5. История эвм. Поколения эвм. Классификация эвм. Принципы фон Неймана. Классическая архитектура компьютера.

Электронно-вычислительные машины у нас в стране принято делить на поколения. Для компьютерной техники характерна прежде всего быстрота смены поколений - за ее короткую историю развития уже успели смениться четыре поколения и сейчас мы работаем на компьютерах пятого поколения.

Первое поколение ЭВМ (1948 — 1958 гг.)

Элементной базой машин этого поколения были электронные лампы – диоды и триоды. Машины предназначались для решения сравнительно несложных научно-технических задач. К этому поколению ЭВМ можно отнести: МЭСМ, БЭСМ-1, М-1, М-2, М-З, “Стрела”, “Минск-1”, “Урал-1”, “Урал-2”, “Урал-3”, M-20, "Сетунь", БЭСМ-2, "Раздан". Они были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы и слабое программное обеспечение. Быстродействие их не превышало 2—3 тысяч операций в секунду, емкость оперативной памяти—2К или 2048 машинных слов (1K=1024) длиной 48 двоичных знаков. В 1958 г. появилась машина M-20 с памятью 4К и быстродействием около 20 тысяч операций в секунду. В машинах первого поколения были реализованы основные логические принципы построения электронно-вычислительных машин и концепции Джона фон Неймана, касающиеся работы ЭВМ по вводимой в память программе и исходным данным (числам).

Второе поколение ЭВМ (1959 — 1967 гг.)

Элементной базой машин этого поколения были полупроводниковые приборы. Машины предназначались для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве. Появление полупроводниковых элементов в электронных схемах существенно увеличило емкость оперативной памяти, надежность и быстродействие ЭВМ. Уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность. С появлением машин второго поколения значительно расширилась сфера использования электронной вычислительной техники, главным образом за счет развития программного обеспечения. Появились также специализированные машины, например ЭВМ для решения экономических задач, для управления производственными процессами, системами передачи информации и т.д. К ЭВМ второго поколения относятся:

• ЭВМ М-40, -50 для систем противоракетной обороны;

• Урал -11, -14, -16 - ЭВМ общего назначения, ориентированные на решение инженерно-технических и планово-экономических задач;

• Минск  -2, -12, -14 для решения инженерных, научных и конструкторских задач математического и логического характера;

Третье поколение ЭВМ (1968 — 1973 гг.)

Элементная база ЭВМ - малые интегральные схемы (МИС). Машины предназначались для широкого использования в различных областях науки и техники (проведение расчетов, управление производством, подвижными объектами и др.). Благодаря интегральным схемам удалось существенно улучшить технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ. Например, машины третьего поколения по сравнению с машинами второго поколения имеют больший объем оперативной памяти, увеличилось быстродействие, повысилась надежность, а потребляемая мощность, занимаемая площадь и масса уменьшились.

К машинам третьего поколения относились "Днепр-2", ЭВМ Единой Системы (ЕС-1010, ЕС-1020, ЕС-1030, ЕС-1040, ЕС-1050, ЕС-1060 и несколько их промежуточных модификаций - ЕС-1021 и др.), МИР-2, "Наири-2" и ряд других.

Четвертое поколение ЭВМ (1974 — 1982 гг.)

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, что ведет 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 (или монитора)—набора программ, которые организуют непрерывную работу машины без вмешательства человека.

К этому поколению можно отнести ЭВМ ЕС: ЕС-1015, -1025, -1035, -1045, -1055, -1065 (“Ряд 2”), -1036, -1046, -1066, СМ-1420, -1600, -1700, все персональные ЭВМ (“Электроника МС 0501”, “Электроника-85”, “Искра-226”, ЕС-1840, -1841, -1842 и др.), а также другие типы и модификации.

Классификация ЭВМ

Электронно-вычислительные машины принято классифицировать по целому ряду признаков, в частности: по функциональным возможностям и характеру решаемых задач, принципу действия, назначению, способам организации вычислительного процесса и вычислительной мощности, конструктивным особенностям. Кроме этого, электронно-вычислительные машины (ЭВМ) классифицируются по поколениям.

По способу организации вычислительного процесса ЭВМ подразделяются на многопроцессорные и однопроцессорные, а также параллельные и последовательные.

По уровню специализации ЭВМ выделяют:

• универсальные (общего назначения) ЭВМ;

• проблемно-ориентированные ЭВМ;

• специализированные ЭВМ.

Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых разных инженерно-технических задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных.

Проблемно-ориентированные ЭВМ предназначены для решения более узкого круга задач, связанных с регистрацией, накоплением и обработкой небольших объемов данных.

Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач (микропроцессоры и контроллеры, выполняющие функции управления техническими устройствами).

Персональные компьютеры (ПК) являются наиболее массовыми и широко используемыми ЭВМ. Несмотря на свои небольшие размеры, они вобрали в себя все черты ЭВМ и полностью отражают ее архитектуру и принципы построения. В дальнейшем при рассмотрении аппаратных и программных средств будем вести речь только о персональных компьютерах.

С 1999 года для классификации ПК используется международный сертификационный стандарт – спецификация РС99. В соответствии с этой спецификацией ПК делятся на следующие группы:

• массовые ПК (Consumer PC);

• деловые ПК (Office PC);

• портативные ПК (Mobile PC);

• рабочие станции (WorkStation);

• развлекательные ПК (Entertaiment PC).

Большинство ПК относится к массовым и включают стандартный (минимально необходимый) набор аппаратных средств.

Деловые ПК включают минимум средств воспроизведения графики и звука.

Портативные ПК отличаются наличием средств коммуникации отдаленного доступа.

Рабочие станции отвечают повышенным требованиям к объемам памяти устройств хранения данных.

Развлекательные ПК ориентированы на высококачественное воспроизведение графики и звука.

По конструктивным особенностям ПК классифицируются так:

• стационарные (настольные, Desktop);

• переносимые:

  • портативные (Laptop);

  • блокнотные (Notebook);

  • карманные (Рalmtop).

Наиболее распространенными являются настольные ПК, которые позволяют легко изменять конфигурацию.

Портативные компьютеры удобны для пользования, имеют средства компьютерной связи. Системный блок, монитор и клавиатура портативных ПК размещены в одном корпусе: системный блок находится под клавиатурой, а монитор встроен в крышку.

Карманные модели называют "интеллектуальными" записными книжками, т.к. они позволяют хранить оперативные данные и получать к ним быстрый доступ.

По аппаратной совместимости ПК делятся на:

• iBM PC совместимые;

• apple Macintosh.

Принципы Джона фон Неймана

1. Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды.

А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды “стоп”. Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм).

Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных 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 впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без “счетчика команд”, указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

В основу построения подавляющего большинства ЭВМ положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 году американским ученым венгерского происхождения ДЖОНОМ фон НЕЙМАНОМ.