(Документ)

Кириллов В.В. Архитектура базовой ЭВМ (Документ)

Лекции по организации производства на предприятии машиностроения (Лекция)

Касьянов В.Н., Сабельфельд В.К. Сборник заданий по практикуму на ЭВМ (Документ)

Зайцев В.Ф. Кодирование информации В ЕС ЭВМ (Документ)

Печенегов Ю.Я. Расчет гидравлических процессов на ЭВМ (Документ)

Савельев А.Я. Арифметические и логические основы цифровых автоматов (Документ)

Лекции по Организации производства и менеджменту в МС (Лекция)

n1.doc

История развития ЭВМ.
Точкой отсчета можно считать начало XVII века (1623 год), когда ученый В. Шикард создал машину, умеющую складывать и вычитать числа. Но первым арифмометром, способным выполнять четыре основных арифметических действия, стал арифмометр знаменитого французского ученого и философа Блеза Паскаля. Основным элементом в нем было зубчатое колесо, изобретение которого уже само по себе стало ключевым событием в истории вычислительной техники. Правнуки этого колеса еще совсем недавно, каких-нибудь полтора десятка лет назад, использовались в арифмометрах (соответствующая модель была создана в 1842 году) на столах советских бухгалтеров. Хотелось бы отметить, что эволюция в области вычислительной техники носит неравномерный, скачкообразный характер: периоды накопления сил сменяются прорывами в разработках, после чего наступает период стабилизации, во время которого достигнутые результаты используются практически и одновременно накапливаются знания и силы для очередного рывка вперед. После каждого витка процесс эволюции выходит на новую, более высокую ступень.
В 1671 году немецкий философ и математик Густав Лейбниц также создает арифмометр на основе зубчатого колеса особенной конструкции - зубчатого колеса Лейбница. Арифмометр Лейбница, как и арифмометры его предшественников, выполнял четыре основных арифметических действия. На этом данный период закончился, и человечество в течение почти полутора веков копило силы и знания для следующего витка эволюции вычислительной техники. XVIII и XIX века были временем, когда бурно развивались различные науки, в том числе математика и астрономия. В них часто возникали задачи, требующие длительных и трудоемких вычислений.
Еще одним известным человеком в истории вычислительной техники стал английский математик Чарльз Бэббидж. В 1823 году Бэббидж начал работать над машиной для вычисления полиномов, но, что более интересно, 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. Из-за технических трудностей Бэббиджу до конца не удалось реализовать свойпроект. Здесь впервые возникла идея использовать некоторое внешнее (периферийное) устройство для выдачи результатов вычислений. Другой ученый, С. Шойц, в 1853 году все же реализовал машину, задуманную Бэббиджем (она получилась даже меньше, чем планировалась). В 1834 году он изложил принципы работы очередной маши­ны, которая была названа им «аналитической». Технические трудности вновь не позволили ему до конца реализовать свои идеи. Бэббидж смог довести машину лишь до стадии эксперимента. Но именно идея является двигателем научно-тех­нического прогресса. Очередная машина Чарльза Бэббиджа была воплощением следующих идей:
О Управление производственным процессом. Машина управляла работой ткацкого станка, изменяя узор создаваемой ткани в зависимости от сочетания отверстий на специальной бумажной ленте. Эта лента стала предшественницей таких знакомых нам всем носителей информации, как перфокарты и перфоленты.
О Программируемостъ. Работой машины также управляла специальная бумаж­ная лента с отверстиями. Порядок следования отверстий на ней определял команды и обрабатываемые этими командами данные. Машина имела ариф­метическое устройство и память. В состав команд машины входила даже ко­манда условного перехода, изменяющая ход вычислений в зависимости от некоторых промежуточных результатов.
В разработке этой машины принимала участие графиня Ада Августа Лавлейс, которую считают первой в мире женщиной-программистом.
Идеи Чарльза Бэббиджа развивались и использовались другими учеными. Так, в 1890 году, на рубеже XX века, американец Г. Холлерит разработал машину, рабо­тающую с таблицами данных (первый Excel?). Машина управлялась программой на перфокартах. Она использовалась при проведении переписи населения в США в 1890 году. В 1896 году Г. Холлерит основал фирму, явившуюся предшественни­цей корпорации IBM. Co смертью Бэббиджа в эволюции вычислительной техни­ки наступил очередной перерыв вплоть до 30-х годов XX века.
В 1938 году центр разработок ненадолго смещается из Америки в Германию, где К. Цузе создает машину, которая оперирует, в отличие от своих предшественниц, не десятичными числами, а двоичными. Эта машина также была все еще механи­ческой, но ее несомненным достоинством было то, что в ней была реализована идея обработки данных в двоичном коде. Продолжая свои работы, Цузе в 1941 году создал электромеханическую машину, арифметическое устройство которой было выполнено на базе реле. Машина умела выполнять операции с плавающей точкой.
В Америке, в этот период также шли работы по созданию подобных электромеханических машин. В 1944 году Г. Айкен спроектировал машину, кото­рую назвали MARK-1. Она, как и машина К. Цузе, работала на реле. Но из-за того, что эта машина явно была создана под влиянием работ Бэббиджа, она оперирова­ла с данными в десятичной форме.
Естественно, из-за большого удельного веса механических частей эти машины были обречены. Нужно было искать новую, более технологичную элементную базу. И тогда вспомнили об изобретении Л. Фореста, который в 1906 году создал трехэлектродную вакуумную лампу, названную триодом. В силу своих функциональных свойств она стала наиболее естественной заменой реле. В 1946 году в США, в университете города Пенсильвания, была создана первая универсальная ЭВМ - ENIAC. ЭВМ ENIAC содержала 18 тыс. ламп, весила 30 тонн, занимала площадь 200 м 2 и потребляла огромную мощность. В ней все еще использовались десятичные операции, и программирование осуществлялось путем коммутации разъемов и установки переключателей. Естественно, что такое «программирование» влекло за собой появление множества проблем, вызванных, прежде всего, неверной установкой переключателей. С проектом ENIAC связано имя еще одной ключевой фигуры в истории вычислительной техники - матема­тика Джона фон Неймана. Именно он впервые предложил записывать программу и ее данные в память машины так, чтобы их можно было при необходимости модифицировать в процессе работы. Этот ключевой принцип, получивший назва­ние принципа хранимой программы , был использован в дальнейшем при создании принципиально новой ЭВМ EDVAC (1951 год). В этой машине уже применяется двоичная арифметика и используется оперативная память, построенная на ультра­звуковых ртутных линиях задержки. Память могла хранить 1024 слова. Каждое слово состояло из 44 двоичных разрядов.
Далее, до середины 80-х годов процесс эволюции вычислительной техники принято делить на поколения. Для полноты изложения дадим этим поколениям краткие качественные характеристики:
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. К этому времени у разработчиков уже сложилось примерно одинаковое представление о том, из каких элементов должна состоять типичная ЭВМ. Это - 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, которое хотелось бы отметить, - это появление так называе­мых 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. На этом этапе резко расширился круг пользователей ЭВМ и возросла номенклату­ра решаемых задач. 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 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. Появились сравнительно недорогие и малогаба­ритные машины - мини-ЭВМ. Они активно использовались для управления раз­личными технологическими производственными процессами в системах сбора и обработки информации. 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. Работа с программным обеспечением стала более дружественной, что повлекло за собой рост количества пользовате­лей. В принципе, при такой степени интеграции элементов стало возможным попытаться создать функционально полную ЭВМ на одном кристалле.
На этом этапе оформилось разделение ЭВМ на классы

Классификацию вычислительных машин по таким показателям, как габариты и производительность, можно представить следующим образом:

• 
  сверхпроизводительные ЭВМ и системы (супер-ЭВМ);
• 
  большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения);
• 
  средние ЭВМ;
• 
  малые или мини-ЭВМ;
• 
  микро-ЭВМ;
• 
  персональные компьютеры;
• 
  микропроцессоры.

Отметим, что понятия «большие», «средние» и «малые» для отечественных ЭВМ весьма условны и не соответствуют подобным категориям зарубежных ЭВМ.
Исторически первыми появились большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения), элементная база которых прошла путь от электронных ламп до схем со сверхвысокой степенью интеграции. В процессе эволюционного развития больших ЭВМ можно выделить отдельные периоды, связываемые с пятью поколениями ЭВМ. Поколение ЭВМ определяется элементной базой (лампы, полупроводники, микросхемы различной степени интеграции), архитектурой и вычислительными возможностями.
Основное назначение больших ЭВМ - выполнение работ, связанных с обработкой и хранением больших объемов информации, проведением сложных расчетов и исследований в ходе решения вычислительных и информационно-логических задач. Такими машинами, как правило, оснащаются вычислительные центры, используемые совместно несколькими организациями. Большие машины составляли основу парка вычислительной техники до середины 70-х годов. К ним относятся большинство моделей фирмы IBM (семейства 360, 370, 390) и их отечественные аналоги ЕС ЭВМ.
Производительность больших ЭВМ оказывалась недостаточной для ряда приложений, например, таких как прогнозирование метеообстаиовки, ядерная энергетика, оборона и т. д. Эти обстоятельства стимулировали создание сверхбольших или суперЭВМ. Стоимость отдельной ЭВМ такого класса достигала десятков миллионов долларов. Представители этого класса ЭВМ - компьютеры фирм Cray Research, Control Data Corporation (CDC) и отечественные супер-ЭВМ семейства Эльбрус.
Средние ЭВМ. Вычислительные машины этого класса обладают несколько меньшими возможностями, чем большие ЭВМ, но зато им присуща и более низкая стоимость. Они предназначены для использования всюду, где приходится постоянно обрабатывать достаточно большие объемы информации с приемлемыми временными затратами. В настоящее время трудно определить четкую грань между средними ЭВМ и большими с одной стороны и малыми - с другой. К средним могут быть отнесены некоторые модели ЕС ЭВМ, например: ЕС-1036, ЕС-1130, ЕС-1120. За рубежом средние ЭВМ выпускают фирмы IBM (International Business Machinery), DEC (Digital Equipment Corporation), Hewlett Packard, СОМРАРЕХ и др.
Малые ЭВМ составляли самый многочисленный класс ЭВМ. Их популярность объяснялась малыми размерами, низкой стоимостью (по сравнению с большими и средними ЭВМ) и универсальными возможностями.
Класс мини-ЭВМ появился в 60-е годы (12-разрядная ЭВМ PD5-5 фирмы DEC). Их появление было обусловлено развитием элементной базы и избыточностью ресурсов больших и средних ЭВМ для ряда приложений. Для мини-ЭВМ характерно представление данных с узким диапазоном значений (машинное слово - 2 байта), использование принципа магистральности в архитектуре и более простое взаимодействие человека и ЭВМ. Такие машины широко применялись для управления сложными видами оборудования, создания систем автоматизированного проектирования и гибких производственных систем. К мини-ЭВМ относятся машины серии PDP (затем VAX) фирмы DEC и их отечественные аналоги - модели семейства малых ЭВМ (СМ ЭВМ).
При переходе от схем с малой и средней степенями интеграции к интегральным микросхемам с большой и сверхбольшой степенями интеграции оказалось возможным создание на одной БИС или СБИС функционально законченного устройства обработки информации, выполняющего функции процессора. Такое устройство принято называть микропроцессором. Изобретение микропроцессора привело к появлению еще одного класса ЭВМ - микро-ЭВМ. Определяющим признаком микро-ЭВМ является наличие одного или нескольких микропроцессоров. Создание микропроцессора не только изменило центральную часть ЭВМ, но и привело к необходимости разработки малогабаритных устройств ее периферийной части. Микро-ЭВМ, благодаря малым размерам, высокой производительности, повышенной надежности и небольшой стоимости нашли широкое pacnpocтpaнение во всех сферах народного хозяйства и оборонного комплекса. С появлением микропроцессоров и микро-ЭВМ становится возможным создание так называемых интеллектуальных терминалов, выполняющих сложные процедуры предварительной обработки информации.
Успехи в развитии микропроцессоров и микро-ЭВМ привели к появлению персональных ЭВМ (ПЭВМ), предназначенных для индивидуального обслуживания пользователя и ориентированных на решение различных задач неспециалистами в области вычислительной техники.
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. В общем случае под процессором понимают 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 одном кристалле, а процессоры других типов реализуют их путем соединения большого количества микросхем.
Итак, первый МП i4004 был создан фирмой Intel на рубеже 70-х годов. Он представлял собой 4-разрядное параллельное вычислительное устройство, и его возможности были сильно ограничены. 4004 мог производить четыре основные арифметические операции и применялся поначалу только в карманных калькуля­торах. Позднее сфера его применения была расширена за счет использования в различных системах управления (например, для управления светофорами). Фир­ма Intel, правильно предугадав перспективность микропроцессоров, продолжила интенсивные разработки, и один из ее проектов в конечном итоге привел к крупно­му успеху, предопределившему будущий путь развития вычислительной техники. Им стал проект по разработке 8-разрядного микропроцессора 8008 (1972 г.). Этот микропроцессор имел довольно развитую систему команд и умел делить числа. Именно он был использован при создании персонального компьютера Альтаир, для которого молодой Билл Гейтс написал один из своих первых интерпретаторов язы­ка Basic. Наверное, именно с этого момента следует вести отсчет 5-го поколения.
5-е поколение можно назвать микропроцессорным. Заметьте, что 4-е поколение за­кончилось только в начале 80-х, то есть «родители» в лице больших машин и их быстро взрослеющее и набирающее силы «чадо» в течение почти 10 лет относи­тельно мирно существовали вместе. Для них обоих это время пошло только на пользу. Проектировщики больших компьютеров накопили огромный теоретический и практический опыт, а программисты микропроцессоров сумели найти свою, пусть поначалу очень узкую, нишу на рынке. 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. По своим вычислительным возможностям этот компью­тер стал сопоставим с IBM 370. Поэтому можно считать, что на этом 4-е поколение развития ЭВМ завершилось.

Этапы развития процессоров Intel Pentium.
Процессор Pentium
Родоначальником обширного семейства под общим названием Pentium (Pentium , Pentium MMX , Pentium II , Pentium HI , Pentium 4) стал процес­сор с индексом Р5, оснащенный интерфейсом Socket 4, чье производство началось в 1993 г. В том же году произошел переход на ядро Р54С с ин­терфейсом Socket 5, позднее - Socket 7. Линейка процессоров собственно Pentium включала модели с рабочими частотами 75-200 МГц. Процессоры производились с использованием различных технологических норм. Модели с частотами 75-120 МГц выполнены по 0,5-микронной техноло­гии, а процессоры с частотами 120-200 МГц - по 0,35-микронной. Ядро Р54С содержит 3,3 милли­она транзисторов, 16 Кбайт кэш-памяти перво­го уровня. Кэш-память второго уровня объемом до 1024 Кбайт размещалась на системной плате. Процессоры семейства Pentium имеют следую­щие основные особенности:

• 
  суперскалярная (два конвейера) архитектура;
• 
  динамическое предсказание ветвлений;
• 
  модуль конвейерной обработки операций с плавающей запятой; меньшее время исполнения инструкций;
• 
  раздельная кэш-память для данных и для инструкций (по 8 Кбайт); » протокол обратной записи в кэш данных;
• 
  64-битная шина данных;
• 
  конвейер циклов на шине;
• 
  контроль четности адресов;
• 
  внутренняя проверка четности;
• 
  контроль функциональной избыточности; » контроль исполнения;
• 
  мониторинг производительности;
• 
  режим управления системой (System Management Mode );
• 
  расширение виртуальных режимов;
• 
  интеллектуальное управление потреблением энергии (SL );
• 
  встроенный API (прикладной программный интерфейс).

Процессор Pentium MMX

Процессоры Pentium (ядро Р55С) с техно­логией MMX (Multi Media extension ) стали существенным шагом вперед в семействе Pentium . В основе технологии ММХ лежит метод SIMD (Single Instruction - Multiple Data ), который позволяет увеличить про­изводительность широкого набора муль­тимедийных приложений. Pentium MMX поддерживал 57 новых инструкций и че­тыре новых 64-разрядных типа данных. Производство Pentium MMX по технор-мам 280 нм развернулось в 1997 г. Кэш данных и кэш команд в Pentium MMX имеют объем по 16 Кбайт каждый. Разделение кэша увеличивает производительность, сокращая среднее время доступа к памяти и обеспечивая быстрый доступ к часто используемым инструкциям и данным. Кэш данных поддерживает два обращения одновременно, метод обратной записи (Write - back ) или по­строчной сквозной записи (Writethrough ). Динамическое предсказание ветвления использует буфер адреса перехода Branch Target Buffer (BTB ), который предсказывает наиболее вероятный набор инструкций для ис­полнения. Для повышения производительности была добавлена допол­нительная стадия конвейерной обработки. Запись в память происходит через область, состоящую из четырех буферов, которые используются совместно двумя конвейерами. Основные характеристики процессора:

• 
  4,5 миллиона транзисторов;
• 
  кэш-память L 2 объемом до 1024 Кбайт на системной плате; » 64-разрядная шина данных;
• 
  контроль целостности данных;
• 
  встроенный контроллер прерываний микропроцессора;
• 
  контроль производительности и отслеживание исполнения;
• 
  улучшение страничного обмена;

• 
  управление мощностью с помощью SL-технологии;
• 
  суперскалярная архитектура с возможностью параллельного ис­полнения двух целочисленных инструкций за один такт.

(FPU ) поддер­живает 32- и 64-битные форматы. Это дает возможность исполнения в одном такте двух инструкций с плавающей запятой. Многие инструкции, требовавшие микрокода в процессорах х86, теперь аппаратно встроены в процессор для обеспечения высокой производительности. Контрольные сигналы шины управляют согласованием кэш-памяти в мультипроцес­сорных системах.
Встроенный контроллер прерываний микропроцессора обеспечивает симметричную многопроцессорную обработку с минимальными затрата­ми. Впервые встроена аппаратная поддержка виртуальных прерываний. Проводится идентификация ядра процессора для получения информа­ции о семействе, модели и характеристиках процессора с помощью ко­манды CPUID . Определение ошибок внутренних устройств и интерфейса шины обеспечивает система защиты контроля четности и Machine Check Exception (MCE ). Также обеспечивается аппаратная поддержка для про­верки заверЩения цикла шины.
Процессор Pentium II

Процессор Pentium II на ядре Klamath начали выпускать в 1997 г. по тех­нологическим нормам 350 нм. Ядро размещалось в новом конструктиве - картридже с односторонним контактом (Single Edge Contact - SEC ), на­считывающим 242 контакта. Высокая интеграция данных и надежность обеспечивались шиной памяти и системной шиной с поддержкой ЕСС, механизмом анализа отказов, функцией восстановления и проверкой функциональной избыточности. Кэш-память второго уровня объемом 512 Кбайт располагалась на плате процессора и работала на половинной частоте.

В 1998 г. начался выпуск Pentium II на ядре Deschutes по технормам 250 нм. Семейство процессоров Intel Pentium II включало модели с так­товыми частотами 233-450 МГц. Существенное увеличение производи­тельности процессоров Pentium II по сравнению с предыдущими процес­сорами архитектуры Intel основано на сочетании технологии Pentium Pro с поддержкой новых инструкций ММХ. Укажем некоторые особенности архитектуры Pentium II :

• 
  число транзисторов 7,5 миллионов;
• 
  множественное предсказание ветвлений, предугадываются не­сколько направлений ветвлений программы;
• 
  анализ потока данных. В результате анализа зависимости инструк­ций друг от друга процессор разрабатывает оптимизированный график их выполнения;
• 
  спекулятивное исполнение. Процессор исполняет инструкции в со­ответствии с оптимизированным графиком загрузки блоков АЛУ;
• 
  полная поддержка технологии ММХ.

Архитектура двойной независимой шины (системная шина и шина кэша) обеспечивает повышение пропускной способности и производи­тельности, а также масштабируемость при использовании более одного процессора. Системная шина поддерживает множественные транзакции, что повышает пропускную способность. Производительность повышает­ся и за счет использования выделенной 64-разрядной шины кэш-памяти. Процессор имеет раздельный кэш первого уровня (16 + 16 Кбайт).
Конвейерный блок вычислений с плавающей запятой (FPU ) поддер­живает 32- и 64-разрядные форматы данных, а также формат 80 бит. Контроль четности сигналов адресации запроса и ответа системной шины с возможностью повторения обеспечивает высокую надежность и инте­грацию данных.
Технология ЕСС (Error Correction Code ) позволяет корректировать од­нобитные и выявлять двухбитные ошибки системной шины. Встроенный Self Test (BIST ) обеспечивает те же функции, что и в Pentium ММХ. Встроенные счетчики производительности обеспечивают управление производительностью и подсчет событий.
В результате целенаправленной политики Intel по разделению сек­торов рынка персональных компьютеров в 1998 г. появились процессоры Celeron , основанные на архитектуре Pentium П. Первые модификации (с ядром Covington ) не имели кэш-памяти второго уровня, поэтому от­ставали в производительности от Pentium II , но отличались прекрасной разгоняемостью. Процессоры Celeron с ядром Mendocino получили кэш­память второго уровня объемом 128 Кбайт. В 1999 г. на смену процессору Pentium II (Deschutes ) пришел Pentium III на новом ядре Katmai , которое получило блок SSE (Streaming SIMD Extensions ), расширенный набор команд ММХ и усовершенствованный механизм потокового доступа к памя­ти. Процессор насчитывал 9,5 миллионов транзисторов и выпускался по технормам 250 нм с интерфейсом Slot 1. Кэш второго уровня, размещен­ный в ядре, имел объем 512 Кбайт.
Интерфейс Socket 370
Celeron 233-533 МГц (апрель 1998 - январь 2000) Pentium III 500-1133 МГц (октябрь 1999 - июль 2001) Celeron II 533-1100 МГц (январь 2000 - июль 2001) Celeron/Pentium III 1000-1400 МГц (январь 2000 - июль 2001)
В 1998 г. для процессоров Pentium III был раз­работан интерфейс Socket 370, кристалл уста­навливался в пластиковый корпуса PPGA. Важным преимуществом Pentium III стала возможность исполнения расширенного на­бора инструкций SIMD , оперирующих со спе­циальными 128-битными регистрами. Каждый из них хранит четыре действительных числа одинарной точности. Таким образом, выполняя операцию над двумя регистрами, SSE факти­чески оперирует четырьмя парами чисел. То есть, благодаря этому процессор может выполнять до четырех операций одновременно. Однако разработчик программы должен использовать специальные команды, а также позаботиться о помещении и извлечении данных из четырех местных регистров, поэтому для использования всех вычислительных мощностей Pentium III необходима целенаправленная оптимизация кода. Таким образом, в Pentium III появился блок, подобный ММХ, но оперирующий действительными числами. Это решение способ­ствовало улучшению производительности процессора в следующих обла­стях:

• 
  трехмерная графика и моделирование, расчет освещенности с ис­пользованием вычислений с плавающей точкой;
• 
  обработка сигналов и моделирование процессов с широким диапа­зоном изменения параметров;
• 
  генерация трехмерных изображений в программах реального вре­мени, не использующих целочисленный код;
• 
  алгоритмы кодирования и декодирования видеосигнала, обрабаты­вающие данные блоками;
• 
  численные алгоритмы фильтрации, работающие с потоками данных.

С 2000 г. начался выпуск процессоров в корпусах FC-PGA. Последней модификацией Pentium III и Celeron стали процессоры на ядре Tualatin , изготавливаемом по технормам 130 нм. Модель Pentium III - S Tualatin имеет рабочую частоту до 1400 МГц, кэш-память второго уровня объе­мом 512 Кбайт. Ядро получило блок Data Prefetch , который стал одним из ключевых элементов будущей архитектуры Pentium 4. К сожалению, Pentium III - S потребовал новой модификации интерфейса Socket 370, что исключило возможность апгрейда действующих систем.
Интерфейс Socket 423

Процессор Pentium 4 на ядре Willamette имел новую архитектуру, основанную на техноло­гии NetBurst , ставшую логическим развитием архитектуры Pentium III - S на ядре Tualatin . Важным достоинством архитектуры Pentium 4 стал механизм термоконтроля, автоматиче­ски снижавший рабочую частоту, если темпе­ратура ядра превышала заданный порог. В ядро Willamette впервые внедрена поддерж­ка расширенного набора мультимедийных инструкций SSE 2. Вместе с тем, интерфейс

Socket 423 оказался не очень технологичным, и компания Intel была вы­нуждена отказаться от его использования.

Интерфейс Socket 478

Pentium 4 1300-2800 МГц (июль 2001 - март 2004) Celeron 1700-2930 МГц (июль 2001 - октябрь 2004) Pentium 4 ЕЕ 3200-3400 МГц (сентябрь 2003 - март 2004)

Интерфейс Socket 478 был внедрен одновремен­но с переходом процессоров Pentium 4 на ядро Northwood , оснащенное кэш-памятью второго уровня объемом 512 Кбайт. Платформа комплек­товалась чипсетами, поддерживающими один из трех видов оперативной памяти: Rambus DRAM (RDRAM ), SDRAM , DDR SDRAM . С упорством, достойным лучшего применения, Intel поддер­живала дорогую память RDRAM в ущерб более дешевой DDR SDRAM , что вызвало недовольство как производителей системных плат, так и пользователей. И только под давлением партнеров и потребителей был выпущен чипсет 845 D , поддерживающий DDR SDRAM.

Длинный конвейер Pentium 4 позволил постоянно наращивать рабо­чие частоты процессора и частоту системной шины. Частота процессора с ядром Northwood выросла до 3400 МГц, а частота системной шины - до 800 МГц. Модификация Celeron отличается от Pentium 4 урезанным вдвое объемом кэша L 2 и ограниченной 400 МГц частотой системной шины.
Интерфейс Socket 775

Pentium 4 2666-3800 МГц (с июня 2004) Celeron D 2533-3200 МГц (с июня 2004) Pentium 4 ЕЕ 3460-3730 МГц (с июня 2004)

Следующим крупным шагом компании Intel по совершенствованию тех­нологии стал перевод всех процессоров для настольных систем на интер­фейс Socket 775 LGA (Land Grid Array). Несколько ранее была внедрена усовершенствованная архитектура ядра Prescott (технормы 90 нм). Ядро отличается удлиненным исполнительным конвейером, увеличенным до 1024 Кбайт объемом кэша L2, поддержкой набора ин­струкций SSE 3. При этом тепловая мощ­ность процессора Pentium 4 на ядре Prescott с частотой 3,8 ГГц достигла 125 Вт.

Процессоры семейства Celeron D обяза­ны своим появлением внедрению технорм 90 нм. Соответственно политике компании Intel , бюджетная модификация получила вдвое урезанный кэш (то есть 256 Кбайт) и ограниченную до 533 МГц частоту системной шины.

Переход на новый интерфейс ознаменовался знаменательным событием: компания Intel отказалась от маркировки процессоров по рабочей частоте и по примеру компании AMD ввела маркировку по рейтингу (процессорному номеру).

Особое место в семействе Pentium 4 занимают процессоры с маркировкой Extreme Edition (ЕЕ). Они построены на совершенно ином ядре Gallatin (технормы 130 нм). Основное отличие Pentium 4 ЕЕ заключается в наличии кэш-памяти третьего уровня объемом 2 Мбайт и увеличенной до 1066 МГц частоте системной шины.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

Профессионального образования

Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса

Семенихин И.Н.

(конспект лекций)

ШАХТЫ 2006

1 ВВЕДЕНИЕ 4

1.1 Архитектура, организация и конфигурация ЭВМ 4

1.2 Общие требования к современным компьютерам 5

1.3 Классификация компьютеров по областям применения 8

1.4 Оценка производительности вычислительных систем 16

2 Архитектура системы команд 26

2.1 Классификация архитектур системы команд 27

2.2 Классификация по месту хранения операндов 29

2.3 CISC и RISC архитектуры 35

2.4 Типы и форматы операндов 37

2.5 Символьная информация 49

2.6 Логические данные и строки 51

2.7 Прочие виды информации 52

2.8 Типы и форматы команд 54

2.9 Способы адресации операндов 63

2.10 Система операций 71

^ 3 ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЭВМ 73

3.1 Основные понятия 73

3.2 Информационная модель ЭВМ 73

3.3 Принципы Джона фон Неймана. 77

3.4 Основные компоненты ЭВМ 79

4 ЭВМ фон НЕЙМАНА 83

4.1 ЭВМ с шинной организацией 83

4.2 ЭВМ с канальной организацией 87

5 ОРГАНИЗАЦИЯ памяти ЭВМ 92

5.1 Иерархия памяти 92

5.2 Организация кэш-памяти 93

5.3 Организация основной памяти 98

^

1 ВВЕДЕНИЕ

1.1 Архитектура, организация и конфигурация ЭВМ

Архитектура ЭВМ - абстрактное определение ЭВМ в терминах основных функциональных модулей, языков программирования и структур данных. Архитектура не определяет особенности реализации аппаратной части ЭВМ, времени выполнения команд, степени параллелизма, ширины шин и других аналогичных характеристик. Архитектура отображает аспекты структуры ЭВМ, которые являются видимыми для пользователя-программиста: систему команд, режимы адресации, форматы данных, набор программно-доступных регистров. Одним словом, термин «архитектура» используется для описания возможностей, предоставляемых ЭВМ.

Термин организация ЭВМ определяет описание того, как реализованы возможности ЭВМ.

Весьма часто употребляется термин конфигурация ЭВМ, под которым понимается компоновка вычислительного устройства с четким определением характера, количества, взаимосвязей и основных характеристик его функциональных элементов.

Таким образом, по цепочке архитектура → организация → конфигурация мы переходим от абстрактного определения к описанию конкретной ЭВМ.

Термин «архитектура системы» часто употребляется как в узком, так и в широком смысле этого слова. В узком смысле под архитектурой понимается архитектура набора команд. Архитектура набора команд служит границей между аппаратурой и программным обеспечением и представляет ту часть системы, которая видна программисту или разработчику компиляторов. Следует отметить, что это наиболее частое употребление этого термина. В широком смысле архитектура охватывает понятие организации системы, включающее такие высокоуровневые аспекты разработки компьютера как систему памяти, структуру системной шины, организацию ввода/вывода и т.п.

Применительно к вычислительным системам термин «архитектура» может быть определен как распределение функций, реализуемых системой, между ее уровнями , точнее как определение границ между этими уровнями. Таким образом, архитектура вычислительной системы предполагает многоуровневую организацию .

Архитектура первого уровня определяет, какие функции по обработке данных выполняются системой в целом, а какие возлагаются на внешний мир (пользователей, операторов, администраторов баз данных и т.д.). Система взаимодействует с внешним миром через набор интерфейсов : языки (язык оператора, языки программирования, языки описания и манипулирования базой данных, язык управления заданиями) и системные программы (программы-утилиты, программы редактирования, сортировки, сохранения и восстановления информации).

Интерфейсы следующих уровней могут разграничивать определенные уровни внутри программного обеспечения. Например, уровень управления логическими ресурсами может включать реализацию таких функций, как управление базой данных, файлами, виртуальной памятью, сетевой телеобработкой. К уровню управления физическими ресурсами относятся функции управления внешней и оперативной памятью, управления процессами, выполняющимися в системе.

Следующий уровень отражает основную линию разграничения системы, а именно границу между системным программным обеспечением и аппаратурой . Эту идею можно развить и дальше и говорить о распределении функций между отдельными частями физической системы. Например, некоторый интерфейс определяет, какие функции реализуют центральные процессоры, а какие - процессоры ввода/вывода.

Архитектура следующего уровня определяет разграничение функций между процессорами ввода/вывода и контроллерами внешних устройств. В свою очередь можно разграничить функции, реализуемые контроллерами и самими устройствами ввода/вывода (терминалами, модемами, накопителями на магнитных дисках и лентах). Архитектура таких уровней часто называется архитектурой физического ввода/вывода .
^

1.2 Общие требования к современным компьютерам

1.2.1 Отношение стоимость/производительность

У разработчиков компьютеров нет одной единственной цели. Для достижения поставленных целей при проектировании высокопроизводительных конструкций приходится игнорировать стоимостные характеристики. Суперкомпьютеры фирмы Cray Research и высокопроизводительные мейнфреймы компании IBM относятся именно к этой категории компьютеров.

Другим крайним примером может служить низкостоимостная конструкция, где производительность принесена в жертву для достижения низкой стоимости. К этому направлению относятся персональные компьютеры различных клонов IBM PC.

Между этими двумя крайними направлениями находятся конструкции, основанные на отношении стоимость/производительность , в которых разработчики находят баланс между стоимостными параметрами и производительностью. Типичными примерами такого рода компьютеров являются миникомпьютеры и рабочие станции.

Для сравнения различных компьютеров между собой обычно используются стандартные методики измерения производительности. Эти методики позволяют разработчикам и пользователям использовать полученные в результате испытаний количественные показатели для оценки тех или иных технических решений, и в конце концов именно производительность и стоимость дают пользователю рациональную основу для решения вопроса, какой компьютер выбрать.
^

1.2.2 Надежность и отказоустойчивость

Важнейшей характеристикой вычислительных систем является надежность . Повышение надежности основано на принципе предотвращения неисправностей путем снижения интенсивности отказов и сбоев за счет применения электронных схем и компонентов с высокой и сверхвысокой степенью интеграции, снижения уровня помех, облегченных режимов работы схем, обеспечение тепловых режимов их работы, а также за счет совершенствования методов сборки аппаратуры.

Отказоустойчивость - это такое свойство вычислительной системы, которое обеспечивает ей, как логической машине, возможность продолжения действий, заданных программой, после возникновения неисправностей.

Введение отказоустойчивости требует избыточного аппаратного и программного обеспечения . Направления, связанные с предотвращением неисправностей и с отказоустойчивостью, - основные в проблеме надежности. Концепции параллельности и отказоустойчивости вычислительных систем естественным образом связаны между собой, поскольку в обоих случаях требуются дополнительные функциональные компоненты. Поэтому, собственно, на параллельных вычислительных системах достигается как наиболее высокая производительность, так и очень высокая надежность. Имеющиеся ресурсы избыточности в параллельных системах могут гибко использоваться как для повышения производительности, так и для повышения надежности. Структура многопроцессорных и многомашинных систем приспособлена к автоматической реконфигурации и обеспечивает возможность продолжения работы системы после возникновения неисправностей.

Следует помнить, что понятие надежности включает не только аппаратные средства, но и программное обеспечение. Главной целью повышения надежности систем является целостность хранимых в них данных.

1.2.3 Масштабируемость

Масштабируемость представляет собой возможность наращивания числа и мощности процессоров, объемов оперативной и внешней памяти и других ресурсов вычислительной системы.

Масштабируемость должна обеспечиваться архитектурой и конструкцией компьютера, а также соответствующими средствами программного обеспечения . Добавление каждого нового процессора в действительно масштабируемой системе должно давать прогнозируемое увеличение производительности и пропускной способности при приемлемых затратах.

Одной из основных задач при построении масштабируемых систем является минимизация стоимости расширения компьютера и упрощение планирования. В идеале добавление процессоров к системе должно приводить к линейному росту ее производительности. Однако это не всегда так. Потери производительности могут возникать, например, при недостаточной пропускной способности шин из-за возрастания трафика между процессорами и основной памятью, а также между памятью и устройствами ввода/вывода. В действительности реальное увеличение производительности трудно оценить заранее, поскольку оно в значительной степени зависит от динамики поведения прикладных задач.

Масштабируемость программного обеспечения затрагивает все его уровни от простых механизмов передачи сообщений до работы с такими сложными объектами как мониторы транзакций и вся среда прикладной системы. В частности, программное обеспечение должно минимизировать трафик межпроцессорного обмена, который может препятствовать линейному росту производительности системы.

Аппаратные средства (процессоры, шины и устройства ввода/вывода) являются только частью масштабируемой архитектуры, на которой программное обеспечение может обеспечить предсказуемый рост производительности. Важно понимать, что простой переход, например, на более мощный процессор может привести к перегрузке других компонентов системы. Это означает, что действительно масштабируемая система должна быть сбалансирована по всем параметрам .
^

1.2.4 Совместимость и мобильность программного обеспечения

Концепция программной совместимости впервые в широких масштабах была применена разработчиками системы IBM/360. Основная задача при проектировании совместимых систем заключалась в создании такой архитектуры, которая была бы одинаковой с точки зрения пользователя для всех моделей системы независимо от цены и производительности каждой из них.

Совместимость позволяет сохранять существующий задел программного обеспечения при переходе на новые (как правило, более производительные) модели. Следует заметить однако, что со временем даже самая передовая архитектура неизбежно устаревает и возникает потребность внесения радикальных изменений архитектуру и способы организации вычислительных систем.

В настоящее время одним из наиболее важных факторов, определяющих современные тенденции в развитии информационных технологий, является ориентация компаний-поставщиков компьютерного оборудования на рынок прикладных программных средств. Это объясняется прежде всего тем, что для конечного пользователя в конце концов важно программное обеспечение, позволяющее решить его задачи, а не выбор той или иной аппаратной платформы.

Этот переход выдвинул ряд новых требований. Прежде всего такая вычислительная среда должна позволять гибко менять количество и состав аппаратных средств и программного обеспечения в соответствии с меняющимися требованиями решаемых задач. Во-вторых, она должна обеспечивать возможность запуска одних и тех же программных систем на различных аппаратных платформах, т.е. обеспечивать мобильность программного обеспечения. В третьих, эта среда должна гарантировать возможность применения одних и тех же человеко-машинных интерфейсов на всех компьютерах, входящих в неоднородную сеть.

В условиях жесткой конкуренции производителей аппаратных платформ и программного обеспечения сформировалась концепция открытых систем , представляющая собой совокупность стандартов на различные компоненты вычислительной среды, предназначенных для обеспечения мобильности программных средств в рамках неоднородной, распределенной вычислительной системы.

Одним из вариантов моделей открытой среды является модель OSE (Open System Environment), предложенная комитетом IEEE POSIX. На основе этой модели национальный институт стандартов и технологии США выпустил документ "Application Portability Profile (APP). The U.S. Government"s Open System Environment Profile OSE/1 Version 2.0", который определяет рекомендуемые для федеральных учреждений США спецификации в области информационных технологий, обеспечивающие мобильность системного и прикладного программного обеспечения. Все ведущие производители компьютеров и программного обеспечения в США в настоящее время придерживаются требований этого документа.

История развития и классификация ЭВМ (Лекция 1)

Понятие архитектуры ЭВМ

Под архитектурой ЭВМ можно понимать совокупность таких компонент, как:

· Внутреннее аппаратное обеспечение – комплект оборудования, технологии производства;

· Программное обеспечение – операционная система, файловая система, система команд;

· Внешнее аппаратное обеспечение – периферийные устройства, сети.

Классификация ЭВМ

Как и любые другие приборы, ЭВМ можно классифицировать по используемой элементарной базе или времени их выпуска:

· Электромеханические устройства (конец 19 века – 1930-е годы);

· Электронно-вакуумные приборы (1940-е – 1950-е);

· Полупроводниковые транзисторы и диоды (1950-е, начало 1960-х);

· Интегральные схемы, БИС, СБИС (с 1960-х по настоящее время)

По производительности ЭВМ можно разделить на большие ЭВМ (mainframe -основной блок), мини - и микро-ЭВМ. Отдельным подклассом микро-ЭВМ можно выделить класс персональных ЭВМ. ПЭВМ производятся наиболее массово, стоят дешевле других машин, справляются с любыми возникающими в быту и в производстве задачами, полностью обеспечены системными и прикладными программами. Большие ЭВМ используются в промышленности и науке для высоконадежного управления и высокопроизводительной обработки огромных объемов информации.

По области применения ЭВМ можно классифицировать на универсальные и управляющие. Универсальные машины спосбны найти применение почти в любой области. Управляющие ЭВМ необходимы для контроля и управления каким-то конкретным агрегатом, прибором, устройством.

По функциональной принадлежности в системе из нескольких машин ЭВМ можно разделить на рабочие станции и серверы.

История развития ЭВМ

Первенство в этом вопросе чаще всего отдаётся такому устройству, как арифмометр. Промышленное производство арифмометров (3 операции умножения 8-значных числа в минуту) началось в 1822 году.

В 1874 году Вильгод Однер, швед по национальности, живший в России, начал работать над арифмометром, а в 1890 году налаживает их массовый выпуск. В первой четверти 20-го века счетные аппараты Однера под разными названиями выпускались во всем мире и только "российский парк" подобных аппаратов составлял свыше 22 тысячи единиц.

В 1924г. компания Computing Tabulating Recording (CTR), работающая в области системного анализа в бизнесе с использованием статистических данных, обрабатываемых на электромеханических счетно-перфорационных машинах, была переименована в International Business Machines (IBM). Этим было подчеркнуто основное направление деятельности компании и назначение выпускаемых ею средств вычислительной техники (табуляторов и других счетно-перфорационных машин).

Когда в 1935г. правительству США понадобились системы автоматизированного учета занятости, способные обрабатывать данные о 26 млн. человек, IBM была готова исполнить этот заказ в кратчайшие сроки.

В начале 40-х годов в лабораториях IBM совместно с учеными Гарвардского университета была начата разработка одной из первых электромеханических вычислительных машин. Она была собрана в 1944 г. и получила название "Марк-1".

В 1953г. была выпущена IBM 701, построенная на электронно-вакуумных лампах, с быстродействием до 17 тыс. оп./с.

В 1955г. был представлен IBM 705, как первая коммерческая машина, имеющая арифметику с плавающей точкой.

В 1959г. IBM выпустила IBM 1401 – коммерческую машину на транзисторах. Она была поставлена более чем в 10 тысячах экземпляров. В том же году IBM создала свой первый мэйнфрейм модели IBM 7090, полностью выполненный на базе транзисторов, с быстродействием 229 тыс. оп./c, а в 1961г. разработала модель IBM 7030 для ядерной лаборатории США в Лос-Аламосе.

В апреле 1964г. IBM анонсировала System/360 – первое семейство универсальных программно-совместимых компьютеров и периферийного оборудования. Элементной базой семейства 360 были выбраны гибридные микросхемы, благодаря чему новые модели стали считать машинами третьего поколения.

В 1971г. IBM представила две модели семейства System/370 (370/135 и 370/195), преемника System/360 на новой технической базе – монолитных интегральных схемах.

В 1980г., переживая финансовый кризис, руководство компании приняло решение о разработке недорогого персонального компьютера (ПК), и 13 августа следующего года представило IBM 150 Personal Computer, машину, вошедшую в историю как IBM PC. В IBM PC были использованы разработки других фирм: микропроцессор i8088 корпорации Intel, операционная система DOS корпорации Microsoft. Хотя архитектуру ПК сейчас называют Wintel (Windows + Intel), все равно IBM PC стала фактически мировым стандартом. Объявленная базовая цена составляла $1565. Официальная презентация IBM PC состоялась 12 сентября 1981 г. в Нью-Йорке.

Продажи были начаты в октябре 1981 г., и уже к концу года было продано более 35 тыс. машин, а в течение первого года выпуска – 136 тыс. Пять лет спустя выпуск ПК достиг 3 млн. штук. За последние 15 лет в США было куплено ПК больше, чем автомобилей. Надо отметить, что за пять лет до появления IBM РС первый ПК был создан основателями фирмы Apple Computer. Однако на становлении феномена персонального компьютера в мире сыграли роль прежде всего производственная мощь корпорации IBM и грамотная научно-техническая и маркетинговая политика (массовый выпуск программного обеспечения).

Корпорация IBM является лидером по числу полученных и внедренных патентов. В 1997г. она получила 1724 патента США, из которых 550 связаны с разработкой программ, а 250 – с сетевыми технологиями. Исследовательский центр IBM предложил следующие наиболее важные решения:

· дисковые накопители;

· динамическую оперативную память (30 лет назад был зарегистрирован патент IBM);

· реляционные СУБД (System R в конце 70-х годов, источник языка SQL, ставшего стандартом, и СУБД DB2, на которую продано 10 тыс. лицензий;

· RISC-процессоры (первый создан 20 лет назад, а недавно объявлен выпуск нового микропроцессора POWER PC с тактовой частотой 2 ГГц);

· технологии микроэлектроники.

Универсальные и управляющие ЭВМ

Главное отличие управляющих машин от универсальных ЭВМ состоит в особенности их связи с внешним миром (управляемым объектом). Исходные данные поступают в машину, минуя человека, непосредственно от измерительных приборов или других устройств, фиксирующих характерные параметры объекта, сигналы управления также выдаются машиной непосредственно на объект. Для этого в составе управляющей машины следует предусмотреть специальные устройства связи с объектом. Кроме того, управляющие машины должны обеспечить работу в реальном масштабе времени, что предъявляет специфические требования к их прикладному и системному программному обеспечению. А это, в свою очередь, предопределяет аппаратную архитектуру и структуру машины.

К управляющим машинам предъявляются более высокие требования по надежности, чем к вычислительным машинам. Даже повторение вычислений, позволяющее исключить ошибки при проведении расчетов на вычислительных машинах, как правило, невозможно в системах реального времени.

Для задач управления технологическими процессами и объектами в большинстве случаев достаточно точности вычислений порядка 0,1% (реже 0,01%), так как исходные данные измеряются все равно с определенной погрешностью. Поэтому представление данных может быть ограничено машинным словом длиной 15-32 двоичных разрядов, а не 32, 48, 64 разряда, как в универсальных ЭВМ.

Эти принципиальные отличия обусловили выделение управляющих машин в самостоятельный класс средств вычислительной техники наряду с классом универсальных ЭВМ, предназначенных для решения вычислительных задач и обработки данных. В англоязычной терминологии класс управляющих ЭВМ определен как control computers.

Программное обеспечение

Любые ЭВМ необходимо снабдить программами. Управляющие ЭВМ работают по специальным программам, алгоритм которых предусматривает решение конкретной задачи.

Большие универсальные ЭВМ решают узкоспециальные задачи, поэтому снабжаются специфичным программным обеспечением. Обычно для каждого класса ЭВМ разрабатывались свои ОС. Наиболее распространенными ОС для мэйнфреймов IBM семейства System /360 в своё время являлись DOS /360 для малых машин и OS /360 для больших машин. Для современных мэйнфреймов серий S /390, z 900 и RS /6000, которые обслуживают сети, в настоящее время ведутся работы по модификации версий ОС Unix и Linux .

Для микро-ЭВМ наиболее известны операционные системы – MS-DOS, Linux , MacOS и, конечно же, Windows. Одними из первых программ для микро-ЭВМ были языки программирования высокого уровня (Бейсик), игры, текстовые редакторы и табличные процессоры. Наличие удобного и разнообразного программного обеспечения сделало этот класс ЭВМ популярным.

4.Тенденции развития вычислительной техники

По мнению специалистов, в первом десятилетии XXI в. будут повышаться значимость программного обеспечения, возрастание проблем его совместимости и обеспечения безопасности.

Среди операционных систем дальнейшее развитие получат системы Linux и Windows. С точки зрения конечного пользователя, уже в ближайшие годы должны произойти серьезные изменения в стиле его общения с компьютером. Во-первых, будет шире использоваться графический ввод данных, в том числе в режиме автоматического распознавания рукописного ввода. Во-вторых, будет использоваться голосовой ввод - сначала для управления командами, а потом будет осваиваться и автоматическая оцифровка речи. Для решения вышеуказанных задач будут разрабатываться соответствующие внешние устройства.

Огромное значение в будущем будут иметь работы в области интеллектуальной обработки неструктурированных данных, в первую очередь текстов, а затем графики, звука, видео.

Одним из наиболее перспективных направлений развития вычислительной техники является реализация концепции сетевых вычислений, использующая идею привлечения для вычислений свободных ресурсов компьютеров. Эта концепция получила название Grid и включает в себя пять ключевых пунктов:

Применение открытых стандартов;

Объединение разнородных систем;

Совместное использование данных;

Динамическое выделение ресурсов;

Объединение вычислительных сетей множества предприятий и организаций.

Развитие ЭВМ будет идти по пути создания оптоэлектронных ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой, представляющих собой распределенную сеть большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Дальнейшее развитие получат переносные персональные компьютеры с беспроводным подключением к глобальной сети Интернет.

Следует отметить, что развитие вычислительной техники всецело зависит от тенденций развития мировой экономической системы.

Лекция № 6 История развития вычислительной техники

Лекция № 3 Поколения и классификация ЭВМ

1.Поколения вычислительной техники

Выделяют пять поколений ЭВМ.

Первое поколение (1945-1954) характеризуется появлением техники на электронных лампах. Это эпоха становления вычислительной техники. Большинство машин первого поколения были экспериментальными устройствами и создавались с целью проверки тех или иных теоретических положений. Вес и размеры этих компьютеров были такими, что они нередко требовали отдельных зданий.

Основоположниками компьютерной науки по праву считаются Клод Шеннон - создатель теории информации, Алан Тьюринг - математик, разработавший теорию программ и алгоритмов, и Джон фон Нейман - автор конструкции вычислительных устройств, которая до настоящего времени лежит в основе большинства компьютеров. В те же годы возникла еще одна новая наука, связанная с информатикой, - кибернетика - наука об управлении как одном из основных информационных процессов. Основателем кибернетики является американский математик Норберт Винер.

Во втором поколении (1955-1964) вместо электронных ламп использовались транзисторы, а в качестве устройств памяти стали применяться магнитные сердечники и барабаны - прототипы современных жестких дисков. Все это позволило сократить габариты и стоимость компьютеров, которые тогда впервые стали производиться на продажу.

Но главные достижения этой эпохи относятся к области программ. Во втором поколении впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой. Тогда же были разработаны первые языки высокого уровня - Фортран, Алгол, Кобол. Два этих важных усовершенствования позволили значительно упростить и ускорить написание программ для компьютеров.

При этом расширялась сфера применения компьютеров. Теперь уже не только ученые могли рассчитывать на доступ к вычислительной технике, поскольку компьютеры нашли применение в планировании и управлении, а некоторые крупные фирмы даже начали компьютеризировать свою бухгалтерию, предвосхищая этот процесс на двадцать лет.

В третьем поколении (1965-1974) впервые стали использоваться интегральные схемы - целые устройства и узлы из десятков и сотен транзисторов, выполненные на одном кристалле полупроводника (микросхемы). В то же время появилась полупроводниковая память, которая и до настоящего времени используется в персональных компьютерах в качестве оперативной.

В те годы производство компьютеров приняло промышленный размах. Фирма IBM первой реализовала серию полностью совместимых друг с другом компьютеров от самых маленьких, размером с небольшой шкаф (меньше тогда еще не делали), до самых мощных и дорогих моделей. Наиболее распространенным в те годы было семейство System/360 фирмы IBM, на основе которого в СССР была разработана серия ЕС ЭВМ. Еще в начале 1960-х гг. появились первые миникомпьютеры - маломощные компьютеры, доступные по цене небольшим фирмам или лабораториям. Мини-компьютеры были первым шагом на пути к персональным компьютерам, пробные образцы которых были выпущены только в середине 1970-х гг.

Между тем количество элементов и соединений, умещающихся в одной микросхеме, постоянно росло, и в 1970-е гг. интегральные схемы содержали уже тысячи транзисторов.

В 1971 г. фирма Intel выпустила первый микропроцессор, который предназначался для только появившихся настольных калькуляторов. Это изобретение произвело в следующем десятилетии настоящую революцию. Микропроцессор является главной составляющей частью современного персонального компьютера.

На рубеже 1960 -70-х гг. (1969) появилась первая глобальная компьютерная сеть ARPA, прототип современной сети Интернет. В том же 1969 г. одновременно появились операционная система Unix и язык программирования С ("Си"), оказавшие огромное влияние на программный мир и до сих пор сохраняющие свое главенствующее положение.

Четвертое поколение (1975 -1985) характеризуется небольшим количеством принципиальных новаций в компьютерной науке. Прогресс шел в основном по пути развития того, что уже изобретено и придумано, прежде всего, за счет повышения мощности и миниатюризации элементной базы и самих компьютеров.

Самая главная новация четвертого поколения - это появление в начале 1980-х гг. персональных компьютеров. Благодаря им вычислительная техника становится по-настоящему массовой и общедоступной. Несмотря на то, что персональные и мини-компьютеры по-прежнему по вычислительной мощности отстают от солидных машин, большая часть новшеств, таких как графический пользовательский интерфейс, новые периферийные устройства, глобальные сети, связана с появлением и развитием именно этой техники.

Большие компьютеры и суперкомпьютеры, конечно же, продолжают развиваться. Но теперь они уже не доминируют в компьютерном мире, как было раньше.

Некоторые характеристики вычислительной техники четырех поколений приведены в

Характеристика	Положение
	первое	второе	третье	четвёртое
Основной элемент	Электронная лампа	Транзистор	Интегральная схема	Большая интегральная схема
Количество ЭВМ в мире, шт.			Десятки тысяч	Миллионы
Размер ЭВМ		Значительно меньший	Десятки тысяч	Микро ЭВМ
Быстродействие (условное) операций/ с	Несколько единиц	Несколько десятков единиц	Несколько тысяч единиц	Несколько десятков тысяч единиц
Носитель информации	Перфокарта, перфолента	Магнитная лента		Гибкий диск

Пятое поколение (1986 г. до настоящего времени) в значительной мере определяется результатами работы японского Комитета научных исследований в области ЭВМ, опубликованными в 1981г. Согласно этому проекту ЭВМ и вычислительные системы пятого поколения кроме высокой производительности и надежности при более низкой стоимости с помощью новейших технологий должны удовлетворять следующим качественно новым функциональным требованиям:

обеспечить простоту применения ЭВМ путем реализации систем ввода/вывода информации голосом, а также диалоговой обработки информации с использованием естественных языков;

обеспечить возможность обучаемости, ассоциативных построений и логических выводов;

упростить процесс создания программных средств путем автоматизации синтеза программ по спецификациям исходных требований на естественных языках;

улучшить основные характеристики и эксплуатационные качества вычислительной техники для удовлетворения различных социальных задач, улучшить соотношения затрат и результатов, быстродействия, легкости, компактности ЭВМ;

обеспечить разнообразие вычислительной техники, высокую адаптируемость к приложениям и надежность в эксплуатации.

В настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию оптоэлектронных ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой, представляющих собой распределенную сеть большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

2.Классификация электронно-вычислительных машин

ЭВМ можно классифицировать по ряду признаков:

По принципу действия.

По назначению ЭВМ.

По размерам и функциональным возможностям.

По принципу действия ЭВМ :

АВМ – аналоговые вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения);

ЦВМ – цифровые вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной (цифровой) форме;

ГВМ – гибридные вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной как в цифровой, так и аналоговой форме. ГВМ совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. Их целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

По назначению ЭВМ :

универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и других, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных;

проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими процессами;

специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций.

По размерам и функциональным :

сверхмалые (микро ЭВМ ) обязаны своим появлением изобретению микропроцессора, наличие которого первоначально служило определяющим признаком микро ЭВМ, хотя сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ;

малые (мини-ЭВМ) используются чаще всего для управления технологическими процессами;

большие ЭВМ чаще всего называют мэйнфреймами (mainframe). Основные направления эффективного применения мэйнфреймов – это решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами;

сверхбольшие (суперЭВМ) – мощные многопроцессорные вычислительные машины быстродействием десятки миллиардов операций в секунду и объемом оперативной памяти десятки Гбайт.

3.Принципы строения и функционирования ЭВМ Джона фон Неймана

Большинство современных ЭВМ функционирует на основе принципов, сформулированных в 1945 г. американским ученым венгерского происхождения Джоном фон Нейманом.

1. Принцип двоичного кодирования . Согласно этому, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных символов (сигналов).

2. Принцип программного управления . Компьютерная программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

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

4. Принцип адресности . Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, любая из которых доступна процессору в любой момент времени.

Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков:

1) устройство ввода/вывода информации;

2) память ЭВМ;

3) процессор, включающее устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ).

В ходе работы ЭВМ информация через устройства ввода попадает в память. Процессор извлекает из памяти обрабатываемую информацию, работает с ней и помещает в нее результаты обработки. Полученные результаты через устройства вывода сообщаются человеку.

Память ЭВМ состоит из двух видов памяти: внутренней (оперативной ) и внешней (долговременной ).

Оперативная память – это электронное устройство, которое хранит информацию, пока питается электроэнергией. Внешняя память – это различные магнитные носители (ленты, диски), оптические диски.

За прошедшие десятилетия процесс совершенствования ЭВМ шел в рамках приведенной обобщенной структуры.

4.Классификация персональных компьютеров

Как указывалось выше, персональный компьютер (ПК) представляет собой универсальную однопользовательскую микро ЭВМ.

Персональный компьютер в первую очередь является общедоступной ЭВМ и обладает определенной универсальностью.

Для удовлетворения потребностей пользователя ПК должен обладать следующими свойствами:

иметь относительно небольшую стоимость, быть доступным для индивидуального покупателя;

обеспечивать автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;

обеспечивать гибкость архитектуры, делающей возможным ее перестройку для разнообразных применений в сфере управления, науки, образования, в быту;

операционная система и программное обеспечение должны быть достаточно простыми, чтобы с ПК мог работать пользователь без профессиональной специальной подготовки;

иметь высокую надежность работы (более 5000 ч наработки на отказ).

В соответствии с международным стандартом-спецификацией РС99 ПК по назначению делятся на следующие категории:

массовый ПК (Consumer);

деловой ПК (Office PC);

портативный ПК (Mobile PC);

рабочая станция (Workstation PC);

развлекательный ПК (Entertainment PC).

Большинство ПК, имеющихся в настоящее время на рынке, являются массовыми. Для деловых ПК минимизированы требования к средствам воспроизведения графики, а к средствам работы со звуковыми данными требования вообще не предъявляются. Для портативных ПК обязательным является наличие средств для создания соединений удаленного доступа, т.е. средств компьютерной связи. В категории рабочих станций повышены требования к устройствам хранения данных, а в категории развлекательных ПК – к средствам воспроизведения звука и видео.

По поколениям ПК делятся:

на ПК 1-го поколения, используют 8-битные микропроцессоры;

ПК 2-го поколения, используют 16-битные микропроцессоры;

ПК 3-го поколения, используют 32-битные микропроцессоры;

ПК 4-го поколения, используют 64-битные микропроцессоры.

ПК можно также разделить на две большие группы: стационарные и переносные. К переносным компьютерам относятся ноутбуки, электронные записные книжки, секретари и блокноты.

ВМ – это комплекс программных средств, предназначенных для автоматической обработки информации.

Структура, архитектура ЭВМ, систем и сетей.

Лекции: к.т.н., доц. Шарнов Александр Иванович.

Практика: Ивакин Константин Николаевич.

ВВЕДЕНИЕ

Россия стоит на пути исторической необходимости перехода на новый уровень общественного и экономического развития, определяемыми жестокими требованиями рыночной экономики. Речь идет о пути формирования информационного общества. Материальная база информационного общества является информационная экономика. Основы информационной экономики составляет создание и потребление информационных ресурсов или информационных ценностей.

Основные особенности информационной экономики:

1).Главной формой накопления является накопление знаний и другой полезной информации.

2).Это изменение характера производства процессов в основных областях.

3).Экономически оправданным является мелкосерийное и индивидуальное производство.

4).Резкое возрастание скорости экономических процессов.

5).Усиление интеграционных процессов.

Развитые страны мира стали на путь информационной экономики в 70 годах.

Такой путь имели следующие моменты:

1).Превышение суммарных затрат, чисто информационной базы над другими отраслями.

2).Возрастание доли не вещественных затрат.

3).Формирование глобальных коммуникаций сети общества.

4).Увеличение в производстве до 50% населения занятые информационной обработкой.

ПРИНЦИПЫ ПОСТОЕНИЯ И АРХИТЕКТУРА ЭВМ.

ЭВМ, компьютер – это комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Требования пользователей к выполнению вычислительных работ определяется подбором и настройкой технических и программных средств объединенных в одну структуру.

Структура ЭВМ – это совокупность ее элементов и их связей. Различают структуры технических, программных и аппаратурно-программных средств.

Архитектура ЭВМ – это многоуровневая иерархия аппаратурно-программных средств, из которых состоит ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение.

Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной техники:

Инженеры (схема техники) – проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы сопряжения друг с другом.

Системные программисты – создают программы управления техническими средствами, информационного распределения между уровнями, организацию вычислительного процесса.

Прикладные программисты – разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователя с ЭВМ и необходимый для этого сервис.

Специалисты по эксплуатации ЭВМ – занимаются общими вопросами взаимодействия пользователя с ЭВМ.

1) Технические и эксплуатационные характеристики.

2) Производительность ЭВМ – объем работ осуществляющих ЭВМ в единицу времени.

3) Емкость запоминающих устройств: ОЗУ и ДЗУ.

4) Надежность – это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени.

5) Точность – это возможность различать почти равные значения.

6) Достоверность – это свойство информации быть правильно воспринятой.

Классификация ЭВМ

Величина и разнообразие современного парка ЭВМ потребовали системы квалификации ЭВМ. Предложено много принципов классификации:

Классификация ЭВМ по форме представления величин вычислительной машины делят на:

• аналоговые (непрерывного действия) АВМ

  цифровые (дискретного действия) ЦВМ

  аналого-цифровые (гибридные) ГВМ

В АВМ обрабатываемая информация представляется соответствующими значениями аналоговых вычислений: ток, напряжение угол поворота.

В ЦВМ (ЭВМ) информация кодируется двоичным кодом. Широкое применение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации – электронные ЦВМ.

Классификация ЭВМ по поколениям (по элементарной базе):

• Первое поколение (50г.): ЭВМ на электронных вакуумных лампах.

  Второе поколение (60г.): ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах).

  Третье поколение (70г.): ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой степенью интеграции.

  Четвертое поколение (80г.): ЭВМ на больших интегральных схемах.

  Пятое поколение (90): ЭВМ на сверхбольших интегральных схемах.

  Шестое и последующие поколения: оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой – с распределенной степенью большого числа несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Интегральная схема – электронная схема специального назначения, выполненная в виде единого полупроводникового кристалла, объединяющего большое число диодов и транзисторов.

Классификация ЭВМ по мощности (быстродействию):

1).Супер-ЭВМ – машины для крупно-маштабных задач (фирма IBM ).

2).Большие ЭВМ – машины для территориальных, региональных задач.

3).Средние ЭВМ – машины очень широкого распространения.

4).Малые ЭВМ.

5).ПЭВМ (персональные ЭВМ).

6).Микро ЭВМ и микропроцессоры.

7).Сети ЭВМ.

Общие принципы построения современных ЭВМ.

Основным принципом построения ЭВМ является программное управление, в основе которого лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

Алгоритм – это конечный набор предписаний, определяющий решения задачи посредством конечного количества операций (ISO 2382/1-84 международный стандарт).

Программа – это упорядоченное последовательность команд подлежащих обработки.

Принцип программного управления может быть осуществлен разными способами. Стандартом для построения практически всех ЭВМ был представлен в 1945 году Нейманом. Схема ЭВМ, отвечающая программному принципу управления отражает характер действия человека по алгоритму.

программы потоки

и исходные информации

Обобщенная структура ЭВМ Джен Фон Неймана первого и второго поколений

УПД – устройство подготовки данных.

УВС – устройство ввода.

АЛУ – арифметико-логическое устройство.

УУ – устройство управления.

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство.

ДЗУ – длительно запоминающее устройство

ВЗУ – внешнее запоминающее устройство.

УВ – устройство вывода.

ЗУ+АЛУ+УУ – процессор.

Любая ЭВМ имеет устройство ввода информации, с помощью которого в ЭВМ вводят программы решения задач и данные к ним.

ОЗУ – предназначено для оперативного запоминания программы хранящейся в исполнении.

ВЗУ – предназначено для долговременного хранения информации.

Кэш-память – промежуточная память между ОЗУ и ВЗУ.

УУ – предназначено для автоматического выполнения программ путем принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ.

АЛУ – выполняет арифметические и логические операции над данными. Основой АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят: сумматоры, счетчики, логические операции.

Классическая структура ЭВМ с переходом на БИС (большие интегральные схемы) перешла в понятие архитектура ЭВМ.

процессор

Устройства

сопряжения

Обобщенная архитектура третьего и четвертого поколений

В ЭВМ третьего поколения усложнение структуры произошло за счет разделения процессов ввода/вывода информации, и ее обработки. Появляется понятие процессор, где неразрывно связаны СОЗУ (сверх оперативное устройство), АЛУ и УУ. Появляется понятие каналы ввода/вывода, которые делят на мультиплексные (МК) и селекторные (СК) каналы.

МК – предназначены обслуживать большое количество медленно-скоростных устройств.

СК – обслуживают высокоскоростные, отдельные устройства.

Применительно к ПЭВМ архитектура приняла упрощенный вид архитектуры малых машин (принцип открытой архитектуры, где главным элементом является системная магистраль). Ядро ПЭВМ образует процессор и основная память. Подключение всех остальных устройств осуществляется через адаптеры (устройства сопряжения).

процессор

контроллер

контроллер

СИСТЕМНАЯ ШИНА

Обобщенная архитектура ПЭВМ

Математический процессор

Интегральная

Микропроцессор

Арифметико-логическое устройство

Микропроцессорная память

Устройство управления

СИСТЕМНАЯ ШИНА

Основная память

Внешняя память

Адаптер НЖМД

Адаптер НГМД

Видео-адаптер

Адаптер принтера

Источник питания

Сетевой адаптер

Канал связи

Генератор тактовых импульсов

Интерфейс клавиатуры

Клавиатура

Структурная схема ПК

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ.

Общие принципы функциональной и структурной организации ЭВМ

ЭВМ кроме аппаратурной части и ПО (Hard Ware и Soft Ware ) имеет большое количество функциональных средств. К ним относятся коды, с помощью которых обрабатываемая информация представляется в цифровом виде:

).Арифметические коды.

2).Помехозащищенные коды.

3).Цифровые коды аналоговых величин.

Кроме кодов на функционирование ЭВМ оказывают влияние:

алгоритмы их формирования и обработки

технологии выполнения различных процедур

способы организации работы различных устройств

организация системы прерывания.

Функциональную организацию ЭВМ образуют: коды, системы команд, алгоритмы выполнения машинных операций, технология выполнения различных процедур и взаимодействие Hard и Soft , способы использования устройств при организации их совместной работе, составляющие идеологию функционирования ЭВМ.

Идеологию функционирования ЭВМ можно реализовать разными способами:

1).Аппаратурными

2).Программно-аппаратурными

3).Программными средствами.

Таким образом, реализация функций ЭВМ дополняет ее структурную организацию. Сопоставление структур ЭВМ дополненных функциональной структурой приводит к понятию совместимых и не совместимых ЭВМ.

Организация функционирования ЭВМ с могестральной структурой

ЭВМ – это совокупность устройств выполненных на больших интегральных схемах имеющих функционированное назначение.

Комплект интегральных схем называют микропроцессорным комплектом.

В состав микропроцессорного комплекта входят:

системный таймер

микропроцессор

сопроцессоры (организация математических процессов)

контроллер прерываний

контроллеры устройств ввода/вывода.

Все устройства ЭВМ делятся на:

1).Центральные (полностью электронные БИС).

2).Периферийные (частично-электронные, частично-электромеханические с электронным управлением).

В центральных устройствах основным устройством является системная шина (системная магистраль).

Системная магистраль состоит из трех узлов:

).Шина адреса (ША)

3).Шина управления (ШУ).

В состав системной магистрали входят также: регистры защелки, шинные арбитры.

Интерфейс системной шины – это логика работы системной магистрали, количество линий (разрядов) в шинах данных, адреса и управления, порядок разрешения конфликтных ситуаций.

В состав центральных устройств ЭВМ входят:

центральный процессор

основная память

ряд дополнительных узлов выполняющих служебные функции

контроллер прерываний

контроллер прямого доступа к памяти

Периферийные устройства делятся на:

внешнее запоминающее устройство (НЖМД – носитель жесткий магнитный диск, НГМД – носитель гибкий магнитный диск)

Организация работы ЭВМ при выполнении задания пользователя

Один из «прозрачных» процессов машины – это организация ввода, преобразование и отображение результатов работы системного программного обеспечения. Программа задания, написанная программистом на алгоритмическом языке называется исходным модулем.

Перевод исходной программы на машинный язык осуществляет программа translator . Он делится на: компилятор и интерпретатор.

Интерпретатор – после перевода на язык машины каждого оператора исходного модуля немедленно его исполняет.

Компилятор – сначала полностью переводит всю программу исходного модуля на машинный язык, затем его исполняет.

Объектный модуль – машинный язык.

Полученный объектный модуль записывается в библиотеку объектных модулей или сразу исполняется.

Для исполнения отлаженного объектного модуля к нему могут быть добавлены недостающие программы из библиотеки компиляторов. Такую связь выполняет программа редактор связи. В результате образуется загрузочный модуль.

Исполнение загрузочного модуля осуществляется программой – загрузчиком.

Операционная система (ОС) – выполняет функцию управления.

СТРУКТУРА АДРЕСНОГО ПРОСТРАНСТВА ПРОГРАММЫ НА ОСНОВНУЮ ПАМЯТЬ

Для выполнении программы при ее загрузки в оперативную память (ОП) ей выделяется часть машинных ресурсов. Выделение ресурсов может быть осуществлено самим программистом, но может производиться и ОС. Выделение ресурсов перед выполнением программы называется статическим перемещением, в результате, которого программа привязывается к определенному месту памяти.

Если ресурсы машины выделяются в процессе выполнения программы, то это называется динамическим перемещением , здесь программа не привязана к определенному месту.

При статическом перемещении возможны два случая:

абсолютной программой.

2).Реальная память меньше требуемого адресного пространства. В этом случае возникает проблема организации выполнения программ.

Существует несколько методов решения этой проблемы:

метод оверлейной структуры, в котором программа разбивается на части вызываемые ОП по мере необходимости.

Метод рентабельных модулей, в котором программа разбивается на временные модули доступными к исполнению по нескольким обращениям.

В мультипрограммном режиме имеются программы. А, В, С. При работе в мультипрограммном режиме может сложиться в ситуации, когда между программами остаются промежутки свободной памяти. Для того чтобы этого не было, применяют программу дефрагментации диска.

Виртуальная память

Реальную память можно «увеличить» имитируя работу с максимальной памятью. Программист предполагает, что ему предоставлена «реальная» память максимально доступная для ЭВМ. Такой режим называют режим виртуальной памяти.

Виртуальной памятью называется теоретически доступная ОП объем, которой определяется только адресной частью команды.

Виртуальная память имеет сигментоно-страничную организацию и реализована в иерархической системе ЭВМ. Часть ее размещается в блоках основной памяти, а часть в ячейках внешней памяти. Записываемая область во внешней страничке памяти называется ячейкой или слотом . Все программные страницы физически располагаются в ячейках внешней страничной памяти.

Загрузить программу в виртуальную память – это, значит, перезаписать несколько страниц из внешней страничной памяти в основную.

Система прерываний ЭВМ

ЭВМ – это комплекс автономных устройств каждое, из которых выполняет свои функции под управлением местного устройства управления независимого от других устройств.

Включает в работу центральный процессор (ЦП), передавая устройству команды и необходимые параметры. Таким образом, ЦП переключает свое «внимание» поочередно с устройства на устройство. Для того чтобы ЦП работал, создана система прерываний.

Принцип действия системы прерываний заключается в том, что при выполнении программы после каждого рабочего такта микропроцессора изменяется содержание регистра.

Прерывания делят на три типа:

аппаратурные

логические

программные

ЦЕНТРАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ЭВМ

Основная память и состав устройства

Запоминающими устройствами (ЗУ) называются комплекс программных средств, реализующих функции памяти.

ЗУ делят на:

1).Основную память (ОП)

2).Сверх оперативная память (СОЗУ)

3).Внешняя память (ВЗУ)

ОП включает в себя два типа устройств:

ОЗУ (RAM – random aces memory)

ПЗУ (ROM – read only memory)

ОЗУ – предназначено для хранения переменной информации.

ЗУ – содержит информацию, которая не должна изменяться в ходе выполнения процессором вычислений.

Функциональные возможности ОЗУ шире ПЗУ, но ПЗУ – энергонезависимо и имеет большее быстродействие.

В современных ЭВМ микросхемы памяти изготовляют из кремния по полупроводниковой технологии, с высокой интеграцией элементов на кристалле.

Основной составной частью микропроцессора является массив элементов памяти объединенных в матрицу накопителя. Каждый элемент памяти может хранить 1 бит памяти. Каждый бит имеет свой адрес в ЗУ, позволяющий обращаться по адресу к любому элементу памяти – называется ЗУ с произвольным доступом.

2 байта - полуслово

4 байта – слово

8 байт – двойное слово

переменной длины

При матричной ориентации памяти реализуется координатный принцип адресации элементов памяти, когда адрес делится на X и Y . На пересечении этих элементов находятся элементы памяти, которые должны быть прочитаны.

Микросхемы памяти могут строиться на SRAM (статических) и DRAM (динамических).

В качестве статического элемента памяти (ЭП) обычно выступает статический триггер, а в качестве динамического ЭП используется электрический конденсатор внутри кремневого кристалла.

ОЗУ характеризуется объемом и быстродействием. ОЗУ в современных ЭВМ имеет модульную структуру. Сменные модули имеют различное конструктивное строение: SIM , ZIM , SIMM , DIMM . Увеличение объема ОЗУ связано с установкой дополнительных модулей, которые выпускаются в 30-контактном (30 pin ) или 72-конктактном (72 pin ) на 1,4,8,16,32,64 Мбайта. Время доступа к DRAM составляет 60-70 н.сек.

На производительность ЭВМ влияет тактовая частота и разрядность шины данных системной магистрали (СМ). Если тактовая частота не достаточно высока, то ОЗУ простаивает в ожидании обращения и наоборот.

Харак4теристикой производительности ОЗУ является пропускная способность, измеряемая в Мбайт/сек.

Микросхемы ПЗУ построены по принципу матричной структуры, но функции элементов памяти выполняют перемычки в виде полупроводниковых диодов. Процесс занесения информации в микросхемы ПЗУ называют программированием , а устройство – программатор .

СОЗУ пользуются для хранения не больших объемов информации, в результате скорость считывания уменьшается в 10-20 раз. СОЗУ строят на регистрах, они бывают адресные и без адресные. Регисторные структуры делятся на память магазинного типа и память с выборкой по содержанию.

Существует большое число МП различающихся: названием, функциональными возможностями, структурой, исполнением. Основное различие – количество разрядов обрабатываемой информации.

К группе 8-битовых процессоров относятся:

I 8080 (INTEL) – Integrated Electonus

фирма Zelog (z )

Наибольшее распространение получили:

I 80386

I 80486

Каждая следующая модификация имеет более расширенную систему команд и архитектурное строение (Например, в I 80486 появился встроенный сопроцессор). Все усовершенствования ставят с целью сделать ПЭВМ многофункциональными.

Характеристика микропроцессора

Каждый МП имеет свое наименование, тактовую частоту, ICOMP – показывает стандарт, разрядность шины данных, адресуемая память, т.е. разрядность шины адреса, наличие сопроцессора, потребляемая энергия, различные примечания.

Персональным ЭВМ фирмы INTEL аналогов МП (clone ) являются фирмы:

1). Cyrix

Условно МП можно разделить на две части:

1). EU – исполнительный блок

2). BIU – устройство сопряжения СМ

В исполнительном блоке находятся арифметический блок и регистр общего назначения.

Во втором составляет адресные регистры.

Семейство МП фирмы INTEL имеет базовую систему команд, в которую входит:

Команды пересылки данных.

Арифметические данные.

Логические команды.

Команды обработки строковых данных.

Команды передачи управления.

Команды управления.

Работой МП управляет программа, записанная в ОП ЭВМ. Особое место занимает организация прерываний. Программа оболочки прерываний могут находиться в различных частях ОП, и имеет разное управление для разных DOS .

ПРАВЛЕНИЕ ВНЕШНИМИ УСТРОЙСТВАМИ

Принципы управления

Передача информации с периферийного устройства в ЭВМ называется операция ввода , а передача из ЭВМ – операция вывода .

При разработке системы ввода/вывода решают проблемы:

1).Обеспечить возможность реализации машин с переменным составом оборудования.

2).Необходимо реализовать одновременную работу процессора над программой и выполнения процедур ввода/вывода.

3).Упростить для пользователя работу с устройствами ввода/вывода.

Первый шаг в решении этих проблем был сделан при разработки ЭВМ второго поколения, когда впервые была обеспеченность автономной работе внешних устройств (интерфейс).

Интерфейс – устройство соединения центральных и периферийных устройств (устр. сопряжения).

Стандартизация интерфейса привела к возможности гибко изменять структуру ЭВМ. Затем появилась концепция виртуальных устройств позволяющая совмещать различных типов ЭВМ ОС. Дальнейшее развитие интерфейсов потребовало созданию новых устройств (сканер) и как следствие возникла необходимость распознавания, идентификации, преобразования из графического вида в символьный. Анализ снимков из космоса потребовал автоматической системы наблюдаемых объектов. Все это привело к тому, что во внешнее устройство встраивали память. В машинах 5-поколения заложено интеллектуализация и общение.

интерфейс

Внутренний интерфейс делается параллельным или последовательно-параллельным.

При использовании программно-технических средств интерфейсы ввода/вывода делятся на:

физические

логические.

АЯВУ – алгоритмические языки высших порядков

Драйверы

ввода/вывода

Программа DOS

Программа BIOS

Обмен через порты IN /OUT

Логический уровень

Физический уровень

В зависимости от степени участия ЦП в управлении, различают:

1).Режим сканирования (асинхронный)

2).Синхронный режим

3).Прямой доступ к памяти.

Режим сканирования предусматривает опрос ЦП периферийного устройства. Режим сканирования прост, но имеет недостатки:

Роцессор постоянно занят и не может выполнять другую работу

при большом быстродействии периферийных устройств, процессор не успевает обработать информацию.

В синхронном режиме ЦП запрашивает периферийные устройства, но не ждет ответа, а выполняет другую работу.