Предпосылки создания электронных счетных устройств
В первой половине XX в. было положено начало развитию атомной физики и ракетной техники. Для реализации глобальных проектов потребовалось вычис- лительное устройство, которое по скорости работы значительно превосходило механические средства. Технические предпосылки для разработки нового счет- ного устройства были заложены в начале XX в.
В 1918–1919 гг. в Советской России и в Англии независимо был создан лам- повый триггер – устройство, состоящее из двух ламповых триодов и сохраня- ющее одно из двух устойчивых состояний (рис. 18). Триггер был использован в качестве элементарной ячейки памяти, которая способна сохранять один бит данных. Возможность быстрого переключения из одного состояния в другое
1 / 17
53 была основным достоинством триггера, обеспечивающим высокое быстродей- ствие первых вычислительных машин.
Первые образцы электронной вычислитель- ной техники начали создаваться на ламповой ос-
нове. В середине XX в. группы инженеров неза- висимо занимались разработкой ЭВМ в Герма- нии, Великобритании, США и СССР. К ЭВМ пер- вого поколения, которые оставили след в истории развития вычислительной техники, относятся следующие устройства:
− электронная счетная машинаCOLOSSUS,
построенная вАнглии в 1943 г. для решения спе- циализированной задачи – расшифровки кодиро- ванных немецких сообщений; машина имела
1500 электронных ламп, ее быстродействие поз- воляло сократить время расшифровки от недель до нескольких часов;
− электронный интегратори вычисли- тельЭНИАК,построенный вСША в 1945 г., применялся для расчетов режимов ядерных реакций; вычислитель содержал 18 000 электронных ламп, имел такто- вую частоту 100 кГц, общий вес вычислителя составлял 27 тонн; вычисления производились в десятичной системе счисления с двадцатиразрядными числами;
− первая в СССР электронно-вычислительная машина МЭСМ была по- строена в 1951 г.; машина содержала 6000 электронных ламп и имела быстро- действие 3000 операций в минуту, вычисления производились в двоичной си- стеме счисления с шестнадцатиразрядными числами;
− электронно-вычислительная машина БЭСМ была создана в СССР в
1953 г.; по своим характеристикам она значительно превосходила машину
МЭСМ и послужила основой для серийного выпуска вычислительных машин, который начался в 1957 г.
Первые вычислительные устройства были использованы для поиска и отра- ботки основных технических решений и формирования принципов построения
ЭВМ. Отличительными признаками первых ЭВМ было использование электрон- ных ламп, которые определяли общий облик и технические характеристики си- стем. Переход с электронных ламп на транзисторы и в дальнейшем на микропро- цессоры значительно ускорил прогресс в развитии ЭВМ.
Поколения вычислительных машин
Со второй половины прошлого века для ЭВМ начался период интенсивного развития, который продолжался до конца века и не заканчивается до настоящего времени. За этот относительно небольшой промежуток времени было создано
5 поколений ЭВМ, каждому из которых отводится от 1 до 2 десятилетий. Краткая характеристика каждого из поколений представлена в табл. 26.
Рис. 18. Ламповый триггер
2 / 17
54
Первое поколение ЭВМ, созданное в середине 1940-х – начале 1950-х гг., было построено на электронных лампах, которые обеспечивали функционирова- ние, но отличались высоким энергопотреблением и низкой производительно- стью. Существенные ограничения на ЭВМ первого поколения накладывали пер-
фокарты, которые применялись в качестве носителей информации. Несмотря на ограничения в выборе основных элементов, в рамках первого поколения были созданы десятки опытных образцов, которые послужили основой для создания вычислителей последующих поколений.
Переход с электронных ламп на транзисторы в конце 1950-х значительно ускорил прогресс в развитии ЭВМ. Использование полупроводниковых элемен-
тов позволило существенно сократить энергопотребление, повысить быстродей- ствие и значительно уменьшить размеры устройств. В рамках второго поколе- ния трудоемкие перфокарты и перфоленты постепенно вытеснялись более эф- фективными носителями – магнитной лентой и магнитным барабаном.
Начало третьему поколению машин было положено изобретением инте-
гральной микросхемы – миниатюрного электронного блока, содержащего в од- ном корпусе совокупность связанных между собой диодов, транзисторов и рези- сторов, изготовленных на единой полупроводниковой подложке. Появление микросхем сохранило общую тенденцию по уменьшению размеров и величины энергопотребления, а также способствовало бурному росту общего числа вычис- лительных машин.
Таблица 26
Поколения электронно-вычислительных машин
Номер поколения
I
II
III
IV
V
Годы примене- ния
1940–1950 конец 50-х
60-е
70–90-е
90-е и далее
Вычислитель или процессор
На элек- тронных лампах
На транзи- сторах
Интеграль- ная схема
Микро- процессор
Много- ядерный микро- процессор
Количество
ЭВМ в мире
(шт.)
10
10 3
10 4
10 6
10 8
Быстродейст- вие (операций в секунду)
10 3
–14 4
10 4
–10 6
10 5
–10 7
10 6
–10 8
10 8
–10 10
Носитель информации
Перфокарта
Магнит- ная лента
Магнит- ный диск
Компакт- диск
Флэш- карта
3 / 17
55
Развитие электронной техники в рамках четвертого поколения привело к созданию
микропроцессора –
большой интегральной схемы (БИС), которая фор- мировалась на одном кристалле кремния и выполняла все функции процессора большой ЭВМ. На базе одного из первых микропроцессоров в 1975 г. в США был разработан первый микрокомпьютер Альтаир8800, который послужил про- тотипом персонального компьютера. К концу четвертого поколения в начале 1990-х гг. персональные компьютеры стали доминировать над другими типами вычислительных машин, их общее число в мире выросло до значения 10 8
Пятое поколение ЭВМ связано с
дальнейшим развитием микропроцес- сора, в котором на одном кристалле кремния удалось расположить
два и
более вычислительных ядер, каждое из которых способно поддерживать до двух и бо- лее вычислительных потоков. Многоядерные процессоры существенно изме- нили представление об архитектуре ЭВМ, поскольку позволили реализовать компьютеры с
параллельно-векторной архитектурой, в которой независимо об- рабатывается множественный поток команд и множественный поток данных.
Параллельно-векторный подход с использованием многоядерных процессо- ров, разработанный для компьютеров пятого поколения, лежит в основе функци- онирования
суперкомпьютеров.
Суперкомпьютер – это мощный компьютер, который в период запуска ли- дирует по своим вычислительным возможностям среди множества известных компьютеров.
Принципы устройства и структура ЭВМ Полученный в процессе разработки и эксплуатации ЭВМ опыт был обобщен в 1945 г. американским инженером Джоном фон Нейманом, который сформули- ровал основные принципы построения вычислительных машин. Краткое изложе- ние принципов, предложенных фон Нейманом, сводится к следующему.
1. Принцип двоичного кодирования. В вычислительной технике необхо- димо использовать двоичную систему представления данных. В двоичной форме должны быть представлены как численные данные, так и все другие данные, та- кие как текст или графика.
2. Принциподнородности памяти. Программы и данные должны хра- ниться в одной и той же памяти. При этом с командами можно выполнять такие же действия, как и с данными.
3. Принципадресуемости памяти. Данные, которые хранятся в памяти вы- числительной машины, необходимо делить на части и размещать их в нумеро- ванных ячейках.
4. Принциппоследовательного программногоуправления. Программа состоит из последовательных команд. Все команды процессор должен выпол- нять по программе в автоматическом режиме.
5. Принципжесткости архитектуры. В процессе работы аппаратная со- ставляющая ЭВМ не меняется, а программа является изменяемой частью.
Сформулированные принципы были приняты и успешно реализованы во вто- рой половине XX в. при разработке вычислительных машин последующих
4 / 17
56 поколений. На основе предложенных принципов была построена структура и сформированы основные правила функционирования ЭВМ. Совокупность структуры с основными правилами функционирования вычислительной системы стала именоваться
архитектурой ЭВМ. Архитектура, основанная на принципах фон Неймана, получила название классической архитектуры или архитектуры фон Неймана. Отличительным признаком этой архитектуры является использо- вание одного процессора и последовательное выполнение потока команд.
Архитектура вычислительных машин Архитектура ЭВМ –
концептуальная структура вычислительной машины, которая включает порядок обработки информации, методы преобразования ин- формации в данные, а также принципы взаимодействия технических и программ- ных средств.
Архитектура ЭВМ закладывает основные принципы, которые должны соблю- даться при построении вычислительных машин и создании соответствующего программного обеспечения.
Составляющие архитектуры ЭВМ складываются из:
− аппаратных средств, объединенных в некоторую
структуру;
− системы используемых команд и форматов представления данных;
− программных средств, включая операционную систему и язык програм- мирования.
Структура является одним из основных элементов архитектуры. Структура
ЭВМ в классической архитектуре складывается из аппаратных составляющих или блоков, входящих в состав устройства, и связей между этими составляю- щими. Структурная схема ЭВМ классической архитектуры показана на рис. 19.
Рис. 19. Структурная схема ЭВМ
5 / 17
57
В состав ЭВМ, имеющей классическую архитектуру, входят:
− центральный процессор, предназначенный для управления работой всех блоков ЭВМ, а также выполнения арифметических и логических операций;
− арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее все опера- ции с числовыми и символьными данными;
− устройство управления (УУ), формирующее управляющие импульсы и синхронизирующее работу всех блоков ЭВМ;
− внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), которое используется для долговременного хранения данных;
− оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), предназначенное для записи, хранения и считывания данных, участвующих в
информационном или вычислительном процессе;
− устройства ввода и вывода, которые обеспечивают загрузку ЭВМ ис- ходными данными и программами, а также вывод результатов обработки на мо- нитор или принтер.
Аппаратные составляющие ЭВМ, показанные на рис. 19, объединены с помо- щью
магистральной шины. Магистральная шинаявляется основным струк- турным элементом, через который осуществляется взаимодействие между бло- ками вычислительной машины.
Магистральная шина присутствует во всех компьютерах классической архи- тектуры, в том числе в персональных компьютерах. Персональный компьютер любой категории сложности можно представить в виде простой блок-схемы, в которой все основные устройства, участвующие в обработке данных, соединя- ются с магистральной шиной через специальные
разъемы, расположенные на
ма-теринской плате (рис. 20). Шина представляет собой
канал передачи данных в виде многожильного кабеля или
системы проводников на печатной плате.
Рис. 20. Упрощенная блок-схема персонального компьютера
6 / 17
58
В зависимости от назначения и количества устройств, подключенных к шине, могут быть реализованы различные схемы компьютера. Сборка каждой из схем выполняется на основе
принципа открытой архитектуры,который предпола- гает простоту и доступность добавления, демонтажа или замены аппаратных эле- ментов.
Принцип открытой архитектуры,
реализованный в вычислительной тех- нике, позволяет:
− выбирать конфигурацию вычислительного устройства в зависимости от запросов потребителя;
− расширятьвыбраннуюконфигурацию устройства по мере необходи- мости;
− модернизировать вычислительное устройство путем замены уста- ревших или вышедших из строя элементов.
Разработанные в середине XX в. принципы построения ЭВМ, основанные на классической архитектуре, в полной мере были использованы в последующие десятилетия для создания нескольких поколений вычислительных машин.
Основные характеристики вычислительных машин К основным характеристикам ЭВМ относятся
быстродействие,
емкость па-мяти,
надежность,
точность,
система команд и др.
Быстродействие
– число команд, выполняемых ЭВМ в единицу времени.
Быстродействие зависит от продолжительности процесса поиска нужной инфор- мации в памяти. Величина быстродействия может достигать миллиардов опера- ций в секунду.
Емкость оперативной памяти (ОЗУ) и емкость внешней памяти (ВЗУ) опре- деляется количеством данных, которое можно разместить в памяти ЭВМ. Ем- кость выражается в байтах. Емкость внешней памяти можно наращивать практи- чески неограниченно.
Надежность– свойство ЭВМ выполнять возложенные функции в течение заданного промежутка времени, необходимого для решения задачи. Надежность ограничивается внезапными отказами или постепенной деградацией элементов
ЭВМ. Численной характеристикой надежности может быть продолжительность работы на отказ или вероятность безотказной работы за определенное время.
Точностьопределяется количеством разрядов, необходимых для представле- ния числа. В большинстве современных компьютеров используются 64-разрядные процессоры. Сравнительно недавно появились 128-разрядные процессоры.
Системакоманд– перечень команд, которые может выполнять процессор.
Число команд процессора обычно находится в интервале от 10 до 100.
При выборе и эксплуатации ЭВМ практическое значение имеют и другие ха- рактеристики, в том числе
программная совместимость,
энергопотребление,
стоимость,
габаритные размеры,
вес.
Главным показателем ЭВМ остается быстродействие. Для повышения быст- родействия современных компьютеров используются разные подходы, одним из которых является поиск более совершенной архитектуры ЭВМ.
7 / 17
59
Поиск новой архитектуры ориентирован на создание многопроцессорных вы- числительных машин. Многопроцессорность– использование в составе вы- числительной системы двух и более физических процессоров. Определение мно- гопроцессорности может меняться в зависимости от определения самих процес- соров (много ядер в одном кристалле или множество чипов в одном корпусе).
Производительность многопроцессорного компьютера равняется сумме произ- водительностей его процессоров. В мощных компьютерах, предназначенных для сложных инженерных расчетов, устанавливают два или четыре процессора.
В сверхмощных ЭВМ, предназначенных для решения задач в области ядерной физики или задач по прогнозированию погоды, количество процессоров может достигать нескольких десятков. С архитектурой сложных вычислительных си- стем, содержащей несколько процессоров, можно ознакомиться в [10].
Быстродействие компьютера зависит также от скорости обмена данными между оперативной памятью и процессором. Для повышения быстродействия постоянно ведутся поиски новых элементов оперативной памяти, которые отли- чаются высокой скоростью операций чтения и записи. Как правило, повышение быстродействия
памяти связано с повышением ее стоимости, поэтому не все тех- нические решения доходят до стадии практической реализации. Одним из реаль- ных решений является построение многоуровневой системы памяти. Многоуров- невая память состоит из двух или более частей. Основная и большая часть опе- ративной памяти строится на медленных и дешевых элементах, а дополнитель- ная (кэш-память) состоит из быстродействующих и более дорогих элементов. Ра- бота процессора строится таким образом, что он в первую очередь обращается к кэш-памяти и быстрее находит там необходимые данные.
В архитектуре современных компьютеров предусмотрены также каналы пря- мого доступа к оперативной памяти для обмена данными с устройствами ввода- вывода. Прямой обмен осуществляется без участия процессора, что позволяет освободить вычислительную систему от второстепенной работы и повысить тем самым быстродействие системы.
8 / 17
60
Персональный компьютер
Основным результатом развития вычислительной техники в XX в. можно считать создание и совершенствование высокоэффективной, компактной элек- тронно-вычислительной машины, которую назвали персональным компьюте- ром. Следует подчеркнуть, что этот результат был получен в течение относи- тельно небольшого промежутка времени в противоположность механическому этапу развития, который занял несколько столетий.
Базовая конфигурация
В зависимости от назначения и количества подключенных устройств могут быть реализованы различные конфигурации компьютера. Среди возможных схемных решений выделяется широко распространенная базовая конфигура- ция компьютера (рис. 21), имеющая в своем составе:
Рис. 21. Набор аппаратных составляющих компьютера
− системный блок– основная составляющая, в которой размещаются важ- нейшие аппаратные средства компьютера;
− монитор – устройство вывода, предназначенное для визуального отобра- жения текстовых и графических данных;
− клавиатуру – клавишное устройство, предназначенное для ввода алфа- витно-цифровых данных и команд управления;
− манипулятормышь – координатное устройство, предназначенное для перемещения курсора и ввода управляющей информации.
В состав системного блока входят:
− материнскаяплата, содержащая процессор, а также набор элементов, не- обходимых для функционирования процессора;
− дисководжесткогодиска(винчестер) – устройство внешней памяти на магнитном носителе;
9 / 17
61
− контроллеры
– электронныеблоки, обеспечивающие связь периферий- ных устройств с материнской платой;
− адаптеры– устройства, обеспечивающие согласование
параметров вход- ных и выходных сигналов;
− блокпитания;
− органыуправления (выключатели, кнопки, индикаторы питания и режи- мов работы).
Материнская плата имеет в своем составе:
− центральныйпроцессор – основная микросхема, предназначенная для выполнения программного кода и управления работой всех устройств компью- тера;
− микропроцессорныйкомплект (чипсет) – набор микросхем, выступа- ющий в роли связующего элемента (моста), обеспечивающего взаимодействие процессора c различными устройствами памяти, устройствами ввода-вывода, контроллерами и др.;
− оперативнуюпамять
Скачать 4.33 Mb.