История развития ЭВМ. Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ
2.1.1. Этапы развития вычислительных машин
Компьютер– это универсальное, электронное программно-управляемое устройство для хранения, обработки и передачи информации. Первоначальный смысл слова компьютер – человек, производящий расчёты.
Впервые вычислительную машину, работающую по программе, разработал в 1834г. англ. учёный Чарльз Беббидж. Она содержала запоминающее устройство, вычислительное устройство, устройство ввода с перфокарт и печатающее устройство. Первым программистом была Ада Лавлейс.
Как происходило развитие многофункциональных вычислительных машин, возможно кратко рассмотрев основные этапы (поколения) этого процесса.
ЭВМ первого поколения (50-е года XX века). Их элементной базой были электровакуумные лампы. ЭВМ были весьма громоздкими сооружениями, содержавшими в себе тысячи ламп, занимавшими иногда сотни квадратных метров территории, потреблявшими электроэнергию в сотни киловатт.
Для ввода программ и данных применялись перфоленты и перфокарты. Не было монитора, клавиатуры и мышки. Использовались эти машины, главным образом, для инженерных и научных расчетов, не связанных с переработкой больших объемов данных.
РИС (2.1)10 Электровакуумные лампы
ЭВМ второго поколения (60-е года XX века). Элементной базой являются транзисторы(полупроводниковые приборы, заменяющие электронную лампу созданы в 1949 году в США).
РИС (2.1)11 Транзисторы
Машины стали компактнее, надежнее, менее энергоемкими. Возросло быстродействие и объем внутренней памяти. Большое развитие получили устройства внешней (магнитной) памяти: магнитные барабаны, накопители на магнитных лентах.
В этот период стали развиваться языки программирования высокого уровня: ФОРТРАН, АЛГОЛ, КОБОЛ. Составление программы перестало зависеть от конкретной модели машины, сделалось проще, понятнее, доступнее.
Третье поколение ЭВМ (конец 60-начало 70-х годов XX века), создавалось на новой элементной базе – интегральных схемах.
В 1959 г. был изобретен метод, позволивший создавать на одной пластине и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. Полученные таким образом схемы стали называться интегральными схемами или чипами. Изобретение интегральных схем послужило основой для дальнейшей миниатюризации компьютеров.
В дальнейшем количество транзисторов, которое удавалось разместить на единицу площади интегральной схемы, увеличивалось приблизительно вдвое каждый год.
РИС. 2.1(12) Интегральные схемы
Четвертое поколение ЭВМ (1974 — 1982 гг.)
Успехи в развитии электроники привели к созданию больших интегральных схем (БИС), где в одном кристалле размещалось несколько десятков тысяч электрических элементов.
РИС. (2.1)13 Микропроцессор
В 1971 году американская фирма Intel объявила о создании микропроцессора. Это событие стало революционным в электронике.
Микропроцессор – это миниатюрный мозг, работающий по программе, заложенной в его память. Соединив микропроцессор с устройствами ввода-вывода и внешней памяти, получили новый тип компьютера: микро-ЭВМ.
Наибольшее распространение получили персональные компьютеры (ПК).
С 1980 года «законодателем мод» на рынке ПК становится американская фирма IBM. Ее архитектура стала фактически международным стандартом на профессиональные ПК. Машины этой серии получили название IBM PC (Personal Computer).
С развитием этого типа машин появилось понятие «информационные технологии», без которых невозможно обойтись в большинстве областей деятельности человека. Появилась новая дисциплина – информатика.
Элементная база ЭВМ - большие интегральные схемы (БИС). Машины предназначались для резкого повышения производительности труда в науке, производстве, управлении, здравоохранении, обслуживании и быту. Высокая степень интеграции способствует увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности, к увеличению быстродействия ЭВМ и снижению ее стоимости. Все это оказывает существенное воздействие на логическую структуру (архитектуру) ЭВМ и на ее программное обеспечение. Более тесной становится связь структуры машины и ее программного обеспечения, особенно операционной системы (набора программ, которые организуют непрерывную работу машины без вмешательства человека)
Пятое поколение (80-е - 90-е) годы - ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах (многопроцессорная структура) с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы;
Производительность пятого поколения ЭВМ – 108–109 операций за секунду.
В этот период широкое распространение получают компьютерные сети
Шестое поколение ЭВМ — настоящее время строится по принципу человеческого мозга, управляется голосом.
В основе лежат нанотехнологии.
Компьютеры на основе отдельных молекул и даже атомов. Нейросети, моделирующие структуру нервной системы человека. «Биологические компьютеры». Отличительными чертами ЭВМ этого поколения являются - новая технология производства: отказ от архитектуры фон Неймана, переход к новым архитектурам (например, на архитектуру потока данных) и, как следствие этою, превращение ЭВМ в многопроцессорную систему (матричный процессор, процессор глобальных связей, процессор локальных связей, машины базы данных, процессор операционной системы и т. п.); новые способы ввода-вывода информации, удобные для пользователя (например, распознавание речи и образов, синтез речи, обработка сообщений на естественном языке); искусственный интеллект, то есть автоматизация процессов решения задач, получения выводов, манипулирования знаниями.
Они пока не могут существовать самостоятельно, но активным образом моделируются на компьютерах современного типа
Деление компьютерной техники на поколения — весьма условная, нестрогая классификация вычислительных систем по степени развития аппаратных и программных средств, а также способов общения с компьютером.
Идея делить машины на поколения вызвана тем, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию как в смысле элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в смысле изменения её структуры, появления новых возможностей, расширения областей применения и характера использования.
2.1..2. Классификация ЭВМ
ЭВМ можно классифицировать:
по принципу действия:
· цифровые (ЦВМ) – работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме
· аналоговые (АВМ) – работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения). АВМ машины весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них, как правило, нетрудоемкое; скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана сколь угодно большой наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики
· гибридные (ГВМ) – вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.
по этапам создания и используемой элементной базе ЭВМ условно делятся на поколения:
· 1-е поколение, 50-е гг.: ЭВМ на электронно-вакуумных лампах
· 2-е поколение, 60-е гг.: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах)
· 3-е поколение, 70-е гг.: ЭВМ на полупроводниковых интегральных микросхемах с малой и средней степенью интеграции (сотни, тысячи транзисторов в одном корпусе)
· 4-е поколение, 80-е гг.: ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах-микропроцессорах (десятки тысяч — миллионы транзисторов в одном кристалле)
· 5-е поколение, 90-е гг.: ЭВМ с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы;
· 6-е поколение: оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой — с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем
по назначению:
· универсальные (общего назначения)- для решения самых различных технических задач: экономических, математических, информационных и т.д, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в мощных вычислительных комплексах
· проблемно-ориентированные - служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам. Аппаратные и программные ресурсы ограниченны
· специализированные - используются для решения узкого крута задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы. К ним можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами, устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем
по размерам и функциональным возможностям:
· большие ЭВМ- это самые мощные компьютеры (мэнфреймы), их применяют для обслуживания очень крупных организаций и даже целых отраслей народного хозяйства
· мини-ЭВМ, надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравнению с мейнфреймами возможностями и, соответственно меньшей стоймостью. Ориентированы на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов, для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.
· микро-ЭВМ - оборудованны несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям.
Организации, использующие микро-ЭВМ, обычно не создают вычислительные центры. Для обслуживания достаточно небольшой вычислительной лаборатории в составе нескольких-человек
· персональные компьютеры (ПК) – для обслуживания одного рабочего места. Несмотря на свои небольшие размеры и относительно невысокую стоимость, современные персональные компьютеры обладают немалой производительностью
Персональные компьютеры можно классифицировать по типоразмерам: настольные (desktop), портативные (notebook), карманные (palmtop) модели. Недавно появились устройства, сочетающие возможности карманных персональных компьютеров и устройств мобильной связи. По-английски они называются РDА, Personal Digital Assistant.
Настольные модели распространены наиболее широко. Они являются принадлежностью рабочего места, отличаются простотой изменения конфигурации за счет несложного подключения дополнительных внешних приборов или установки дополнительных внутренних компонентов.
Портативные модели удобны для транспортировки. С портативным компьютером можно работать при отсутствии рабочего места. Их можно использовать в качестве средства связи. Подключив такой компьютер к телефонной сети, можно из любой географической точки установить обмен данными между ним и центральным компьютером своей организации. Так производят обмен сообщениями, передачу приказов и распоряжений, получение коммерческих данных, докладов и отчетов.
Карманные модели выполняют функции «интеллектуальных записных книжек». Они позволяют хранить оперативные данные и получать к ним быстрый доступ. Некоторые карманные модели имеют жестко встроенное программное обеспечение, что облегчает непосредственную работу, но снижает гибкость в выборе прикладных программ
Мобильные вычислительные устройства сочетают в себе функции карманных моделей компьютеров и средств мобильной связи (сотовых радиотелефонов). Их отличительная особенность — возможность мобильной работы с Интернетом, Дополнительно МВУ комплектуют средствами связи по инфракрасному лучу, благодаря которым эти карманные устройства могут обмениваться данными с настольными ПК и друг с другом.
Четких границ между классами компьютеров не существует. По мере совершенствования структур и технологии производства, появляются новые классы компьютеров, границы существующих классов существенно изменяются.
2.1.3. Понятие архитектуры ЭВМ.
Электронная вычислительная машина, компьютер — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.
Под архитектурой ЭВМ понимают функциональную и структурную организацию машины, определяющую методы кодирования данных, состав, назначение, систему команд, способ организации памяти, принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения, т.е характеристики основных ресурсов компьютера, доступных программисту и пользователю.
Можно выделить следующие важные для пользователя группы характеристик ЭВМ, определяющих её архитектуру:
1. характеристики и состав модулей базовой конфигурации ЭВМ;
2. характеристики машинного языка и системы команд (количество и номенклатура команд, их форматы, системы адресации, наличие программно-доступных регистров в процессоре и т.п.), которые определяют алгоритмические возможности процессора ЭВМ;
3. технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ;
4. состав программного обеспечения ЭВМ и принципы его взаимодействия с техническими средствами ЭВМ.
РИС. (2.1)14 Архитектура ЭВМ
РИС. (2.1)15 Шинная архитектура ЭВМ
2.1.4. Классическая архитектура ЭВМ (архитектура фон Неймана).
Основные принципы цифровых вычислительных машин с автоматическим выполнением команд и современная организация ЭВМ были разработаны американским учёным Джоном фон Нейманом в 1946 г. Он описал основные узлы, которые должна содержать такая машина, это:
--устройство ввода (для ввода входных данных)
--устройство вывода (для выдачи результатов решения задачи и операций над данными)
--запоминающее устройство (для хранения информации)
В запоминающем устройстве указание о том, что должна делать машина. Последовательность инструкций составляет программу работы машины. Объем памяти, так же как и быстродействие, является важной характеристикой вычислительной машины. Память машины состоит из регистров, в каждом из которых может храниться одно машинное слово: число, с которым должна оперировать машина, либо инструкция (команда).
Уже в машинах первого поколения произошло разделение запоминающего устройства на два: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и внешнее запоминающее устройство (ВЗУ). ОЗУ это сравнительно небольшое по объему и достаточно быстродействующее устройство. В нем хранятся сведения, к которым ЭВМ часто обращается при решении очередной задачи. ВЗУ имеет большой объем и меньшее быстродействие. Для хранения информации в ВЗУ в машинах первого и второго поколений использовались магнитные ленты и магнитные барабаны.
--устройство управления (для организации управления и взаимодействия узлов ЭВМ)
--арифметико-логическое устройство (для выполнения осн. действий арифметики и логических операций)
Арифметико-логическое устройство вместе с устройством управления вычислительной машины называют ее процессором. В ходе работы процессор ЭВМ использует разнообразную информацию, извлекаемую из памяти машины или возникающую в результате действий арифметико-логического устройства. Для фиксации такой информации в процессоре имеется ряд специальных ячеек, называемых регистрами.
Фон Неймановское построение цифровой ЭВМ содержит фундаментальные идеи, которые сыграли выдающуюся роль в развитии вычислительной техники, и не утратили своего значения по сей день.
Фундаментальные принципы фон-Неймана:
1. Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется в двоичной системе счисления.
2. Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
3. Принцип однородности памяти число, текст или команда. Это обеспечивает оперативную перенастройку машины с одной задачи на другую без перекоммутаций и изменений в ее схеме, что делает машину универсальным вычислительным инструментом. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти
4. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.
2.1.5. Многопроцессорная архитектура ЭВМ
Впоследствии появились новые идеи обработки данных, предложены другие типы архитектур вычислительных систем, заметно отличающиеся от классической (фон Неймановской), например:
1) Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано несколько потоков данных и несколько потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи.
2) Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру.
3) Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе, т. е. по одному потоку команд.