Технические средства реализации информационных

Процессов

 

 

История развития ЭВМ. Понятия и основные виды

Архитектуры ЭВМ

История создания средств цифровой вычислительной техники уходит в глубь веков. С нею связаны имена многих выдающихся ученых мира.

В дневниках гениального итальянца Леонардо да Винчи (1452 – 1519 гг.) уже в наше время был обнаружен ряд рисунков, которые оказались эскизными набросками суммирующей вычислительной машины на зубчатых колесах, способной складывать 13-разрядные десятичные числа. Специалисты известной американской фирмы IBM воспроизвели машину в металле и убедились в полной состоятель-ности идеи ученого.

Однако потребность в этом была настолько малой, что лишь через сто с лишним лет после смерти Леонардо да Винчи нашелся другой европеец – немецкий ученый Вильгельм Шиккард (1592 – 1636 гг.), который предложил свое решение этой задачи. Причиной, побудившей Шиккарда разработать счетную машину для суммирования и умножения шестиразрядных десятичных чисел, было его знакомство с польским астрономом И. Кеплером. Ознакомившись с научным трактатом ученого, в основном содержащим вычисления, Шиккард загорелся идеей оказать ему помощь в этом нелегком труде.

В 1641 – 1642 гг. девятнадцатилетний Блез Паскаль (1623 – 1662 гг.) создал действующую суммирующую машину («паскалину»). В последующие четыре года им были созданы её более совершенные образцы, которые являлись шести- и восьми разрядными, строились на основе зубчатых колес, могли производить суммирование и вычитание десятичных чисел.

В 1673 г. немецкий ученый Вильгельм Готфрид Лейбниц (1646 – 1716 гг.) создал счетную машину («арифметический прибор», по словам Лейбница) для сложения и умножения двенадцатиразрядных десятичных чисел. К зубчатым колесам он добавил ступенчатый валик, позволяющий осуществлять умножение и деление.

В ЭВМ, появившихся более двух веков спустя, устройство, выполняющее математические операции (те же самые, что и «арифметический прибор» Лейбница), получило название арифмети-ческого. Позднее, по мере добавления ряда логических действий, его стали называть арифметико-логическим (АЛУ). Оно и стало впоследствии основным устройством современных компьютеров.

Заслуги В. Лейбница, однако, не ограничиваются созданием только лишь «арифметического прибора». Начиная со студенческих лет и до конца жизни он занимался исследованием свойств двоичной системы счисления, ставшей в дальнейшем основной при создании компьютеров. Он придавал ей некий мистический смысл и считал, что на базе этой системы можно создать универсальный язык для объяснения всех явлений мира и использовать его в различных науках, в том числе, и в философии.

В 1799 г. во Франции Жозеф Мари Жакард (1752 – 1834 гг.) изобрел ткацкий станок, в устройстве которого для задания узора на ткани использовались перфокарты, в соответствующих местах которых записывались необходимые исходные данные в виде пробивок. Так появилось первое примитивное устройство для запоминания и ввода программной (управляющей ткацким процессом в данном случае) информации.

В 1795 г., там же, математик Гаспар Прони (1755 – 1839 гг.), которому французское правительство поручило выполнение работ, связанных с переходом на метрическую систему мер, впервые в мире разработал технологическую схему вычислений, предполагающую разделение труда математиков на три составляющие. Первая группа из нескольких высококвалифицированных математиков определяла (или разрабатывала) методы численных подсчетов, необходимых для решения задач, позволяющих свести вычисления к арифметическим операциям – сложению, вычитанию, умножению, делению.

Задание последовательности арифметических действий и определение исходных данных, необходимых при их выполнении («программирование»), осуществляла вторая, несколько более расширенная по составу, группа математиков.

Для выполнения составленной «программы», состоящей из последовательности арифметических действий, не было необходи-мости привлекать специалистов высокой квалификации. Эта, наиболее трудоемкая часть работы, поручалась третьей и самой многочисленной группе вычислителей.

Такое разделение труда позволило существенно ускорить получение результатов и повысить их надежность. Главное же состояло в том, что этим был дан импульс дальнейшему процессу автоматизации самой трудоемкой (но и самой простой!) третьей части вычислений – переходу к созданию цифровых вычислительных устройств с программным управлением последовательности арифметических операций.

Этот завершающий шаг в эволюции цифровых вычислительных устройств (механического типа) был сделан английским ученым Чарльзом Беббиджем (1791 – 1871 гг.). Блестящий математик, великолепно владеющий численными методами вычислений, и уже имеющий опыт в создании технических средств для облегчения вычислительного процесса (разностная машина Беббиджа для табулирования полиномов, 1812 – 1822 гг.), он сразу увидел в технологии вычислений, предложенной Г. Прони, возможность дальнейшего развития своих работ. Аналитическая машина (так он назвал ее), проект которой Беббидж разработал в 1836 – 1848 годах, явилась механическим прототипом появившихся спустя столетие ЭВМ. В ней предполагалось иметь те же, что и в ЭВМ, пять основных устройств: арифметическое, памяти, управления, ввода, вывода. Для арифметического устройства ученый использовал зубчатые колеса, подобные тем, что использовались ранее. На них же Ч. Беббидж намеревался построить устройство памяти из 1000 50-разрядных регистров. Программа выполнения вычислений записывалась на перфокартах (пробивками), на них же записывались исходные данные и результаты вычислений. В число операций, помимо четырех арифметических, была включена операция условного перехода и операции с кодами команд. Автоматическое выполнение программы вычислений обеспечивалось устройством управления. Время сложения двух 50-разрядных десятичных чисел составляло, по расчетам ученого, 1 с., умножения – 1 мин.

Механический принцип построения устройств и использование десятичной системы счисления, затрудняющей создание простой элементной базы, не позволили Ч. Беббиджу полностью реализовать свой далеко идущий замысел, пришлось ограничиться скромными макетами. Иначе по размерам машина сравнялась бы с локомотивом, и, чтобы привести в движение ее устройства, мог понадобиться паровой двигатель.

Программы вычислений на машине Беббиджа, составленные дочерью Байрона, – Адой Августой Лавлейс (1815 – 1852 гг.), поразительно схожи с программами, составленными впоследствии для первых ЭВМ. Не случайно эту замечательную женщину назвали первым программистом в мире.

Несмотря на все старания Ч. Беббиджа и А. Лавлейс, машину построить не удалось.

Непонятым оказался еще один выдающийся англичанин, живший в те же годы, – Джордж Буль (1815 – 1864 гг.). Разработанная им алгебра логики (алгебра Буля) нашла применение лишь в следующем веке, когда понадобился математический аппарат для проектирования схем ЭВМ, использующих двоичную систему счисления. «Соединил» математическую логику с двоичной системой счисления и электрическими цепями американский ученый Клод Шеннон в своей знаменитой диссертации (1936 г.).

Через 63 года после смерти Ч. Беббиджа нашелся человек, взявший на себя задачу создать машину, по принципу действия подобную той, созданию которой отдал жизнь Ч. Беббидж. Им оказался немецкий студент Конрад Цузе (1910 – 1985 гг.). Работу по созданию он начал в 1934 г., за год до получения инженерного диплома. Конрад ничего не знал ни о машине Беббиджа, ни о работах Лейбница, ни об алгебре Буля, которая была словно создана для того, чтобы проектировать схемы с использованием элементов, имеющих лишь два устойчивых состояния.

Тем не менее, он оказался достойным наследником В. Лейбница и Дж. Буля, поскольку вернул к жизни уже забытую двоичную систему исчисления, а при расчете схем использовал нечто подобное булевой алгебре. В 1937г. машина Z1 (что означало «Цузе 1») была готова и заработала.

Она была, подобно машине Беббиджа, чисто механической. Машина занимала всего два квадратных метра на столе в квартире изобретателя. Длина слов составляла 22 двоичных разряда. Выполнение операций производилось с использованием плавающей запятой. Для мантиссы и ее знака отводилось 15 разрядов, для порядка – 7. Память (тоже на механических элементах) содержала 64 слова (против 1000 у Беббиджа, что также уменьшило размеры машины). Числа и программа вводились вручную. Еще через год в машине появилось устройство ввода данных и программы, использовавшее киноленту, на которую перфорировалась информация, а механическое арифметическое устройство заменило АУ последовательного действия на телефонных реле. В этом К. Цузе помог австрийский инженер Гельмут Шрайер, специалист в области электроники. Усовершенство-ванная машина получила название Z2.

В 1941 г. К. Цузе с участием Г. Шрайера, изобрел релейную вычислительную машину с программным управлением (Z3), содержащую 2000 реле и повторяющую основные характеристики Z1 и Z2. Она стала первой в мире полностью релейной цифровой вычислительной машиной с программным управлением и успешно эксплуатировалась. Ее размеры лишь немного превышали размеры Z1 и Z2.

К концу второй мировой войны К. Цузе внедрил еще одну релейную вычислительную машину – Z4, которая оказалась единственной сохранившейся из всех машин, разработанных ученым. Остальные были уничтожены.

В 1944 г. ученый Гарвардского университета Говард Айкен (1900 – 1973 гг.) создал первую в США релейно-механическую цифровую вычислительную машину МАРК-1. По своим характеристикам (производительность, объем памяти) она была близка к Z3, но существенно отличалась размерами (длина – 17 м, высота – 2,5 м, вес – 5 тонн, 500 тысяч механических деталей).

Здесь использовалась десятичная система счисления. Как и в машине Беббиджа, в счетчиках и регистрах памяти применялись зубчатые колеса. Управление и связь между ними осуществлялась с помощью реле, число которых превышало 3000. Г. Айкен не скрывал, что многое в конструкции машины он заимствовал у Ч. Беббиджа.

Вслед за МАРК-1 ученый создал еще три машины (МАРК-2, МАРК-3 и МАРК-4) – все с использованием реле, а не электронных ламп, объясняя это ненадежностью последних.

Побудительным мотивом для создания МАРК-1 было стремление Г. Айкена помочь самому себе в многочисленных расчетах, которые приходилось делать при подготовке диссертационной работы (посвященной, кстати, изучению свойств электронных ламп).

В 1941 г. началось финансирование проекта, а в апреле 1943 г. был заключен контракт между полигоном и Пенсильванским университетом на создание вычислительной машины, названной электронным цифровым интегратором и компьютером (ЭНИАК). На это правительством отпускалось 400 тыс. долларов. К работе было привлечено около 200 человек, в том числе несколько десятков математиков и инженеров. Руководителями работы стали Д. Мочли и инженер-электронщик П. Эккерт (1919 – 1995 гг.). Последний предложил использовать для машины забракованные военными представителями электронные лампы. В начале 1946 г. машина начала решать реальные задачи. По размерам она была более впечатляющей, чем МАРК-1: 26 м в длину, 6 м в высоту, вес - 35 тонн. Но поражали не размеры, а производительность – она в 1000 раз превышала производительность МАРК‑1. В остальном же ЭНИАК мало чем отличался от МАРК-1. В нем использовалась десятичная система исчисления. Разрядность слов – 10 десятичных разрядов. Емкость электронной памяти – 20 слов. Ввод программ – с коммутационного поля, что вызывало массу неудобств: смена программы занимала многие часы и даже дни.

В 1946 г. Нейманом, Голдстайном и Берксом (все трое работали в Принстонском институте перспективных исследований) был составлен отчет «Предварительное обсуждение логического конструи-рования устройства», который содержал развернутое и детальное описание принципов построения цифровых электронных вычисли-тельных машин. Изложенные в отчете принципы сводились к следующему:

1. Машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе исчисления.

2. Программа должна размещаться в одном из блоков машины – в запоминающем устройстве, обладающем достаточной емкостью и соответствующими скоростями выборки и записи команд программы.

3. Программа, так же как и числа, с которыми оперирует машина, записывается в двоичном коде. Таким образом, по форме представления команды и числа однотипны. Это обстоятельство приводит к следующим важным последствиям:

– промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа могут размещаться в том же запоминающем устройстве, что и программа;

– числовая форма записи программы позволяет машине производить операции над величинами, которыми закодированы команды программы.

4. Трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем, требует иерархической организации памяти.

5. Арифметическое устройство машины конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения, создание специальных устройств для выполнения других операций нецелесообразно.

6. В машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над словами производятся одновременно по всем разрядам).

Нельзя сказать, что перечисленные принципы построения ЭВМ были впервые высказаны Дж. Нейманом и остальными авторами. Заслуга ученых заключается в том, что они, обобщив накопленный опыт построения цифровых вычислительных машин, сумели перейти от схемных (технических) описаний машин к их обобщенной логически ясной структуре, сделали важный шаг от теоретически важных основ (машина Тьюринга) к практике построения реальных ЭВМ. Имя Дж. Неймана привлекло внимание к отчетам, а высказанные в них принципы и структура ЭВМ получили название неймановских.

Под его руководством в Принстонском институте перспективных исследований в 1952 г. была создана еще одна машина на электронных лампах МАНИАК (для расчетов по созданию водородной бомбы), а в 1954 г. – очередная, но уже без участия Дж. Неймана. Последняя была названа в честь ученого «Джониак». К сожалению, всего три года спустя, Дж. Нейман тяжело заболел и умер.

Параллельно с этими событиями, в 1947 году в СССР, под руководством С.А. Лебедева, была начата разработка малой электронной счетной машины (МЭСМ) – универсальной ЭВМ с хранимой программой. В том же году Г. Айкен закончил разработку компьютера Harvard Mark II, который был значительно производительнее первой машины Айкена, так как вместо шаговых искателей в нем использовались очень быстрые малопотребляющие реле (около 13 000 шт.).

В 1948 году корпорация IBM представила электронный калькулятор IBM 604 и построила компьютер SSEC (Selective Sequence Electronic Calculator), содержащий 12 000 электронных ламп.

В 1949 году в Кембридже (Англия) была разработана ЭВМ EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator), содержащая 3000 электронных ламп. EDSAC была в шесть раз производительнее своих предшественниц и являлась первым компьютером с хранимой программой.

В начале 1952 года в СССР в опытную эксплуатацию была запущена малая вычислительная машина М-1, разработчиком которой являлся Исаак Семенович Брук. Машина содержала 730 электронных ламп, рулонный телетайп, здесь была впервые применена двухадресная система команд. Производительность 15 – 20 операций в секунду.

В 1953 г. IBM представила модель IBM 701 EDPM – свой первый серийно выпускавшийся компьютер с хранимой программой. Через год Джон Бэкус и его коллеги из IBM начали разработку процедурного языка программирования высокого уровня (ЯВУ) для численных методов. Создавался он достаточно долго (1954 – 1957 гг.) и был назван FORTRAN. Название происходит от слов FORmula TRANslation.

13 сентября 1956 г. IBM представила первый в мире жёсткий диск, названный RAMAC. Он имел ёмкость 5 Мбайт и состоял из 50 плас-тин диаметром 24 дюйма. Для сравнения – в 2006 г. диски ёмкостью 500 Гб имели внутри всего три пластины диаметром 3,5 дюйма.

С ноября 1971 года началась эпоха микропроцессоров. Был разработан первый в мире 4-х разрядный микропроцессор Intel 4004, содержащий 2300 транзисторов на кристалле, тактовая частота 108 кГц, быстродействие 60 000 операций в секунду, адресуемая память 640 байт, цена – $200. Команду разработчиков возглавлял М. Хофф, документация была написана Адамом Осборном.

В том же году Николаус Вирт разработал процедурный язык общего назначения Pascal, первоначально предназначавшийся для обучения студентов программированию.

В апреле 1977 г. Apple Computer Corporation объявила о создании компьютера Apple II на процессоре 6502. Он имел 4 Kб ОЗУ, расширяемого до 48 Kб, восемь гнезд расширения. Apple II – первый компьютер, который предлагал TV-тюнер и как дополнительную возможность – цветной монитор. Был также и звук. Цена Apple II составляла 1298 долл.

В 1978 г. Intel сделала мощный рывок вперед, анонсировав процессор 8086, положивший начало семейству процессоров 80x86 этой компании. Он имел 16-разрядные регистры, 20-разрядный адрес, возможность адресовать до 1 Мб ОЗУ. Тактовая частота была от 4 до 10 МГц, 29 000 транзисторов, цена – $360.

Для перехода с 8080 на 16-разрядные процессоры Intel, выпустила процессор 8088, аналогичный 8086, но его шина данных была 8-разрядной и мультиплексированной.

В 1979 г. Motorola выпустила 32-разрядный процессор 68000 (однако шина данных была 16-разрядной), объем линейно адресуемой памяти – до 16 Мб. Этот процессор открыл начало изготовления семейства процессоров 680x0 и стал базой для компьютеров марки Macintosh. Это название произошло от того факта, что процессор содержал 68 000 транзисторов на кристалле.

В 1981 г. IBM создала свой первый персональный компьютер, названный IBM 5150 Personal Computer или сокращенно IBM PC. Он был сделан на базе процессора Intel 8088 с тактовой частотой 4,77 МГц, имел CGA-монитор, 40 Кб ОЗУ, расширяемые до 640 Кб, 5,25-дюймовый накопитель на гибком магнитном диске. Базовая цена составляла 3000 долл., а расширенная конфигурация стоила 6000 долл. Так как спецификация этого компьютера была общедоступной (открытой), то это дало толчок индустрии производства клонов, так называемых IBM PC-совместимых машин.

По соглашению с IBM для IBM PC молодая компания Microsoft (основатели – Билл Гейтс и Пол Аллен) выпустила первую версию операционной системы PC-DOS 1.0 (MS DOS).

В 1982 г. появился 16-разрядный процессор 80286, в котором использовалась 24-разрядная шина данных, а также появился защищенный режим работы, где можно было адресовать до 16 Мб памяти. Процессор содержал 134 000 транзисторов и стоил 360 долл. Математический сопроцессор был внешним и реализовывался на отдельной микросхеме – 80287, а компания AT&T выпустила первую коммерческую версию UNIX System 3.

Фирмы Philips и Sony предложили формат интерактивного компакт-диска (Compact Disk Interactive – CDI или CD-I), который был предназначен для хранения на одном лазерном диске интегрированных данных (например, движущегося видео-, аудио- и отдельных изображений).

1985-й – это год появления первого полностью 32-разрядного микропроцессора 80386DX, выпущенного Intel. 32-разрядная адресная шина позволила адресовать до 4 Гб ОЗУ, степень интеграции – 250 000 транзисторов. Кроме того, появился режим виртуального 8086, при котором 1 Мб DOS-памяти располагался где угодно в физической памяти.

1986 г. – рождение глобальной сети Internet.

В 1987 году в СССР Минским МПО ВТ начат выпуск персональной ЭВМ ЕС-1841, имеющей, помимо двух накопителей на гибких дисках, жесткий диск емкостью 10 Мбайт. Всего было выпущено 83937 ЕС-1841. Это была самая массовая совместимая с IBM PC ПЭВМ полностью отечественного производства. Тогда же произошло начало выпуска УВК СМ 1810, СМ 1814, СМ 1820 на заводах Минприбора в Киеве, Тбилиси, Черновцах и Орле.

В 1989 г. Intel объявила процессор i486DX (именуемый также 486 или 80486). К тем возможностям, которые имелись в процессоре 80386, добавился встроенный контроллер кэш-памяти, математический сопроцессор, средства мультипроцессирования и конвейерная схема исполнения команд, 1,2 млн. транзисторов.

В 1993 году был выпущен микропроцессор Intel Pentium (3,1 млн. транзисторов) и процессор DEC Alpha AXP.

В августе 1995 г. Microsoft выпустила Windows 95, а в октябре – браузер Internet Explorer.

SUN Microsystems разработала язык программирования Java, который позиционируется как язык для платформенно-независимых разработок и Интернета.

В это же время появился микропроцессор Intel Pentium Pro, состоящий из 5,5 млн. транзисторов.

Современные транзисторы, такие, как Intel Core Duo Extreme QX9650, выпущенные в конце 2007 года, имеют следующие основные характеристики: количество ядер – 4; тактовая частота – 3000 МГц; количество транзисторов – 820 млн. шт.; объем кэш-памяти второго уровня – 12288 кбайт; технологический процесс производства – 45 нм.

В истории вычислительной техники существует своеобразная периодизация ЭВМ по поколениям. В ее основу первоначально был положен физико-технологический принцип: машину относят к тому или иному поколению в зависимости от используемых в ней физических элементов или технологии их изготовления. Границы поколений во времени размыты, так как в одно и то же время выпускались машины совершенно разного уровня. Когда приводят даты, относящиеся к поколениям, то скорее всего имеют в виду период промышленного производства; проектирование велось существенно раньше, а встретить в эксплуатации весьма экзотические устройства можно и сегодня.

В настоящее время физико-технологический принцип не является единственным при определении принадлежности той или иной ЭВМ к поколению. Следует считаться и с уровнем программного обеспечения, и с быстродействием, а также с множеством других факторов, основные из которых приведены в таблице 2.

Необходимо учитывать, что разделение ЭВМ по поколениям весьма относительно. Первые ЭВМ, выпускавшиеся до начала 50-х годов, были «штучными» изделиями, на которых отрабатывались основные принципы; нет особых оснований относить их к какому-либо поколению. Нет единодушия и при определении признаков пятого поколения. В середине 80-х годов считалось, что основной признак этого (будущего) поколения – полновесная реализация принципов искусственного интеллекта, однако задача оказалась значительно сложнее, чем виделось в то время, и ряд специалистов снижают планку требований к этому этапу.

Таблица 2

Поколения ЭВМ

Показатель	Поколения ЭВМ
Первое 1951 – 1954	Второе 1958 – 1960	Третье 1965 – 1966	Четвертое	Пятое
А 1976 – 1979	Б 1985 –?
Элементная база процессора	Электронные лампы	Транзисторы	Интегральные схемы (ИС)	Большие ИС (БИС)	Сверхбольшие ИС (СБИС)	+Оптоэлек-троника +Криоэлек-троника
Элементная база ОЗУ	Электронно-лучевые трубки	Ферритовые сердечники	Ферритовые сердечники	БИС	СБИС	СБИС
Максимальная емкость ОЗУ, байт	10^2	10^1	10^4	10^5	10^7	10^8 (?)
Максимальное быстродействие процессора (оп/с)	10^4	10^6	10^7	10^8	10^9 +Многопро-цессорность	10^12, +Многопро-цессорность
Языки программирования	Машинный код	+ Ассемблер	+ Процедурные языки высокого уровня (ЯВУ)	+ Новые процедурные ЯВУ	+Непроцедурные ЯВУ	+ Новые непрцедур-ные ЯВУ
Средства связи пользователя с ЭВМ	Пульт управления и перфокарты	Перфокар-ты и перфоленты	Алфавитно- цифровой терминал	Монохромный графический дисплей, клавиатура	Цветной + графический дисплей, клавиатура, «мышь» и др.	Устройства голосовой связи с ЭВМ

В то же время, среди машин четвертого поколения разница чрезвычайно велика, и поэтому в таблице 2 соответствующая колонка разделена на две: А и Б. Указанные в верхней строчке даты соответствуют первым годам выпуска ЭВМ.

При рассмотрении ЭВМ как средства обработки информации, важную роль играют следующие факторы: понятие архитектуры ЭВМ, классификация ЭВМ, структура и принципы функционирования ЭВМ, а также основные характеристики вычислительной тех-ники.

С середины 60-х годов существенно изменился сам подход к созданию вычислительных машин. Вместо независимой разработки аппаратуры и некоторых средств математического обеспечения стала проектироваться система, состоящая из совокупности аппаратных (hardware) и программных (software) средств. При этом на первый план выдвинулась концепция их взаимодействия. Так возникло принципиально новое понятие — архитектура ЭВМ.

Под архитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.

Это понятие охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих множество факторов. Важнейшими среди этих факторов являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации, а одним из главных компонентов архитектуры являются аппаратные средства. Основные компоненты архитектуры ЭВМ можно представить в виде схемы, показанной на рис. 1.

Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки узлы и т. д.) и описывает связи внутри средства во всей их полноте. Архитектура же определяет правила взаимодействия составных частей вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой это необходимо для формирования этих правил. Она регламентирует не все связи, а наиболее важные, которые применяются для более грамотного использования данного средства.

Ниже приводится перечень наиболее общих принципов построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре:

• структура памяти ЭВМ;

• способы доступа к памяти и внешним устройствам;

• возможность изменения конфигурации компьютера;

• система команд;

• форматы данных;

• организация интерфейса.

 

 

Рис. 1. Архитектура ЭВМ, построенной

на принципах Джона фон Неймана

 

Суммируя все вышеизложенное, получаем следующее определение: «Архитектура – это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов».

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Он подключился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 г., когда конструкция машины была уже выбрана. В процессе работы, во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 г. ученые изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства». С тех пор прошло полвека, но положения, выдвинутые в этой публикации, сохраняют актуальность и сегодня.

В статье обосновывалось использование двоичной системы для представления чисел (нелишне напомнить, что ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде). Авторы убедительно продемонстрировали преимущества такой системы для технической реализации, а также удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации – текстовую, графическую, звуковую и многие другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.

Еще одной поистине революционной идеей, значение которой трудно переоценить, явился предложенный Нейманом принцип «хранимой программы». Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы машины ENIAC требовалось несколько дней (в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут – иначе выходили из строя лампы). Ученый первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Следует отметить, что внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Так, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, а клавиатура – устройство ввода, дисплей и печать – устройства вывода.

Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок – процессор, являющийся преобразователем информации, которая поступает из памяти и внешних устройств (сюда относятся: выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифметических операций, согласование работы узлов компьютера). Более детально функции процессора будут обсуждаться ниже.

Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее устройство в современных компьютерах устроено «многоярусно» и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необходимых для нее данных, некоторые управляющие программы) и внешние запоминающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом (и значительно меньшей стоимостью в расчете на 1 байт хранимой информации).

В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.

Разработанные Д. фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название «фон-неймановской архитектуры». Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день – это машины именно такого типа. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).

По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.

В предыдущем разделе была описана классическая структура ЭВМ, соответствующая вычислительным машинам первого и второго поколений. Естественно, что в результате бурного развития технологии производства средств вычислительной техники такая структура не могла не претерпеть определенных прогрессивных изменений.

Как отмечалось выше, появление третьего поколения ЭВМ было обусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам. Значительные успехи в миниатюризации электронных схем не просто способствовали уменьшению размеров базовых функциональных узлов ЭВМ, но и создали предпосылки для существенного роста быстродействия процессора. Возникло существенное противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой устройств ввода вывода, в большинстве своем содержащих механически движущиеся части. Процессор, руководивший работой внешних устройств, значительную часть времени был вынужден простаивать в ожиданииинформации «извнешнего мира», что существенно снижало эффективность работы всей ЭВМ в целом. Для решения этой проблемы возникла идея освобождения центрального процессора от функций обмена и передача их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств.Такие схемы имели различные названия: каналы обмена, процессоры ввода-вывода, периферийные процессоры. Последнее время все чаще используется термин «контроллер внешнего устройства» (или просто контроллер).

Наличие интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой машин третьего и четвертого поколений.

Это устройство можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой «вверенного ему» внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Такой процессор имеет собственную систему команд. Например, контроллер накопителя на гибких магнитных дисках (дисковода) умеет позиционировать головку на нужную дорожку диска, читать или записывать сектор, форматировать дорожку и т.п. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором.

Таким образом, наличие интеллектуальных внешних устройств может существенно изменять идеологию обмена. Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия центрального процессора. Последний получает возможность «заниматься своим делом», т.е. выполнять программу дальше (если по данной задаче до завершения обмена ничего сделать нельзя, то можно в это время решать другую).

Перейдем теперь к обсуждению вопроса о внутренней структуре ЭВМ, содержащей интеллектуальные контроллеры, которая изображена на рис. 2. Из рисунка видно, что для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая шина (часто ее называют магистралью). Шина состоит из трех частей:

• шина данных, по которой передается информация;

• шина адреса, определяющая, куда передаются данные;

• шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.

Отметим, что существуют модели компьютеров, у которых шины данных и адреса для экономии объединены. У таких машин вначале на шину выставляется адрес, а затем, через некоторое время – данные; для какой именно цели шина используется в настоящий момент указывают сигналы на шине управления.

Описанную схему легко пополнять новыми устройствами – это свойство называют открытостью архитектуры. Для пользователя открытая архитектура означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера, т.е. формировать его в зависимости от круга решаемых задач.

На рис. 2. представлен новый вид памяти – видео-ОЗУ (видеопамять). Его появление связано с разработкой особого устройства вывода – монитора. Очевидно, что монитор, не имея механически движущихся частей, является «очень быстрым» устройством отображения информации. Поэтому для ЭВМ третьего и четвертого поколений он является неотъемлемой частью (хотя впервые монитор был реализован на некоторых ЭВМ второго поколения, например, на «МИР-2» – очень интересной во многих отношениях отечественной разработке).

Для получения на экране монитора стабильной картинки ее нужно где-то хранить. Для этого и существует видеопамять. Сначала её содержимое формируется компьютером, а затем контроллер дисплея выводит изображение на экран. Объем ви