Многостраничный документ_Гаммадов Гамид 3-18-01. Развитие вычислительной техники. Функциональная схема ЭВМ
 Скачать 40.06 Kb.
|
|
Развитие вычислительной техники. Функциональная схема ЭВМ.
Идея создания вычислительной машины, способной автоматически решать сложные математические задачи, требующие значительных арифметических вычислений, была провозглашена еще в 19 веке английским ученым Чарльзом Бэббиджем. Аналитическая машина (как ее назвал Бэббидж) должна была не просто решать определенные математические задачи, а выполнять разнообразные вычислительные операции в соответствии с инструкциями, записанными оператором, хранить полученные результаты и даже печатать результат. По замыслу машина должна была иметь устройства, которые Бэббидж назвал “мельница” и “склад”, по современной терминологии - арифметическое устройство и память. Инструкции или команды должны были поступать в машину при помощи перфокарт, иначе говоря, предполагалось наличие устройства ввода и носителя информации. История реализации этой идеи не так оптимистична. Бэббиджу удалось создать упрощенную модель, названную Разностная машина. Продемонстрировав ее в Королевском обществе, он получил субсидию Британского правительства на дальнейшую работу, но полностью идею так и не осуществил. Правительство прекратило финансирование, в дальнейшем Бэббидж потратил все свои сбережения, но и это не привело к успеху. Неудачи были вызваны не ошибками в принципах организации структуры машины и не в ошибках конструкции, а несоответствием возможностей техники того времени замыслам Бэббиджа. В своем окончательном виде машина была бы не меньше железнодорожного локомотива. Ее внутренняя конструкция представляла нагромождение стальных, медных, деревянных деталей, шестеренок, сложных механических узлов, приводимых в движение паровым двигателем. Малейшая нестабильность в работе какой-нибудь крошечной детали привела бы к стократно усиленным нарушениям в других частях, а найти ошибку было бы просто невозможно. Помощником Бэббиджа и пропагандистом его идей была графиня Ада Лавлейс, дочь поэта Дж. Гордона Байрона. В честь нее назван один из современных языков программирования АДА. Идеи Бэббиджа в той или иной мере нашли свое воплощение в конструкциях различных вычислительных устройств, созданных изобретателями в 19 веке: Пер Георг Шуйц (Швеция) получил медаль на Всемирной выставке в Париже в 1855 году за создание Разностной машины по чертежам Бэббиджа; американский изобретатель Герман Холлерит изобрел статистический табулятор (1890) и организовал фирму по производству табуляторов, которая в 1924 была переименована в IBM (International Business Machines). А создатель одной из первых электронно-вычислительных машин “Марк-1” Говард Эйкен, который также пользовался идеями Бэббиджа, сказал: “Если бы Бэббидж жил на 75 лет позже, то я остался бы без работы” Таким образом, основные принципы автоматической вычислительной машины были провозглашены еще в 19 веке:
Невозможность воплощения идей объясняется главным образом, несоответствием уровня развития техники того времени замыслам Бэббиджа, и, в первую очередь, отсутствием электричества. В полной мере идеи Бэббиджа воплотились лишь в 20-м веке после разработки надежных электронных элементов, которые стали основой создания электронно-вычислительных машин. В годы Второй мировой войны во многих странах велись разработки по созданию мощных вычислительных устройств, направленные главным образом на потребности военной промышленности: расчет баллистических таблиц, шифровальные аппараты. Работы были засекречены по понятным соображениям, и потому каждый работал как бы в одиночку. В 1944 году к группе, работавшей над созданием компьютера “Эдвак” (США), подключился известный американский ученый Джон фон Нейман. Он понимал, что компьютер может стать универсальным инструментом для научных исследований. В 1945 году фон Нейман представил широкой научной общественности доклад, в котором, отвлекшись от радиоламп и схем, сумел обрисовать формальную логическую организацию компьютера. Эта работа передавалась из университета в университет, из страны в страну, и многие читатели полагали, что все содержащиеся в нем идеи исходили от самого фон Неймана. И поэтому до сих пор многие называют классическую структуру компьютера “неймановской”. Мало кто знал о работе первых создателей компьютеров Мочли и Экерте, о работах Алана Тьюринга. Многие из них не могли опубликовать свои исследования из соображений секретности. А ведь были еще идеи Бэббиджа. В борьбе за признание авторских прав на разработку ЭВМ началась и не прекращается до сих пор жестокая конкуренция между производителями компьютеров.
Исторически, компьютер рассматривался как устройство, способное решать вычислительные задачи, стоящие перед человеком. Позже компьютер стали рассматривать как устройство, моделирующее основные информационные функции человека:
Таким образом, компьютер - это комплекс технических устройств для приема, передачи, хранения и обработки информации. Примечание. Иногда в литературе делают различие между названиями “ЭВМ” и “компьютер”. Под ЭВМ понимают комплекс устройств для решения чисто вычислительных задач (именно таковы были первые созданные машины), а словом “компьютер” обозначают более универсальный инструмент, предназначенный для работы с различными видами информации. Однако за рубежом и самые первые машины и современные называются “компьютер”: “Эниак” (ENIAC - Electronic Numerical Integrator And Computer); “Эдвак” (EDVAC - Electronic Discrete Automatic Variable Computer). Классические принципы функциональной организации и работы ЭВМ (компьютера), обозначенные в докладе фон Неймана заключаются в следующем:
Остановимся на каждом пункте подробнее.
Чтобы быть эффективным, универсальным инструментом, компьютер должен включать в себя следующие основные устройства:
Взаимодействие этих основных устройств представлено на схеме Рисунок . Стрелками на схеме показаны направления потоков информации и управляющих команд.  Рисунок Взаимодействие основных устройств компьютера Назначение основных устройств Устройство управления (УУ) позволяет управлять всем ходом процесса обработки информации, координирует работу всех устройств. На самом деле управление работой компьютера производит программа, хранящаяся в памяти. А что же делает тогда устройство управления? Устройство управления - это техническое воплощение идеи, заложенной в программе. Функция устройства управления заключается в том, чтобы прочесть очередную команду, расшифровать ее и подключить необходимые цепи и устройства для ее выполнения. Таким образом, работу УУ можно представить как циклическое повторение следующих действий Рисунок :  Рисунок Работа устройств управления Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций в процессе обработки информации. Оперативное запоминающее устройство, или просто память, предназначено для временного хранения информации - данных и команд, в процессе обработки. Память можно представить как набор ячеек, в которых в закодированном виде хранится информация, при этом команды и данные на равноправных началах могут храниться в любой ячейке. Информация хранится в ОЗУ до тех пор, пока компьютер не выключен или пока не выполнена команда очистки памяти. В процессе обработки информации АЛУ и ОЗУ непрерывно взаимодействуют между собой: данные выбираются из памяти и пересылаются в АЛУ для обработки, а результаты обработки из АЛУ пересылаются в память для хранения (данная связь обозначена на схеме стрелками). Устройства ввода и вывода участвуют в процессе передачи информации от пользователя компьютеру и от компьютера пользователю. Поскольку через них информация поступает в компьютер из внешней среды и от компьютера пересылается во внешнюю среду, устройства ввода-вывода называют внешними или периферийными. Устройство ввода воспринимает информацию в той или иной форме, преобразует ее в двоичный код и далее УУ направляет поток информации в обработку. Устройство вывода преобразует информацию к виду, удобному для пользователя.
Этот принцип реализован наличием ОЗУ. Это принципиально важное решение, т.к. первоначально автоматические вычислительные устройства разрабатывались так, что команды либо поступали из устройства ввода, либо зашивались прямо в электрические схемы, и для решения новой задачи надо было перепаивать схемы. Еще Чарльз Бэббидж предполагал, что на “складе” (памяти) должны храниться только числа, а команды должны вводиться при помощи перфокарт. Решение, что команды и данные хранятся в памяти на равноправных началах, было реализовано в первых электронно-вычислительных машинах.
Этот принцип реализован наличием УУ. Принцип программного управления заключается в том, что компьютер работает по программе, хранящейся в памяти. Программа состоит из команд (ссылка на рисунок).
Последовательное выполнение операций заключается в том, что команды исполняются одна за другой, выполнение новой команды начинается после завершения выполнения предыдущей. В современных компьютерах наряду с последовательной обработкой существует возможность параллельной обработки нескольких процессов, что значительно убыстряет работу и расширяет возможности компьютера. Но в первых разработках этого не было.
Информация в компьютере хранится и обрабатывается в закодированном виде. Для кодирования используется двоичная система счисления. Это объясняется удобством технической реализации двоичных знаков 0 и 1, которые интерпретируются электрическими сигналами высокого и низкого напряжения, и простотой действий с двоичными числами. Надо заметить, что этот принцип был первоначально реализован не во всех ЭВМ. Первенец американской вычислительной техники - компьютер “Марк-1” производил вычисления в десятичной системе, но техническая реализация десятичной кодировки была очень сложна, и от нее в дальнейшем отказались.
Использование электронных элементов и электрических схем обеспечивает наибольшую надежность работы компьютера по сравнению с электромеханическими реле, которые использовались в первых конструкциях вычислительных устройств.
В истории развития вычислительных средств можно выделить три исторических этапа, временные рамки которых представлены в Таблица . Таблица Этапы развития вычислительных средств
Сравнивая эти временные периоды, можно сказать, что время, за которое человечество сделало колоссальнейший скачок от первых ЭВМ до современных супер-ЭВМ, является мигом “между прошлым и будущим”. Период с 1945 года до сер. 90-х г.г. развития средств вычислительной техники принято разделять четыре этапа, которые характеризуются качественными изменениями в аппаратных и программных средствах. Эти этапы называют поколениями. Основные характеристики каждого поколения представлены в Таблица . Однако, надо заметить, что границы между поколениями четко не очерчены. В процессе развития вычислительной техники разрабатывались модели ЭВМ, имеющие признаки нового поколения. Таблица Поколения ЭВМ
Компьютеры, выпускаемые с середины 90-х годов, принято называть компьютерами пятого поколения. Элементной базой стали микропроцессоры сверхвысокой степени интеграции (до нескольких миллионов компонентов на одном кристалле). Однако ученые, работающие над разработкой современных микропроцессоров, стали сталкиваться с проблемами, свидетельствующими, что миниатюризация не бесконечна. По мере того как размеры транзистора, постоянно уменьшаясь, приближаются по своим размерам чуть ли не к длине световой волны, гравировка поверхности кристаллов даже при самых современных методах, например, с использованием лазеров, наталкивается на все большие трудности. До 70% произведенных микросхем не выдерживают строгой проверки, применяемой на предприятиях микроэлектронной промышленности. К тому же физики предостерегают: меньше - это не обязательно лучше. Самые крошечные транзисторы - иногда по размерам меньше бактерий - потребляют иногда так мало энергии, что становятся уязвимыми для случайных микроскопических воздействий. Например, космические лучи, представляющие потоки элементарных частиц очень высоких энергий, которые непрерывно бомбардируют Землю, могут нарушить работу транзистора, вызвав его ошибочное переключение. К случайным переключениям могут привести даже такие процессы, как медленная диффузия атомов примеси в кремнии, а также микроскопические разрушения материала, обусловленные колебаниями температур. Исследователи надеются обойти эти трудности, создав совершенно новые типы переключателей. Один из таких перспективных переключателей основан на эффекте Джозефсона и теории сверхпроводимости. Многие исследователи предвидят появление еще более радикальных подходов. Например, создание оптических компьютеров на основе современных керамических материалов, где вместо электронов будут “работать” фотоны (частицы света). Высказывается также идея создания “биочипа” на основе теории генной инженерии. “Биочип” - комок органического материала, состоящий их миллиардов транзисторов, каждый из которых представляет собой одну единственную белковую молекулу.
Основными характеристиками компьютеров пятого поколения являются:
Обязательной составной компонентой является наличие устройства накопления на гибких магнитных дисках НГМД (Floppy Flexible Drive).
Наиболее распространены компьютеры, имеющие микропроцессоры двух известных фирм Intel и Motorolla. В компьютерах, выпускаемых фирмой IBM, установлены микропроцессоры фирмы Intel, фирма Apple выпускает компьютеры Macintosh с микропроцессором фирмы Motorolla. Марки компьютеров фирмы IBM 4-ого поколения имеют цифровой код: 80286, 80386, 80486 (первые цифры 80, как правило, опускаются); пятого поколения - Pentium. Одной из важнейших характеристик микропроцессора является тактовая частота, которая отражает количество тактовых импульсов, генерируемых кристаллом кварца строго определенных размеров, в секунду и измеряется в Герцах (Hz). За один такт выполняется как минимум одна элементарная операция, учитывая возможность параллельного выполнения операций, то возможно выполнение нескольких операций. Таким образом, тактовая частота является одной из характеристик быстродействия компьютера. Современных компьютерах 5-ого поколения тактовая частота составляет от 80 до 200 MHz (мегагерц - миллионов герц). Марки наиболее распространенных микропроцессоров представлены в Таблица . Таблица Типы микропроцессоров
Оперативная память или ОЗУ или RAM (Random Access Memory) характеризуется емкостью - количеством байт одновременно хранящейся и участвующей в обработке информации. В системных платах раннего производства микросхемы памяти монтировались прямо на плате. В современных компьютерах на системной плате расположены разъемы для установки в них небольших съемных печатных плат с установленными на ней микросхемами памяти, которые называются SIMM - модули (Single In line Memory Module - плата с однорядным расположением микросхем памяти). Максимальный и наиболее распространенный размер памяти в различных микропроцессорах указан в Таблица . Стандартное время выборки из ОЗУ сейчас считается равным 70 нс (наносекунд). На него рассчитаны контроллер ОЗУ и кэш-память. Использование моделей памяти со временем выборки 80 нс приведет к появлению дополнительных тактов ожидания, а, следовательно, к снижению быстродействия. В последнее время появились модули со временем выборки 60 нс, но в большинстве системных плат эти модули не дают увеличения быстродействия, т.к. контроллер ОЗУ и кэш-память рассчитаны на 70 нс. Поэтому очень важна согласованность во всех устройствах. Таблица Объем оперативной памяти
Бытует мнение, что чем больше объем ОЗУ, тем выше ее производительность. Это верно только отчасти. В результате исследований было установлено, что при работе с большинством деловых приложений: текстовые процессоры, базы данных, ЭТ и т.д., увеличение ОЗУ с 8 до 16 МБ практически не вызывает увеличения производительности. Поэтому, если вы не собираетесь использовать компьютер для компьютерной верстки или анимации, то ОЗУ объемом 8 МБ будет достаточно.
Жесткий диск (HDD) представляет собой устройство для долговременного хранения больших объемов информации и является внешним запоминающим устройством. Современные программные приложения, особенно под Windows занимают большой объем памяти 10-30 МБ, поэтому и емкость жесткого диска должна быть велика. В современных компьютерах устанавливаются ЖД от 640 МБ до 1.231ГБ (гигабайт). ЖД стационарно расположен в корпусе системного блока, т.е. не является средством транспортировки информации.
В современных компьютерах в корпусе системного блока расположено также устройство накопления на гибких магнитных дисках (Floppy Flexible Drive). Гибкие магнитные диски предназначены для длительного хранения информации и для ее транспортировки1. Устройство НГМД может быть рассчитано либо на дискеты 5.25 дюйма, либо на дискеты 3.5 дюйма. Дискеты 5.25 дюйма могут вмещать в себя до 1.2 МБ информации, 3.5 дюйма - до 1.44 МБ. Оглавление Развитие вычислительной техники. Функциональная схема ЭВМ 1 Историческая справка 1 Классическая (неймановская) структура ЭВМ 2 Основные компоненты ЭВМ 3 Хранение данных и команд в памяти 4 Принцип программного управления 4 Последовательное выполнение операций 4 Двоичное кодирование 4 Использование электронных элементов и электрических схем 4 Поколения ЭВМ и перспективы развития вычислительной техники 5 Современные компьютеры и перспективы развития средств вычислительной техники 7 Основные характеристики современного компьютера 7 Тип центрального микропроцессора CPU (Central Processing Unit) 7 Оперативная память 8 КЭШ память 9 В системах с быстрыми процессорами на пересылку данных из оперативной памяти в процессор и обратно уходит много времени, зачастую больше, чем на обработку этих данных внутри процессора. В таких системах предусмотрено специальное промежуточное ОЗУ - кэш-память (cache). Кэш-память представляет собой быструю оперативную память со временем выборки 15-20 нс. Однако если считывать данные из обычного ОЗУ в кэш-память заранее, например, пока процессор обрабатывает ранее загруженные данные, то можно значительно повысить производительность. Все процессоры семейства 486 имеют внутреннюю кэш-память 8 КБ, а процессоры 486DX4 и Pentium - 16 КБ. Помимо этого устанавливают дополнительную кэш-память в виде микросхем в специальные гнезда на системной плате, которую обычно называют внешней кэш-памятью или кэш-памятью второго уровня. При выборе объема внешней кэш-памяти необходимо учитывать следующее. Для большинства приложений типа текстовых редакторов, электронных таблиц, баз данных, настольных издательских систем и т.п. применение в процессорах с высокой тактовой частотой встроенной кэш-памяти объемом 8 КБ увеличивает производительность компьютера в среднем в 2.5 - 3 раза. Дополнительное подключение внешней кэш-памяти объемом 64 КБ дает увеличение производительности еще в среднем на 7-10%. Дальнейшее увеличение объема кэш-памяти с 64 до 256 КБ повышает производительность еще на 1-3%. Таким образом основную нагрузку берет на себя внутренняя кэш-память. 9 Жесткий диск 9 Устройство накопления на гибких магнитных дисках 10 |