История развития ЭВМ

Лекция №2 История развития ЭВМ Людям всегда была свойственна потребность в выражении и запоминании информации об окружающем их мире – так появилась устная речь, письменность, книгопечатание, живопись, фотография, радио, телевидение... Начиная с последней трети XX в. стали говорить об «информационном взрыве», называя этими словами бурный рост объемов и потоков информации. Он произошел на фоне традиционных методов обработки информации с помощью бумаги и ручки, что привело к информационному кризису. Возникло противоречие между быстро возрастающими объемами и потоками информации, потребностями общества в ее обработке для повышения уровня производства и жизни и ограниченными возможностями человека, использующего при работе с информацией традиционные средства. Это противоречие стало негативно сказываться на темпах экономического развития и научно-технического прогресса. Начался постепенный переход к информационному обществу, в котором на основе овладения информацией о самых различных процессах и явлениях можно эффективно и оптимально строить любую деятельность. Важно, что в информационном обществе повышается качество не только потребления, но и производства. Человек, использующий новые информационные технологии, имеет гораздо лучшие условия труда, труд становится творческим и интеллектуальным. Важное место в этом процессе заняла новая научная дисциплина – кибернетика – наука об управлении и связи в живом организме, машине, обществе; наука, центральным понятием которой является информация. Кибернетика породила новый системно-информационный взгляд на природу. В качестве средства для хранения переработки и передачи информации научно-технический прогресс предложил обществу компьютер (электронно-вычислительную машину, ЭВМ). А в качестве критериев развитости информационного общества можно взять три: наличие компьютеров, существование развитого рынка программного обеспечения и функционирование компьютерных информационных сетей. Причем важно наличие таких компьютеров, которые были бы надежны, недороги, с богатыми аппаратными и программными возможностями. Именно к таким компьютерам наиболее приблизились последние модели ЭВМ. Но вычислительная техника не сразу достигла такого уровня. В ее развитии отмечают предысторию и четыре поколения ЭВМ. Предыстория начинается с глубокой древности, с различных счет, а первая счетная машина появилась лишь в 1642 г. Ее изобрел французский математик, физик, философ и богослов Блез Паскаль. Построенная на основе зубчатых колес, она могла суммировать десятичные числа. Все четыре арифметических действия выполняла машина, созданная в 1673 г. немецким математиком и философом Готфридом Вильгельмом Лейбницем. Она стала прототипом арифмометров, использовавшихся с 1820 г. до 60-х гг. XX в. Наряду с устройствами, предназначенными для вычислений, развивались и механизмы для автоматической работы по заданной программе (музыкальные автоматы, шарманки, часы с боем и т. п.). В шарманку, например, помещали диски с расположенными по-разному штырьками – в зависимости от их расположения звучала та или иная мелодия. В ткацком станке Жаккарда узор ткани задавался с помощью дырочек в тонких картонных картах (перфокартах). Для смены узора достаточно было по-другому пробить дырочки в перфокарте. Впервые соединил идею механической арифметической машины Лейбница с идеей программного управления английский математик Чарльз Беббидж в 1822 г. Он разработал проект программно-управляемой счетной машины, названной им «аналитической», которая имела арифметическое устройство, устройства управления, ввода и печати (использовалась десятичная система счисления). В машине была предусмотрена память для хранения 1000 чисел по 50 десятичных знаков; арифметические операции выполнялись в соответствии с программой, записанной на жаккардовых перфокартах. В программе можно было задавать автоматическое повторение группы арифметических операций, а также выполнение группы операции только при определенном условии. К сожалению, этот проект опережал технические возможности своего времени и не был реализован. Лишь в 1941 г. ученому Конаду Цузе удалось создать программируемую цифровую счетную машину, причем на основе электромеханических реле, которые могут пребывать в одном из двух устойчивых состояний: «включено» и «выключено». Это технически гораздо проще, чем пытаться реализовать десять различных состояний, то есть опираться на обработку информации на основе десятичной, а не двоичной системы счисления. Но работы Цузе так и не были опубликованы. В США в 1943 г. на предприятии фирмы IBM американец Говард Эйкен создал первую программно-управляемую аналитическую машину «МАРК-1», позволявшую проводить вычисления в сотни раз быстрее, чем вручную (с помощью арифмометра) и реально использовавшуюся для военных расчётов. Однако электромеханические реле работали весьма медленно и недостаточно надежно, поэтому, начиная с 1943 г., в США группа специалистов Пенсильванского университета под руководством Джона П. Эккерта и Джона У. Моукли начала конструировать компьютер ENIAC (The Electronic Numerical Integrator and Calculator) на основе электронных ламп. Созданный ими компьютер работал в тысячу раз быстрее, чем «МАРК-1». Однако обнаружилось, что большую часть времени этот компьютер простаивал – ведь для задания метода расчётов (программы) в этом компьютере приходилось в течение нескольких часов или даже дней подсоединять нужным образом провода. Сам расчёт после этого мог занять всего лишь несколько минут или даже секунд. Для упрощения и ускорения процесса задания программ Моукли и Экерт сконструировали новый компьютер, который мог хранить программу в своей памяти. В 1945 г. к работе был привлечен математик Джон фон Нейман. Он сформулировал общие принципы функционирования компьютеров как универсальных вычислительных устройств. Первый компьютер, в котором были воплощены эти принципы, был построен в 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом. В середине 40 гг. XX в. произошел коренной переворот в вычислительной технике – появились вычислительные машины, в которых применялись уже не электромеханические, а электронные элементы. Предпосылкой послужило изобретение триггеров, способных реализовывать принцип двоичной системы счисления. Первая в Европе ЭВМ была создана в СССР в 1951 г. под руководством академика С.А. Лебедева и называлась МЭСМ (Малая Электронная Счетная Машина). После появления транзисторов наиболее трудоемкой операцией при производстве компьютеров было соединение и спайка транзисторов для создания электронных схем. Но в 1959 г. Роберт Нойс (будущий основатель фирмы Intel) изобрел способ, позволяющий создавать на одной пластине кремния транзисторы и все необходимые соединения между ними. Полученные электронные схемы стали называться интегральными схемами или чипами. В 1968 г. фирма Burrougrhs выпустила первый компьютер на интегральных схемах, а в 1970 г. фирма Intel начала продавать интегральные схемы памяти. Историю развития ЭВМ принято разделять на поколения. Точной даты смены поколений вычислительных машин сегодня установить невозможно, поскольку черты каждого следующего поколения развивались в недрах предыдущего. ЭВМ первого поколения (конец 50-х – начало 60-х гг.) – это ламповые машины, используемые для решения научно-технических и инженерных задач, требующих значительного объема вычислений. Быстродействие этих машин составляло сотни и тысячи операций в секунду, их обслуживали десятки инженеров и программистов-математиков. Ламповые машины потребляли значительное количество электроэнергии, для них требовались большие помещения. Безотказная работа этих машин исчислялась часами, а иногда лишь десятками минут. Элементной базой ЭВМ второго поколения (начало 60 гг.) были полупроводниковые приборы: транзисторы, диоды и пр. Безотказная работа увеличилась до нескольких сотен часов. Производительность составляла десятки и сотни тысяч операций в секунду. ЭВМ третьего поколения (конец 60-х – начало 70-х гг.) характеризовались применением электронных микросхем с относительно низкой степенью интеграции активных элементов (до нескольких десятков в одной микросхеме). Благодаря значительному уменьшению количества паек, отрицательно влияющих на надежность электронных устройств, а также применению автоматизированной технологии изготовления, среднее время безотказной работы ЭВМ возросло до нескольких тысяч часов. Быстродействие машин увеличилось до нескольких сотен тысяч операций в секунду. Первая ЭВМ на интегральных схемах, содержащая более 500 схем малой интеграции, была изготовлена в 1961 г. В 1962 г. была выпущена первая серийная ЭВМ третьего поколения. Первенство в разработке подобных машин, начиная с ЭВМ модели ЮМ-360, принадлежало одной из самых известных в мире фирм-производителей вычислительной техники – американской IBM (International Business Machines Corporation). Помимо значительного улучшения основных параметров ЭВМ, третье поколение характеризовалось дальнейшим расширением области применения и существенным упрощением процедуры общения оператора с вычислительной машиной. ЭВМ четвертого поколения (середина 70-х гг. и по настоящее время) имеют в качестве элементной базы большие интегральные схемы (БИС) со степенью интеграции от 100 до 1000 активных элементов на одну микросхему и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС). Произошло дальнейшее упрощение взаимодействия человека с ЭВМ за счет совершенствования языков программирования. Применение БИС и СБИС позволило реализовать некоторые функции программ аппаратными средствами, что способствовало значительному ускорению процесса вычислений. В рамках четвертого поколения были разработаны такие широко известные средства вычислительной техники, как микрокалькуляторы. К ЭВМ пятого поколения принято относить те вычислительные машины, которые, по сравнению с предыдущими поколениями, обладают качественно новыми способами взаимодействия пользователя ЭВМ с помощью речевых сообщений и графических изображений, способностью вычислительных систем к самообучению, логической и ассоциативной обработке информации, диалогом с пользователем в форме вопросов и ответов; способностью системы «понимать» содержимое баз данных, которые при этом превращаются в «базы знаний», и использовать их при решении задач. Быстродействие ЭВМ пятого поколения – несколько миллиардов операций в секунду. Появление персональных компьютеров В августе 1981 г. компания IBM стала выпускать компьютеры, называемые аббревиатурой IBM PC. С того времени название, данное этой компанией для своего электронного устройства (PC – Personal Computer, Персональный Компьютер, ПК) начинает прочно закрепляться в научно-технической литературе. Основным отличием ПК от известных высокопроизводительных ЭВМ того времени стала возможность индивидуального взаимодействия научно-технических работников со средствами вычислительной техники. В дальнейшем появилась возможность приобретения IBM PC по доступной цене для персонального использования во всех сферах человеческой деятельности. Основной предпосылкой для создания персональных компьютеров явилось изобретение интегральных схем. Благодаря развитию технологии производства интегральных схем, количество транзисторов, размещаемых в них, постоянно увеличивалось. Вначале микропроцессоры использовались в различных специализированных устройствах, например, калькуляторах. В 1970 г. был сделан знаменательный шаг на пути к персональному компьютеру – фирма Intel сконструировала интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большого компьютера. Так появился первый микропроцессор Intel-4004, который был выпущен в продажу в 1971 г. Это был настоящий прорыв, так как микропроцессор Intel-4004 размером менее 3 см был производительнее гигантской машины ENIAC. Правда, возможности Intel-4004 были куда скромнее, чем у центрального процессора больших компьютеров того времени, так как он работал гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации за один такт со скоростью 60 000 операций в секунду (процессоры больших компьютеров обрабатывали 16 или 32 бита одновременно), но и стоил он в десятки тысяч раз дешевле. В 1973 г. фирма Intel выпустила 8-битовый микропроцессор Intel-8008. Он требовал, по меньшей мере, 20 микросхем поддержки, зато мог выполнять 45 команд со скоростью 300 000 операций в секунду и адресовать 16 кбайт памяти. В 1974 г. появилась усовершенствованная версия Intel-8080 (отечественный аналог – микропроцессорный комплект КР580), которая до конца 70-х годов стала стандартом для микрокомпьютерной индустрии. С точки зрения аппаратуры он был гораздо проще и в применении: требовал лишь 6 микросхем поддержки, выполнял 75 команд, обладал в десять раз большим быстродействием по сравнению с 8008, адресовал 64 кбайт памяти. В начале 1975 г. появился первый коммерчески распространяемый персональный компьютер Альтаир-8800 на основе микропроцессора Intel-8080. Хотя возможности его были весьма ограничены (оперативная память составляла всего 256 байт, клавиатура и экран отсутствовали), его появление было встречено с большим энтузиазмом: в первые же месяцы было продано несколько тысяч комплектов машин. Покупатели снабжали этот ПК дополнительными устройствами: монитором для вывода информации, клавиатурой, блоками расширения памяти и т. д. Вскоре эти устройства стали выпускаться другими фирмами. В конце 1975 г. Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Microsoft) создали для компьютера «Альтаир» интерпретатор языка Basic, что позволило пользователям достаточно просто общаться с компьютером и легко писать для него программы. Это также способствовало популярности персональных компьютеров. Наиболее распространёнными в мире персональными ЭВМ являются IBM-совместимые компьютеры. Открытая архитектура IBM PC. Если бы IBM PC был сделан так же, как другие существовавшие во время его появления компьютеры, он бы устарел через два-три года. Однако с компьютерами IBM PC получилось по-другому. Фирма IBM не сделала свой компьютер единым неразъемным устройством и не стала защищать его конструкцию патентами. Наоборот, она собрала компьютер из независимо изготовленных частей и не стала держать спецификации этих частей и способы их соединения в секрете. Принципы конструкции IBM PC были доступны всем желающим. Этот подход, называемый принципом открытой архитектуры, обеспечил потрясающий успех компьютеру IBM PC, хотя и лишил фирму IBM возможности единолично пользоваться плодами этого успеха. Именно открытость архитектуры IBM PC повлияла на развитие ПК. Идея открытой архитектуры пришлась по вкусу многим фирмам, которые стали выпускать дополнительные платы и отдельные элементы ЭВМ, быстро улучшая исходную модель ПК. Существует и другое направление развития персональных ЭВМ, к которому относятся компьютеры, выпускаемые фирмой Apple Computer и образующее ряд ПК – Macintosh. Несмотря на то, что количество ежегодно выпускаемой продукции фирмы Apple Computer значительно уступает объему производства IBM-совместимых компьютеров, в США ПК Macintosh является одним из самых популярных. Принцип работы компьютера При рассмотрении ЭВМ как средства обработки информации важную роль играют понятие архитектуры ЭВМ, классификация ЭВМ, структура и принципы функционирования ЭВМ, а также основные характеристики вычислительной техник. Понятие архитектуры ЭВМ С середины 60-х годов существенно изменился 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. Архитектура ЭВМ охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих множество факторов. Среди этих факторов важнейшими 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. 1.3. Рис. 1.3. Основные компоненты архитектуры ЭВМ 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 правил их взаимодействия. Она регламентирует не все связи, а наиболее важные, которые должны быть известны для более грамотного использования данного средства. Так, пользователю ЭВМ безразлично, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемно или программно реализуются команды и т. д. Важно другое: как те или иные структурные особенности ЭВМ связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю, какие альтернативы реализованы при создании машины и по каким критериям принимались решения, как связаны между собой характеристики отдельных устройств, входящих в состав ЭВМ, и какое влияние они оказывают на общие характеристики машины. Иными словами, архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, относящихся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения. Классификация ЭВМ Чтобы судить о возможностях ЭВМ, их принято разделять на группы по определенным признакам, т.е. классифицировать. Сравнительно недавно классифицировать ЭВМ по различным признакам не составляло большого труда. Важно было только определить признак классификации, например: по назначению, по габаритам, по производительности, по стоимости, по элементной базе и т. д. С развитием технологии производства ЭВМ классифицировать их стало все более затруднительно, ибо стирались грани между такими важными характеристиками, как производительность, емкость внутренней и внешней памяти, габариты, вес, энергопотребление и др. Например, персональный компьютер, для размещения которого достаточно стола, имеет практически такие же возможности и технические характеристики, что и достаточно совершенная в недавнем прошлом ЭВМ Единой системы (ЕС), занимающая машинный зал в сотни квадратных метров. Поэтому разделение ЭВМ по названным признакам нельзя воспринимать как классификацию по техническим параметрам. Это, скорее, эвристический подход, где большой вес имеет предполагаемая сфера применения компьютеров. С этой точки зрения классификацию вычислительных машин по таким показателям, как габариты и производительность, можно представить следующим образом: • сверхпроизводительные ЭВМ и системы (супер-ЭВМ); • большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения); • средние ЭВМ; • малые или мини-ЭВМ; • микро-ЭВМ; • персональные компьютеры; • микропроцессоры. Отметим, что понятия «большие», «средние» и «малые» для отечественных ЭВМ весьма условны и не соответствуют подобным категориям зарубежных ЭВМ. Исторически первыми появились большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения), элементная база которых прошла путь от электронных ламп до схем со сверхвысокой степенью интеграции. В процессе эволюционного развития больших ЭВМ можно выделить отдельные периоды, связываемые с пятью поколениями ЭВМ. Поколение ЭВМ определяется элементной базой (лампы, полупроводники, микросхемы различной степени интеграции), архитектурой и вычислительными возможностями. Основное назначение больших ЭВМ – выполнение работ, связанных с обработкой и хранением больших объемов информации, проведением сложных расчетов и исследований в ходе решения вычислительных и информационно-логических задач. Такими машинами, как правило, оснащаются вычислительные центры, используемые совместно несколькими организациями. Большие машины составляли основу парка вычислительной техники до середины 70-х годов и успешно эксплуатируются поныне. К ним относятся большинство моделей фирмы IBM (семейства 360,370,390) и их отечественные аналоги ЕС ЭВМ. В настоящее время высказываются полярные мнения о перспективах развития больших машин. Согласно одному из них, возможности больших машин полностью перекрываются, с одной стороны, супер-ЭВМ, а с другой – мини-ЭВМ и, выработав свой ресурс, этот класс прекратит свое существование. Другая сторона убеждает в необходимости развития универсальных больших и супер-ЭВМ, которые обладают способностью работать одновременно с большим количеством пользователей, создавать гигантские базы данных и обеспечивать эффективную вычислительную работу. К этому следует добавить, что большие ЭВМ обеспечивают устойчивость вычислительного процесса, безопасность информации и низкую стоимость ее обработки. Производительность больших ЭВМ порой оказывается недостаточной для ряда приложений, например, таких как прогнозирование метеообстановки, ядерная энергетика, оборона и т. д. Эти обстоятельства стимулировали создание сверхбольших или суперЭВМ. Такие машины обладают колоссальным быстродействием в миллиарды операций в секунду, основанном на выполнении параллельных вычислений и использовании многоуровневой иерархической структуры ЗУ(запоминающих устройств), требуют для своего размещения специальных помещений и крайне сложны в эксплуатации. Стоимость отдельной ЭВМ такого класса достигает десятков миллионов долларов. Представители этого класса ЭВМ – компьютеры фирм Cray Research, Control Data Corporation (CDC) и отечественные супер-ЭВМ семейства Эльбрус. Средние ЭВМ представляют некоторый интерес в историческом плане. На определенном этапе развития ЭВМ, когда их номенклатура и, соответственно, возможности были ограниченными, появление средних машин было закономерным. Вычислительные машины этого класса обладают несколько меньшими возможностями, чем большие ЭВМ, но зато им присуща и более низкая стоимость. Они предназначены для использования всюду, где приходится постоянно обрабатывать достаточно большие объемы информации с приемлемыми временными затратами. В настоящее время трудно определить четкую грань между средними ЭВМ и большими с одной стороны и малыми – с другой. К средним могут быть отнесены некоторые модели ЕС ЭВМ, например: ЕС-1036, ЕС-1130, ЕС-1120. За рубежом средние ЭВМ выпускают фирмы IBM (International Business Machinary), DEC (Digital Equipment Corporation), Hewlett Packard, COMPAREX и др. Малые ЭВМ составляют самый многочисленный и быстроразвивающийся класс ЭВМ. Их популярность объясняется малыми размерами, низкой стоимостью (по сравнению с большими и средними ЭВМ) и универсальными возможностями. Класс мини-ЭВМ появился в 60-е годы (12-разрядная ЭВМ PD5-5 фирмы DEC). Их появление было обусловлено развитием элементной базы и избыточностью ресурсов больших и средних ЭВМ для ряда приложений. Для мини-ЭВМ характерно представление данных с узким диапазоном значений (машинное слово – 2 байта), использование принципа магистральности в архитектуре и более простое взаимодействие человека и ЭВМ. Такие машины широко применяются для управления сложными видами оборудования, создания систем автоматизированного проектирования и гибких производственных систем. К мини-ЭВМ относятся машины серии PDP (затем VAX) фирмы DEC и их отечественные аналоги – модели семейства малых ЭВМ (СМ ЭВМ). При переходе от схем с малой и средней степенями интеграции к интегральным микросхемам с большой и сверхбольшой степенями интеграции оказалось возможным создание на одной БИС или СБИС функционально законченного устройства обработки информации, выполняющего функции процессора. Такое устройство принято называть микропроцессором. Изобретение микропроцессора привело к появлению еще одного класса ЭВМ – микро-ЭВМ. Определяющим признаком микро-ЭВМ является наличие одного или нескольких микропроцессоров. Создание микропроцессора не только изменило центральную часть ЭВМ, но и привело к необходимости разработки малогабаритных устройств ее периферийной части. Микро-ЭВМ, благодаря малым размерам, высокой производительности, повышенной надежности и небольшой стоимости нашли широкое распространение во всех сферах народного хозяйства и оборонного комплекса. С появлением микропроцессоров и микро-ЭВМ становится возможным создание так называемых интеллектуальных терминалов, выполняющих сложные процедуры предварительной обработки информации. Успехи в развитии микропроцессоров и микро-ЭВМ привели к появлению персональных ЭВМ (ПЭВМ), предназначенных для индивидуального обслуживания пользователя и ориентированных на решение различных задач неспециалистами в области вычислительной техники. Все оборудование персональной ЭВМ размещается в пределах стола. ПЭВМ, выпускаемые в сотнях тысяч и миллионах экземпляров, вносят коренные изменения в формы использования вычислительных средств, в значительной степени расширяют масштабы их применения. Они широко используются как для поддержки различных видов профессиональной деятельности (инженерной, административной, производственной, литературной, финансовой и др.), так и в быту, например для обучения и досуга. Персональный компьютер позволяет эффективно выполнять научно-технические и финансово-экономические расчеты, организовывать базы данных, подготавливать и редактировать документы и любые другие тексты, вести делопроизводство, обрабатывать графическую информацию и т. д. Выполнение многих из указанных функций поддерживается многочисленными эффективными универсальными функциональными пакетами программ. На основе ПЭВМ создаются автоматизированные рабочие места (АРМ) для представителей разных профессий (конструкторов, технологов, административного аппарата и др.). Рынок персональных и микро-ЭВМ непрерывно расширяется за счет поставок ведущих мировых фирм: IBM, Compaq, Hewlett Packard, Apple (США), Siemens (Германия), ICL (Англия) и др. Структура и принципы функционирования ЭВМ Более чем за полвека развития вычислительных средств прогресс в аппаратной реализации ЭВМ и их технических характеристик превзошел все прогнозы, и пока не заметно снижение его темпов. Несмотря на то, что современные ЭВМ внешне не имеют ничего общего с первыми моделями, основополагающие идеи, заложенные в них и связанные с понятием алгоритма, разработанным Аланом Тьюрингом, а также архитектурной реализацией, предложенной Джоном фон Нейманом, пока не претерпели коренных изменений (за исключением систем параллельной обработки информации). Любая ЭВМ неймановской архитектуры содержит следующие основные устройства: • арифметико-логическое устройство (АЛУ); • устройство управления (УУ) • запоминающее устройство (ЗУ); • устройства ввода-вывода (УВВ); • пульт управления (ПУ). В современных ЭВМ АЛУ и УУ объединены в общее устройство, называемое центральным процессором. Обобщенная логическая структура ЭВМ представлена на рис. 1.4. Рис. 1.4. Обобщённая логическая структура ЭВМ Процессор, или микропроцессор, является основным устройством ЭВМ. Он предназначен для выполнения вычислений по хранящейся в запоминающем устройстве программе и обеспечения общего управления ЭВМ. Быстродействие ЭВМ в значительной мере определяется скоростью работы процессора. Для ее увеличения процессор использует собственную память небольшого объема, именуемую местной или сверхоперативной, что в некоторых случаях исключает необходимость обращения к запоминающему устройству ЭВМ. Вычислительный процесс должен быть предварительно представлен для ЭВМ в виде программы – последовательности инструкций (команд), записанных в порядке выполнения. В процессе выполнения программы ЭВМ выбирает очередную команду, расшифровывает ее, определяет, какие действия и над какими операндами следует выполнить. Эту функцию осуществляет УУ. Оно же помещает выбранные из ЗУ операнды в АЛУ, где они и обрабатываются. Само АЛУ работает под управлением УУ. Обрабатываемые данные и выполняемая программа должны находиться в запоминающем устройстве – памяти ЭВМ, куда они вводятся через устройство ввода. Емкость памяти измеряется в величинах, кратных байту. Память представляет собой сложную структуру, построенную по иерархическому принципу, и включает в себя запоминающие устройства различных типов. Функционально она делится на две части: внутреннюю и внешнюю. Внутренняя, или основная память – это запоминающее устройство, напрямую связанное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых программ и данных, непосредственно участвующих в вычислениях. Обращение к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием, но она имеет ограниченный объем, определяемый системой адресации машины. Внутренняя память, в свою очередь, делится на оперативную (ОЗУ) и постоянную (ПЗУ) память. Оперативная память, по объему составляющая большую часть внутренней памяти, служит для приема, хранения и выдачи информации. При выключении питания ЭВМ содержимое оперативной памяти в большинстве случаев теряется. Постоянная память обеспечивает хранение и выдачу информации. В отличие от содержимого оперативной памяти, содержимое постоянной заполняется при изготовлении ЭВМ и не может быть изменено в обычных условиях эксплуатации. В постоянной памяти хранятся часто используемые (универсальные) программы, и данные, к примеру, некоторые программы операционной системы, программы тестирования оборудования ЭВМ и др. При выключении питания содержимое постоянной памяти сохраняется. Внешняя память (ВЗУ) предназначена для размещения больших объемов информации и обмена ею с оперативной памятью. Для построения внешней памяти используют энергонезависимые носители информации (диски и ленты), которые к тому же являются переносимыми. Емкость этой памяти практически не имеет ограничений, а для обращения к ней требуется больше времени, чем к внутренней. Внешние запоминающие устройства конструктивно отделены от центральных устройств ЭВМ (процессора и внутренней памяти), имеют собственное управление и выполняют запросы процессора без его непосредственного вмешательства. В качестве ВЗУ используют накопители на магнитных и оптических дисках, а также накопители на магнитных лентах. ВЗУ по принципам функционирования разделяются на устройства прямого доступа (накопители на магнитных и оптических дисках) и устройства последовательного доступа (накопители на магнитных лентах). Устройства прямого доступа обладают большим быстродействием, поэтому они являются основными внешними запоминающими устройствами, постоянно используемыми в процессе функционирования ЭВМ. Устройства последовательного доступа используются в основном для резервирования информации. Устройства ввода-вывода служат соответственно для ввода информации в ЭВМ и вывода из нее, а также для обеспечения общения пользователя с машиной. Процессы ввода-вывода протекают с использованием внутренней памяти ЭВМ. Иногда устройства ввода-вывода называют периферийными или внешними устройствами ЭВМ. К ним относятся, в частности, дисплеи (мониторы), клавиатура, манипуляторы типа «мышь», алфавитно-цифровые печатающие устройства (принтеры), графопостроители, сканеры и др. Для управления внешними устройствами (в том числе и ВЗУ) и согласования их с системным интерфейсом служат групповые устройства управления внешними устройствами, адаптеры или контроллеры. Системный интерфейс – это конструктивная часть ЭВМ, предназначенная для взаимодействия ее устройств и обмена информацией между ними. В больших, средних и супер-ЭВМ в качестве системного интерфейса используются сложные устройства, имеющие встроенные процессоры ввода-вывода, именуемые каналами. Такие устройства обеспечивают высокую скорость обмена данными между компонентами ЭВМ. Отличительной особенностью малых ЭВМ является использование в качестве системного интерфейса системных шин. Различают ЭВМ с многошинной структурой и с общей шиной. В первых для обмена информацией между устройствами используются отдельные группы шин, во втором случае все устройства ЭВМ объединяются с помощью одной группы шин, в которую входят подмножества шин для передачи данных, адреса и управляющих сигналов. При такой организации системы шин обмен информацией между процессором, памятью и периферийными устройствами выполняется по единому правилу, что упрощает взаимодействие устройств машины. Пульт управления служит для выполнения оператором ЭВМ или системным программистом системных операций в ходе управления вычислительным процессом. Кроме того, при техническом обслуживании ЭВМ за пультом управления работает инженерно-технический персонал. Пульт управления конструктивно часто выполняется вместе с центральным процессором. Основные характеристики вычислительной техники К основным характеристикам вычислительной техники относятся ее эксплуатационно-технические характеристики, такие, как быстродействие, емкость памяти, точность вычислений и др. Быстродействие ЭВМ рассматривается в двух аспектах. С одной стороны, оно характеризуется количеством элементарных операций, выполняемых центральным процессором в секунду Под элементарной операцией понимается любая простейшая операция типа сложения, пересылки, сравнения и т. д. С другой стороны, быстродействие ЭВМ существенно зависит от организации ее памяти. Время, затрачиваемое на поиск необходимой информации в памяти, заметно сказывается на быстродействии ЭВМ. В зависимости от области применения выпускаются ЭВМ с быстродействием от нескольких сотен тысяч до миллиардов операций в секунду. Для решения сложных задач возможно объединение нескольких ЭВМ в единый вычислительный комплекс с требуемым суммарным быстродействием. Наряду с быстродействием часто пользуются понятием производительность. Если первое обусловлено, главным образом, используемой в ЭВМ системой элементов, то второе связано с ее архитектурой и разновидностями решаемых задач. Даже для одно» ЭВМ такая характеристика, как быстродействие, не является величиной постоянной. В связи с этим различают: • пиковое быстродействие, определяемое тактовой частотой процессора без учета обращения к оперативной памяти; • номинальное быстродействие, определяемое с учетом времени обращения к оперативной памяти; • системное быстродействие, определяемое с учетом системных издержек на организацию вычислительной процесса; • эксплуатационное, определяемое с учетом характера решаемых задач (состав, операций или их «смеси»). Емкость, или объем памяти определяется максимальным количеством информации которое можно разместить в памяти ЭВМ. Обычно емкость памяти измеряется в байтах. Как уже отмечалось, память ЭВМ подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя, или оперативная память, по своему объему у различных классов машин различна и определяется системой адресации ЭВМ. Емкость внешней памяти из-за блочной структуры и съемных конструкций накопителей практически неограниченна. Точность вычислений зависит от количества разрядов, используемых для представления одного числа. Современные ЭВМ комплектуются 32- или 64-разрядными микропроцессорами, что вполне достаточно для обеспечения высокой точности расчетов самых разнообразных приложениях. Однако, если этого мало, можно использовать уд военную или утроенную разрядную сетку. Система команд – это перечень команд, которые способен выполнить процессор ЭВМ. Система команд устанавливает, какие конкретно операции может выполнять процессор, сколько операндов требуется указать в команде, какой вид (формат) должна имеет команда для ее распознания. Количество основных разновидностей команд невелико, с их помощью ЭВМ способны выполнять операции сложения, вычитания, умножена деления, сравнения, записи в память, передачи числа из регистра в регистр, преобразования из одной системы счисления в другую и т. д. При необходимости выполняете модификация команд, учитывающая специфику вычислений. Обычно в ЭВМ используется от десятков до сотен команд (с учетом их модификации). На современном этап развития вычислительной техники используются два основных подхода при формировании системы команд процессора. С одной стороны, это традиционный подход, свзязанный с разработкой процессоров с полным набором команд, – архитектура CIS (Complete Instruction Set Computer – компьютер с полным набором команд). С друге стороны, это реализация в ЭВМ сокращенного набора простейших, но часто употреблю емых команд, что позволяет упростить аппаратные средства процессора и повысить ei быстродействие – архитектура RISC (Reduced Instruction Set Computer – компьютер сокращенным набором команд). Стоимость ЭВМ зависит от множества факторов, в частности от быстродействия, емкости памяти, системы команд и т. д. Большое влияние на стоимость оказывает конкретная комплектация ЭВМ и, в первую очередь, внешние устройства, входящие в состав машины. Наконец, стоимость программного обеспечения ощутимо влияет на стоимость ЭВМ. Надежность ЭВМ – это способность машины сохранять свои свойства при заданных условиях эксплуатации в течение определенного промежутка времени. Количественной оценкой надежности ЭВМ, содержащей элементы, отказ которых приводит к отказу всей машины, могут служить следующие показатели: • вероятность безотказной работы за определенное время при данных условиях эксплуатации; • наработка ЭВМ на отказ; • среднее время восстановления машины и др. Для более сложных структур типа вычислительного комплекса или системы понятие «отказ» не имеет смысла. В таких системах отказы отдельных элементов приводят к некоторому снижению эффективности функционирования, а не к полной потере работоспособности в целом. Важное значение имеют и другие характеристики вычислительной техники, например: универсальность, программная совместимость, вес, габариты, энергопотребление и др. Они принимаются во внимание при оценивании конкретных сфер применения ЭВМ. Перспективы развития вычислительных средств Появление новых поколений ЭВМ обусловлено расширением сферы их применения, требующей более производительной, дешевой и надежной вычислительной техники. В настоящее время стремление к реализации новых потребительских свойств ЭВМ стимулирует работы по созданию машин пятого и последующего поколений. Вычислительные средства пятого поколения, кроме более высокой производительности и надежности при более низкой стоимости, обеспечиваемых новейшими электронными технологиями, должны удовлетворять качественно новым функциональным требованиям: • работать с базами знаний в различных предметных областях и организовывать на их основе системы искусственного интеллекта; • обеспечивать простоту применения ЭВМ путем реализации эффективных систем ввода-вывода информации голосом, диалоговой обработки информации с использованием естественных языков, устройств распознавания речи и изображения; • упрощать процесс создания программных средств путем автоматизации синтеза программ. В настоящее время ведутся интенсивные работы как по созданию ЭВМ пятого поколения традиционной (неймановской) архитектуры, так и по созданию и апробации перспективных архитектур и схемотехнических решений. На формальном и прикладном уровнях исследуются архитектуры на основе параллельных абстрактных вычислителей (матричные и клеточные процессоры, систолические структуры, однородные вычислительные структуры, нейронные сети и др.) Развитие вычислительной техники с высоким параллелизмом во многом определяется элементной базой, степенью развития параллельного программного обеспечения и методологией распараллеливания алгоритмов решаемых задач. Проблема создания эффективных систем параллельного программирования, ориентированных на высокоуровневое распараллеливание алгоритмов вычислении и обработки данных, представляется достаточно сложной и предполагает дифференцированный подход с учетом сложности распараллеливания и необходимости синхронизации процессов во времени. Наряду с развитием архитектурных и системотехнических решений ведутся работы по совершенствованию технологий производства интегральных схем и по созданию принципиально новых элементных баз, основанных на оптоэлектронных и оптических принципах. В плане создания принципиально новых архитектур вычислительных средств большое внимание уделяется проектам нейрокомпьютеров, базирующихся на понятии нейронной сети (структуры на формальных нейронах), моделирующей основные свойства реальных нейронов. В случае применения био- или оптоэлементов могут быть созданы соответственно биологические или оптические нейрокомпьютеры. Многие исследователи считают, что в следующем веке нейрокомпьютеры в значительной степени вытеснят современные ЭВМ, используемые для решения трудно формализуемых задач. Последние достижения в микроэлектронике и разработка элементной базы на основе биотехнологий дают возможность прогнозировать создание биокомпьютеров. Важным направлением развития вычислительных средств пятого и последующих поколений является интеллектуализация ЭВМ, связанная с наделением ее элементами интеллекта, интеллектуализацией интерфейса с пользователем и др. Работа в данном направлении, затрагивая, в первую очередь, программное обеспечение, потребует и создания ЭВМ определенной архитектуры, используемых в системах управления базами знаний, – компьютеров баз знаний, а так же других подклассов ЭВМ. При этом ЭВМ должна обладать способностью к обучению, производить ассоциативную обработку информации и вести интеллектуальный диалог при решении конкретных задач. В заключение отметим, что ряд названных вопросов реализован в перспективных ЭВМ пятого поколения либо находится в стадии технической проработки, другие – в стадии теоретических исследований и поисков.