Развитие компьютерной архитектуры кратко

Обновлено: 05.07.2024

История счётных устройств насчитывает много веков. Компьютер, в настоящее время незаменимый инструмент в деловых, промышленных и бытовых задачах, является наследником многих других изобретений, начиная с математики и вычислительных машин. Мы предлагаем вам кратко проследить историю этого изобретения.

К первому поколению обычно относят машины, созданные на рубеже 50-х годов. В их схемах использовались электронные лампы. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла.

Компьютер "Эниак" . Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода- вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. Быстродействие порядка 10-20 тысяч операций в секунду. Программы для этих машин писались на языке конкретной машины. Математик, составивший программу, садился за пульт управления машины, вводил и отлаживал программы и производил по ним счет.

Процесс отладки был наиболее длительным по времени. Несмотря на ограниченность возможностей, эти машины позволили выполнить сложнейшие расчёты, необходимые для прогнозирования погоды, решения задач атомной энергетики и др.

ЭВМ "Урал". Эти проблемы начали преодолевать путем интенсивной разработки средств автоматизации программирования, создания систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность её использования. Это, в свою очередь, потребовало значительных изменений в структуре компьютеров, направленных на то, чтобы приблизить её к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации компьютеров.

Деление компьютерной техники на поколения - весьма условная, нестрогая классификация вычислительных систем по степени развития аппаратных и программных средств, а также способов общения с компьютером.

Идея делить машины на поколения вызвана к жизни тем, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию как в смысле элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в смысле изменения её структуры, появления новых возможностей, расширения областей применения и характера использования.

Отечественные машины первого поколения:

МЭСМ (малая электронная счётная машина), БЭСМ, Стрела, Урал, М-20.

Опыт использования машин первого поколения показал, что существует огромный разрыв между временем, затрачиваемым на разработку программ, и временем счета.

Второе поколение компьютерной техники - машины, сконструированные примерно в 1955-65 гг.

Характеризуются использованием в них как электронных ламп, так и дискретных транзисторных логических элементов.

Их оперативная память была построена на магнитных сердечниках . В это время стал расширяться диапазон применяемого оборудования ввода-вывода, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски. Память на магнитных сердечниках обладала быстродействием до сотен тысяч операций в секунду, а ёмкость памяти составляла до нескольких десятков тысяч слов.

Появились так называемые языки высокого уровня , средства которых допускают описание всей необходимой последовательности вычислительных действий в наглядном, легко воспринимаемом виде.

Программа, написанная на алгоритмическом языке , непонятна компьютеру, воспринимающему только язык своих собственных команд.

Поэтому специальные программы, которые называются трансляторами , переводят программу с языка высокого уровня на машинный язык .

Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Появились мониторные системы , управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы.

Операционная система - важнейшая часть программного обеспечения компьютера, предназначенная для автоматизации планирования и организации процесса обработки программ, ввода-вывода и управления данными, распределения ресурсов, подготовки и отладки программ, других вспомогательных операций обслуживания.

Таким образом, операционная система является программным расширением устройства управления компьютера.

Для некоторых машин второго поколения уже были созданы операционные системы с ограниченными возможностями.

Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х годов наметился переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе . Наиболее ярким представителем ЭВМ второго поколения была ЭВМ БЭСМ - 6 . С появлением транзисторной элементной базы становится возможным создание относительно небольших, но обладающих значительными возможностями малых ЭВМ типа Проминь и Наири.

Машины третьего поколения созданы примерно после 60-x годов.

Поскольку процесс создания компьютерной техники шел непрерывно, и в нём участвовало множество людей из разных стран, имеющих дело с решением различных проблем, трудно и бесполезно пытаться установить, когда "поколение" начиналось и заканчивалось. Возможно, наиболее важным критерием различия машин второго и третьего поколений является критерий, основанный на понятии архитектуры .

Машины третьего поколения - это семейства машин с единой архитектурой , т.е. программно совместимых. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы , которые также называются микросхемами .

Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы.

Они обладают возможностями мультипрограммирования , т.е. одновременного выполнения нескольких программ.

Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина.

Примеры машин третьего поколения - семейства IBM-360, IBM-370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др.

Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.

Краткое описание процесса изготовления микросхем.

ЧИП и ДИП. Как делают микросхемы.

🧭1 Разработчики с помощью компьютера создают электрическую схему новой микросхемы. Для этого они вводят в компьютер перечень свойств, которыми должна обладать микросхема, а компьютер с помощью специальной программы разрабатывает детальную структуру соединений и конструкций всех взаимодействующих элементов микросхемы.

🧭 2 Компьютер создаёт схемы расположения элементов на поверхности полупроводникового кристалла кремния. По этим схемам изготавливаются фотошаблоны - стеклянные пластинки со штриховым рисунком. Через фотошаблоны специальными лампами или источниками рентгеновского излучения, а иногда, и электронными пучками, освещают (засвечивают) нанесённый на поверхность кристалла кремния слой фото- или, соответственно, рентгеночувствительного лака.

🧭 3 Засвеченные (или, наоборот, незасвеченные) участки лака меняют свои свойства и удаляются специальными растворителями. Этот процесс называется травлением. Вместе с лаком с поверхности кристалла кремния удаляется и слой окисла, и эти места становятся доступными для легирования - внедрения в кристаллическую решётку кремния атомов бора или фосфора. Легирование обычно требует нагрева пластинки в парах нужного элемента до 1100 - 1200 °С.

🧭 4 Последовательно меняя шаблоны и повторяя процедуры травления и легирования, создают один за другим слои будущей микросхемы . При этом на одной пластинке кристалла кремния создаётся множество одинаковых микросхем.

🧭 5 Каждая микросхема проверяется на работоспособность. Негодные выбраковываются .

🧭 6 После завершения всех операций пластинки разрезаются на отдельные кристаллики с микросхемами, к ним присоединяют выводы и устанавливают в корпуса .

Четвёртое поколение - это теперешнее поколение компьютерной техники, разработанное после 1970 года. Наиболее важный в концептуальном отношении критерий, по которому эти компьютеры можно отделить от машин третьего поколения, состоит в том, что машины четвёртого поколения проектировались в расчете на эффективное использование современных высокоуровневых языко в и упрощение процесса программирования для конечного пользователя. В аппаратурном отношении для них характерно широкое использование интегральных схем в качестве элементной базы, а также наличие быстродействующих запоминающих устройств с произвольной выборкой ёмкостью в десятки мегабайт.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Развитие компьютерной архитектуры

Нулевое поколение — механические компьютеры (1642-1945)

Француз Блез Паскаль (1623-1662) в 1642 г. собрал счетную машину для своего отца – сборщика налогов. Механическая конструкция с шестеренками и ручным приводом. Выполняемые операции – сложение и вычитание.

Вильгельм Лейбниц (1646-1716) построил механический прототип калькулятора. Выполняемые операции – сложение, вычитание, умножение и деление.

Профессор математики Кембриджского университета Чарльз Бэббидж (1792-1871) разработал и сконструировал механическую разностную машину. Выполняемые операции – сложение и вычитание, однако был встроен алгоритм метод конечных разностей с использованием полиномов

Устройство вывода разностной машины – результаты выдавливались стальным штампом на медной пластине.

Далее разработал аналитическую машину, состоящую из 4 компонент:

 запоминающее устройство (память),

 устройство ввода (с помощью перфокарт),

 устройство вывода (перфоратор)

Память состояла из 1000 слов по 50 десятичных разрядов, каждое из слов содержало переменные и результаты.

Вычислительное устройство принимало операнды из памяти, , затем выполняло операции сложения, вычитания, умножения или деления и возвращало полученный результат обратно в память.

Аналитическая машина была механическим устройством.

Преимущество аналитической машины - могла выполнять разные задания (считывала команды с перфокарт и выполняла их.)

В отличие от разностной аналитическая машина могла выполнять несколько алгоритмов, машина программировалась.

Ада Августа Ловлейс (Ada Augusta Lovelace), дочь знаменитого британского поэта Байрона, программировала аналитическую машину Бэббиджа. Ада Ловлейс была первым в мире программистом. В ее честь назван современный язык программирования — Ada.

Идея машина Ч. Бэббиджа опередила технологии производсьтва того времени.

В конце 1930-х годов немецкий конструктор Конрад Зус (Konrad Zuse) сконструировал несколько автоматических счетных машин с использованием электромагнитных реле.

Его разработки были уничтожены во время бомбежки Берлина в 1944 году.

Машина Джона Атанасова (John Atanasoff, США) была достаточной развитой для своего времени.

В ней использовалась бинарная арифметика и информационные емкости, которые периодически обновлялись, чтобы избежать уничтожения данных. Современная динамическая память (ОЗУ) работает по точно такому же принципу.

Первое поколение — электронные лампы (1945-1955)

Стимулом к созданию электронного компьютера стала Вторая мировая война.

Для расшифровки немецких радиограмм, зашифрованных аппаратом ENIGMA, британское правительство основало секретную лабораторию для создания электронного компьютера - COLOSSUS.

В создании этой машины принимал участие знаменитый британский математик Алан Тьюринг. COLOSSUS работал уже в 1943 году, но, так как британское правительство полностью контролировало этот проект и рассматривало его как военную тайну на протяжении 30 лет, COLOSSUS не стал базой для дальнейшего развития компьютеров.

В 1943 году, Дж. Моушли со своим студентом Дж. Преспером Экертом (J. Presper Eckert) начали конструировать электронный компьютер, который назвали ENIAC ( Electronic Numerical Integrator and Computer — электронный цифровой интегратор и калькулятор).

ENIAC состоял из 18000 электровакуумных ламп и 1500 реле, весил 30 тонн и потреблял 140 киловатт электроэнергии.

У машины было 20 регистров, каждый из которых мог содержать 10-разрядное десятичное число. (Десятичный регистр — это память очень маленького объема, которая может вмещать число до какого-либо определенного максимального количества разрядов.) В ENIAC было установлено 6000 многоканальных переключателей и имелось множество кабелей, протянутых к разъемам.

Дальнейшие идеи ENIAC были реализованы в машинах EDSAC, JOHNIAC , ILLIAC , MANIAC , WEIZAC , EDVAC .

Машина фон-Неймана

IAS ( Immediate Address Storage – память с прямой адресацией).

Рисунок 1 - Схема фон-неймановской вычислительной машины

Машина фон Неймана состоит из следующих основных частей:

Внутри арифметико-логического устройства находился особый внутренний регистр на 40 бит, так называемый аккумулятор. Типичная команда добавляла слово из памяти в аккумулятор или сохраняла содержимое аккумулятора в памяти.

Эта машина не выполняла арифметические операции с плавающей точкой, поскольку Фон Нейман считал, что любой сведущий математик способен держать плавающую точку в голове.

Первоначально компания IBM производила перфокарты и механические машины для их сортировки.

В 1953 году построила первый компьютер IBM-701 (2048 слов по 36 бит), а в 1956 – IBM-704 (4 Кбайт памяти на магнитных сердечниках).

Второе поколение – транзисторы (1955-1965)

Транзистор был изобретен сотрудниками лаборатории Bell Laboratories Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли, за что в 1956 году они получили Нобелевскую премию в области физики.

В течение десяти лет транзисторы совершили революцию в производстве компьютеров, и к концу 50-х годов компьютеры на вакуумных лампах уже безнадежно устарели.

Первый компьютер на транзисторах был построен в лаборатории МТИ. Компьютер назывался ТХ-0 ( Transistorized experimental computer 0 - экспериментальная транзисторная вычислительная машина 0) и предназначался только для тестирования будущей машины ТХ-2.

Компьютер PDP-1 появился в 1961 году. Он имел 4096 слов по 18 бит и быстродействие 200 000 команд в секунду. PDP-1 был самым быстрым компьютером в мире в то время. Компания DEC продала десятки компьютеров PDP-1, и так появилась компьютерная промышленность.

Через несколько лет компания DEC разработала модель PDP-8, 12-разрядный компьютер. Главное нововведение PDP -8 — единственная шина (omnibus).

Шина — это набор параллельно соединенных проводов для связи компонентов компьютера. Это нововведение радикально отличало PDP-8 от IAS. Такая структура с тех пор стала использоваться во всех компьютерах. Компания DEC продала 50 000 компьютеров модели PDP-8 и стала лидером на рынке мини-компьютеров.

Рисунок 2 - Шина компьютера PDP -8

Третье поколение — интегральные схемы (1965-1980)

Изобретение в 1958 году Робертом Нойсом (Robert Noyce) кремниевой интегральной схемы означало возможность размещения на одной небольшой микросхеме десятков транзисторов. Компьютеры на интегральных схемах были меньшего размера, работали быстрее и стоили дешевле, чем их предшественники на транзисторах.

К 1964 году компания IBM лидировала на компьютерном рынке, но существовала одна большая проблема: компьютеры 7094 и 1401, которые она

выпускала, были несовместимы друг с другом. Один из них предназначался для сложных расчетов, в нем использовалась двоичная арифметика на регистрах по 36 бит, во втором применялась десятичная система счисления и слова разной длины. У многих покупателей были оба этих компьютера, и им не нравилось, что они совершенно несовместимы.

System /360

Линейка транзисторных компьютеров System /360 была предназначена как для научных, так и для коммерческих расчетов. Линейка System /360 имела много нововведений:

- целое семейство компьютеров для работы с одним языком (ассемблером).

- каждая новая модель была больше по возможностям, чем предыдущая.

- компания смогла заменить 1401 на 360 (модель 30), а 7094 — на 360 (модель 75).

- модель 75 была больше по размеру, работала быстрее и стоила дороже, но программы, написанные для одной из них, могли использоваться в другой.

На практике программы, написанные для маленькой модели, выполнялись большой моделью без особых затруднений. Создание такой линейки компьютеров было большим достижением. Идея создания семейств компьютеров вскоре стала очень популярной, и в течение нескольких лет большинство компьютерных компаний выпустили серии сходных машин с разной стоимостью и функциями.

Таблица моделей семейства System/ 360.

Еще одно нововведение в System /360 — мультипрограммирование. В памяти компьютера могло находиться одновременно несколько программ, и пока одна программа ждала, когда закончится процесс ввода-вывода, другая выполнялась. В результате ресурсы процессора расходовались более рационально.

Компьютер 360 был первой машиной, которая могла полностью эмулировать работу других компьютеров. Маленькие модели могли эмулировать 1401, а большие — 7094, поэтому программисты могли оставлять свои старые программы без изменений и использовать их в работе с 360. Некоторые модели 360 выполняли программы, написанные для 1401, гораздо быстрее, чем сама 1401, поэтому стала бессмысленной переделка программ.

Компьютеры серии 360 могли эмулировать работу других компьютеров, потому что создавались с использованием микропрограммирования. Нужно было написать всего лишь три микропрограммы: одну — для системы команд 360, другую — для системы команд 1401, третью — для системы команд 7094.

Требование гибкости стало одной из главных причин применения микропрограммирования.

Компьютеру 360 удалось разрешить дилемму между двоичной и десятичной системами счисления: у этого компьютера было 16 регистров по 32 бит для бинарной арифметики, но память состояла из байтов, как у 1401. В 360 использовались такие же команды для перемещения записей разного размера из одной части памяти в другую, как и в 1401.

Объем памяти у 360 составлял 224 байт (16 Мбайт). В те времена такой объем памяти казался огромным. Линейка 360 позднее сменилась линейкой 370, затем 4300, 3080, 3090. У всех этих компьютеров была сходная архитектура. К середине 80-х годов 16 Мбайт памяти стало недостаточно, и компании IBM пришлось частично отказаться от совместимости, чтобы перейти на 32-разрядную адресацию, необходимую для памяти объемом в байт.

Четвертое поколение — сверхбольшие интегральные схемы (1980-?)

Появление сверхбольших интегральных схем (СБИС) в 80-х годах позволило помещать на одну плату сначала десятки тысяч, затем сотни тысяч и, наконец, миллионы транзисторов. Это привело к созданию компьютеров меньшего размера и более быстродействующих. До появления PDP -1 компьютеры были настолько велики и дороги, что компаниям и университетам приходилось иметь специальные отделы (вычислительные центры). К 80-м годам цены упали так сильно, что возможность приобретать компьютеры появилась не только у организаций, но и у отдельных людей. Началась эра персональных компьютеров.

Позднее появилась операционная система СР/М, написанная Гари Килдаллом ( Gary Kildall ) для Intel 8080.

Эта действующая операционная система помещалась на дискету, она включала в себя систему управления файлами и интерпретатор для выполнения пользовательских команд, которые набирались с клавиатуры.

Еще один персональный компьютер, Apple, был разработан Стивом Джобсом (Steve Jobs) и Стивом Возняком (Steve Wozniak). Этот компьютер стал чрезвычайно популярным среди домашних пользователей и школ, что в мгновение ока сделало компанию Apple серьезным игроком на рынке.

В 1981 году появился компьютер (IBM PC) и стал самым покупаемым компьютером в истории.

Филипп Эстридж (главный разработчик) взял Intel 8088 в качестве центрального процессора и создал персональный компьютер IBM PC из разнородных компонентов.

Первая версия IBM PC была оснащена операционной системой MS-DOS, которую выпускала тогда еще крошечная корпорация Microsoft. IBM и Microsoft совместно разработали последовавшую за MS-DOS операционную систему OS/2, характерной чертой которой был графический пользовательский интерфейс ( Graphical User Interface , GUI ), сходный с интерфейсом Apple Macintosh .

В этоже самое время компания Microsoft также разработала собственную операционную систему Windows, которая работала на основе MS-DOS, на случай, если OS/2 не будет иметь спроса. OS/2 действительно не пользовалась спросом, a Microsoft успешно продолжала выпускать операционную систему Windows, что послужило причиной грандиозного раздора между IBM и Microsoft.

Компьютерная промышленность двигается вперед как никакая другая. Главная движущая сила — способность производителей помещать с каждым годом все больше и больше транзисторов на микросхему. Чем больше транзисторов (крошечных электронных переключателей), тем больше объем памяти и мощнее процессоры.

Гордон Мур (Gordon Moore), один из основателей и бывший председатель совета директоров Intel, сформулировал закон технологического прогресса, известный теперь под именем закона Мура.

- каждое новое поколение микросхем появляется через три года после предыдущего.

- поскольку у каждого нового поколения компьютеров было в 4 раза больше памяти, чем у предыдущего, стало понятно, что число транзисторов на микросхеме возрастает на постоянную величину и, таким образом, этот рост можно предсказать на годы вперед.

Закон Мура гласит , что количество транзисторов на одной микросхеме удваивается каждые 18 месяцев, то есть увеличивается на 60% каждый год.

Рисунок 3 - Закон Мура предсказывает, что количество транзисторов на одной микросхеме увеличивается на 60 % каждый год. Точки на графике — объем памяти в битах

Любая операция, выполняемая программным обеспечением, может быть реализована аппаратным обеспечением. Конечно, обрат¬ное тоже верно: любая команда, выполняемая аппаратным обеспечением, может быть смоделирована программно. Решение разделить функции аппаратного и про¬граммного обеспечения основано на таких факторах, как стоимость, быстродей¬ствие, надежность, частота ожидаемых изменений.

Если программист хотел запустить программу на языке FORTRAN, ему необходимо бы¬ло пройти следующие этапы:

3. В конце концов трансляция завершалась. Программист часто становился очень нервным, потому что если компилятор находил ошибку в программе, ему приходилось исправлять ее и начинать процесс ввода программы заново. Если ошибок не было, компилятор выдавал в виде перфокарт программу на машинном языке.

4. Тогда программист помещал эту программу на машинном языке в устройство считывания вместе с пачкой перфокарт из библиотеки подпрограмм и загру¬жал обе эти программы.

5. Начиналось выполнение программы. В большинстве случаев она не работала, неожиданно останавливаясь в середине. Обычно в этом случае программист делал распечатку содержания па¬мяти, что называлось разгрузкой оперативного запоминающего устройства, и брал эту распечатку домой для изучения.

Автоматизировать работу опе¬ратора могла программа под названием операционная система, которая загружалась в компь¬ютер на все время его работы. В последующие годы операционные системы все больше и больше усложня¬лись. К уровню архитектуры набора команд добавлялись новые команды, при¬способления и особенности, и в конечном итоге сформировался новый уровень. Первые операционные системы считывали пачки перфокарт и распечатывали результат на принтере, однако этого приходилось ждать до нескольких часов.

Первым человеком, создавшим счетную машину, был французский ученый Блез Паскаль (1623-1662), в честь которого назван один из языков программирова¬ния. Паскаль сконструировал эту машину в 1642 году, когда ему было всего 19 лет, для своего отца, сборщика налогов. Это была механическая конструкция с шестеренками и ручным приводом. Счетная машина Паскаля могла выполнять только операции сложения и вычитания.

Тридцать лет спустя великий немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646-1716) построил другую механическую машину, которая помимо сложения и вычитания могла выполнять операции умножения и деления. В сущности, Лейбниц три века назад создал подобие карманного калькулятора с четырьмя функциями

Первое поколение — электронные лампы (1945-1955)

Второе поколение — транзисторы (1955-1965)

Третье поколение — интегральные схемы (1965-1980)

Четвертое поколение — сверхбольшие интегральные схемы (1980-?)

Пятое поколение — невидимые компьютеры(интегрированные)

Логическую организацию ЭВМ независимо от ее элементной базы 1945 году представил математик Джон фон Нейман. Архитектура универсальной ЭВМ фон Неймана предусматривается пять базовых компонентов:

1. Центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ).

2. Центральное устройство управления (УУ), ответственное за функционирование всех основных устройств ЭВМ.

3. Запоминающее устройство (ЗУ).

4. Система ввода информации.

5. Система вывода информации.

Еще один персональный компьютер, Apple (а позднее и Apple II), был разра¬ботан Стивом Джобсом (Steve Jobs) и Стивом Возняком (Steve Wozniak). Этот компьютер стал чрезвычайно популярным среди домашних пользователей и школ, что в мгновение ока сделало компанию Apple серьезным игроком на рынке.

Первая версия IBM PC была оснащена операционной системой MS-DOS, ко¬торую выпускала тогда еще крошечная корпорация Microsoft. IBM и Microsoft совместно разработали последовавшую за MS-DOS операционную систему OS/2, характерной чертой которой был графический пользовательский интерфейс (Graphical User Interface, GUI), сходный с интерфейсом Apple Macintosh. Между тем компания Microsoft также разработала собственную операционную систему Windows, которая работала на основе MS-DOS, на случай, если OS/2 не будет иметь спроса. OS/2 действительно не пользовалась спросом, a Microsoft успешно продолжала выпускать операционную систему Windows, что послужило причи¬ной грандиозного раздора между IBM и Microsoft. Легенда о том, как крошечная компания Intel и еще более крошечная, чем Intel, компания Microsoft умудри¬лись свергнуть IBM, одну из самых крупных, самых богатых и самых влиятель¬ных корпораций в мировой истории, подробно излагается в бизнес-школах всего мира.

Первоначальный успех процессора 8088 воодушевил компанию Intel на его дальнейшие усовершенствования. Особо примечательна версия 386, выпущенная в 1985 году, — это первый представитель линейки Pentium. Современные про¬цессоры Pentium гораздо быстрее процессора 386, но с точки зрения архитекту¬ры они просто представляют собой его более мощные версии.

Однако компания IBM сделала одну вещь, о которой позже пожалела. Вместо того чтобы держать проект машины в секрете (или, по крайней мере, оградить себя патентами), как она обычно делала, компания опубликовала полные проек¬ты, включая все электронные схемы, в книге стоимостью 49 долларов. Эта книга была опубликована для того, чтобы другие компании могли производить смен¬ные платы для IBM PC, что повысило бы совместимость и популярность этого компьютера. К несчастью для IBM, как только проект IBM PC стал широко из¬вестен, многие компании начали делать клоны PC и часто продавали их гораздо дешевле, чем IBM (поскольку все составные части компьютера можно было лег¬ко приобрести). Так началось бурное производство персональных компьютеров.

Вопросы и задания

1. Объясните следующие термины своими словами: 1) транслятор;

2. Чем отличается интерпретация от трансляции?

3. В каком смысле аппаратное и программное обеспечение эквивалентны? В ка¬ком они не эквивалентны?

4. Назовите три бытовых устройства, в которые имеет смысл устанавливать встроенные процессоры.

5. Напишите краткое резюме о трех исследователях, которые, по вашему мнению, оказали наибольшее влияние на эволюцию аппаратного обеспечения компью¬теров до их современного состояния; объясните, почему вы выбрали имен¬но их.

6. Напишите аналогичное резюме относительно программного обеспечения.

Изобретение операционной системы

Количество и природа уровней могут меняться, т.к. аппаратное и программное обеспечение логически эквивалентны.

Если программист хотел запустить программу на языке FORTRAN, ему необходимо бы¬ло пройти следующие этапы:

Первое поколение — электронные лампы (1945-1955)

Второе поколение — транзисторы (1955-1965)

Третье поколение — интегральные схемы (1965-1980)

Четвертое поколение — сверхбольшие интегральные схемы (1980-?)

Пятое поколение — невидимые компьютеры(интегрированные)

1. Центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ).

2. Центральное устройство управления (УУ), ответственное за функционирование всех основных устройств ЭВМ.

3. Запоминающее устройство (ЗУ).

4. Система ввода информации.

5. Система вывода информации.

Вопросы и задания

1. Объясните следующие термины своими словами: 1) транслятор;

2. Чем отличается интерпретация от трансляции?

3. В каком смысле аппаратное и программное обеспечение эквивалентны? В ка¬ком они не эквивалентны?

4. Назовите три бытовых устройства, в которые имеет смысл устанавливать встроенные процессоры.

Архитектурой ПК (персонального компьютера) принято называть совокупность структуры, отражающей состав и обслуживающее ПО. Структурой называется комплекс функциональных систем ПК и их связующих элементов.

Особенности архитектуры являются определяющими факторами при рассмотрении принципов действия ПК, программно-информационных связей и последовательности соединения всех узлов логики компьютера. К узлам логики относят: ОЗУ (оперативная память), ЦП (центральный процессор), внешнее устройство памяти (жесткий диск), графический модуль (видеокарта), периферийные модули. Основным, принципиальным элементом архитектуры любого ПК, являются блоки программного управления.

Классическая архитектура фон Неймана

Группа ученых, в составе которой были американцы Г.Голдштейн, Дж. фон Нейман и А. Беркс, в 1946 году провели колоссальную работу по разработке новых принципов и архитектуры ЭВМ. Работа математиков легла в основу при создании компьютеров первого и второго поколений. Принципы фон Неймана были сохранены, хоть и существенно видоизменились, во время работ по созданию машин следующих поколений.

Основные принципы фон Неймана:

Интеграция методов двоичного счисления позволила упростить работу устройств и сделать ее выполнение гораздо быстрее, чем это было при использовании десятичной системы.

Программное управление ПК

Функционал ПК зависит от исправной работы программного обеспечения. Программа, управляющая компьютерной системой представляет собой набор последовательно исполняющихся команд. Проблема низких показателей быстродействия, актуальная для ранних ПК, была решена интеграцией модуля памяти, применяемого для записи программных данных. Кодированные в двоичной системе данные и командные коды, расположены в пронумерованных адресных блоках. Возможность быстрого доступа к адресной ячейки сделало возможной работу в переменных программных средах.

Условный переход при исполнении программы

По умолчанию программные компоненты имеют последовательную модель исполнения, но существует возможность реализации перехода к любому месту кода. Главным преимуществом подобного механизма стало превращение программного продукта из постоянной величины в изменяемую, аппаратная же часть осталась статичной и достаточно простой.

Фон Нейман предложил собственную структура персонального компьютера (рис. 1).

В состав ПК предложенного математиком входили:

Устройство памяти или ЗУ;
Устройство исполнения арифметико-логических задач или АЛУ;
Управляющее устройство (УУ) задействованное в работе по координации работы узловых элементов ПК;
Периферийные устройства ввода/вывода.

В данной модели ПК любой тип данных вводится в устройство запоминания опосредованно через АЛУ посредствам устройств ввода/вывода. Программные команды фиксируются последовательно в блоках памяти, тогда как обрабатываемые данные записываются в блоках произвольно.

Простейшая команда содержала в себе информацию об операции требующей выполнения и адресов памяти, хранящей данные требуемые для выполнения данной операции. Кроме этого в команде прописывались адреса блоков памяти доступных для сохранения результата выполнения команды. Арифметико-логическое устройство выводило обработанные данные в устройство запоминания или в выводное устройство. Существенным отличием систем подобного рода является форма данных удобная для сохранения и обработки, а также для восприятия человека при передачи на устройство вывода (печатающее устройство или монитор).

Выполнение операции осуществляется аппаратная оснастка компьютера или АЛУ. По завершению выполнения команд значение счетчика увеличивается на единицу, что является сигналом для запуска следующей команды. При необходимости запуска команд без стандартной очередности, запускается команда переадресации, содержащая целевой адрес ячейки запуска управляющей команды.

Архитектура современных ПК

Современные компьютеры имеют магистрально-модульный тип архитектуры, то есть состоят из относительно самостоятельных компонентов, связанных между собой через ЦП.

Принцип модульности позволяет осуществлять произвольную комплектацию ПК устанавливая совместимые компоненты. Кроме этого современные ПК имеют возможность модернизации и улучшения. В данной системе функционирует магистральный тип обмена информацией. Для обеспечения взаимосвязи компонентов ПК используется магистральная шина, располагаемая на материнской плате в виде печатной платы. Преимуществом подобного вида ПК является возможность добавления или замены комплектующих.

Благодаря принципиальным переменам в архитектуре ПК произошло значительное повышение скорости обработки и обмена информации. Считываемая информация хранится в системной памяти, что позволяет работать напрямую с ЦП и значительно ускоряет работу ПК в целом. Максимум быстродействия ограничен скоростью обработки данных самой магистрали, чем выше данный показатель, тем выше скорость работы ПК в целом.

Для решения вопроса предпринято следующее:

Многопроцессорная архитектура ПК

Существуют компьютеры с несколькими процессорами, работающими параллельно. Такие ПК называются многопроцессорными и используются при необходимости обработать очень большой объем информации за максимально короткое время.

Многомашинная вычислительная система

Архитектура с параллельными процессорами

Подобная система работает под управлением одного УУ, взаимодействующего с несколькими АЛУ. Подобный принцип позволяет обрабатывать большой объем информации в одном потоке. Актуален данный принцип только при выполнении однотипных задач с различным набором данных.

В настоящее время встречаются более сложные архитектурные решения, а также вариации ПК, в которых применяется несколько классических архитектурных принципов.

Читайте также: