ЭВМ лекции

1. История и этапы развития ЭВМ

Современному человеку трудно представить свою жизнь без электронно- вычислительных машин. Влияние вычислительной техники на все сферы деятельности человека продолжает расширяться вширь и вглубь. В настоящее время ЭВМ используются не только для выполнения сложных расчетов, но и в управлении производственными процессами, в образовании, здравоохранении, экологии и т.д. Это объясняется тем, что ЭВМ способны обрабатывать любые виды информации: числовую, текстовую, табличную, графическую, видео, звуковую.

Идея использования программного управления для построения устройства, автоматически выполняющего арифметические вычисления, была впервые высказана английским математиком Чарльзом Бэббиджем в 1833г. Он начал работать над машиной для вычисления полиномов, но эта машина должна была кроме непосредственного производства вычислений выдавать результаты – печатать их на негативной пластине для фотопечати. Планировалось, что машина будет приводиться в действие паровым двигателем. Но из-за технических трудностей Бэббиджу до конца не удалось реализовать свой проект.

Идея Чарльза Бэббижда развивалась и использовалась другими учеными. В 1946 году в США, в университете города Пенсильвания была создана первая универсальная ЭВМ ENIAC. Она содержала 18 тыс. ламп, весила 30 тонн, занимала площадь 200 м2 и потребляла огромную мощность.

В современном представлении электронная вычислительная машина – это комплекс технических и программных средств для проведения вычислений, а также приёма, переработки, хранения и выдачи информации по заранее определённому алгоритму (компьютерной программе).

Информация – совокупность сведений, знаний, которые актуализируемы (получаемы, передаваемы, преобразуемы, сжимаемы и/или регистрируемы) с помощью некоторых знаков.

Алгоритм – это точный набор инструкций, описывающих

последовательность действий некоторого исполнителя для достижения результата, решения некоторой задачи.

1

Историю развития вычислительных машин принято делить на поколения. 1-е поколение (1945-1954 гг.) — время становления машин с фон- неймановской архитектурой. В этот период формируется типовой набор структурных элементов, входящих в состав ЭВМ. Типичная ЭВМ должна состоять из следующих узлов: центральный процессор (ЦП), оперативная память (или оперативное запоминающее устройство — ОЗУ) и устройства ввода-вывода (УВВ). ЦП, в свою очередь, должен состоять из арифметико-логического устройства (АЛУ) и управляющего устройства (УУ). Машины этого поколения работали на ламповой элементной базе, из-за чего поглощали огромное количество энергии и были очень ненадежны. С их помощью, в основном, решались научные задачи. Программы для этих машин уже можно было

составлять не на машинном языке, а на языке ассемблера.

2-е поколение (1955-1964 гг.). Смену поколений определило появление новой элементной базы: вместо громоздкой лампы в ЭВМ стали применяться миниатюрные транзисторы, линии задержки как элементы оперативной памяти сменила память на магнитных сердечниках. Это в конечном итоге привело к уменьшению габаритов, повышению надежности и производительности ЭВМ. В

архитектуре ЭВМ появились индексные регистры и аппаратные средства для выполнения операций с плавающей точкой. Были разработаны команды для вызова подпрограмм. Появились языки высокого уровня — Algol, FORTRAN, COBOL, — создавшие предпосылки для появления переносимого программного обеспечения, не зависящего от типа ЭВМ. С появлением языков высокого уровня возникли компиляторы для них; библиотеки стандартных подпрограмм и другие хорошо знакомые нам сейчас вещи: Важное новшество — это появление процессоров ввода-вывода. Эти специализированные процессоры позволили освободить ЦП от управления вводом-выводом и осуществлять ввод-вывод с

помощью специализированного устройства одновременно с процессом вычислений. Для эффективного управления ресурсами машины стали использоваться операционные системы (ОС).

3-е поколение (1965-1970 гг.). Смена поколений вновь была обусловлена обновлением элементной базы: вместо транзисторов в различных узлах ЭВМ

2

стали использоваться интегральные микросхемы различной степени интеграции.

Микросхемы позволили разместить десятки элементов на пластине размером в несколько сантиметров. Это, в свою очередь, не только повысило производительность ЭВМ, но и снизило их габариты и стоимость. Увеличение

мощности ЭВМ сделало возможным одновременное выполнение нескольких программ на одной ЭВМ. Для этого нужно было научиться координировать между собой одновременно выполняемые действия, для чего были расширены функции операционной системы. Одновременно с активными разработками в

области аппаратных и архитектурных решений растет удельный вес разработок в области технологий программирования. В это время активно разрабатываются теоретические основы методов программирования, компиляции, баз данных, операционных систем и т. д. Создаются пакеты прикладных программ для самых различных областей жизнедеятельности человека. Наблюдается тенденция к созданию семейств ЭВМ, то есть машины становятся совместимы снизу вверх на программно-аппаратном уровне. Примерами таких семейств была серия IBM System 360 и наш отечественный аналог - ЕС ЭВМ.

4-е поколение (1970-1984 гг.). Очередная смена элементной базы привела к смене поколений. В 70-е годы активно ведутся работы по созданию больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС), которые позволили разместить на одном кристалле десятки тысяч элементов. Это повлекло дальнейшее существенное снижение размеров и стоимости ЭВМ. В начале 70-х годов фирмой Intel был выпущен микропроцессор (МП) i4004. И если до этого в мире вычислительной техники были только три направления (суперЭВМ, большие ЭВМ (мэйнфреймы) и мини-ЭВМ), то теперь к ним прибавилось еще одно — микропроцессорное.

Процессором называется функциональный блок ЭВМ, предназначенный

для логической и арифметической обработки информации на основе принципа микропрограммного управления. По аппаратной реализации процессоры можно разделить на микропроцессоры (полностью интегрирующие все функции процессора) и процессоры с малой и средней интеграцией. Конструктивно это выражается в том, что микропроцессоры реализуют все функции процессора на

3

одном кристалле, а процессоры других типов реализуют их путем соединения большого количества микросхем.

5-е поколение можно назвать микропроцессорным. В 1976 году фирма Intel закончила разработку 16-разрядного микропроцессора i8086. Он имел достаточно большую разрядность регистров (16 бит) и системной шины адреса (20 бит), за счет чего мог адресовать до 1 Мбайт оперативной памяти. В 1982 году был создан i80286. Этот микропроцессор представлял собой улучшенный вариант i8086. Он поддерживал уже несколько режимов работы: реальный, когда формирование адреса производилось по правилам i8086, и защищенный, который аппаратно реализовывал многозадачность и управление виртуальной памятью, i80286 имел также большую разрядность шины адреса — 24 разряда против, 20 у i8086, и поэтому он мог адресовать до 16 Мбайт оперативной памяти. Первые компьютеры на базе этого микропроцессора появились в 1984 году. В 1985 году фирма Intel представила первый 32-разрядный микропроцессор i80386, аппаратно

совместимый снизу вверх со всеми предыдущими микропроцессорами этой фирмы. Он был гораздо мощнее своих предшественников, имел 32-разрядную архитектуру и мог прямо адресовать до 4 Гбайт оперативной памяти. Микропроцессор i386 стал поддерживать новый режим работы — режим виртуального i8086, который обеспечил не только большую эффективность работу программ, разработанных для i8086, но и позволил осуществлять параллельную работу нескольких таких программ.

2. Классификация ЭВМ

Существует достаточно много систем классификации ЭВМ.

Классификация по виду перерабатываемой информации

Вид перерабатываемой информации влияет на структуру вычислительных машин (ВМ), которые в зависимости от этого делят на два основных класса: аналоговые и цифровые.

Аналоговая вычислительная машина (АВМ) – машина, оперирующая информацией, представленной в виде непрерывно изменяющихся физических

4

величин. В качестве физических переменных могут быть использованы сила тока в электрической цепи, изменение скорости или ускорения движения тела и т. п.

Многие явления в природе математически описываются одними и теми же уравнениями. Следовательно, с помощью одного физического процесса можно моделировать различные процессы, имеющие одно и то же математическое описание, а электронные аналоговые вычислительные машины, имеющие как основное преимущество быстродействие и удобство в эксплуатации, являются универсальными моделирующими устройствами для всевозможных применений.

Цифровая вычислительная машина (ЦВМ) – машина, оперирующая информацией, представленной в дискретном цифровом виде.

В настоящее время в математике разработаны методы численного решения многих видов уравнений, (следовательно, появилась возможность решать

различные уравнения и задачи с помощью набора простых арифметических и логических операций). Поскольку все аналоговые (непрерывные) величины определяются количественно, то есть могут описываться в цифровой форме, то любая ЦВМ является универсальным логическим и вычислительным средством.

В противоположность этому АВМ по своему характеру предназначены для решения каких-то классов задач.

Классификация по назначению.

Данный метод классификации связан с тем, как компьютер применяется. По этому принципу различают:

∙большие ЭВМ mainframe (применяются для обслуживания очень крупных организаций или целых отраслей народного хозяйства);

∙мини-ЭВМ (имеют меньшие размеры, меньшую производительность и стоимость; используются крупными предприятиями, научными учреждениями и некоторыми высшими учебными заведениями, сочетающими учебную деятельность с научной);

∙микро-ЭВМ (доступны многим предприятиям);

∙персональные компьютеры ПК. Эта категория получила особо бурное развитие в течение последних двадцати лет. Персональные

5

компьютеры, в свою очередь, делятся на массовые, деловые,

портативные, развлекательные и рабочие станции.

Классификация по уровню специализации.

По уровню специализации компьютеры делят на универсальные и специализированные. На базе универсальных компьютеров можно собирать вычислительные системы произвольного состава (конфигурации).

Специализированные компьютеры предназначены для решения конкретного круга задач. К таким компьютерам относятся, например, бортовые компьютеры автомобилей, судов, космических аппаратов. Во многих случаях с задачами

специализированных компьютерных систем могут справляться и обычные универсальные компьютеры, но считается, что использование специализированных систем эффективнее. Критерием оценки эффективности

является отношение производительности оборудования к величине его стоимости.

Классификация по типоразмерам.

Персональные компьютеры можно классифицировать по типоразмерам. Так,

различают настольные, портативные и карманные модели.

Настольные модели распространены наиболее широко. Они являются принадлежностью рабочего места. Эти модели отличаются простотой изменения

конфигурации за счет несложного подключения дополнительных внешних приборов или установки дополнительных внутренних компонентов. Достаточные

размеры корпуса в настольном исполнении позволяют выполнять большинство подобных работ без привлечения специалистов, а это позволяет настраивать компьютерную систему оптимально для решения именно тех задач, для которых она была приобретена.

Портативные модели удобны для транспортировки. Их используют бизнесмены, коммерсанты, руководители предприятий и организаций, проводящие много времени в командировках и переездах. С портативным компьютером можно работать при отсутствии рабочего места. Особая привлекательность портативных компьютеров связана с тем, что их можно использовать в качестве средства связи. Подключив такой компьютер к

6

телефонной сети, можно из любой географической точки установить обмен данными между ним и центральным компьютером своей организации. Так производят обмен данными, передачу приказов и распоряжений, получение коммерческих данных, докладов и отчетов. Для эксплуатации на рабочем месте портативные компьютеры не очень удобны, но их можно подключать к настольным компьютерам, используемым стационарно.

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.

Классификация по совместимости.

В мире существует множество различных видов и типов компьютеров. Они выпускаются разными производителями, собираются из разных деталей, работают с разными программами. При этом очень важным вопросом становится совместимость различных компьютеров между собой. От совместимости зависит взаимозаменяемость узлов и приборов, предназначенных для разных компьютеров, возможность переноса программ с одного компьютера на другой и

возможность совместной работы разных типов компьютеров с одними и теми же данными,

Аппаратная совместимость. По аппаратной совместимости различают так называемые аппаратные платформы. В области персональных компьютеров сегодня наиболее широко распространены две аппаратные платформы — IBM PC и Apple Macintosh. Кроме них существуют и другие платформы,

распространенность которых ограничивается отдельными регионами или отдельными отраслями. Принадлежность компьютеров к одной аппаратной платформе повышает совместимость между ними, а принадлежность к разным платформам — понижает.

Кроме аппаратной совместимости существуют и другие виды совместимости:

совместимость на уровне операционной системы, программная совместимость, совместимость на уровне данных.

7

Классификация по типу используемого процессора.

Процессор — основной компонент любого компьютера. В электронно- вычислительных машинах это специальный блок, а в персональных компьютерах

— специальная микросхема, которая выполняет все вычисления в компьютере. Даже если компьютеры принадлежат одной аппаратной платформе, они могут различаться по типу используемого процессора. Тип используемого процессора в значительной (хотя и не в полной) мере характеризует технические свойства компьютера.

3.Архитектура ЭВМ

Архитектура – совокупность подходов и технических решений, используемых при создании вычислительной системы.

Вычислительная система – это совокупность одного или нескольких компьютеров или процессоров, программного обеспечения и периферийного оборудования, организованная для совместного выполнения информационно- вычислительных процессов.

В 1936 году Алан Тьюринг сформулировал понятие абстрактной вычислительной машины. Одновременно с ним, хотя и не в столь явной форме, это же сделал Э. Пост (США). Хотя машина Тьюринга (МТ) не стала реально действующим устройством, она до настоящего времени постоянно используется в качестве основной модели для выяснения сущности таких понятий, как «вычислительный процесс», «алгоритм», а также для выяснения связи между алгоритмом и вычислительными машинами.

Основные положения машины Тьюринга

1. Машина Тьюринга (МТ) (рис.1) имеет конечное число знаков si, образующих внешний алфавит, в котором кодируются сведения, подаваемые в МТ, а также вырабатываемые в ней. Среди знаков имеется пустой знак (s1), посылка которого в какую-либо ячейку стирает находившийся в ней знак и оставляет ее пустой.

8

Рисунок 1

В зависимости от поданной начальной информации (содержащихся на ленте внешней памяти знаков) возможны два случая:

∙после конечного числа тактов машина останавливается (имея информацию

β), подавая сигнал об остановке. В этом случае МТ применима к информации a и перерабатывает ее в информацию β;

∙остановка никогда не наступает. В этом случае МТ не применима к начальной информации.

2. В каждый момент обозревается лишь одна ячейка ленты (памяти). Переход может осуществляться лишь к соседней ячейке (R – вправо, L–влево, N– нет перехода (остаться)). Переход к произвольной ячейке производится путем последовательного перебора всех ячеек, разделяющих текущую и необходимую ячейки. На каждом отдельном такте t команда предписывает только замену единственного знака si, хранящегося в обозреваемой ячейке, каким-либо другим знаком sj.

3. Логический блок МТ имеет конечное число состояний {qi} i=1..m.

Знаки R, L, N, q1,…,qm образуют внутренний алфавит машины. Переработанный знак sj, записываемый в просматриваемую ячейку, состояние, которое примет

машина Тьюринга в следующем такте q(t+1) и выполняемая в данном такте операция перехода к следующей ячейке P(t+1) являются функцией анализируемого в данном такте символа и текущего состояния машины si и q(t):

si(t+1)=f1(si,q(t)); q(t+1)=f2(si,q(t));

9

P(t+1)=f3(si,q(t)).
Программа для МТ определяется тройкой {si, P, q}t.
Пример	записи программы вычисления логической				функции
"неравнозначность" для машины Тьюринга представлен ниже.
Символ si		Состояние
	q1	q2	q3		q4
0	0, R, q2	0, N, q4	1, N, q4		0, N, q4
1	1, R, q3	1, N, q4	0, N, q4		1, N, q4

Автомат Неймана

По принципу обработки информации вычислительное устройство, предложенное Джоном фон Нейманом (автомат Неймана – АН), существенно отличается от машины Тьюринга.

Важная особенность машины Тьюринга – преобразование информации на каждом такте происходит лишь в одной ячейке, остальные дожидаются посещения головки, хотя часто имеется возможность работать параллельно.

Простейшее решение – использование нескольких машин Тьюринга с общей для них внешней памятью (лентой) – не всегда допустимо из-за возможных конфликтов при обращении к одной и той же ячейке памяти.

В автомате Неймана число одновременно обрабатываемых ячеек может неограниченно расти, оставаясь в каждый момент конечным.

Элемент Неймана (ЭН) – это устройство, которое на каждом такте пребывает в одном из конечного числа состояний ri R, образующих его алфавит. ЭН имеет два входных канала: левый и правый; по каждому из них на такте t также поступает по одному состоянию из R (рис. 2).

Рисунок 2 Элемент Неймана

Элемент реализует функцию zt+1=ψ(ri, rj, rm)t, то есть в такте t+1 переходит в состояние z, определяемое его состоянием в текущий момент времени и значениями, поступившими по входным каналам.

10