1. История развития вычислительной техники

В середине 20 века научные и технические достижения вызвали необходимость вычисления такого объема работ, что справиться с ними имевшимися счетными машинами было практически невозможно. Потребность вычислений привела к созданию в 40-50 х гг вычислительных цифровых машин. Идея создания автоматического цифрового устройства была предложена английским математиком Чарльзом Бэббиджем в 1833 г, спустя более 100 лет в Германии в 1942 г, в Америке – в 1944 г эта идея была почти реализована. Эти ВМ работали на электро-магнитном реле с управлением от перфокарты. Идея программного управления вычислительным процессом была сформулирована американским математиком Джоном фон Нейманом в 1945 г. Он сформулировал 2 основных принципа, которые обеспечивают полную автоматизацию выч. процесса:

1. Программное управление

2. Хранимая в памяти программа

В 1953 г на Неймановсих принципах были построены машины – в СССР 1ая электронная вычислительная машина – МЭСМ (малая электро-счетная машина), S=300 м². В 1953 г – БЭСМ (8000 операций в сек). На протяжении 50 лет поколение ЭВМ развивается и сменяется. Появление новых поколений вызывается непрерывным расширением областей применения, которые требуют более быстрых, надежных, дешевых машин. Поколение ЭВМ определяется совокупностью особенностей и характеристик элементной базы и реализуемой в ВМ архитектуры.

1 поколение: ламповые ВМ (в качестве компонентов логических схем – лампы). В России: Стрела, Минск-1 (в РГРТУ), Урал, М-20. Эти машины потребляли большую мощность, имели большие габариты, маленькую емкость оперативной памяти, невысокое быстродействие и невысокую надежность. Их использовали исключительно для выполнения научно-технических задач.

2 поколение: конец 50х, ВМ, выполненные на полупроводниковых приборах: Мир, Наири (малые машины, 10 тыс операций в сек, 2 письменных стола вместе) и Минск-32, БЭСМ – 4 (средний класс, шкафы, 30 тыс. операций в сек). Такие машины потребляли меньшую мощность, имели меньшие габариты, большую надежность и быстродействие. В это же время у нас создана БЭСМ – 6, выполняющая 1 млн операций в секунду. Машины 2го поколения применялись в системах обработки данных.

3 поколение: ЭВМ на интегральных схемах. Появились во 2ой половине 60х. Выпускались IBM – 360. Эта система использовала такую логическую организацию, которая оказала влияние на развитие вычислительной техники во всех странах. В машинах 3го поколения большое внимание уделялось уменьшению трудоемкости подготовки программ, повышению эффективности использования аппаратных средств. Это достигается путем использования операционной системы и системы программирования.

4 поколение: на больших и сверхбольших ИС: микропроцессоры и создание на их основе микро ЭВМ и ПК, создаются многопроцессорные суперкомпьютеры.

Структурная схема ЭВМ:

ОП

УВв

АЛУ

Увыв

УУ

ЭВМ содержит следующие устройства:

-арифметико-логическое

-устройство управления

-ввода

-вывода

-оперативная память

АЛУ- выполняет арифметические и логические операции над поступающими в него машинными словами (двоичный код определенной длины). Эти двоичные коды представляют собой числа, либо какой другой вид информации.

УУ – автоматически управляет вычислительным процессом, посылая всем устройствам управляющие сигналы в определенной последовательности. Эти управляющие сигналы приписывают устройствам ЭВМ те или иные действия. УУ указывает ОП какие ячейки должны быть прочитаны. Затем обеспечивает передачу считанных слов в АЛУ и коммутирует АЛУ на выполнение требуемой операции. УУ интерпретирует алгоритм решения задачи в виде последовательности управляющих сигналов. Алгоритмы решения задачи – последовательность арифметических и логических операций над исходными данными и промежуточными результатами, которые требуется выполнить для решения поставленной задачи.

ОП – предназначена для хранения программ, исходных данных, промежуточных и конечных результатов. Память состоит из 2х существенно отличающихся частей – это быстродействующая (основная, оперативная, ОЗУ, ЗУПВ, RAM) и медленнодействующая, но имеющая большие объемы – внешняя память или ВЗУ (накопители). ОП состоит из ячеек памяти. Каждая ячейка состоит из запоминающих элементов и способна сохранять одно машинное слово. Все ячейки пронумерованы и этот номер – её адрес. В ВМ – адресный способ обращения к памяти. К ячейке можно обратиться только указав её адрес. ОП выполняет 2 операции – чтение и запись. При чтении содержимое адресуемой ячейки памяти остается неизменным и может использоваться в других операциях. При записи двоичный код записывается в адресуемую ячейку, причем предыдущее содержимое ячейки памяти стирается. Взаимодействие ОП с ВЗУ выполняется периодически. Причем данные обмениваются блоками.

Машинная программа - алгоритм, представленный в форме воспринимаемой ЭВМ.

Программа состоит из отдельных команд. Каждая команда предписывает определенные действия и указывает над какими операндами это действие выполняется.

Программа – последовательность машинных команд, обеспечивая решение поставленной задачи.

Команда содержит 2 основных поля: операции и операнда.

Поле операции задает выполняемые действия. А операнда – данные, участвующие в этом действии. Реализуется принцип программного управления.

Принцип хранимой в памяти программы требует, чтобы каждая команда была закодирована двоичным кодом и хранилась в памяти наравне с исходными данными. Следовательно, содержимое полей должно быть закодировано.

Таким образом, в машинной команде в поле операции размещен код используемой операции, а в поле операнда – адрес его хранения в ОП. Команда может иметь не один, а несколько адресов. Наиболее естественный формат команды – с 3мя адресами.

КОп

А1

А2

А3

А1,А2 – адреса 1го и 2го операнда. А3 – адрес-результат.

Двухадресный формат:

КОп

А1

А2

Одноадресный формат:

Коп

А1

сумматор

аккумулятор

2ой операнд с помощью специальных команд должен быть предварительно прочитан и размещен в некотором фиксированном регистре АЛУ

А-регистр (основной регистр любого микропроцессора)

(

Одна из основных проблем, возникающих при разработке цифровых схем ВМ – поиск компромисса между скоростью работы процессора и универсальными возможностями, которые он предоставляет. Микропроцессорные системы общего назначения (пентиум) – способны выполнять любой алгоритм, который запрограммирован с помощью системы команд этого процессора. Однако, скорость выполнения этого алгоритма нельзя сравнить со специализированным микроконтроллером, выполняющим ту же задачу. Такой микроконтроллер предназначен для выполнения одного единственного приложения. Микроконтроллер выполняет только нужные функции для выполнения необходимой задачи. Существуют микроконтроллеры меньшие по размерам, дешевле, быстрее, чем универсальные программируемые микропроцессоры.

Современный разработчик сложных цифровых схем и микроконтроллеров стоит перед проблемой сжатых сроков разработки, жесткого графика выпуска продукции и проблемой ценовой конкуренции.

При разработке цифровых схем очень большое время уходит на отладку и тестирование создаваемых устройств, причем вносить в разработку изменения крайне сложно. Проще выбросить и создавать сначала новое. Это приводит к тому, что разрабатываемые устройства уже морально стареют еще при проектировании. Трудности проектирования привели к созданию ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы). Такая микросхема состоит из матрицы, конфигурируемых пользователям логических модулей. Эти модули расположены в строках и столбцах, соединенные в каналах в межсоединении. Межсоединения могут быть запрограммированы и могут образовывать конкретную цифровую схему. Сразу после включения питания происходит загрузка зашивки межсоединений из внешнего ПЗУ. Таким образом, разработка схемы заключается в составлении программы межсоединений, загружаемых с ПЗУ, а изменения схемы состоят в изменении программы в ПЗУ (перепрограммированное ПЗУ – флешка), либо замены обычного ПЗУ.

Для создания схем используются специальные схемотехничные редакторы (ViewLogic, Foundation, ORCAD). Ведущие фирмы по созданию ПЛИС – Xilinx, Altera, Actel.

ПЛИС фирмы Xilinx

Программируемые схемы отличаются степенью интеграции

FPGA – поле массивов программируемых соединений или устройства с программируемой внутренней логикой.

CPLD – устройства с комплексной программируемой логикой.

Приведенная схема характерна для компьютеров 1 и 2 поколений. Особенностью машин этого типа является небольшая номенклатура устройств ввода/вывода, ВЗУ, уникальное подключение к ВМ.

Машина рождалась и умирала с одним и тем же набором периферийных устройств. Подключение других устройств требовало существенных доработок в структуре самой машины. Номенклатура периферийных устройств расширялась. Однако, их подключение к ВМ было почти невозможно. Вторым недостатком является то, что при выполнении операций, связанных с вводом/выводом данных, процессор не выполняет никакой полезной работы, потому что сам процессор управляет устройством ввода/вывода. Учитывая низкие скорости работы периферийных устройств - общая эффективность ЭВМ существенно снижается.