроцессорных систем. Укажите особенности многопроцессорных систем векторной и матричной структуры. В чем состоит критерий сбалансированности ресурсов ЭВМ? Как реализуется он при построении суперЭВМ? Какие существуют способы организации доступа процессоров к общей оперативной памяти и общим периферийным устройствам? Укажите отличия вычислительных сетей от традиционных многомашинных вычислительных систем. Перечислите основные преимущества сетевой обработки данных. Что представляет собой 7 - уровневая модель взаимодействия открытых систем? Что регламентируется в ней стандартными интерфейсами и протоколами? Укажите особенности построения локальных вычислительных сетей Какие топологии применяются в них? Рассмотрите возможности использования глобальной вычислительной сети Internet.

269

269 :: Содержание

Логические функции двух переменных

Как уже отмечалось, для двух логических переменных х и у существует четыре различных набора: , , , . На этих наборах переменных (аргументов) может быть задано 16 различных логических функций f(х,у), так как 24 = 16. В таблице 5.1 приведены значения всех этих функций для каждого из четырех наборов двух аргументов.

108

Таблица 5.1

Логические функции двух аргументов

Аргументы		Функции
x	y	f0	f1	f2	f3	f4	f5	f6	f7	f8	f9	f10	f11	f12	f13	f14	f15
0	0	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1
0	1	0	0	1	1	0	0	1	1	0	0	1	1	0	0	1	1
1	0	0	0	0	0	1	1	1	1	0	0	0	0	1	1	1	1
1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1

Дадим краткую характеристику этим функциям, причем их рассмотрение будем проводить не в порядке нумерации функций в табл. 5.1, а в той последовательности, которая позволит выявить их общие и характерные свойства. Заметим также, что некоторые из этих функций уже были названы ранее.

f14(х, у) - дизъюнкция (логическое сложение, операция "ИЛИ") переменных х и у, принимающая значение 0, когда оба аргумента х и у одновременно равны 0; во всех остальных случаях она равна 1. Иными словами, функция дизъюнкции равна max (х, у). f1(х, у) - отрицание дизъюнкции (операция "ИЛИ - НЕ"). Данная функция обращается в единицу только в том случае, если аргументы х и у одновременно равны нулю; во всех остальных случаях она равна 0. Часто в литературе функцию х ? у называют также операцией Пирса, по фамилии математика, исследовавшего ее свойства. f8(х, у) - конъюнкция (логическое умножение, операция "И") переменных х & y, принимающая значение 1, когда оба аргумента х и у одновременно равны 1; во всех остальных случаях функция равна 0. Иными словами, функция конъюнкции равна min (х, у). f7(х, у) - отрицание конъюнкции (операция "И - НЕ"). Данная функция х & у обращается в нуль только в том случае, когда аргументы х и у одновременно равны 1, и в единицу - во всех остальных случаях. Эта функция называется также операцией Шеффера. f9(х, у) - эквивалентность или равнозначность переменных х и у.
Данная функция обращается в единицу, если совпадают значения аргументов; в остальных случаях она равна нулю. Обозначается эквивалентность знаком ~, который читается как "равнозначно". f6(х, у) - отрицание эквивалентности или неравнозначности переменных х и у. Запись х ~ у читается как "х не равнозначно у". Можно убедиться, что значения функции неравнозначности получаются поразрядным сложением переменных х и у по модулю 2, т.е. без учета переноса в старший разряд. f11(х, у) - импликация от х к у, которая обращается в нуль только в том случае, если х = 1, а у = 0; в остальных случаях функция импликации от х к у равна единице. Данная функция обозначается х > у и читается как "если х, то у".

109

f4(х, у) - отрицание импликации от х к у, т.е. х > у. Данную функцию можно рассматривать как функцию запрета со стороны переменной у. Это означает, что функция х > у обращается в нуль, если переменная у равна единице; в остальных случаях она повторяет переменную х. f13(х, у) - импликация от у к х, которая обращается в нуль только в том случае, если у = 1, а х = 0; в остальных случаях функция импликации от у к х равна единице. Данная функция обозначается у > х и читается как "если у, то х". f2(х, у) - отрицание импликации от у к х, т.е. у > х. Данную функцию можно рассматривать как функцию запрета со стороны переменной х. Это означает, что функция у > х обращается в нуль, если переменная х равна единице; в остальных случаях она повторяет переменную у. f12(х, у) - функция, повторяющая значения переменной х, т.е. f12(x, у) = x. f3(х, у) - функция отрицания переменной х, т.е. f3(х, у) = х. f10(х, у) - функция, повторяющая значения переменной у, т.е. f10(х, у) = у. f5(х, у) - функция отрицания переменной у, т.е. f5(х, у) = у. f0(х, у) - функция, тождественно равная нулю, т.е. f0(х, у) = 0. f15(х, у) - функция, тождественно равная единице, т.е. f15(х, у) = 1.

110

108 :: 109 :: 110 :: Содержание

Логические элементы

Логические элементы обеспечивают реализацию различных логических функций от входных двоичных переменных, например, функций И, ИЛИ, НЕ и др. Типовой набор таких элементов должен обеспечивать реализацию функционально полной системы логических функций. С использованием такого набора элементов может быть построена любая по сложности комбинационная схема.

В табл. 6.1 приведены условные обозначения типовых элементов и реализуемые ими логические функции.

Таблица 6.1

Условные обозначения типовых логических элементов

Наименование элемента	Условное обозначение	Название и логическая запись функции
И		Конъюнкция y = x1 & x2 y = x1x2
ИЛИ		Дизъюнкция y = x1 ? x2 y = x1 + x2
НЕ		Инверсия y = x
ИЛИ - НЕ		Стрелка Пирса y = x1 ? x2
И - НЕ		Штрих Шеффера y = x1 & x2

124

В обозначениях элементов выход отмечается кружком, если реализуется функция с инверсией (отрицанием); вход также отмечается кружком, если функция реализуется при инверсном значении соответствующей входной переменной.

Приведенные логические элементы позволяют построить любую комбинационную схему в различных базисных наборах элементов, в том числе в основном базисе (элементы И, ИЛИ, НЕ), нормальных базисах (элементы И, НЕ или ИЛИ, НЕ) и универсальных базисах (элементы И - НЕ или ИЛИ - НЕ).

Основной базис, состоящий из трех элементов: И, ИЛИ, НЕ, полностью соответствует представлению реализуемого логического выражения в ДСНФ или КСНФ.

Данный базис является избыточным, т.к. из него с помощью формулы де Моргана всегда можно исключить либо элемент И, либо элемент ИЛИ. Полученный в результате такого преобразования базис называется нормальным и состоит лишь из двух элементов: либо И, НЕ, либо ИЛИ, НЕ.

На рис. 6.4. приведены комбинационные схемы, реализующие функцию И на элементах ИЛИ, НЕ, а также функцию ИЛИ на элементах И, НЕ. В основе этих схем лежит формула де Моргана, согласно которой

х1 & х2 = x1 ? x2;

х1 ? х2 = x1 & x2.

Рис. 6.4. Комбинационные схемы, реализующиеа) функцию И на элементах ИЛИ, НЕ;б) функцию ИЛИ на элементах И, НЕ

125

Если требуется реализовать в универсальном базисе И - НЕ произвольную логическую функцию, то необходимо выполнить следующую последовательность действий:

- записать заданную функцию в ДСНФ и минимизировать ее в базисе И, ИЛИ, НЕ;

- над полученным выражением поставить двойное отрицание;

- осуществить переход в универсальный базис И - НЕ, используя при этом выражения:

Рассмотрим пример:

На рис. 6.5 приведена комбинационная схема, реализующая данную функцию на элементах И - НЕ:.

Рис. 6.5. Комбинационная схема на элементах И - НЕ

Если необходимо реализовать в универсальном базисе ИЛИ - НЕ произвольную логическую функцию, то необходимо выполнить следующую последовательность действий:

- записать заданную функцию в КСНФ и минимизировать ее в базисе И, ИЛИ, НЕ;

- над полученным выражением поставить двойное отрицание;

- осуществить переход в универсальный базис ИЛИ - НЕ, используя при этом выражения:

126

На рис. 6.6 приведена комбинационная схема, реализующая данную функцию на элементах ИЛИ - НЕ.

Рис. 6.6. Комбинационная схема на элементах ИЛИ - НЕ

127

124 :: 125 :: 126 :: 127 :: Содержание

Машинные коды и форматы представления данных

Во всех ЭВМ для выполнения арифметических операций над числами применяются специальные машинные коды: прямой, обратный и дополнительный. С использованием этих кодов операция вычитания (или алгебраического сложения) сводится к арифметическому суммированию, упрощается определение знака результата операции, облегчается выработка признака переполнения разрядной сетки.

В каждом из этих кодов перед старшим цифровым разрядом числа располагается знаковый разряд, в котором записывается нуль для положительного числа и единица для отрицательного. В дальнейшем при записи машинных кодов знаковый разряд будет отделяться от цифровых разрядов точкой.

Прямой код двоичного числа содержит цифровые разряды, перед которыми записан знаковый разряд. Например, для чисел х = + 1101 и у = - 1001 их прямые коды запишутся в виде: xпр = 0.1 101 и yпр = 1.1001.

Обратный код положительного числа полностью совпадает с его прямым кодом. Обратный код отрицательного числа содержит единицу в знаковом разряде, а значащие цифровые разряды числа заменяются на инверсные, т.е. нули заменяются единицами, а единицы - нулями. Для приведенного выше примера с числами х и у имеем: хобр = 0.1101 и yобр = 1.0110.

Особенностью обратного кода является то, что в нем нуль имеет двоякое представление. Он может быть положительным (+ 0)обр = 0.00...0 и отрицательным числом (- 0)обр = 1.11...1. Двойственное представление нуля явилось причиной того, что в современных ЭВМ числа обычно представляются не обратным, а дополнительным кодом.

Дополнительный код положительного числа совпадает с прямым кодом, а для отрицательного числа образуется из обратного кода путем прибавления единицы к младшему разряду. Для приведенного ранее примера имеем: xдоп = хпр = 0.1101 и yдоп = 1.0111.

В дополнительном коде нуль имеет единственное представление (+ 0)доп = (- 0)доп = 0.00..0.

Следует также обратить внимание на то, что для данной длины разрядной сетки дополнительным кодом представляется на единицу больше отрицательных чисел, чем положительных.
Например, в 8 - разрядной сетке можно представить наибольшее положительное число + 127 (в прямом коде 0.1111111) и наименьшее отрицательное число - 128 (в дополнительном коде 1.0000000).

При использовании обратного или дополнительного кода операция алгебраического сложения сводится к простому арифметическому суммированию. Положительные числа представляются в прямом коде, а отрицательные - в инверсном (обратном или дополнительном) коде. Затем производится арифметическое суммирование этих кодов, включая знаковые

97

разряды, которые при этом рассматриваются как старшие разряды. При использовании обратного кода возникающая единица переноса из знакового разряда циклически прибавляется к младшему разряду суммы кодов, а при использовании дополнительного кода эта единица отбрасывается, что также является определенным преимуществом дополнительного кода по сравнению с обратным.

Если в результате суммирования получен положительный результат (0 в знаковом разряде), то он представлен в прямом коде; если получен отрицательный результат (1 в знаковом разряде), то он представлен в том инверсном коде, который использовался для кодирования отрицательных слагаемых,

В ЭВМ производится обработка не только числовой информации, но также символьной или текстовой информации. Для кодирования символьной (алфавитно - цифровой) информации используется код ASCII (American Standard Code for Information Interchange - Американский стандартный код для обмена информацией), имеющий основной стандарт и его расширение. Основной стандарт для кодирования символов использует шестнадцатеричные коды 00 - 7F, расширение стандарта - коды 80 - FF. Основной стандарт является международным и используется для кодирования управляющих символов, цифр и букв латинского алфавита; в расширенном стандарте кодируются символы псевдографики и буквы национального алфавита (естественно, в разных странах разные).

Таким образом, любая числовая и символьная информация представляется в ЭВМ двоичными кодами. Отдельные элементы этих кодов принимают значения 0 или 1 и называются разрядами, или битами.


В современных ЭВМ в качестве минимальной адресуемой и обрабатываемой единицей информации принят 8 - разрядный байт. Каждый байт, размещенный в памяти ЭВМ, имеет адрес, определяющий его местонахождение.

Информационные байты представляются в ЭВМ определенными форматами, которые могут быть как фиксированной, так и переменной длины.

Форматы фиксированной длины используют, помимо байта, также полуслово (2 байта), слово (4 байта) и двойное слово (8 байт), как показано на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Форматы фиксированной длины

98

В форматах фиксированной длины обычно представляются двоичные числа, команды программы и некоторые логические данные.

Формат данных переменной длины состоит из достаточно большой группы последовательно расположенных байтов (например, от 1 до 256). Адресация таких данных, как и в форматах фиксированной длины, производится: по адресу самого левого байта.

Для удобства выполнения арифметических операций над десятичными числами в ЭВМ наряду с существующим кодированием алфавитно - цифровых символов предусматриваются специальные форматы для десятичных чисел: распакованный (зонный) и упакованный. Каждая десятичная цифра представляется в двоично - десятичном коде 4 - разрядным двоичным числом.

В распакованном формате (рис. 5.4, а) в правых четырех разрядах каждого байта записывается одна десятичная цифра, а в левых четырех разрядах - специальный 4 - разрядный символ, называемой зоной. Знак числа размещается в четырех левых разрядах младшего байта. Зонный формат обычно используется при операциях ввода - вывода десятичных чисел.

Рис. 5.4. Форматы представления десятичной информации:а) зонный: б) упакованный

В упакованном формате (рис. 5.4, б) каждый байт служит для представления двух десятичных цифр. Знак числа размещается в правых четырех разрядах младшего байта. Десятичное число в этом формате всегда занимает целое число байтов. Упакованный формат обычно используется при выполнении операций над десятичными числами.

99

97 :: 98 :: 99 :: Содержание

Микропроцессоры

Микропроцессор (МП) - функционально законченное программно - управляемое устройство ПЭВМ, обеспечивающее арифметическую и логическую обработку данных и управление вычислительным процессом. Конструктивно МП выполнен на большой интегральной схеме, представляющей собой полупроводниковый кристалл в пластиковом, керамическом или металлокерамическом корпусе, на котором расположены необходимые выводы для приема и выдачи электрических сигналов. Степень интеграции такой схемы определяется размером кристалла и количеством размещенных в нем транзисторов.

Быстродействие (производительность) микропроцессора в значительной степени зависит от тактовой чистоты и от его архитектуры. Архитектура МП определяет, какие данные он может обрабатывать, какие машинные инструкции входят в набор выполняемых им команд, как происходит обработка данных, каков объем внутренней памяти микропроцессора.

Для большинства задач, не требующих сложных математических вычислений, микропроцессоры осуществляют обработку только целых чисел разрядностью 8, 16 или 32 бита. Вместе с тем при решении сложных математических и физических задач, при работе с трехмерной графикой, электронными таблицами, издательскими пакетами и другими материалами важным параметром является скорость выполнения операций с плавающей запятой. Для таких задач предусмотрен специализированный математический сопроцессор, работающий параллельно с центральным МП и обрабатывающий данные с плавающей запятой. В последних разработках (начиная с 180486) центральный МП и сопроцессор реализованы в одном кристалле.

204

В системе команд микропроцессора, помимо команд, реализующих арифметические операции над числовыми данными, имеются команды пересылки данных, логические команды, команды обработки текстовых данных, передачи управления, а также появившиеся в последнее время команды обработки графических, видео - и аудиоданных (технология ММХ - Multi Media eXtention - мультимедийное расширение). Общее число команд современных микропроцессоров достигло 240.
В зависимости от реализуемой системы команд все микропроцессоры можно разделить на три группы.

МП типа CISC (Complex Instruction Set Computing) с полным набором команд. МП типа RISC (Reduced Instruction Set Computing) с сокращенным набором команд. МП типа MISC (Minimum Instruction Set Computing) с минимальным набором команд.

Большинство современных ПЭВМ используют в настоящее время микропроцессоры типа CISC.

Производительность микропроцессора существенно повышается при использовании конвейерного принципа выполнения команд, при котором микропроцессор выполняет одновременно несколько следующих друг за другом команд программы. С этой целью реализация каждой команды разбивается на отдельные этапы (например, выборка команды из памяти, ее декодирование (расшифровка), выполнение, запись результата в память. При этом выполнение следующей команды программы может быть начато до завершения предыдущей (например, пока первая команда выполняется, вторая может декодироваться, третья выбираться и т.д.). Конвейерное выполнение команд увеличивает производительность МП в несколько раз. Если в микропроцессоре имеется несколько блоков обработки, в основу работы которых положен принцип конвейера, то его архитектуру называют суперскалярной. Например, если МП Pentium имеет 5 - ступенную конвейерную архитектуру, то Pentium Pro - 14 - ступенную суперконвейерную структуру (superpipelining).

Для повышения производительности микропроцессоров используется также механизм предсказания переходов при выполнении команды условной передачи управления - так называемое "исполнение по предложению с изменением последовательности". Это означает, что если в очереди команд появилась команда условного перехода, то предсказывается, какая команда будет выполняться следующей до определения признака перехода. Выбранная ветвь программы выполняется в конвейере, но запись результата осуществляется только после вычисления признака перехода в случае, если переход выбран верно. Если выбор ветви программы ошибочен, то микропроцессору приходиться вернуться назад и выполнить правильные операции в соответствии с вычисленным признаком перехода.


В

205

микропроцессоре Pentium Pro вероятность правильного предсказания переходов достигает 90 %.

Производительность микропроцессора повышается за счет буферизации часто используемых команд и данных во Внутренней высокоскоростной регистровой КЭШ - памяти относительно небольшой емкости. Регистры КЭШ - памяти недоступны для пользователя. Отсюда и название КЭШ (Cache), что в переводе с английского означает "тайник".

В КЭШ - памяти хранятся данные, которые МП получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Быстрый доступ к этим данным позволяет сократить время выполнения очередных команд программы. При выполнении программы данные с небольшим опережением считываются из ОП и записываются в КЭШ - память. Микропроцессоры Pentium и Pentium Pro имеют встроенную КЭШ - память (или КЭШ - память 1 - го уровня) отдельно для данных и отдельно для команд, причем если у Pentium емкость этой памяти небольшая - по 8 Кбайт, то у Pentium Pro она достигает 256 - 512 Кбайт. Следует также иметь в виду, что для всех МП может использоваться дополнительная КЭШ - память (Кэш - память 2 - го уровня), размещенная на материнской плате вне МП, емкость которой может достигать нескольких Мбайтов.

Рассмотрим теперь в обобщенном виде основы функциональной и структурной организации микропроцессоров.

В функциональном отношении МП состоит из двух частей:

- операционной, содержащей устройство управления, арифметико - логическое устройство и микропроцессорную память (МПП); - интерфейсной, содержащей адресные регистры МПП, блок регистров команд, схемы управления шиной и портами.

Устройство управления (УУ) является функционально наиболее сложным устройством ПЭВМ. Оно вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций во все блоки машины. Упрощенная функциональная схема УУ, показанная на рис. 9.4, содержит следующие основные блоки.

Регистр команд (РК) - запоминающий регистр, в котором хранится код команды, состоящий из кода выполняемой операции и адресов операндов, участвующих в этой операции.



Дешифратор операций - логический блок, выбирающий в зависимости от поступающего из РК кода операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов.

206

Рис. 9.4. Укрупненная функциональная схема устройства управления

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микропрограмм хранит в своих ячейках последовательности управляющих сигналов, необходимых для выполнения в блоках ПЭВМ требуемых машинных операций.

Узел формирования адреса вычисляет полный исполнительный адрес ячейки памяти или регистра внешнего устройства по реквизитам, поступающим из регистра команд и регистров МПП. Он находится в интерфейсной части микропроцессора.

Кодовые шины данных, адреса и инструкций также являются частью внутреннего интерфейса микропроцессора; они сопрягаются с шинами системной магистрали с помощью соответствующих схем управления.

В общем случае УУ микропроцессора формирует управляющие сигналы для выполнения следующих основных процедур:

- выборки из регистра - счетчика адреса команды МПП адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы; - выборки из ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема считанной команды в регистр команд; - расшифровки кода операции и признаков выбранной команды;

207

- считывания из соответствующих расшифрованному коду операции ячеек ПЗУ микропрограмм управляющих сигналов, определяющих для всех блоков машины процедуры выполнения заданной операции, и пересылки управляющих сигналов в эти блоки; - считывания из регистра команд и регистров МПП отдельных составляющих адресов операндов, участвующих в вычислениях, и формирования полных адресов операндов; - выборки операндов (по сформированным адресам) и выполнения заданной операции их обработки; - записи результатов операции в память; - формирования адреса следующей команды программы.

Арифметико - логическое устройство (АЛУ) реализует арифметические и логические операции преобразования данных. Функционально АЛУ (рис. 9.5) состоит обычно из двух регистров, сумматора и схем управления (местного устройства управления).



Рис. 9.5. Функциональная схема АЛУ

Сумматор - вычислительная схема, выполняющая сложение поступающих на ее вход двоичных кодов; сумматор имеет разрядность двойного машинного слова.

Регистры - быстродействующие ячейки памяти различной длины: регистр 1 (Рг 1) имеет разрядность двойного слова, а Рг 2 - слова.

При выполнении операций в Рг 1 помещается первое число, участвующее в операции, а по завершению операции - результат; в Рг 2 - второе число, участвующее в операции. Регистр 1 может и принимать информацию

208

с кодовых шин данных, и выдавать информацию на них, регистр 2 только получает информацию с этих шин.

Схемы управления принимают по кодовым шинам инструкций управляющие сигналы от центрального устройства управления и преобразуют их в сигналы управления работой регистров и сумматора АЛУ.

АЛУ выполняет арифметические операции только над целыми двоичными числами, т.е. над числами, у которых запятая фиксирована после последнего младшего разряда. Выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично - кодированными десятичными числами осуществляется или с использованием математического сопроцессора, или по специально составленным программам.

Микропроцессорная память (МПП) - память небольшой емкости, но чрезвычайно высокого быстродействия (время обращения к МПП, т.е. время, необходимое на поиск, запись или считывание данных из этой памяти, измеряется наносекундами). Быстродействие МПП соответствует скорости работы микропроцессора.

Микропроцессорная память реализуется на быстродействующих регистрах, количество и разрядность которых в разных микропроцессорах различны: от 14 двухбайтных регистров у МП i8086 до нескольких десятков у МП Pentium.

Регистры микропроцессора делятся на регистры общего назначения и специальные регистры.

Регистры общего назначения (РОН) являются универсальными и могут использоваться для хранения любой информации. Специальные регистры применяются для хранения определенной информации, например, адреса команды, признаков результата выполнения операций, режимов работы ПЭВМ и др.



Интерфейсная часть микропроцессора предназначена для связи и согласования МИ с системной шиной ПЭВМ, а также для приема, предварительного анализа команд выполняемой программы и формирования полных исполнительных адресов операндов и команд. Интерфейсная часть содержит адресные регистры МПП, узел формирования адреса, блок регистров команд, внутреннюю интерфейсную шину МП, а также схемы управления шиной и портами ввода - вывода.

Порты ввода - вывода - это пункты системного интерфейса ПЭВМ, через которые микропроцессор обменивается данными с другими устройствами. Каждый порт, подобно ячейкам памяти, имеет свой адрес (номер). Порт устройства содержит аппаратуру сопряжения и два регистра памяти - для обмена данными и обмена управляющей информацией. Всего портов у микропроцессора может быть 65536. Многие типовые устройства (НЖМД, НГМД, клавиатура, принтер и др.) имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода - вывода.

Схема управления шиной и портами использует для связи с портами кодовых шин инструкций (КШИ), адреса (КША) и данных (КШД) системной

209

магистрали. Для организации обмена данными микропроцессор посылает по КШИ сигнал, который оповещает все устройства ввода - вывода, что адрес на КША является адресом порта, а затем посылает и сам адрес порта. То устройство, адрес порта которого совпадает с посланным по КША адресом, дает ответ о готовности, после чего по КШД осуществляется обмен данными.

Рассмотрев в общем виде структуру построения и функциональную организацию микропроцессоров, остановимся на общем состоянии современного производства и тенденциях дальнейшего развития микропроцессорной техники. Бесспорное лидерство в этом деле уже многие годы занимает фирма Intel. Большинство современных ПЭВМ, в том числе IBM PC и совместимых с ними компьютеров, комплектуются микропроцессорами именно этой фирмы. В табл. 9.2. приведены основные характеристики МП фирмы Intel.

Таблица 9.2

Характеристики наиболее распространенных МП фирмы Intel

Модель МП	Разрядность, бит	Тактовая частота, МГц	Адресное пространство, байт	Число команд	Число элементов	Год выпуска
данных	адреса
4004	4	4	4,77	4 · 103	45	2300	1971
8080	8	8	4,77	64 · 103		10000	1974
8086	16	16	4,77 и 8	106	134	70000	1982
8088	8; 16	16	4,77 и 8	106	134	70000	1981
80186	16	20	8 и 10	106		140000	1984
80286	16	24	10 - 33	4 · 106 (виртуальное 109)		180000	1985
80386	32	32	25 - 50	16 · 106 (виртуальное 4 · 109)	240	275000	1987
80486	32	32	33 - 100	16 · 106 (виртуальное 4 · 109)	240	1,2 · 106	1989
Pentium	64	32	50 - 150	4 · 109	240	3,1 · 106	1993
Pentium Pro	64	32	66 - 200	4 · 109	240	5,5 · 106	1995

Фирма Intel и в настоящее время продолжает сохранять лидирующие позиции в области разработки высокопроизводительных и эффективных микропроцессоров. В числе последних разработок конца 90 - х гг. можно отметить микропроцессоры Pentium MMX, Pentium II, Celeron, Pentium III и другие, сочетающие в себе преимущества новейших микропроцессорных технологий и архитектурных решений. Компьютерная индустрия последних лет с наглядной очевидностью подтверждает закон, сформулированный еще в 60 - е годы одним из основателей компании Intel Гордоном Муром, согласно которому мощность процессора (микропроцессора) будет удваиваться каждые 24 месяца.

210

Несмотря на лидерство фирмы Intel на рынке микропроцессоров, в настоящее время ряд других фирм также производят аналогичные устройства, конкурирующие с изделиями Intel. Значительных успехов в этом деле достигли, например, фирмы Cyrix и AMD (Advanced Micro Devices). Так, микропроцессоры M1 и М2 фирмы Cyrix, а также К5, Кб, К7 фирмы AMD имеют характеристики аналогичные, а некоторые из них превосходящие характеристики МП Pentium.

211

204 :: 205 :: 206 :: 207 :: 208 :: 209 :: 210 :: 211 :: Содержание

Многомашинные вычислительные системы

Многомашинные вычислительные системы (ММВС), или комплексы, появились исторически первыми. Уже при использовании ЭВМ ранних поколений возникла проблема обеспечения необходимой надежности и достоверности вычислений.

С этой целью стали применяться комплексы, содержащие, по крайней мере, две ЭВМ, каждая из которых работает под управлением собственной операционной системы. При возникновении отказа в одной из ЭВМ обработка информации может быть продолжена на другой. Надежность такого вычислительного комплекса, естественно, повышается. Однако его производительность ограничена динамическими характеристиками межмашинного обмена данными, а в конечном счете - динамикой взаимодействия между собой операционных систем.

На рис. 12.2 схематически показан двухмашинный вычислительный комплекс, состоящий из ЭВМ 1 и ЭВМ 2. Каждая ЭВМ управляется своей операционной системой ОС, содержит процессор Пр, оперативную память ОП и периферийные устройства ПУ, подключаемые с помощью каналов ввода - вывода КВВ. Обмен данными между ЭВМ осуществляется через системные средства обмена ССО, реализующие требуемое взаимодействие их операционных систем.

В зависимости от характера связей между ЭВМ многомашинные ВС делятся на три типа: косвенно - связанные, прямо - связанные и сателлитные.

В косвенно -, или слабо - связанных, комплексах связь между ЭВМ осуществляется только на информационном уровне. Каждая ЭВМ помещает в общую внешнюю память информацию, руководствуясь собственной программой, а другая или другие ЭВМ могут пользоваться этой информацией, исходя из своих потребностей. Хранение данных в общей внешней памяти используется в тех случаях, когда требуется повысить надежность комплекса путем резервирования ЭВМ. Если комплекс содержит две ЭВМ -, то одна из них является основной, другая - резервной. При этом основная ЭВМ выдает на выход результаты и постоянно оставляет во внешней памяти всю информацию, необходимую для продолжения решения задачи с любого момента времени. Резервная ЭВМ находится в состоянии ожидания и может взять на себя выполнение функций основной ЭВМ при выходе последней из строя.
В некоторых случаях возможно резервирование в так называемом нагруженном режиме, когда обе ЭВМ, и основная, и резервная, решают одновременно одни и те же задачи. При этом результаты выдает основная ЭВМ, а в случае

246

выхода ее из строя результаты начинает выдавать резервная ЭВМ. Это повышает надежность комплекса и достоверность выдаваемых результатов.

Рис. 2.2. Структура двухмашинного вычислительного комплекса

Существенно более высокой гибкостью в сравнении с косвенно - связанными комплексами обладают прямо -, или сильно - связанные комплексы. В них обычно обеспечивается несколько путей обмена данными, причем каждому из них соответствует тот или иной уровень комплексирования технических средств. Сочетание различных уровней и методов обмена данными между модулями системы наиболее полно представлено в универсальных супер - и больших ЭВМ, в которых сбалансированно использованы все возможности для достижения высокой производительности, необходимой надежности, а также гибкости и адаптируемости к конкретным условиям применения. В таких машинах используются следующие уровни комплексирования (рис. 12.3):

- прямого управления (процессор - процессор); - общей оперативной памяти (ООП); - комплексируемых каналов ввода - вывода через адаптер канал - канал (АКК); - устройств управления внешними запоминающими устройствами (УУВЗУ); - общих периферийных устройств.

247

Связь через ООП, благодаря прямому доступу к ней процессоров ЭВМ, обладает более высоким быстродействием по сравнению с информационным обменом через внешние запоминающие устройства (ВЗУ). По каналу прямого управления связь между процессорами может быть не только информационной, но и командной, когда один из процессоров управляет действиями другого. Межканальная связь с помощью адаптеров канал - канал, подобно связи через ООП, обладает достаточно высоким быстродействием, а с точки зрения передачи больших информационных массивов эквивалентна косвенной связи через ВЗУ. Комплексирование периферийных устройств используется достаточно редко, в основном, в тех случаях, когда в качестве таких устройств используется специальное дорогое оборудование.



Рис. 12.3. Уровни и средства комплексирования ЭВМ в составе ММВС

Сателлитные ЭВМ отличаются, в основном, не способом организации межмашинной связи, а самим принципом взаимодействия ЭВМ. Связи в сателлитных комплексах обычно осуществляются через АКК. Особенностью сателлитных ММВС является то, что в них существенно различаются ЭВМ по своим характеристикам (неоднородные ВС), а также имеет место

248

определенная соподчиненность ЭВМ и каждая из них выполняет различные функции. В такой системе (рис. 12.4) имеется центральная, как правило, высокопроизводительная ЭВМ и одна или несколько сателлитных, менее производительных ЭВМ, выполняющих ввод - вывод и предварительную обработку информации. Обмен данными между центральной и сателлитными ЭВМ осуществляется через коммутатор.

Рис. 12.4. Структура ММВС с сателлитными ЭВМ

ММВС могут быть реализованы также на базе ЭВМ, использующих для обмена данными с ПУ не специализированные каналы ввода - вывода, а интерфейс типа "Общая шина". На рис. 12.5 показана схема комплекса, состоящего из двух ЭВМ с общими шинами ОШ 1 и ОШ 2.

Взаимодействие ЭВМ 1 и ЭВМ 2 между собой обеспечивается адаптером межмашинной связи (АМС). Кроме того, имеется также дополнительная общая шина ОШ 3, связанная с ОШ 1 и ОШ 2 переключателем ПОШ и позволяющая процессору любой ЭВМ обращаться к общесистемным периферийным устройствам ПУЗ.

249

Рис. 12.5. Двухмашинный вычислительный комплекс на базе ЭВМс общими шинами

Дальнейшее качественно новое развитие получили многомашинные вычислительные комплексы с применением микропроцессорной техники. Такие комплексы содержат достаточно большое количество малогабаритных микроЭВМ, объединенных межмашинной общей шиной ММОШ (рис. 12.6). Подключение ЭВМ; к ММОШ осуществляется через системные переключатели СПi.

Еще более сложная мультипроцессорная система может быть образована на базе так называемых кластеров, каждый из которых представляет собой многомашинный комплекс из ЭВМ1, ..., ЭВМi (подобный на рис. 12.6), объединенных общей межмашинной шиной.Некоторое число таких кластеров объединяются и взаимодействуют между собой через общую межкластерную шину.

Управление вычислительными процессами в любой вычислительной системе осуществляют операционные системы. Применительно к многомашинным комплексам операционные системы являются относительно простыми и создаются в качестве надстройки операционных систем отдельных ЭВМ. При этом учитывается гот факт, что для каждой ЭВМ другие играют роль некоторых внешних устройств, и их взаимодействие осуществляется по соответствующим интерфейсам, имеющим унифицированное программное обеспечение.

250

Рис. 12. 6. Структура мультимикропроцессорноговычислительного комплекса

251

246 :: 247 :: 248 :: 249 :: 250 :: 251 :: Содержание

Многопроцессорные вычислительные системы

Многопроцессорные вычислительные системы (МПВС) строятся путем комплексирования нескольких процессоров, работающих с общим полем оперативной памяти и общим набором периферийных устройств (рис. 12.7). Параллельная работа процессоров и распределение общих ресурсов ОП обеспечиваются под управлением общей операционной системы ОС.

По сравнению с ММВС здесь достигаются более высокая оперативность взаимодействия процессоров и более быстрая реакция на ситуации, возникающие как внутри системы, так и во внешней среде. По этой причине МПВС обеспечивают наиболее реальный путь построения вычислительных систем сверхвысокой производительности.

Однако МПВС имеют и существенные недостатки. Они, в первую очередь, связаны с использованием ресурсов общей оперативной памяти. При большом числе комплексируемых процессоров возможно возникновение конфликтных ситуаций, когда несколько процессоров обращаются одновременно к одним и тем же областям памяти. Кроме того, помимо процессоров к общей ОП подключаются также через каналы ввода - вывода многочисленные устройства ПУ. От того, насколько удачно решаются проблемы коммутации периферийных устройств и доступа к общей ОП, зависит эффективность применения МПВС.

251

Рис. 12.7. Структура многопроцессорной вычислительной системы

В многопроцессорных вычислительных системах получили дальнейшее развитие идеи параллелизма в обработке информации. В общем случае этот процесс, как известно, сводится к воздействию определенной последовательности команд (потока команд) на соответствующую последовательность данных (поток данных). Если в системе параллельно присутствуют независимые (несвязные) потоки команд или данных, то говорят о множественности таких потоков.

Исходя из возможности существования одиночных и множественных потоков команд и данных, все системы параллельной обработки по своей структуре могут быть разбиты на четыре класса:

- системы с одиночным потоком команд и одиночным потоком данных (ОКОД); - системы с одиночным потоком команд и множественным потоком данных (ОКМД); - системы с множественным потоком команд и одиночным потоком данных (МКОД); - системы с множественным потоком команд и множественным потоком данных (МКМД).

Данная классификация была предложена Флинном (M. Flyrm) в начале 60 - х гг.

Структура типа ОКОД (или SISD - Single Instruction Single Data), приведенная на рис. 12.8, охватывает все однопроцессорные ЭВМ, для которых организован рассмотренный ранее мультипрограммный режим работы. Здесь параллелизм вычислений обеспечивается совмещением выполнения операций (микроопераций) отдельными блоками АЛУ, а также параллельной работой процессора и устройств ввода - вывода.

252

Рис. 12.8. Вычислительная система со структурой ОКОД

Структура типа ОКМД (или SIMD - Single Instruction Multiple Data), приведенная на рис. 12.9, содержит несколько потоков данных и один общий поток команд. Система содержит идентичные процессоры П1, П2, ..., Пn, управляемые одной и той же последовательностью команд. Каждый из этих процессоров обрабатывает свой поток данных.

Рис. 12.9. Вычислительная система со структурой ОКМД

Вычислительные системы с такой структурой часто называют векторными, так как в них хорошо реализуются задачи обработки массивов (векторов) данных, задачи решения линейных и нелинейных алгебраических и дифференциальных уравнений, задачи теории поля и др.

Структура типа МКОД (или MISD - Multiple Instruction Single Data), показанная на рис. 12.10, содержит цепочку последовательно соединенных

253

процессоров П1, П2, ..., Пn так, что информация на выходе одного процессора является входной информацией для другого процессора.

Рис. 12.10. Вычислительная система со структурой МКОД

С помощью множественного потока команд, поступающего в процессоры, решение задачи для заданного потока данных как бы развертывается последовательно в конвейерной цепочке этих процессоров, По этой причине системы со структурой типа МКОД принято называть конвейерными (системы с.магистральной обработкой информации).

В простейшем случае конвейерная обработка данных реализуется в виде внутрипроцессорного конвейера микрооперации, при котором поток данных проходит последовательно через специализированные блоки АЛУ, каждый из которых настроен на выполнение определенной микрооперации.



Структура типа МКМД ( или MIMD Multiple Instruction Multiple Data), показанная на рис. 12.11, является наиболее общей и универсальной. В ней реализуются множественные потоки и команд, и данных. При этом процессоры, хотя имеют определенную самостоятельность, достаточно сильно связаны общей памятью команд и данных, а их совместная работа организована общей операционной системой.

Данная структура содержит определенное количество сравнительно простых процессоров, соединенных между собой и памятью так, что образуется матрица, узлами которой являются сами процессоры. По этой причине вычислительные системы, имеющие структуру типа МКМД, получили название матричных.

254

Рис. 12.11. Вычислительная система со структурой МКМД

По существу, в структуре МКМД речь идет о наиболее широком распараллеливании вычислительного процесса, при котором отдельные части этого процесса реализуются соответствующими процессорами. Последние, в свою очередь, согласованно взаимодействуют между собой, обеспечивая эффективное решение задачи в целом. Иными словами, осуществляется параллельно - последовательная обработка, когда наряду с конвейером команд реализуется конвейер данных. Сочетание этих двух конвейеров позволяет значительно повысить производительность вычислительных систем. Общая теоретическая база для разработки таких систем в настоящее время пока отсутствует, хотя исследования в этом направлении ведутся интенсивно.

Применение многопроцессорных структур является наиболее реальным средством построения высокопроизводительных ЭВМ (суперЭВМ) и сверхпроизводительных вычислительных систем.

Нужно сказать, что увеличение производительности вычислительных систем всегда связано с необходимостью значительного увеличения емкости оперативной памяти. На современном этапе развития вычислительной техники действует интуитивно сформированный и подтверждаемый на практике критерий сбалансированности ресурсов ЭВМ - производительности в 1 миллион операций в секунду должно соответствовать не менее 1 Мбайта оперативной памяти.



255

Среди рассмотренных структур многопроцессорных вычислительных систем нашли практическое применение, в основном, параллельно - конвейерная и параллельно - векторная структуры (т.е. структуры МКОД и ОКМД).

Следует специально отметить, что в нашей стране еще в 1966 г. под руководством академика С.А.Лебедева была разработана ЭВМ БЭСМ - 6, в которой применялся конвейер команд. Хотя данная ЭВМ по своей элементной базе относилась к ЭВМ 2 - го поколения, многие годы она была самой быстродействующей ЭВМ в нашей стране. Производительность БЭСМ - 6 составляла 1 млн. операций в секунду.

Примером многопроцессорных систем с конвейерной обработкой информации была система STAR - 100 (1973 г.) с быстродействием до 100 млн. операций в секунду. Среди отечественных систем подобного типа можно назвать разработанные в 70 - х - 80 - х гг многопроцессорные системы Эльбрус 1, 2, 3, 3Б.

При построении суперЭВМ на основе многопроцессорных вычислительных систем более высокую эффективность на практике (по сравнению с конвейерной структурой) показала параллельно - векторная структура типа ОКМД.

Такая структура использовалась, например, при создании первой суперЭВМ ILLIAC IV (1972 г.) с производительностью около 200 млн. операций в секунду.

Начиная с 1974 г. лидерство в разработке подобных суперЭВМ захватила фирма Gray Research. Производительность созданных этой фирмой суперЭВМ Gray 1, 2, 3, 4 неуклонно растет и в настоящее время достигла нескольких десятков млрд. операций в секунду, а емкость оперативной памяти значительно превысила 1 Гбайт.

В начале 80 - х гг. в нашей стране была создана параллельная система ПС - 2000, которая также относится к классу параллельно - векторных систем типа ОКМД. Центральную часть системы образует мультипроцессор, состоящий из 64 процессорных элементов и обеспечивающий суммарную производительность около 200 млн. операций в секунду.

Важным условием эффективного функционирования всех многопроцессорных структур является обеспечение возможности доступа всех процессоров системы к общей оперативной памяти и к общим периферийным устройствам.


С увеличением числа процессоров, модулей ОП, каналов ввода - вывода и соответствующих ПУ становится ясно, насколько усложняется топология многопроцессорной системы. В настоящее время для этой цели используются три типа структурной организации МПВС: с общей шиной; с перекрестной коммутацией; с многовходовыми устройствами ОП.

В системах с общей шиной связь устройств между собой организуется принципиально так же, как и для однопроцессорных ЭВМ с общей шиной. В любой момент времени такой интерфейс обеспечивает связь только

256

между двумя устройствами. Если потребность в обмене существует более чем у двух устройств, то организуются очереди, которые обслуживаются общей шиной в зависимости от приоритетов устройств.

Несомненные достоинства такой организации - простота и достаточно низкая стоимость технической реализации. К числу недостатков можно отнести относительно низкую надежность, зависящую от надежности единственного для всех устройств интерфейса типа "Общая шина".

От этих недостатков полностью свободны МПВС с перекрестной коммутацией. Идея структурной организации таких систем заключается в том, что все связи между процессорами П, модулями ОЗУ и каналами ввода - вывода КВВ осуществляются с помощью специального устройства коммутационной.матрицы КМ (рис. 12.12).

Рис. 12.12. МПВС с перекрестной коммутацией

Коммутационная матрица позволяет связывать друг с другом любую пару устройств, причем таких пар может быть достаточно много; связи не зависят друг от друга. Возможность одновременной связи нескольких пар устройств позволяет добиться в системе высокой производительности. Кроме того, к достоинствам структуры с перекрестной коммутацией можно отнести унифицированность интерфейсов всех устройств, а также возможность разрешения всех конфликтов в коммутационной матрице. Важно отметить и то, что нарушение какой - то связи не приводит к выходу из строя всего комплекса, а лишь к отключению соответствующего устройства, т.е. надежность таких комплексов достаточно высока.



Вместе с тем, организация МПВС с перекрестной коммутацией имеет определенные недостатки. Прежде всего, это сложность, громоздкость и достаточно высокая стоимость коммутационной матрицы, особенно при

257

большом числе комплексируемых устройств. Если в коммутационной матрице не предусмотреть заранее большого числа входов, то введение в систему дополнительных устройств потребует установки новой коммутационной матрицы.

В многопроцессорных системах с многовходовыми ОЗУ все, что связано с коммутацией устройств, осуществляется в ОЗУ (рис.12.13).

Рис. 12.13. МПВС с многовходовыми ОЗУ

В отличие от МПВС с перекрестной коммутацией, имеющих централизованное устройство коммутации, в МПВС с многовходовыми ОЗУ средства коммутации распределены между несколькими устройствами. Такой способ организации МПВС сохраняет все преимущества систем с перекрестной коммутацией, несколько упрощая при этом саму систему коммутации. В МПВС с многовходовыми ОЗУ также просто решается вопрос о выделении каждому процессору своей области оперативной памяти, недоступной другим процессорам.

Рассмотренные компоненты структурной организации МПВС, как и в однопроцессорных ЭВМ, дополняются их соответствующей функциональной организацией, обеспечивающей необходимый характер взаимодействия устройств системы при реализации вычислительного процесса. Основным средством организации всех процессов обработки информации в системе является операционная система (ОС). Кроме обычных функций, выполняемых ОС при мультипрограммной работе, в многопроцессорных системах возникают такие задачи, как распределение ресурсов и заданий между процессорами, синхронизация вычислительных процессов при решении несколькими процессорами одной задачи, планирование с учетом оптимальной загрузки всех процессоров. Эти и другие обстоятельства делают операционную систему МПВС достаточно сложной.

258

251 :: 252 :: 253 :: 254 :: 255 :: 256 :: 257 :: 258 :: Содержание

Накопители на магнитной ленте

Магнитная лента относится к числу машинных носителей информации, издавна применяемых в вычислительной технике. Еще в ранних поколениях ЭВМ в качестве устройств внешней памяти использовались накопители на катушечной магнитной ленте шириной 12,7 мм и длиной около 750 м. Запись и считывание производились побайтно, 8 - разрядными строками, расположенными поперек ленты, т.е. в направлении, перпендикулярном ее движению. Емкость таких накопителей зависела от продольной плотности записи и достигала в лучших образцах 160 Мбайт.

Накопители на магнитной ленте (НМЛ) относятся к устройствам с последовательным доступом, поскольку в них поиск требуемого участка носителя для записи или считывания информации требует в общем случае последовательной перемотки ленты в том или ином направлении.

В современных персональных ЭВМ применяются малогабаритные накопители на кассетной магнитной ленте, получившие название стриммеров. Используемые в них кассеты (картриджи) отличаются шириной магнитной ленты и разнообразны по своей конструкции.

Объемы информации, хранящейся на одной кассете, постоянно растут. Так, емкость картриджей первого поколения, использующих магнитную ленты длиной 120 м и шириной 3,81 мм с 2 - 4 дорожками, не превышала 25 Мбайт. В конце 80 - х гг. появились картриджи с большей плотностью записи по 9 дорожкам на ленте шириной четверть дюйма (Quarter Inch Cartridge) (стандарты QIC - 40/80). Емкость таких картриджей увеличилась до 60 - 250 Мбайт, а в последних моделях (стандарт QIC 3010 - 3020) - до 840 - 1700 Мбайт и более.

Скорость считывания информации с магнитной ленты в стриммерах относительно невысока и в настоящее время не превышает 100 - 250 Кбайт/с. Это обусловлено ограничением скорости движения ленты из - за контактного способа записи - считывания.

Стриммер является инерционным механизмом, требующим после каждой остановки ленты ее небольшой перемотки назад (перепозицирования). Это перепозицирование увеличивает и без того большое время доступа

225

к информации на ленте (десятки секунд), поэтому стриммеры применяются в персональных ЭВМ лишь для резервного копирования и архивирования больших массивов информации с жестких дисков.

226

225 :: 226 :: Содержание

Накопители на магнитных дисках

Среди внешних запоминающих устройств ПЭВМ наиболее распространенными в настоящее время являются накопители на магнитных дисках (НМД). В качестве запоминающей среды в них используются нанесенные тончайшим слоем на поверхность дисков магнитные материалы со специальными свойствами (с прямоугольной петлей гистерезиса), позволяющие фиксировать два устойчивых состояния - два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие двоичные цифры: 0 и 1.

Магнитные диски (МД) характеризуются своим диаметром или, иначе, форм - фактором. Получили распространение диски с форм - факторами 3,5" (89 мм) и 5,25" (133 мм). В зависимости от числа рабочих поверхностей (сторон) МД бывают односторонние SS (Single Sides) и двухсторонние DS (Double Sides).

Информация на МД записывается и считывается магнитными головками (МГ) вдоль концентрических окружностей, называемых дорожками (треками). Данные операции осуществляются при циклическом вращении диска вокруг своей оси вблизи неподвижной головки записи - считывания. Благодаря высокой скорости вращения диска (сотни - тысячи оборотов в минуту) накопители на МД относятся к устройствам с прямым (циклическим) доступом. Прямой доступ означает возможность непосредственного обращения к нужному участку магнитной дорожки для записи или считывания информации практически независимо от того, где находится этот участок по отношению к головке записи - считывания.

Для пакетов магнитных дисков (нескольких дисков, установленных на одной оси) и для двухсторонних дисков, кроме дорожек, вводится понятие

220

цилиндра. Цилиндром называется совокупность магнитных дорожек, находящихся на одинаковом расстоянии от центра дисков.

Информационная емкость НМД зависит от плотности записи на магнитный носитель, которая, в свою очередь, зависит от многих конструктивно - технологических факторов, в том числе от типа магнитного диска (гибкий или жесткий), качества магнитных головок и магнитного покрытия, величины зазора между ними, точности позицирования головок над поверхностью диска и др.
Различают продольную и поперечную плотности записи. В современных НМД продольная плотность записи достигает сотен бит/мм, а поперечная составляет несколько дорожек/мм.

Быстродействие НМД оценивается средним временем доступа (десятки милисекунд) и скоростью передачи данных (сотни - тысячи Кбайт/с). Названные характеристики улучшаются с увеличением скорости вращения диска.

Перед началом эксплуатации магнитные диски форматируются с помощью специальных программ. В результате форматирования на диск наносится специальная управляющая информация путем разметки дорожек и секторов на каждой дорожке, нанесения соответствующих маркеров и другой служебной информации. Каждая дорожка разбивается на сектора. В одном секторе дорожки может быть помещено 128, 256, 512 и 1024 байт, но обычно 512 байт данных. Обмен данными между НМД и ОП осуществляется последовательно целым числом секторов. Минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из одного или нескольких смежных секторов дорожки, называется кластером.

Данные на дисках хранятся в файлах. Файл - это именованная область внешней памяти, выделенная для хранения упорядоченного массива данных. Каждому создаваемому файлу выделяется область памяти, кратная определенному количеству кластеров, причем эти кластеры могут находиться в любом свободном месте дисковой памяти и необязательно являются смежными.

Как уже отмечалось, основными типами накопителей на магнитных дисках являются:

- накопители на гибких магнитных дисках (НГМД); - накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД).

Накопители на гибких магнитных дисках. Используемые в таких накопителях гибкие магнитные диски (дискеты) имеют диаметр 133 мм (5,25") или 89 мм (3,5").

Конструктивно дискета диаметром 133 мм изготовляется из гибкого пластика (лавсана), покрытого износоустойчивым ферролаком, и помещается в прямоугольный конверт из черной бумаги с необходимыми прорезями. Дискета диаметром 89 мм имеет более жесткую конструкцию из пластмассового корпуса, защищающего поверхность дискеты от внешних воздействий.



221

Запись и считывание информации осуществляется при вращении дискеты со скоростью 300 - 720 об/мин. Обычно применяется контактный способ записи, при котором поверхность носителя непосредственно соприкасается с магнитной головкой. Чтобы избежать быстрого износа головки и механического повреждения носителя при контактной записи приходится ограничивать скорость движения носителя.

Для обозначения плотности записи используются двухбуквенные метки дискет:

SD (Single Density) - одинарная плотность; DD (Double Density) - двойная плотность; QD (Quadro Density) - учетверенная плотность; HD (High Density) - высокая плотность; ED (Extra High Density) - сверхвысокая плотность.

НГМД могут использовать для работы одну или обе поверхности дискеты, при этом на каждую рабочую поверхность требуется своя магнитная головка. Головки перемещаются вдоль поверхности дискеты с помощью шагового двигателя. Количество шагов двигателя определяет число дорожек записи на каждой стороне дискеты.

В IBM PC используются дискеты, имеющие две рабочие поверхности; 40 или 80 дорожек на одной поверхности; 8,9, 15 или 18 секторов на одной дорожке; 128, 256, 512 или 1024 байт в одном секторе.

При форматировании дискеты на ее поверхностях с помощью головок записи делаются необходимые пометки: размечаются дорожки и сектора, создаются управляющие таблицы дискеты. Весь процесс форматирования делится на три части: физическое, логическое и системное форматирование.

Физическое форматирование состоит в разметке дорожек и секторов с нанесением соответствующих обозначений в выделенных на дорожках служебных областях. Дорожки нумеруются от 0 до N - 1 от края дискеты к центру. Началом отсчета для разметки всех дорожек является специальное, смещенное от центра дискеты небольшое отверстие. На физическом уровне сектора каждой дорожки нумеруются от 1 до m и отделяются друг от друга интервалами.

Логическое форматирование заключается в оформлении диска соответственно стандартам операционной системы. На диске формируются управляющие таблицы для учета использования имеющихся ресурсов.



Системное форматирование сводится к загрузке на диск резидентных файлов операционной системы.

Типовые характеристики некоторых накопителей на гибких магнитных дисках приведены в табл. 10.2.

222

Таблица 10.2

Основные характеристики НГМД

Параметры	Тип дискеты
133 мм (5,25")	89 мм (3,5")
Полная емкость, Кбайт	1000	1600	1000	1600
Рабочая емкость (после форматирования), Кбайт	720	1200	720	1440
Число поверхностей (сторон)	2	2	2	2
Число дорожек на одной поверхности	80	80	80	80
Число секторов	9	15	9	18
Емкость сектора дорожки, байт	512	512	512	512
Плотность записи, бит/мм	233	380	343	558
Плотность дорожек на мм	3,8	3,8	5,3	5,3
Среднее время доступа, мс	100	100	65	65
Скорость передачи, Кбайт/с	50	80	80	150
Скорость вращения, об/мин	300	360	720	720

Накопители на жестких магнитных дисках. НЖМД имеют тот же принцип действия, что и НГМД, но отличаются тем, что в них носитель информации является несъемным и состоит из одного или нескольких жестких дисков (из сплавов алюминия или из керамики, покрытых ферролаком). Диски вместе с блоком магнитных головок закреплены на общей оси и заключены в герметизированный металлический корпус.

Если в НГМД головка во время работы соприкасается с поверхностью дискеты, то в НЖМД между ними всегда имеется определенный, хотя и небольшой (десятые доли микрона), зазор. Бесконтактная запись позволила увеличить скорость вращения дисков (до нескольких тысяч об/мин) и тем самым повысить быстродействие накопителя. По сравнению с НГМД (см. табл. 10.2) в накопителях на жестких магнитных дисках время доступа уменьшилось до 8 - 20 мс, а скорость передачи данных возросла до 3000 Кбайт/с.

Несъемная и герметичная конструкция НЖМД обеспечивает чрезвычайно высокую плотность записи со значительно большим, чем в НГМД, количеством рабочих поверхностей (до 10 - 12 дисков в пакете), дорожек и секторов, что позволило достичь в таких накопителях огромной информационной емкости (до 4 - 5 Гбайт). Несмотря на это, до настоящего времени для обозначения НЖМД сохранился термин "винчестер", возникший из жаргонного названия первой модели жесткого диска емкостью 16 Кбайт (IBM, 1973 г.), имевшего всего лишь 30 дорожек по 30 секторов в каждой, что случайно совпало с калибром "30/30" известного охотничьего ружья "Винчестер".

223

220 :: 221 :: 222 :: 223 :: Содержание

Обеспечивающие подсистемы в структуре информационной системы

Структура любой информационной системы состоит из совокупности обеспечивающих подсистем. К числу таких подсистем обычно относят информационное, техническое, математическое, программное, организационное и правовое обеспечение.

Информационное обеспечение определяет весь процесс формирования, обработки и выдачи достоверной информации, необходимой для принятия управленческих решений. В его основе лежат единая система классификации и кодирования информации, циркулирующей в системе, унифицированная система документации, рациональные схемы информационных потоков, а также общая методология построения баз данных.

Техническое обеспечение представлено комплексами различных технических средств, которые используются в работе информационной системы. Центральное место среди них занимают средства вычислительной техники, являющиеся универсальным средством обработки информации. Технология использования средств вычислительной техники может быть основана на двух подходах: централизованном и децентрализованном. В первом случае вычислительная техника представлена большими ЭВМ, сосредоточенными в крупных вычислительных центрах. Во втором случае обработка информации осуществляется персональными компьютерами непосредственно на рабочих местах, т.е. там, где эта информация возникает и/или используется.

Перспективным считается частично децентрализованный подход, сочетающий в себе как централизованную обработку информации на большой ЭВМ, так и распределенную обработку персональными компьютерами, связанными с большой ЭВМ системой телекоммуникаций.

50

Математическое и программное обеспечение - это совокупность математических методов, моделей, алгоритмов и программ, обеспечивающих реализацию целей и задач информационной системы, а также нормальное функционирование ее технических средств.

К средствам математического обеспечения относятся средства моделирования типовых задач управления, а также используемые при этом методы математического программирования, оптимизации, математической статистики, теории массового обслуживания и др.

В состав программного обеспечения входят программные продукты общесистемного и специального (прикладного) назначения. Средства общесистемного программного обеспечения служат для расширения функциональных возможностей компьютеров, контроля и управления процессом обработки данных. Ориентированные на пользователя, они создают для него наиболее благоприятные условия взаимодействия с компьютером. Прикладное программное обеспечение содержит программы, используемые в работе конкретной информационной системы. В его состав входят пакеты прикладных программ (ППП), реализующие разработанные модели функционирования реальных объектов.

Организационное обеспечение - это совокупность методов и средств, регламентирующих взаимодействие работников с техническими средствами, а также между собой в процессе разработки и эксплуатации информационной системы. Организационное обеспечение формируется по результатам предпроектного обследования организации (фирмы).

Правовое обеспечение - это совокупность правовых норм, определяющих создание, юридический статус и функционирование информационных систем, а также регламентирующих порядок получения, преобразования и использования информации. В состав правового обеспечения входят законы, указы, постановления государственных органов власти, приказы, инструкции и другие нормативные документы министерств, ведомств, организаций, местных органов власти. В процессе разработки информационной системы правовое обеспечение регулирует договорные отношения разработчика и заказчика.

51

50 :: 51 :: Содержание

Общая характеристика элементов и узлов ЭВМ

В основе компьютерной схемотехники лежит иерархический принцип организации основных структурных компонентов. Каждому уровню такой организации соответствуют вполне определенные операции по преобразованию двоичной информации.

Нижний уровень образуют элементы ЭВМ, выполняющие функции простейших преобразователей информации. Они реализуют необходимые логические операции над сигналами одноразрядных двоичных переменных, а также обеспечивают запоминание, формирование и преобразование этих сигналов.

120

Узлы ЭВМ осуществляют одновременную обработку сигналов, представляющих многоразрядные машинные слова. К их числу относятся, например, регистры, счетчики, сумматоры, дешифраторы и др.

Устройства ЭВМ (запоминающие, управляющие, обрабатывающие, ввода - вывода и др.) обеспечивают (в соответствии с заданной программой) выполнение требуемой последовательности машинных операций.

Все современные вычислительные машины реализуются, в основном, с использованием интегральных микросхем (ИС). Любая ИС представляет собой пространственную твердотельную многослойную структуру, сформированную в кристалле полупроводникового материала и содержащую сотни тысяч транзисторов, диодов, резисторов и других компонентов схемы. Степень интеграции микросхем неуклонно повышается. Создаются так называемые большие, сверхбольшие и даже ультра большие интегральные схемы (соответственно, БИС, СБИС и УБИС).

В функциональном отношении такие ИС могут соответствовать даже устройствам ЭВМ. Однако в любом случае каждая из них всегда состоит из отдельных элементов, реализующих простейшие функции преобразования информации.

Несмотря на огромное количество элементов, используемых в составе ЭВМ, число их разновидностей (типов) относительно невелико. Это существенно упрощает процесс проектирования ЭВМ и повышает технологичность производства. Типовой набор, образующий систему элементов ЭВМ, должен обладать общими электронными, конструктивными и технологическими свойствами, использовать однотипные межэлементные связи, совместимые по своим входным и выходным параметрам.

Любая система элементов характеризуется определенным способом представления двоичной информации. Поступающие на вход элементов двоичные переменные (0 и 1) представляются такими физическими сигналами, которые принимают два хорошо различимых значения.

В настоящее время наибольшее распространение получил потенциальный способ представления, при котором двоичные цифры представляются различными уровнями электрического напряжения, например, низкому уровню Uн соответствует 0, а высокому Uв - 1 (рис. 6.3). Разность между этими уровнями называется логическим перепадом Uл.

Постоянным уровням напряжений на входе и выходе элемента соответствует статический режим его работы. Изменение этих уровней (от высокого к низкому или наоборот) вызывает в элементе переходные процессы, характеризующие динамический режим.

121

Рис. 6.3. Потенциальный способ представления двоичной информации

При построении узлов и устройств ЭВМ оцениваются также такие технические характеристики элементов, как нагрузочная способность, коэффициент объединения по входу, потребляемая мощность, помехоустойчивость, быстродействие и др Многие из этих характеристик рассматриваются как в статическом, так и динамическом режиме работы элемента.

Нагрузочная способность элемента определяется допустимым числом n аналогичных элементов, подключенных к его выходу, при котором обеспечивается их срабатывание. Коэффициент объединения по входу m характеризует максимальное число элементов, подключенных к входу элемента без изменения его выходного сигнала. С увеличением коэффициентов пит упрощается техническая реализация логических устройств ЭВМ, сокращается общее количество необходимых элементов.

Потребляемая мощность определяет требования, предъявляемые к используемым источникам электропитания. Эта мощность, в основном, потребляется в динамическом режиме, возрастая с увеличением частоты переключения элементов. Значительная часть потребляемой мощности рассеивается в виде тепла, вызывая перегрев и, следовательно, изменение технических характеристик электронных компонентов.


Данное обстоятельство учитывается как в технологии получения интегральных микросхем, гак и при разработке конструкций соответствующих узлов и устройств ЭВМ.

Помехоустойчивость элементов рассматривается как в статическом, так и динамическом режиме работы Статическая помехоустойчивость определяется значением напряжения, которое может быть подано на вход элемента относительно нулевого или единичного уровня, не вызывая его ложного срабатывания. Обычно допустимая статическая помеха не превышает низкого нулевого уровня напряжения. Динамическая

122

помехоустойчивость элемента зависит от временных параметров импульса помехи, его формы, частоты, амплитуды и т.п. Часто импульсные помехи являются внешними по отношению к данному элементу и не зависят от его параметров. Влияние таких помех уменьшают путем улучшения экранирующих свойств конструкции и линий межэлементных связей.

Быстродействие элементов определяется предельной рабочей частотой их переключения. Стремление к увеличению этой частоты вынуждает сокращать до минимума длительность входных сигналов. В быстродействующих ЭВМ он составляет десятки и даже единицы наносекунды (10- 8 - 10- 9с.). Кратковременный и прерывистый характер воздействия сигналов на схемы элементов вызывает в них переходные процессы, при которых изменение логического состояния происходит не мгновенно (как на рис. 6.3), а в течение времени формирования переднего и заднего фронтов выходного сигнала. Передний фронт tф (0, 1) формируется при переходе элемента из состояния "0" в состояние "1", а задний фронт tф (1, 0) - при переходе из "1" в "0".

Из - за наличия фронтов у сигналов, поступающих на вход элемента, его срабатывание всегда происходит с определенной задержкой как на переднем tзд (0, 1), так и на заднем tзд (1, 0) фронте.

Максимальная рабочая частота элемента зависит от длительности фронтов и задержки переключения. Обычно временной интервал Т между соседними переключениями выбирается в 10 - 20 раз больше, чем tф и tзд.


Это обеспечивает полное затухание всех переходных процессов в элементе к приходу следующего сигнала переключения. В современных элементах ЭВМ предельная рабочая частота f = 1/Т достигает сотен мегагерц.

В п. 6.1 была дана классификация цифровых устройств преобразования информации на комбинационные схемы и цифровые автоматы с памятью. Напомним, что комбинационные схемы выполняют логические операции над наборами входных двоичных переменных, причем результат этих операций зависит только от комбинации входных переменных и вырабатывается сразу после их поступления. Цифровые автоматы обладают некоторым числом внутренних дискретных состояний, поэтому их выходные сигналы зависят не только от комбинации входных переменных, но и от состояния автомата.

Техническая реализация цифровых устройств этих двух классов требует использования соответствующих элементов. Комбинационные схемы выполняются на логических элементах; цифровые автоматы кроме логических элементов используют также запоминающие элементы, которые фиксируют их внутреннее состояние.

Дадим общую характеристику логическим и запоминающим элементам ЭВМ.

123

120 :: 121 :: 122 :: 123 :: Содержание

Общая характеристика, эволюция развитияи классификация персональных ЭВМ

Бурное развитие микроэлектроники, появление и постоянное совершенствование интегральных электронных компонентов создали основу для развития и широкого применения персональных ЭВМ (ПЭВМ), или иначе, персональных компьютеров (ПК).

Под персональным компьютером понимают средство вычислительной техники индивидуального пользования, удовлетворяющее требованиям:

- общедоступности (относительно низкая стоимость, компактность, отсутствие специальных требований как к условиям эксплуатации, так и к уровню подготовленности пользователей); - универсальности (ориентированной на широкий круг задач, решаемых пользователем с помощью удобных технических и программных средств).

Основой для построения персональных ЭВМ является микропроцессор. В 1971 г. фирмой Intel (Integrated Electronics) был создан первый 4 - разрядный микропроцессор 14004, и с тех пор эта фирма занимает ведущее место на рынке производства микропроцессоров для ПЭВМ. В 1974 г. этой же фирмой выпущен 8 - разрядный микропроцессор i8080, который использовался в первом серийном персональном компьютере "Альтаир" (США).

Семейство микропроцессоров Intel, начиная с i4004, представлено большим количеством устройств, характеристики которых улучшаются со стремительной быстротой. Так, за последние 30 лет увеличилась разрядность микропроцессоров от 4 - х до 64 - х, на 3 порядка увеличилась их тактовая частота (с 750 КГц в микропроцессоре 14004 до 733 МГц в последних разработках). Если в первых микропроцессорах было реализовано несколько десятков тысяч транзисторов, то в современных - несколько миллионов.

Развитие технологии производства микропроцессоров определило смену поколений ПЭВМ:

- первое поколение (1975 - 1980 гг.) - на базе 8 - разрядного МП (18080); - второе поколение (1981 - 1985 гг.) - на базе 16 - разрядного МП (i8086, i8088, i80186, i80286); - третье поколение (1986 - 1992 гг.) - на базе 32 - разрядного МП (i80386,180486);

190

- четвертое поколение (1993 г. - по настоящее время) - на базе 64 - разрядного МП (Pentium, Pentium Pro и др.).

Одним из первых производителей ПЭВМ второго поколения с 16 - разрядным микропроцессором явилась фирма IBM (International Business Machines), которая до 80 - х годов специализировалась на разработке и производстве больших ЭВМ. Созданный этой фирмой в 1981 г. персональный компьютер IBM PC (Personal Computer) стал, фактически, стандартом этого класса машин. В IBM PC впервые был заложен принцип открытой, блочно - модульной архитектуры, позволяющей изменять конфигурацию компьютера, модернизировать его устаревшие блоки. Дальнейшее развитие ПК пошло по пути, во многом определенном компьютерами фирмы IBM. С 80 - х годов практически все крупные фирмы США, Японии и других стран стали выпускать компьютеры, совместимые с IBM PC. На сегодняшний день ПК IBM PC и совместимые с ними компьютеры занимают более половины мирового парка ПК.

Е" настоящее время персональные компьютеры стали наиболее массовым и распространенным средством вычислительной техники. Им по праву принадлежит важнейшая роль в кардинальном преобразовании всех структур общества с целью получения качественно новых результатов своей деятельности на основе наиболее полного использования возможностей современных информационных технологий.

В большинстве промышленно - развитых стран производство ПЭВМ становится одной из важнейших, динамично развивающихся отраслей экономики, поскольку в этих странах понимают, что отставание в данной области может стать необратимым для их развития в целом. При этом руководители некоторых стран "третьего мира" с нарастающей тревогой наблюдают за все большим отставанием их от индустриально - развитых стран, успешно осуществляющих информатизацию и компьютеризацию. Данная ситуация в какой - то мере относится и к России.

Основными причинами стремительного развития современной индустрии персональных ЭВМ являются следующие:

- достаточно большие возможности по обработке данных (быстродействие - десятки и сотни миллионов операций в секунду; емкость памяти: оперативной - десятки Мбайт, внешней - сотни Мбайт и единицы Гбайт); - гибкость архитектуры, обеспечивающая адаптацию ПЭВМ к самым разнообразным применениям в сфере управления, экономики, науки, образования и т.д.; - наличие программного обеспечения, охватывающего практически все области человеческой деятельности, а также мощных систем для разработки нового программного обеспечения; - "дружественность" операционной системы и другого программного обеспечения, обуславливающая возможность работы пользователя без специальной профессиональной подготовки;



191

- возможность объединения ПЭВМ в вычислительную сеть; - автономность эксплуатации непосредственно на рабочем месте без специальных требований к условиям окружающей среды; - простота обслуживания и взаимодействия с ПЭВМ без каких - либо посредников и ограничений; - относительно малая стоимость (от нескольких сотен до нескольких тысяч долларов в зависимости от типа и комплектации), находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя; - высокая надежность работы (более 5 тыс, часов наработки на отказ).

Персональные ЭВМ, как и другие типы машин, обычно выпускаются целыми семействами, что позволяет перекрыть достаточно широкий диапазон производительности, обеспечить преемственность в разработках и возможность совершенствования систем обработки данных, построенных на их основе. Такими, например, являются семейства IBM PC, составляющие почти 80% мирового парка ПЭВМ, которые комплектуются микропроцессорами Pentium различных модификаций.

В семействах ПЭВМ различают младшие, средние и старшие модели. В основу такого деления положены особенности комплектации компьютера и реализуемые этим его возможности. К младшим моделям относят ПЭВМ с ограниченной конфигурацией, умеренной стоимостью, но с широкими возможностями расширения. Средние модели предназначаются для решения более широкого круга задач, а старшие - для обеспечения профессионально - ориентированных и интегрированных автоматизированных рабочих мест (АРМ).

С учетом назначения и функциональных возможностей можно выделить три группы ПЭВМ: бытовые, общего назначения и профессиональные.

Бытовые ПЭВМ предназначены для массового потребителя, поэтому они должны быть достаточно дешевыми, надежными и иметь, как правило, простейшую базовую конфигурацию. Бытовые ПЭВМ используются в домашних условиях для развлечений, обучения и тренировки, управления бытовой техникой. Однако архитектура этих машин позволяет подключать их к каналам связи, расширять набор периферийного оборудования. При некоторой модернизации эти модели могут использоваться для индивидуальной обработки текста, решения небольших научных и инженерных задач.



Персональные ЭВМ общего назначения применяются для решения достаточно широкого спектра задач научно - технического, экономического и организационного характера. Они размешаются на рабочих местах пользователей: на предприятиях, в учреждениях, в магазинах, на складах и т.п.

Машины этого класса обладают достаточно большой емкостью оперативной памяти, имеют внешнюю память на магнитных дисках, видеомонитор,

192

принтер, другие периферийные устройства, а также средства для работы в составе вычислительных сетей.

ПЭВМ общего назначения используются, в основном, пользователями, которые не являются профессионально подготовленными в области вычислительной техники. Поэтому они снабжаются развитым программным обеспечением, включающим операционные системы, трансляторы с алгоритмических языков, пакеты различных прикладных программ. Этот класс ПЭВМ получил в настоящее время наибольшее распространение на мировом рынке.

Профессиональные ПЭВМ используются в научной сфере для решения сложных информационных задач, где требуется высокое быстродействие, эффективная передача больших массивов данных, достаточно большая емкость оперативной памяти. Благодаря подключению широкой номенклатуры периферийных устройств функциональные возможности таких ПЭВМ значительно расширяются. Они могут работать в многозадачном режиме, с алгоритмическими языками высокого уровня, в составе вычислительных сетей. В многопроцессорном исполнении профессиональные ПЭВМ по своим возможностям не только приближаются, но и вполне могут конкурировать с большими ЭВМ предыдущих поколений. Пользователями профессиональных ПЭВМ, как правило, являются программисты, поэтому программное обеспечение должно быть достаточно богатым, гибким, содержать необходимые инструментальные средства автоматизации программирования.

Рассмотренную классификацию дополним простейшей разновидностью ПЭВМ - сетевым компьютером (СК). Вполне возможно, что он в ближайшее время станет еще одним стандартом, объединяющим целый класс компьютеров, который получит массовое производство и распространение.



Прообразом СК можно считать простейшие терминалы, подключаемые к ЭВМ 2 - го и 3 - го поколений. Целью их применения было обеспечение коллективного и удаленного доступа пользователей к вычислительным ресурсам достаточно мощной ЭВМ.

В настоящее время в связи с развитием сетей ЭВМ создание подобных "сетевых приставок" на качественно новой основе становится вновь актуальным. Широкое развитие сетевых технологий позволяет аккумулировать значительные информационные и вычислительные ресурсы. В связи с этим отпадает необходимость каждому пользователю иметь собственные автономные средства обработки, а можно обращаться к вычислительным ресурсам сетей с помощью простейших средств доступа - сетевых компьютеров. Требуемая информация и необходимые виды ее обработки будут выполнены серверами - управляющими ЭВМ сети, а пользователи будут получать уже готовые результаты обработки.

Обычно под СК понимают достаточно простой и дешевый компьютер с малой оперативной памятью, с отсутствием жесткого и гибкого дисков

193

и со слабым программным обеспечением. Стоимость СК может быть значительно ниже стоимости ПК стандартной конфигурации. В настоящее время многие фирмы, в том числе IBM, уже проявляют интерес к этому новому классу компьютеров и связывают с ним определенные надежды.

Низкая стоимость СК и удобство их применения позволяют по - новому решать вопросы компьютеризации образования. С развитием индустрии СК появляется возможность доступа к вычислительным ресурсам всех категорий обучающихся во всех регионах страны.

В настоящее время появился еще один признак классификации ПЭВМ, связанный с миниатюризацией их конструктивного исполнения. Наряду с традиционными ПЭВМ стационарного (настольного) исполнения начал быстро развиваться подкласс переносных компьютеров. По оценкам специалистов, в ближайшие годы до 80% пользователей будут использовать именно такие машины.

Переносные компьютеры весьма разнообразны: от громоздких и тяжелых (до 15 кг) портативных рабочих станций до миниатюрных электронных записных книжек массой около 100 г.


Рассмотрим кратко некоторые типы переносных ПК. Большинство переносных компьютеров имеют автономное питание от аккумуляторов, но могут подключаться и к сети.

Портативные рабочие станции - наиболее мощные и крупные переносные ПК. Их характеристики аналогичны характеристикам стационарных рабочих станций: мощные микропроцессоры с тактовой частотой до 300 МГц, оперативная память емкостью до 64 Мбайт, гигабайтные дисковые накопители, жидкокристаллические видеомониторы, модемы для подключения к вычислительной сети и др. Конструктивно они оформляются в виде чемодана, удобного для переноса, и поэтому носят жаргонное название Nomadic - "кочевник".

Портативные ("наколенные") компьютеры (тип "Lap Top") оформляются в виде небольших чемоданчиков размером с дипломат и массой в пределах 5 - 10 кг. Эти модели по своим техническим характеристикам лишь немного уступают лучшим настольным ПК. В современных Lap Top часто используются микропроцессоры Pentium с тактовой частотой до 200 МГц, оперативная память до 64 Мбайт, накопитель на жестком диске емкостью до 1200 Мбайт и др.

Компьютеры - блокноты (Note ESook) выполняют все функции настольных ПК. Они оформлены в виде миниатюрного чемоданчика (иногда со съемной крышкой) размером с небольшую книгу и массой до 1,5 кг. По своим характеристикам во многом совпадают с Lap Top, отличаясь от них лишь размерами и несколько меньшими объемами оперативной и внешней памяти. Многие модели компьютеров - блокнотов имеют модемы для подключения к каналу связи и, соответственно, к вычислительной сети. По существу, имея под рукой Note Book, вы имеете всегда и на своем рабочем месте, и дома, и в дороге современный офисный компьютер, что для делового

194

человека является уже не роскошью, а необходимостью. В настоящее время количество Note Book в США уже превысило 10 млн. штук.

Карманные компьютеры (Palm Top, что значит "наладонные") - это полноправные персональные компьютеры с миниатюрными размерами и незначительной массой (около 300 г).


Имеют микропроцессор, оперативную и постоянную память, жидкокристаллический дисплей, портативную клавиатуру, а также разъем для подключения к стационарному ПК в целях обмена данными.

Электронные секретари (PDA - Personal Digital Assistent, иногда их называют Hand Held - ручной помощник) имеют размеры и массу, как и у карманных компьютеров, но более широкие функциональные возможности, направленные на организацию электронных справочников, хранящих имена, адреса и номера телефонов, информацию о распорядке дня и встречах, списки текущих дел, записи расходов и т.п. Большинство PDA имеют модемы и при подключении к вычислительной сети могут получать и отправлять электронную почту и факсы.

Электронные записные книжки (organizer - органайзеры) относятся к "легчайшей" категории портативных компьютеров, масса их не превышает 200 г. В них содержится вместительная память, в которую можно записывать необходимую информацию и отредактировать ее с помощью встроенного текстового редактора. Есть разъем для подключения к компьютеру, небольшой жидкокристаллический дисплей, встроенный таймер, который напоминает звуком о заданном времени.

195

190 :: 191 :: 192 :: 193 :: 194 :: 195 :: Содержание

Общая характеристика технологии разработкипрограммных средств

В основе работы любой ЭВМ лежит принцип программного управления, заключающийся в том, что ЭВМ автоматически решает поставленную задачу в полном соответствии с программой, заранее составленной и введенной в память машины. Именно программа определяет для ЭВМ то, какие операции ей необходимо выполнить, над какими данными или операциями и в какой последовательности. В связи с этим ЭВМ можно рассматривать как программно - управляемый автомат, обеспечивающий получение искомого результата путем выполнения по заданной программе необходимой последовательности операций, инициированных командами этой программы.

Весте с тем, непосредственному решению задач на ЭВМ обычно предшествует значительная по трудоемкости подготовительная работа, связанная с разработкой необходимых программ. Сложившаяся в настоящее время технология разработки программных средств предполагает последовательную реализацию вполне определенных этапов (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Принципиальная схема технологического процессаразработки программных средств

67

В зависимости от специфических особенностей конкретной задачи (ее вычислительной и логической сложности, состава и структуры обрабатываемой информации и т.п.), профессионального уровня подготовки специалистов и ряда других факторов некоторые этапы технологического процесса, представленные в данной схеме, могут быть объединены в более крупные этапы или реализовываться в неявном виде.

Основным потребителем программ обычно служит конечный пользователь, который, как правило, относится к категории пользователей - непрограммистов. Конечный пользователь не является специалистом в области программирования, т.е. не владеет методами, технологией проектирования и создания программ, но имеет, вместе с тем, элементарные знания и навыки работы с вычислительной техникой. Такая квалификационная характеристика пользователя программных средств в значительной степени определяет требования к создаваемым программам и технологии решения задач на ЭВМ.

Основная категория специалистов, занятых разработкой программ, - это программисты.
Программисты также неоднородны по своей квалификации и характеру деятельности, Это могут быть, в частности, системные программисты и прикладные программисты.

Системные программисты занимаются разработкой общесистемной среды функционирования всех других программ, а также программных средств, обеспечивающих надежную и эффективную работу самого компьютера. Прикладные программисты осуществляют разработку и отладку программ для решения функциональных задач; они обычно работают в тесном взаимодействии с пользователями, которые являются заказчиками и поставщиками этих задач.

Программирование - это достаточно развитая отрасль хозяйственной деятельности, связанная со значительными затратами материальных, трудовых и финансовых ресурсов. По данным зарубежных источников, в середине 90 - х годов в мире было занято программированием до 2 % трудоспособного населения. Совокупный оборот в сфере создания программных средств достигает нескольких сот миллиардов долларов в год.

Все программы по характеру использования и категориям пользователей можно разделить на два класса утилитарные программы и программные продукты (изделия).

Утилитарные программы ("программы для себя") предназначены для удовлетворения нужд их разработчиков и не являются предметом широкого распространения.

Программные продукты (изделия) служат для удовлетворения разнообразных потребностей широкого круга пользователей и предназначены для массового распространения и продажи.

Программный продукт - это комплекс взаимосвязанных программ для решения определенной проблемы (задачи) массового спроса, подготовленный к реализации как любой вид промышленной продукции.

68

Программный продукт должен быть соответствующим образом подготовлен к эксплуатации, иметь необходимую техническую документацию, предоставлять сервис и гарантию надежной работы программы, иметь товарный знак изготовителя, а также наличие кода государственной регистрации (желательно). Только при таких условиях созданные программные средства могут быть названы программным продуктом.



При разработке программных продуктов для массового распространения фирма - разработчик, с одной стороны, должна обеспечить универсальность выполняемых функций обработки данных, с другой стороны, гибкость и настраиваемость программного продукта на условия конкретного применения.

Как правило, программные продукты требуют сопровождения, которое осуществляется фирмами - распространителями программ (дистрибьютерами), реже - фирмами - разработчиками. Сопровождение программного продукта - это поддержка работоспособности программного продукта, переход на его новые версии, внесение изменений, исправление обнаруженных ошибок и т.п.

Спецификой программных продуктов (в отличие от большинства других промышленных изделий) является также и то, что их эксплуатация должна выполняться на правовой основе, т.е. на основе лицензионного соглашения между разработчиком и пользователем с соблюдением авторских прав разработчика программных продуктов.

69

67 :: 68 :: 69 :: Содержание

Общее представление об информационных системах

Информационная система представляет собой взаимосвязанную совокупность средств, методов и персонала, обеспечивающих сбор, хранение, обработку, передачу и отображение информации в интересах достижения поставленной цели.

Основным средством обработки информации в современных информационных системах стала вычислительная техника. Компьютеры, оснащенные необходимыми программными средствами, являются в настоящее время технической базой и инструментом для создания информационных систем.

Однако любые технические средства в составе информационной системы всегда дополняются участием человека. Современная информационная система немыслима без персонала, взаимодействующего с компьютерами и телекоммуникациями. Персонал организации принимает непосредственное участие в информационных процессах, протекающих в системе. Полученная в системе в результате обработки информация используется персоналом при принятии соответствующих управленческих решений.

Важнейшей особенностью современных информационных систем должна быть открытость, обеспечивающая им должный динамизм в развитии и совершенствовании, в адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды.

При проектировании информационных систем необходимо системно и комплексно учитывать все факторы и обстоятельства, оказывающие влияние на их функционирование. Это нужно делать уже на стадии пред - проектного обследования той организации, для которой создается информационная система.

В результате внедрения информационных систем на предприятиях, в учреждениях и организациях существенно повышается достоверность получаемой информации, совершенствуется структура информационных потоков и система документооборота, создаются условия для формирования более рациональных вариантов решения управленческих задач, персонал освобождается от выполнения рутинной работы и т.д. В конечном счете , все это способствует уменьшению затрат на производство товаров и услуг.

Первые информационные системы появились еще в 50 - х гг. Тогда они были предназначены, в основном, для обработки бухгалтерских отчетов и реализовывались с применением электромеханических вычислительных

49

машин. При этом заметно сокращалось время оформления необходимых бумажных документов.

В 60 - х гг. информационные системы стали применяться не только в сфере бухгалтерской отчетности, но и для подготовки документов по многим другим показателям деятельности организации.

В 70 - х - начале 80 - х гг, информационные системы начинают использоваться в качестве средства управленческого контроля, обеспечивающего поддержку и принятие управленческих решений.

К концу 80 - х гг. вновь изменяется концепция использования информационных систем. Они становятся полномасштабным источником информации для обеспечения деятельности организации любого профиля на всех уровнях управления. Информационные системы этого периода, предоставляя во время нужную информацию, помогают организации достичь значительных и стабильных успехов в своей работе.

50

49 :: 50 :: Содержание

Общие принципы функциональной и структурной организации ЭВМ

Сложность современных ЭВМ, в которых, помимо разнообразных технических средств, обширно представлены средства программного обеспечения, закономерно привела к понятию архитектуры вычислительных машин. Под архитектурой ЭВМ понимают общую логическую организацию технических и программных средств, которая обеспечивает пользователю необходимые технико - эксплуатационные характеристики ЭВМ (производительность, емкость памяти, точность вычислений, надежность и др.), а также максимально возможные удобства взаимодействия с ЭВМ. При этом для пользователя обычно является несущественным то, какими именно средствами (техническими или программными) обеспечиваются эти характеристики ЭВМ.

Архитектурные свойства вычислительных машин предопределяются их функциональной и структурной организацией.

Функциональная организация - это общая идеология автоматизированного функционирования ЭВМ, технология взаимодействия технических и программных средств, способы использования различных устройств при организации их совместной работы, алгоритмы выполнения машинных операций, принятая в данной ЭВМ система команд, выбранные способы адресации и методы кодирования обрабатываемых данных и др.

Принципы и режимы функционирования ЭВМ реализуются различными структурными компонентами ЭВМ (техническими, программными и программно - техническими), которые отражают ее структурную организацию. В ней представлены элементы ЭВМ (логические, запоминающие и др.), функциональные узлы (регистры, счетчики, дешифраторы, сумматоры и др.), устройства ЭВМ (обрабатывающие, управляющие, запоминающие, ввода - вывода и др.), а также программные модули различных видов и назначений.

Между компонентами функциональной и структурной организации ЭВМ обычно отсутствует взаимно однозначное соответствие. Как правило, отдельные структурные компоненты используются для реализации многих функций ЭВМ, и наоборот, некоторые такие функции требуют использования нескольких структурных модулей.

Проводимые в последние десятилетия унификация и стандартизация технических и программных средств привели к созданию семейств ЭВМ, имеющих различные технические и эксплуатационные характеристики, но

165

обладающих, вместе с тем, программной, информационной и технической совместимостью.

Программная совместимость означает, что программы, составленные для одной модели, могут выполняться на других моделях данного семейства. Практически это достигается единой для всех моделей системой команд.

Информационная совместимость означает использование в различных ЭВМ данного семейства общих принципов кодирования, адресации, форм и форматов представления данных.

Техническая совместимость означает унификацию конструкторско - технологической базы ЭВМ, стандартизацию уровней и последовательностей управляющих и синхронизирующих сигналов.

Совместимые ЭВМ должны иметь одинаковую функциональную организацию. Информационные символы (цифры, буквы, знаки и др.) должны одинаково представляться в ЭВМ. Система команд должна обеспечивать в таких ЭВМ получение одинаковых результатов при одинаковых преобразованиях данных. Работой этих машин должны управлять одинаковые или функционально совместимые операционные системы, должны быть совместимы методы и алгоритмы планирования и управления программно - техническими ресурсами. Аппаратурные средства ЭВМ должны иметь согласованные питающие напряжения, частотные параметры сигналов, а главное - состав, структуру и последовательность выработки управляющих сигналов.

В основе построения совместимых ЭВМ обычно лежит модульный принцип, при котором основные устройства реализуются в виде автономных логически и конструктивно законченных модулей. Модульная конструкция позволяет наращивать структуру ЭВМ, включать в ее состав новые устройства, расширяющие функциональные возможности ЭВМ. Именно в этом состоит принцип открытости вычислительных машин как систем, способных к развитию и совершенствованию. Принцип открытости стал в настоящее время основополагающим не только для отдельных ЭВМ, но и для реализуемых на их основе вычислительных систем и комплексов, а также сетей ЭВМ.

166

165 :: 166 :: Содержание

Общие сведения об ЭВМ

Электронная вычислительная машина (ЭВМ) представляет собой комплекс технических и программных средств, предназначенных для автоматизированной обработки информации. При этом любая информация в ЭВМ хранится, передается и обрабатывается в виде многоразрядных двоичных кодов.

Принцип действия ЭВМ, назначение основных устройств и характер их функционального взаимодействия удобно проследить по структурной схеме, представленной на рис. 7.1. Эта схема в известном смысле является классической, поскольку именно она легла в основу построения ЭВМ первых поколений.

Рис. 7.1. Структурная схема ЭВМ первых поколений

В данной схеме представлены следующие устройства ЭВМ: центральное устройство управления; арифметико - логическое устройство; память (оперативная и внешняя); устройства ввода данных в машину и вывода из нее результатов.

149

Центральное устройство упрощения (ЦУУ) организует и координирует автоматическое взаимодействие всех устройств ЭВМ при решении задач. В основе автоматизации вычислительного процесса в ЭВМ лежит принцип программного управления, заключающийся в том, что ЭВМ автоматически решает поставленную задачу, если в виде программы ей задана последовательность выполняемых действий. Программа, состоящая из отдельных команд, указывает ЭВМ, какие операции необходимо выполнить, над какими данными (или операндами) и в какой последовательности. Заранее составленная программа вместе с исходными данными вводится в память ЭВМ. ЦУУ осуществляет выборку из памяти кодов команд программы и их преобразование в необходимые последовательности управляющих сигналов, обеспечивающих согласованное взаимодействие устройств ЭВМ в процессе автоматического выполнения программы. Под действием этих сигналов производится, в частности, выборка из памяти необходимых операндов, их пересылка в арифметико - логическое устройство (АЛУ), выполнение в АЛУ требуемой операции и так далее. На рис.7.1 цепи управляющих сигналов не представлены Применительно к конкретным устройствам ЭВМ функции ЦУУ часто дополняются работой местных устройств управления.
Такая децентрализованность и автономность в управлении позволяют совмещать во времени работу отдельных устройств ЭВМ и тем самым повышать эффективность использования ее технических средств.

Арифметико - логическое устройство ЭВМ обеспечивает выполнение широкого набора различных машинных операций (арифметических, логических и др.), причем операндами при их выполнении могут быть исходные данные задачи, промежуточные результаты, а в некоторых случаях - коды других команд. Результат выполнения операции либо передается в память ЭВМ, либо остается в АЛУ в качестве операнда последующей машинной операции.

В современных ЭВМ центральное устройство управления и АЛУ обычно конструктивно объединяются в отдельный блок, называемый центральным процессором. Процессор занимает центральное место в структуре ЭВМ, обеспечивая реализацию вычислительного процесса в соответствии с заданной программой.

Память ЭВМ служит для хранения исходных данных, команд программы, а также промежуточных и окончательных результатов вычислений. Данные, хранящиеся в памяти, по мере необходимости выдаются в другие устройства ЭВМ (ЦУУ, АЛУ и др.). Память ЭВМ обычно состоит из двух существенно отличающихся по своим характеристикам частей: быстродействующей внутренней памяти и сравнительно медленнодействующей, но способной хранить значительный объем информации внешней памяти (ВП). Кроме того, в составе устройств внутренней памяти выделяют оперативные, сверхоперативные, постоянные и некоторые другие запоминающие устройства.

150

Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) непосредственно взаимодействуют с АЛУ машины и хранят данные, используемые в ближайшей серии вычислений. Данные из ОЗУ обычно извлекаются определенными порциями, поэтому ОЗУ разбивается на отдельные ячейки, каждая из которых служит для хранения двоичного кода определенной разрядности. Все ячейки ОЗУ пронумерованы. Номера ячеек памяти являются адресами данных, хранящихся в них. При считывании данных из ячейки ОЗУ ее содержимое либо сохраняется, либо при необходимости восстанавливается и может быть в дальнейшем получено из той же ячейки.


При записи в ОЗУ хранящиеся в ячейке памяти данные стираются и их место занимают новые.

Тесное взаимодействие с АЛУ предъявляет повышенные требования к быстродействию оперативного ЗУ, поскольку оно непосредственно влияет на скорость работы ЭВМ в целом. Современные ОЗУ характеризуются достаточно высоким быстродействием, цикл обращения к ним составляет доли микросекунды. Однако в быстродействующих ЭВМ даже такая скорость работы ОЗУ может оказаться недостаточной. В этом случае в состав ЭВМ включают так называемые сверхоперативные запоминающие устройства (СОЗУ) незначительного объема. Обычно в качестве СОЗУ используемся внутренняя регистровая память процессора, выполненная на тех же электронных компонентах, что и АЛУ ЭВМ.

В составе ЭВМ используется также еще один вид внутренней памяти - постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), используемые для хранения различных констант и постоянных программ. Данные в ПЗУ записываются однократно, обычно в процессе изготовления устройства, а в дальнейшем только считываются без разрушения. Если занесение данных в ПЗУ производится в эксплуатационных условиях, то такие ПЗУ называются программируемыми постоянными запоминающими устройствами (ППЗУ).

Рассмотренные виды внутренней памяти непосредственно взаимодействуют с процессором и вместе с ним образуют центральную часть (ядро) ЭВМ. Кроме центральной части, в состав ЭВМ входят также различные периферийные устройства (ПУ), которые по своему назначению делятся на две группы:

- устройства внешней памяти, предназначенные для хранения больших информационных массивов; - устройства ввода - вывода, обеспечивающие связь ЭВМ с внешней средой, в том числе с пользователями, путем ввода в ЭВМ и вывода из ЭВМ данных, их регистрации и отображения.

Обмен данными между центральной частью ЭВМ и периферийными устройствами производится операциями ввода - вывода. В процессе ввода данные передаются в центральную часть ЭВМ из внешней среды (в том числе и от пользователей), а также из внешней памяти. В процессе вывода данные передаются во внешнюю среду или во внешнюю память ЭВМ.



151

Производительность и эффективность работы ЭВМ определяются не только возможностями процессора и внутренней памяти, но и составом, техническими характеристиками и выполняемыми функциями периферийных устройств, а также способами организации их взаимодействия с центральной частью ЭВМ.

Особенностью большинства ПУ является относительно низкая скорость, с которой они принимают или передают данные. Это объясняется тем, что в большинстве из них используются электромеханические узлы, скорость работы которых значительно ниже скорости работы электронных компонентов центральной части ЭВМ. Кроме того, быстродействие некоторых ПУ (например, многих устройств ввода) непосредственно зависит от производительности труда оператора (пользователя).

Сопряжение различных устройств ЭВМ между собой осуществляется с помощью так называемых, интерфейсов. Интерфейс представляет собой совокупность средств сопряжения и связи, обеспечивающих требуемое взаимодействие устройств ЭВМ. Основой существующих интерфейсов является унификация и стандартизация аппаратурных (технических) и программных средств, обеспечивающих такое взаимодействие. Наличие стандартных интерфейсов позволяет унифицировать передачу данных между устройствами независимо от их особенностей. Это также упрощает проблему включения в состав ЭВМ дополнительных устройств, позволяет разрабатывать новые устройства независимо друг от друга.

152

149 :: 150 :: 151 :: 152 :: Содержание

Оптические запоминающие устройства

Оптические накопители информации относятся к числу перспективных и быстро развивающихся запоминающих устройств. Благодаря малым размерам, большой емкости и надежности они становятся все более популярными. В настоящее время разработаны и нашли практическое применение различные типы накопителей на оптических дисках. Рассмотрим кратко их основные особенности.

Неперезаписываемые лазерно - оптические диски обычно называют компакт - дисками ПЗУ - Compact Disk CD - ROM. Запись информации на них производится однократно с: помощью специального оборудования. Для этого используется лазерный луч достаточно большой мощности, который оставляет на активном слое компакт - диска след - дорожку с микроскопическими впадинами. Таким образом создается первичный "мастер - диск", с которого путем литья под давлением производится массовое тиражирование CD - ROM. Записанные на дорожке данные считываются также лазерным лучом, но существенно меньшей мощности. При этом лазерный луч по - разному отражается от ровной поверхности диска и от углублений (впадин) на дорожке.

CD - ROM ввиду чрезвычайно высокой плотности записи (на одном дюйме по радиусу диска размешается до 16000 дорожек) имеют емкость до 1,5 Гбайт; время доступа в разных оптических дисках колеблется от 30 до 300 мс, а скорость считывания - от 150 до 1500 Кбайт/с.

Перезаписываемые компакт - диски, появившиеся в последние годы, обеспечивают непосредственно в дисководе компьютера также с помощью лазерного луча однократную (CD - R - CD Recordable) или многократную (CD - E - CD Erasable) запись информации. Используемые для этой цели специальные диски достаточно дороги, особенно те, которые допускают многократную запись.

Возможность перезаписи информации обеспечивают накопители на магнитооптических дисках (СС - Е - Continuous Composite Erasable). Активный слой на поверхности магнитооптического диска может быть перемагничен магнитной головкой только при высокой температуре. Такая температура (сотни градусов) создается лазерным импульсом длительностью порядка 0,1 мкс.
При считывании информации вектор поляризации отраженного от поверхности диска лазерного луча на несколько градусов изменяет свое направление в зависимости от направления намагниченного участка активного слоя. Изменение направления поляризации и воспринимается соответствующим датчиком.

В магнитооптических накопителях обеспечивается емкость в несколько Гбайт, время доступа от 15 до 150 мс и скорость считывания до 2000 Кбайт/с. На таких дисках могут создаваться магнитооптические библиотеки емкостью в сотни Гбайт, в которых за несколько секунд производится автоматическая смена дисков.

224

К перспективным типам внешних ЗУ можно отнести и накопители на флоптических дисках, выполняющих обычную магнитную запись информации, но со значительно большей плотностью размещения дорожек на поверхности диска. Такая плотность достигается благодаря наличию на дисках специальных нанесенных лазерным лучом серводорожек, которые служат при считывании - записи базой для позицирования лазерного луча и, соответственно, магнитной головки, жестко связанной с лазером. Совместное использование магнитных и магнитооптических головок позволяет значительно увеличить как продольную, так и поперечную плотность записи.

225

224 :: 225 :: Содержание

Организация управления основной памятью ЭВМРаспределение и защита памятиВиртуальная память

Основные функции управления ОП, реализуемые процессором ЭВМ, сводятся к формированию исполнительных (физических) адресов фактического обращения к ОП, а также к распределению и защите областей памяти при мультипрограммном режиме работы. В конечном счете необходимо наиболее эффективно отобразить адресное пространство программ в адресном пространстве ОП, которое требуется для их размещения и выполнения.

Наименьшей адресуемой единицей данных, хранящейся в памяти, является байт. В персональных ЭВМ число байтов памяти, имеющих уникальные адреса, определяется количеством m линий в шине адреса системной магистрат и. При m - 16 это количество равно 64 Кбайта, при m = 20 - 1 Мбайт, при m = 24 - 16 Мбайт, при m = 32 - 4 Гбайт. Несогласованность разрядности адресов машинных команд и разрядности физических адресов фактического обращения к памяти приводит к необходимости формирования последних с использованием тех или иных способов адресации.

При загрузке в ОП программы, подлежащей выполнению, ей выделяется определенный ресурс (объем) памяти, необходимый для размещения команд, данных, управляющих таблиц и др., т.е. производится трансляция адресного пространства программы в соответствующее местоположение ее в реальной памяти.

Эффективное распределение ресурса памяти между различными программами не может быть статическим, т.е. производиться программистом (пользователем) перед их выполнением. В процессе обработки программ

176

потребности в ресурсе памяти отдельных программ изменяются, что заранее не всегда можно учесть. Необходимо осуществлять динамическое распределение памяти, т.е. распределять ресурс памяти непосредственно в ходе вычислительного процесса. Эти функции, в основном, берет на себя операционная система. Динамическое распределение памяти позволяет перемещать программы, размещать их в свободных или освобождающихся областях памяти, допускает использование несмежных участков и т.д. Все это существенно снижает фрагментацию памяти, характерную для статического распределения.

Одним из распространенных способов динамического распределения памяти является сегментная организация программ, при которой адресное пространство программы разбивается на отдельные сегменты, мало связанные между собой. Каждый сегмент имеет собственный номер (адрес) S, а внутри сегмента адрес необходимого байта задается соответствующим смещением i. Сегментный адрес программы (или ее части) размещается в сегментном регистре процессора, а смещение задается адресным полем каждой команды программы.

Разрядность сегментного регистра вместе с разрядностью смещения в адресном поле команды определяются адресной структурой ЭВМ, т.е. допустимой для данной ЭВМ разрядностью шины адреса системной магистрали. Адресная структура ЭВМ физически ограничивает, с одной стороны, максимальное число сегментов, которое может существовать в адресном пространстве программ, а с другой, ограничивает максимальное смещение любого адреса в сегменте.

Если ЭВМ имеет 32 - х битовую адресную структуру, то максимальная длина адреса в единственном сегменте будет составлять 32 разряда. Если же 16 разрядов из 32 отвести под сегментный адрес S, a 16 разрядов - под смещение i, то адресное пространство программ будет состоять из 216 сегментов, каждый из которых может содержать 216 = 64 Кбайт.

Сегментированная программа загружается в реальную память без трансляции адресного пространства, т.е. без изменения адресов в программе с учетом физического размещения в памяти команд и данных. Сегменты вводимой программы содержат лишь относительные адреса, задаваемые смещением. Каждый сегмент перемещается в реальную память отдельно, при этом участки основной памяти могут быть или не быть смежными.

Динамическая трансляция адресов каждой команды производится в процессе ее выполнения. При этом формируются реальные физические адреса памяти по известным относительным адресам, содержащим номер сегмента и смещение относительно начала сегмента. Процессор обращается к памяти, используя только реальные физические адреса.

Для динамической трансляции адресов операционная система формирует для каждой программы специальные сегментные таблицы, которыми устанавливается соответствие между номерами сегментов данной



177

программы и действительными адресами сегментов в реальной памяти. Таблицу сегментов содержит каждая выполняемая программа. В дополнение к таблицам сегментов, хранящимся в памяти, используется специальный управляющий регистр процессора называемый регистром начала таблицы сегментов (РНТС). В этот регистр заносится адрес таблицы сегментов для той программы, которая выполняется в данный момент времени.

На рис. 8.7 показана технология формирования исполнительного (физического) адреса при сегментной организации памяти. Для каждой n - ой программы, подлежащей выполнению, в адресном поле команд указывается относительный адрес заданием номера сегмента S и смещения i.

Рис. 8.7. Структурная схема преобразования адресовпри сегментной организации памяти

При этом в РНТС заносится начальный адрес сегментной таблицы этой программы. Номер сегмента в относительном адресе команды используется как индекс при обращении к сегментной таблице. Адрес, хранимый в выбранной строке этой таблицы, является адресом начала сегмента в реальной памяти. Смещение i в относительном адресе команды добавляется к начальному адресу сегмента, образуя физический адрес реальной памяти.

178

Использование сегментации программ позволяет уменьшить фрагментацию памяти, но полностью фрагментация не устраняется, так как остаются фрагменты, длина которых меньше длины сегмента программы.

Если сегменты разделить на более мелкие единицы, называемые страницами, то неиспользуемые фрагменты ОП значительно сократятся в объеме, так как при этом останется фрагментация лишь внутри страниц, имеющих незначительный объем.

Сегментно - страничная организация добавляет еще один уровень в структуре адресного пространства программ. Теперь иерархия в организации размещения программ состоит из четырех ступеней: 1) программа, 2) сегмент, 3) страница, 4) байт. В каждой команде структура адреса содержит три составляющих; S, P, i, где S - имя (номер) сегмента внутри адресного пространства программы; Р - имя (номер) страницы внутри сегмента; i - адрес байта относительно начала страницы.


Для 32 - разрядной ЭВМ адресная структура при сегментно - страничной организации может быть такой, как показана на рис. 8.8.

Рис. 8.8. Адресная структура при сегментно - страничнойорганизации памяти

При сегментно - страничной организации процесс преобразования адресов, показанный на рис. 8.9, требует формирования как сегментных, так и страничных управляющих таблиц. Эти функции выполняет операционная система совместно с техническими средствами процессора.

На первом этапе начальный адрес сегментной таблицы суммируется с номером сегмента S из относительного адреса. В результате образуется адрес, по которому из ОП считывается строка сегментной таблицы, содержащая адрес начала страничной таблицы для данного сегмента.

179

Рис. 8.9. Структурная схема преобразования адресовпри сегментно - страничной организации памяти

На втором этапе полученный адрес начала страничной таблицы суммируется с номером страницы из относительного адреса. В результате образуется адрес, по которому из ОП считывается соответствующая строка страничной таблицы, указывающая номер физической страницы памяти. Соединив этот номер со смещением из относительного адреса, получим физический адрес обращения к байту реальной памяти.

Если нужная физическая страница оказывается во внешней памяти, то происходит прерывание по страничному сбою. Операционная система инициирует передачу этой страницы в ОП (при этом меняется номер физической страницы) и корректирует соответствующим образом страничную таблицу, находящуюся в ОП. В старшие разряды физического адреса передается новый номер физической страницы, а в младшие - номер байта (смещение i) из относительного адреса. Физический адрес сформирован.

Дальнейшим развитием систем организации управления памятью служит режим виртуального памяти, при котором имитируется работа с максимально возможным объемом памяти, определяемым адресностью системной магистрали. В этом режиме все виды памяти (оперативная, постоянная, внешняя) объединяются в единую виртуальную память, которая делится на страницы, содержащие фиксированное число байтов.



Программист (пользователь) не делает различия между оперативной и внешней памятью. Программирование ведется в виртуальных адресах.

180

Страницам виртуальной и физической памяти присваивают соответствующие номера. Каждой физической странице соответствует виртуальная страница, и наоборот. Адреса байтов в пределах одной виртуальной страницы полностью совпадают с адресами байтов в соответствующей физической странице.

Когда новая программа загружается в память, она может быть направлена в любые свободные в данный момент физические страницы независимо от того, расположены они подряд или нет. Не требуется перемещения данных в остальной части памяти. Страничная организация виртуальной памяти позволяет сократить объем передачи информации между внешней и оперативной памятью, так как страница программы не должна загружаться в ОП до тех пор, пока она, действительно, не потребуется. Сначала в ОП загружается начальная страница программы, и ей передается управление. Если по ходу вычислительного процесса делается попытка выборки данных из другой страницы, то производится автоматическое обращение к операционной системе, которая осуществляет загрузку требуемой страницы. Этот механизм называется принудительным страничным обменом.

В памяти современных ЭВМ одновременно могут находиться десятки независимых программ, поэтому необходимы специальные меры для предотвращения или ограничения обращений одной программы к областям памяти, используемым другими программами. Реализация такого "механизма" называется защитой памяти.

Программы могут содержать также ошибки, которые, если этому не воспрепятствовать, приводят к искажению данных, принадлежащих другим программам. Последствия таких ошибок особенно опасны, если разрушению подвергаются программы операционной системы. Другими словами, надо исключить воздействие программы пользователя на работу программ других пользователей и программ операционной системы.

Защита памяти осуществляется на уровне физических страниц и состоит в проверке всех физических адресов, формируемых командами программ при обращении к памяти.


Если адрес относится к выделенному для данной программы массиву ячеек, то обращение к памяти разрешается, в противном случае выполнение программы приостанавливается и вырабатывается запрос прерывания по нарушению защиты памяти.

Защита памяти может выполняться как по записи, так и по считыванию. Первая предотвращает искажение информации, не относящейся к данной программе, а вторая позволяет исключить возможность использования несанкционированных данных посторонними пользователями.

Для организации защиты памяти обычно применяется метод ключей защиты. Каждому блоку памяти (физическому сегменту или физической странице) ставится в соответствие двоичное число, получившее название ключа защиты памяти. Каждой программе, в свою очередь, соответствует число той же разрядности, называемое ключом защиты для данной программы. При каждом обращении к памяти осуществляется проверка совпадения ключа защиты памяти и ключа защиты программы. Если ключи

181

защиты памяти и программы совпадают или при любом ключе защиты памяти ключ защиты программы состоит из нулей, то доступ к памяти разрешается; в противном случае формируется запрос прерывания по защите памяти.

Программам операционной системы может потребоваться обращение к любым областям памяти, поэтому этим программам присваивается нулевой ключ защиты, который является универсальной "отмычкой" для всех физических блоков памяти.

182

176 :: 177 :: 178 :: 179 :: 180 :: 181 :: 182 :: Содержание

---

---