Тема 1: Принципы построения компьютеров

План лекции:

1. История развития вычислительной техники

2. Варианты классификации ЭВМ

3. Классическая архитектура ЭВМ

1.1. История развития вычислительной техники

С тех пор, как человечество осознало понятие количества, разрабатывались и применялись различные приспособления для отображения количественных эквивалентов и операций над величинами. Отбросив рассмотрение "доисто­рических" с точки зрения вычислительной техники средств (кучки камней, счеты и т. д.), рассмотрим кратко историю развития вычислительных машин.

Пожалуй, первой реально созданной машиной для выполнения арифметиче­ских действий в десятичной системе счисления можно считать счетную ма­шину Паскаля. В 1642 г. Б. Паскаль продемонстрировал ее работу. Машина выполняла суммирование чисел (восьмиразрядных) с помощью колес, кото­рые при добавлении единицы поворачивались на 36° и приводили в движение следующее по старшинству колесо всякий раз, когда цифра 9 должна была перейти в значение 10. Машина Паскаля получила известность во многих странах, было изготовлено более 50 экземпляров машины.

Впрочем, еще до Паскаля машину, механически выполняющую арифметиче­ские операции, изобразил в эскизах Леонардо да Винчи (1452—1519). Сумми­рующая машина по его эскизам выполнена в наши дни и доказала свою рабо­тоспособность.

В средние века (расцвет механики) было предложено и выполнено много раз­личных вариантов арифметических машин: Морлэнд (1625—1695), К. Перро (1613—1688), Якобсон, Чебышев и др. Первую машину, с помощью которой можно было не только складывать, но и умножать и делить, разработал Г. Лейбниц (1646—1716).

Все упомянутые выше механизмы обладали одной особенностью— могли автоматически выполнять только отдельные действия над числами, но не могли хранить промежуточные результаты и, следовательно, выполнять по­следовательность действий.

Первой вычислительной машиной, реализующей автоматическое выполнение последовательности действий, можно считать разностную машину Ч. Беббеджа (1792—1871). В 1819 г. он изготовил ее для расчета астрономических и морских таблиц. Машина обеспечивала хранение необходимых промежу­точных значений и выполнение последовательности сложений для получения значения функции.

В дальнейшем Беббедж предложил т. н. аналитическую машину, предназначенную для решения любых вычислительных задач. При желании в аналитической машине Беббеджа можно найти прообразы всех основных устройств современной ЭВМ: арифметическое устройство ("мель­ница"), память ("склад"), устройство управления (на перфокартах), позво­ляющее выбирать различные пути решения в зависимости от значений ис­ходных данных и промежуточных результатов. Проект аналитической маши­ны Беббеджа так и не был реализован— из-за несоответствия идеи и элементной базы.

Идеи аналитической машины Беббеджа были использованы в релейных ма­шинах, выпускавшихся в 30—40-х годах XX века. Теоретической основой разработки релейно-контактных схем явился аппарат булевой алгебры, кото­рый в дальнейшем использовался для синтеза схем ЭЭВМ. Однако и элек­трические реле как элементная база вычислительной техники не удовлетво­ряли потребностям этой техники по всем основным параметрам (быстродей­ствие, надежность, потребляемая мощность, стоимость, габариты и др.).

Только освоение электронных схем в качестве элементной базы положило начало действительно массовому внедрению сначала вычислительной, а по­том и информационной техники во все сферы человеческой деятельности. Первые электронные цифровые вычислительные машины (ЭЭВМ) были раз­работаны и выпущены на рубеже 40—50-х годов прошлого века в США, Англии и чуть позднее — в СССР.

Первой ЭВМ считается ЭНИАК (электронный цифровой интегратор и вычислитель). Его авторы, американские ученые Дж.Мочли и Преспер Экерт работали над ней с 1943 по 1945 г.г. машина представляла собой сложное сооружение длиной более 30 м, объемом 85 куб.м, массой 30 т. В ней использовались 18 тыс. электронных ламп, 1500 реле, потребляла 150 кВт.

В 1950 году была создана машина ЭДВАК (электронный автоматический вычислитель с дискретными переменными). В более ёмкой внутренней памяти содержались и данные, и программа. Машина уже работала не в десятичной, а в двоичной системе счисления.

В 1951 г. была принята в эксплуатацию МЭСМ(малая электронная счетная машина) – первая в СССР электронная вычислительная машина. Колектив разработчиков возглавлял С.А.Лебедев, директор Института электроники

В 1953 г. была готова к эксплуатации БЭСМ (большая электронная счетная машина), которая ничуть не уступала новейшим американским образцам.

В начале 60-х годов создана БЭСМ-1 –самая производительная машина в Европе, 10 тыс операций в секунду, и одной из лучших в мире. Затем созданы БЭСМ-2 и М-20 –первые ламповые ЭВМ. Тогда же были созданы полупроводниковые варианты М-20, М-220 и М-222, а также БЭСМ-3М и БЭСМ-4. В 1967 г. сдана в эксплуатацию БЭСМ-6 в которой все схемы были записаны формулами булевой алгебры.

Деятельность фирмы IBM. Безусловно, ключевой этап в развитии вычислительных средств и методов связан с этой фирмой. Исторически первые ЭВМ классической структуры и состава это IBM/360 выпущенная в 1964 г. и последующие её модификации IBM/370, IBM/375 которые выпускались вплоть до середины 80-х годов, когда под влиянием микроЭВМ (ПК) не начали постепенно сходить со сцены.

ЭВМ данной серии послужили основой для создания в СССР так называемой Единой системы ЭВМ (ЕС ЭВМ), которая в течении 70-90 годов была основой отечественной компьютеризации.

ЕС ЭВМ. Эти машины включали следующие компоненты:

• Центральный процессор (32-разрядный) с двухадресной системой команд;

• Главную (оперативную) память –от 128 Кбайт до 2 Мбайт;

• Накопители на магнитных дисках (НМД) со сменными пакетами дисков (7,25, 29 и 100 Мбайт);

• Накопители на магнитных лентах (НМЛ) катушечного типа. Рабочая емкость накопителя определялась размером катушки и плотностью записи и достигала 160 Мбайт на бабину МЛ;

• Устройство печати (АЦПУ) – построчное печатающее устройство барабанного типа с фиксированным набором символов, обычно 128 (или 64). Вывод осуществлялся на бумажную ленту шириной 42 или 21 см со скоростью до 20 строк/сек.

• Терминальные устройства –сначала электрические пишущие машинки, затем видеотерминалы) –для выполнения функций управления вычислительным процессом и интерактивной отладки программ и обработки данных.

В 1974 г. фирма Intel разработала первый универсальный 8-разрядный микропроцессор 8080 с 4500 транзисторами. Эдвард Робертс построил на его базе микрокомпьютер Альтаир, имевший огромный коммерческий успех.

В 1975 г. программист Пол Ален и студент Билл Гейтс реализовали для Альтаира язык Бейсик. Впоследствии они основали фирму Microsoft.

В 1976 г. студенты Стив Возняк и Стив Джобс создали компьютер Apple-1, положив начало корпорации Apple.

В 1983 г. –корпорация Apple Computers построила персональный компьютер Lisa –первый компьютер с манипулятором «мышь».