Большие ЭВМ общего назначения

На первых этапах внедрения ЭВМ в деятельность человека решение задач, в основном, можно было разделить на два больших класса:

- научные и технические расчеты - для них типичным является возможность работы со словами фиксированной длины, относительно небольшие объемы входной информации (исходных данных) и выходной информации (результатов расчета) и очень большое количество разнотипных вычислительных операций, которые необходимо проделывать в процессе решения;

- планово-экономические расчеты, статистика - носят совсем иной характер. Они связаны с вводом в машину очень большого количества (массивов) исходных данных. Сама же обработка требует сравнительно небольшого числа простейших логических и арифметических операций. Однако в результате обычно выводится и печатается очень большое количество информации, причем, как правило, в отредактированной форме в виде таблиц, ведомостей, различных форм и т.д. задачи такого типа получили название задач обработки данных. ЭВМ, предназначенные для их решения, часто называют системой автоматизированной обработки данных. Подобные ЭВМ составляют основу системы АСУ.

Для системы обработки данных важно отметить возможность ввода, хранения, обработки и вывода большого количества текстовой (алфавитно-цифровой) информации, которая представлена словами переменной длины. Кроме того, для таких систем важно наличие большого количества периферийных запоминающих устройств, хранящих большое количество информации (накопители на дисках и лентах), а также высокопроизводительных устройств ввода и вывода данных.

Для решения этих двух типов задач первоначально строили ЭВМ, которые различались уже на уровне аппаратного обеспечения. Однако резкое расширение сферы использования ЭВМ, совершенствование аппаратного и программного обеспечения, расширение понятия научно-технических расчетов привело к стиранию границ между этими двумя типами задач, а, следовательно, и типами ЭВМ. В результате появились ЭВМ общего назначения (mainframe), которые в настоящее время выполняют основной объем вычислительных работ и машинной обработки информации в различных ВЦ и АСУ.

Современные ЭВМ общего назначения универсальны и могут использоваться как для решения научно-технических задач численными методами, так и в режиме автоматической обработки данных в АСУ. Такие ЭВМ имеют высокое быстродействие, память большого объема, гибкую систему команд и способов представления данных, широкий набор периферийных устройств.

Однако для того чтобы понять радикальные отличия структуры первых микро- и мини-ЭВМ, появившиеся в начале 70 годов, от структур основных типов ЭВМ, существующих в то время – ЭВМ общего назначения – необходимо рассмотреть структуру типичного представителя этих ЭВМ (например, ЕС–ЭВМ), прототипами которых были машины IBM 360/370. Их быстродействие составляло от 200 тысяч оп/сек (ЕС 1030) до 5000 тысяч оп/сек (ЕС 1065) и более для старших моделей машин этого семейства. Упрощенная структура ЭВМ серии ЕС изображена на рис.1.3.

Рис. 1.3. Структура ЭВМ общего назначения

Собственно обработка данных производится в центральном процессоре (ЦП), содержащем АЛУ и УУ. Это самая быстродействующая часть ЭВМ. Поэтому возникает проблема взаимодействия быстродействующего процессора с большим числом сравнительно медленно действующих периферийных устройств (ПУ). Для эффективного использования всего вычислительного комплекса требуется организовать параллельную во времени работу ЦП и ПУ. Такой режим в ЭВМ общего назначения организуется при помощи специализированных вспомогательных процессоров ввода/вывода, называемых каналами. Периферийные устройства связаны с каналами через собственные блоки управления (УПУ) (их часто называют контроллерами ПУ) и систему сопряжения, называемую интерфейсом. Коротко рассмотрим функции этих устройств.

КАНАЛЫ

Поскольку каналы предназначены для освобождения центрального процессора от вспомогательных операций, не связанных с вычислениями, каналы имеют непосредственный доступ к ОП параллельно ЦП, естественно со своими приоритетами. Ввиду того, что ПУ существенно различаются по быстродействию и режимам работы, каналы подразделяют на байт-мультиплексные, блок-мультиплексные и селекторные.

Байт-мультиплексный канал может обслуживать одновременно несколько сравнительно медленно действующих ПУ - печатающих, УВВ с перфокарт и перфолент, дисплеев и др. Байт-мультиплексный канал попеременно организует с ними сеансы связи для передачи между ОП и ПУ небольших порций информации фиксированной длины (обычно 1-2 байта). В простейшем случае происходит циклический опрос ПУ, например, при работе с дисплейной станцией. В более сложном варианте байт-мультиплексный канал начинает обслуживать ПУ по их запросу, причем первым опрашивает ПУ с высшим приоритетом, а затем по очереди обращается ко всем остальным ПУ, беря от каждого по одному байту информации. Таким образом, мультиплексный канал работает с "медленными" устройствами, способными ожидать обслуживание без потери информации.

Селекторный и блок-мультиплексный каналы связывают ЦП и ОП с ПУ, работающими с высокой скоростью передачи информации (магнитные диски, ленты и др.).

Селекторный канал предназначается для монопольного обслуживания одного устройства. При работе с селекторным каналом ПУ после пуска операции остается связанным с каналом до окончания цепи операций. Запросы на обслуживание других ПУ, так же как и новые команды пуска операций ввода-вывода от процессора, в это время не воспринимаются каналом: до завершения цепи операций селекторный канал по отношению к процессору представляется занятым устройством. Таким образом, селекторный канал предназначен для работы с быстродействующими устройствами, которые могут терять информацию вследствие задержек или прерываний в обслуживании.

Блок-мультиплексный канал обладает тем свойством, что операции, не связанные с передачей данных (установка головок на цилиндр, поиск записи и т.д.), выполняются для нескольких устройств в мультиплексном режиме, а передача блока информации происходит в монопольном (селекторном) режиме.

Следует отметить, что аппаратные средства можно разделить на две части: средства, предназначенные для обслуживания отдельных ПУ, подключенных к каналу, и оборудование, являющееся общим для устройств и разделяемое всеми устройствами во времени.

Средства канала, выделенные для обслуживания одного ПУ, принято называть подканалом.

ИНТЕРФЕЙС

Связи всех устройств ЭВМ друг с другом осуществляются с помощью интерфейса. Интерфейс представляет собой совокупность линий и шин сигналов, электронных схем и алгоритмов, предназначенную для осуществления обмена информацией между устройствами. От характеристик интерфейсов во многом зависят производительность и надежность ЭВМ.

В заключение следует отметить, что все выше сказанное относится к серийно–выпускаемым в свое время крупным ЭВМ общего назначения серии ЕС (IBM 360/370). Однако в этот же период были разработаны и серийно производились супер-ЭВМ типа Крэй1, Крэй2, Кибер-205, "Эльбрус", ПС-2000, и т.д. Их колоссальная производительность достигалась за счет уникальных структур аппаратного и программного обеспечения. Эти ЭВМ выпускались в незначительных количествах, как правило, под конкретный заказ. Более подробно о многопроцессорных ЭВМ речь пойдет в отдельном разделе данного курса.

МАЛЫЕ ЭВМ

Уже отмечалось, что наиболее массовое внедрение ЭВМ в деятельность человека началось тогда, когда в конце 60-х годов удалось построить небольшие, достаточно простые, надежные и дешевые вычислительные устройства, элементной базой которых были микросхемы. Уменьшение объема аппаратуры и стоимости машины было достигнуто за счет укорочения машинного слова (12-16 разрядов вместо 32-64 в машинах общего назначения), уменьшения по сравнению с ЭВМ общего назначения количества типов обрабатываемых данных (в некоторых моделях только целые числа без знака), ограниченного набора команд, сравнительно небольшого объема ОП и небольшого набора ПУ.

Укорочение машинного слова повлекло за собой множество проблем, связанных с представлением данных, адресацией, составом и структурой команд, логической структурой процессора, организацией обмена информацией между устройствами ЭВМ. В процессе эволюции ЭВМ эти проблемы, так или иначе, решались, что привело к созданию малых ЭВМ, структура которых существенно отличалась от структуры больших машин.

Следует отметить, что структуры современных микро- и мини-ЭВМ весьма сложны и в ряде случаев мало отличаются от структуры мощных ЭВМ – все зависит от мощности используемого процессора, объема и быстродействия ОП, производительности подсистем ввода-вывода и т.д. Однако, первые мини- и микро-ЭВМ, появившиеся в начала 70 годов, имели весьма простую структуру, радикально отличавшуюся от структуры больших машин того времени.

Типичная структура такой микро-ЭВМ изображена на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Обобщенная структура первых микро-ЭВМ

Такая структура называется магистрально-модульной. Ее основу составляет общая магистраль (общая шина), к которой подсоединены в нужной номенклатуре и количестве все устройства машины, выполненные в виде конструктивно законченных модулей. Эта структура более простая и гибкая, чем у больших ЭВМ. Устройства машины обмениваются информацией только через общую шину.

Такая структура оказывается эффективной, а система обмена данных через общую шину - достаточно динамичной лишь при небольшом наборе ПУ.

Универсальность применения при ограниченном наборе команд может быть обеспечена лишь при сравнительно высоком быстродействии машины – в первых моделях около 200-800 тысяч операций в секунду, что превышало скорость многих ЭВМ общего назначения. Высокое быстродействие позволило малым ЭВМ обслуживать технологические процессы в реальном масштабе времени, а также компенсировать замедление обработки данных, связанное с тем, что малый объем аппаратных средств вынуждает реализовать многие процедуры обработки программным путем (например, операции арифметики с плавающей запятой).

Подобное решение оказалось настолько эффективным, что в настоящее время простейшие контроллеры и микро-ЭВМ продолжают строиться по этой же схеме. Однако, структуры сколько-нибудь сложных микро- и мини-ЭВМ, в частности, персональные компьютеры в процессе эволюции существенно усложнились. Современный персональный компьютер имеет весьма сложную структуру магистралей, иерархию внутренней памяти и множество подсистем ввода-вывода различного быстродействия. Архитектура современного персонального компьютера, а также процесс ее эволюции будет рассмотрен в отдельном разделе.

 

Вопросы для самопроверки

 

1. Укажите, чем АВМ отличается от ЦВМ.

2. Назовите основные этапы эволюции ЭВМ.

3. Опишите классическую структуру ЭВМ по Нейману и укажите свойства каждого блока.

4. В чем заключается принцип оптимального соотношения аппаратных и программных средств при построении вычислительной техники?

5. Опишите способ обращения пользователя ЭВМ к ее аппаратным средствам.

6. Кратко укажите, что нового появилось в каждом поколении ЭВМ по отношению к предыдущему.

7. Чем различается принцип построения малых ЭВМ и больших ЭВМ общего пользования?