Новосибирский государственный университет

Факультет информационных технологий

ICT SBRAS
А.М.Федотов

Словарь терминов в коллекции "Вычислительные системы"

Модель вычислителя

Синонимы: Модель вычислителя; Вычислитель;

По «Толковому словарю живого великорусского языка» В.И. Даля «Вычисл(я)итель - кто вычисляетъ что-либо. Вычислитель также механический снарядъ для вычисленья». Приведенное определение свидетельствует о дуализме понятия «вычислитель».

В технике «вычислитель» - это средство обработки информации (например, арифмометр, электронный калькулятор, процессор, ЭВМ), работа которого основывается на примитивной имитации деятельности человека, занятого расчетами. Процесс обработки информации на вычислителе требует участия человека - оператора. Чем шире функциональные возможности вычислителя, чем выше уровень или механизации, или автоматизации вычислений, тем ниже частота взаимодействий между ним и оператором. Среди вычислителей как технических средств наивысшей степенью автоматизации счета обладает ЭВМ.
Итак, состав устройств и структура ЭВМ есть результат технической интерпретации функциональной организации человека - вычислителя. Процесс обработки информации (решения задач) на ЭВМ, по сути, сводится к имитации вычислительной деятельности человека. Следовательно, концептуальную основу конструкции ЭВМ и ее функционирования (или же основу автоматизации вычислений на ЭВМ) должна составить модель вычислителя.

Модель вычислителя есть пара:

с = <h, a>,
где h и а - описания конструкции вычислителя и алгоритма его функционирования при обработке информации (или коротко: h - конструкция вычислителя, а - алгоритм его работы).
Конструкция вычислителя допускает следующее представление:
h = <U, g>,
где U = {ui} - множество устройств ui, i ∈ {1, 2, …, k} (k = 5 для машины фон Неймана); g - описание структуры (или просто структура) сети связей между устройствами ui. Иначе говоря, структура вычислителя - это граф, вершинам которого сопоставлены устройства ui, а ребрам - линии связей между ними.

В основе конструкции вычислителя лежат следующие три принципа:
  1. Последовательная обработка информации, т.е. последовательное выполнение:
  2. Фиксированность (автоматическая неизменяемость) структуры (и g, и микроструктуры устройств uiU).
  3. Неоднородность составляющих устройств (uiU, i = 1, k) и связей между ними (структуры g).
Алгоритм функционирования вычислителя обеспечивает согласованную работу всех устройств (множества U) и связей между ними (структуры g) в процессе обработки информации или, говоря иначе, при решении задач. Для решения любой задачи вычислитель должен иметь исходные данные D и программу р или запись алгоритма вычислений (на одном из возможных языков). Поэтому алгоритм а допускает представление в виде суперпозиции: a(p(D)).
Для заданных D и р алгоритм должен приводить к однозначному результату. Степень универсальности алгоритма работы вычислителя определяется разнообразием классов решаемых задач.
Итак, модель вычислителя
c = <U, g, a(p(D))>,
где U - множество устройств, обеспечивающих ввод, обработку, хранение и вывод информации; g - структура связей между устройствами; а - алгоритм работы вычислителя или алгоритм управления вычислительными процессами при реализации программы р обработки данных D. В модель вычислителя вкладывается каноническая ЭВМ Джона фон Неймана.

Описанные три принципа конструирования ЭВМ соответствовали уровню развития ВТ лишь в 50-х годах XX столетия, они позволили создать первые технико-экономически эффективные электронные машины. В последующих ЭВМ, основанных на новой элементной базе, технико-экономическая эффективность машин была достигнута уже за счет совмещения операций во времени их выполнения, ручной реконфигурируемости структур, возможности изменения (upgrade) составов машин. Каждый новый проект ЭВМ характеризовался очередной модификацией принципов построения, смена поколений ЭВМ сопровождалась все большим отходом от трех первоначальных принципов. В конце концов создатели средств обработки информации пришли к необходимости применения диалектических противоположностей названных здесь принципов.
Таким образом, можно дать еще одно определение: средство обработки информации, основанное на модели вычислителя, называется ЭВМ. Процесс проектирования ЭВМ включает в себя выбор системы счисления и формы представления данных; определение средств для написания программ вычислений; подбор состава вычислительных устройств и системы операций, реализуемых ими; формирование структуры и разработку микроструктуры («логический» синтез) устройств; выбор элементной базы и конструирование устройств; построение такого алгоритма функционирования вычислителя, который обеспечивал бы реализацию и программ, и, в частности, операций как последовательности микроопераций.
Допустимы аппаратурные, аппаратурно-программные и программные реализации модели вычислителя. Аппаратурное исполнение вычислителя предопределяет каноническая ЭВМ фон Неймана; такое исполнение соотносится с первыми ЭВМ (первым поколением ЭВМ). Однако здесь уместно заметить, что даже в этих машинах имели место эволюционные модификации. Так, в машине JONIAC в отличие от EDVAC уже осуществлялась параллельная обработка всех разрядов слова (что может рассматриваться как «параллельное выполнение микроопераций»). В последующих разработках ЭВМ закладывалась и возможность совмещения операций.
Аппаратурно-программная реализация, включая конструкцию и алгоритм (если учесть микропрограммное управление), сопоставляется с современными ЭВМ. Имеет место тенденция к вложению функций системного программного обеспечения в аппаратуру. Последнее поддерживается непрерывным совершенствованием технологии БИС, удешевлением элементной базы (в современных условиях - микропроцессоров).
Программное исполнение следует воспринимать как машинный имитатор средства обработки информации, основанного на модели вычислителя. При программном исполнении модели вычислителя порождается виртуальная ЭВМ (или машинная модель ЭВМ).
Развитие ВТ по пути создания ЭВМ (как аппаратурных или аппаратурно-программных реализаций модели вычислителя или функциональной структуры машины фон Неймана) может осуществляться в ограниченных пределах, обусловленных, в частности, конечностью скорости распространения сигналов в физических средах (конечностью скорости света, которая в вакууме равна (299 792 ± 0,4) км/с).

Ключевые термины, связанные с термином "Модель вычислителя":

  1. Модель коллектива вычислителей

Литература

Дополнительная:

  1. Хорошевский В.Г. Архитектура вычислительных систем: Учеб. пособие. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 520 с.

Ключевые термины (головные):  Арифмометр;   Калькулятор;   Процессор;   ЭВМ;   Архитектура фон Неймана;


Контекстный поиск: Задайте образец для поиска:

|Головная| |Преподавание| | Современные проблемы информатики| |Информатика| |Ключевые термины| |Персоны|

Федотов Анатолий Михайлович
[SBRAS]
НГУ
ФИТ НГУ
ИВТ СО РАН
© 1998-2019, Новосибирский государственный университет, Новосибирск
© 1998-2019, Институт вычислительных технологий СО РАН, Новосибирск
© 1998-2019, Федотов А.М.
    Дата последней модификации: 25.11.2013