7.1. Основные этапы развития вычислительной техники.
Ручной - с древних, древних времен до н.э.;
Механический - с середины XVII-го века н.э.;
Электро-механический - с 90-х годов XIX-го века;
Электронный - с 40-х годов XX-го века.
Рассмотрим основные моменты каждого из этапов.
простейшее приспособление для счета: доска, разделенная на полосы, где перемещались камешки или кости. Такая счетная дощечка называлась абак и использовалась для ручного счета. Абак позволял лишь запоминать результат, а все арифметические действия должен был выполнять человек.
Блез Паскаль (французский математик, физик, религиозный философ и писатель) в 1642 г. изобрел механическую счетную машину, выполнявшую сложение, а в 1674 г. Готфрид Лейбниц расширил возможности машины Паскаля, добавив операции умножения, деления и извлечения квадратного корня. Специально для своей машины Лейбниц применил систему счисления, использующую вместо привычных для человека десяти цифр две: 1 и 0. Двоичная система счислений широко используется в современных ЭВМ.
В 1834 г. Чарлз Бэббидж (Charles Babbage) первым разработал подробный проект автоматической вычислительной машины. Он так и не построил свою машину, так как в то время невозможно было достичь требуемой точности изготовления ее узлов.
Ч. Бэббидж выделял в своей машине следующие составные части:
«склад» для хранения чисел (по современной терминологии — память);
«мельницу» для производства арифметических действий (арифметическое устройство, процессор);
устройство, управляющее последовательностью выполнения операций (устройство управления);
устройства ввода и вывода данных.
В качестве источника энергии для приведения в действие механизмов машины Ч. Бэббидж предполагал использовать паровой двигатель.
Бэббидж предложил управлять своей машиной с помощью перфорированных карт, содержащих коды команд, подобно тому как использовались перфокарты в ткацких станках Жаккара. На этих картах было представлено то, что сегодня мы назвали бы программой.
Идеи Бэббиджа заложили фундамент, на котором со временем были построены ЭВМ.
Первые программы для вычислительной машины Бэббиджа создавала Ада Лавлейс (Ada Lovelace) —Ада Лавлейс разработала основные принципы программирования, которые остаются актуальными до настоящего момента времени
Теоретические основы современных цифровых вычислительных машин заложил английский математик Джордж Буль (1815—1864). Он разработал алгебру логики, ввел в обиход логические операторы И, ИЛИ и НЕ.
В 1888 г. Германом Холлеритом (Herman Hollerith) была сконструирована первая электромеханическая машина для сортировки и подсчета перфокарт. Эта машина, названная табулятором, содержала реле, счетчики, сортировочный ящик Успех вычислительных машин с перфокартами был феноменален. То, чем за десять лет до этого занимались 500 сотрудников в течение семи лет, Холлерит сделал с 43 помощниками на 43 вычислительных машинах за 4 недели.
Немецкий инженер Конрад Цузе (Konrad Zuse) был первым, кто успешно осуществил идею создания автоматической электромеханической вычислительной машины на основе двоичной системы счисления.
В 1941 г. Цузе сумел построить действующую модель Zuse 3, которая состояла из 600 реле счетного устройства и 2000 реле устройства памяти.
В 1944 г. (по другим источникам, в 1943 г.) в Англии было разработано полностью автоматическое вычислительное устройство Colossus II. Основным его назначением была дешифровка перехваченных сообщений военного противника.
Еще одна полностью автоматическая вычислительная машина, изобретенная профессором Гарвардского университета Говардом Айкеном (Aiken Howard, 1900—1973) при участии группы инженеров фирмы IBM, была построена в 1944 г. Она была названа ASCC (другое название Mark 1), и была электромеханической (построена на реле),
В 1937 г. в США Дж. Атанасов начал работы по созданию электронной вычислительной машины. Им были созданы и запатентованы первые электронные схемы отдельных узлов ЭВМ. Совместно с К. Берри к 1942 г. была построена электронная машина ABC (Atanasoff-Berry Computer).
Электронная вычислительная машина, разработанная Эккертом и Маучли (John W. Mauchly and J. Presper Eckert, Jr.) в США в 1946 г., была названа ENIAC. При создании этой машины Эккерт и Маучли заимствовали основные идеи у Дж. Атанасова. ENIAC была примерно в 1000 раз быстрее, чем ASCC. Она состояла из 18 тысяч электронных ламп, 1500 реле, имела вес более 30 тонн, потребляла мощность более 150 кВт.
Фотография позволяет наглядно оценить прогресс вычислительной техники. Несколько человек находятся внутри ENIAC. Современные ЭВМ уже можно разместить внутри человека.
Первоначально ENIAC программировалась путем соединения проводами соответствующих гнезд на коммутационной панели, что делало составление программы очень медленным и утомительным занятием. Американский математик и физик венгерского происхождения Джон фон Нейман (1903—1957) предложил хранить программу — последовательность команд управления ЭВМ — в памяти ЭВМ, что позволяло оперировать с программой так же, как с данными. Последующие ЭВМ строились с большим объемом памяти, с учетом того, что там будет храниться программа.
В докладе фон Неймана, посвященном описанию ЭВМ, выделено пять базовых элементов компьютера:
арифметико-логическое устройство (АЛУ);
устройство управления (УУ);
запоминающее устройство (ЗУ);
система ввода информации;
система вывода информации.
Описанную структуру ЭВМ принято называть архитектурой фон Неймана.
ЭВМ первого поколения в качестве элементной базы использовали электронные лампы и реле.
Изобретение в 1948 г. транзисторов и запоминающих устройств на магнитных сердечниках оказало глубокое воздействие на вычислительную технику. Компьютеры, построенные в середине 50-х годов ХХ в., стали называть машинами второго поколения.
Революционный прорыв в миниатюризации и повышении надежности компьютеров произошел в 1958 г., когда американский инженер Д. Килби (Jack Kilby) разработал первую интегральную микросхему. В середине 60-х годов появилось третье поколение ЭВМ, основу элементной базы которых составляли микросхемы малой и средней степени интеграции.
Другая революция в технологии изготовления ЭВМ произошла в 1971 г., когда американский инженер Маршиан Эдвард Хофф (Marcian E. Hoff) объединил основные элементы компьютера в один небольшой кремниевый чип (кристалл), который он назвал микропроцессором. Первый микропроцессор получил маркировку Intel 4004.
ЭВМ четвертого поколения строятся на интегральных микросхемах с большой степенью интеграции. На одном кристалле размещается целая микроЭВМ. Заметим, что переход от третьего поколения ЭВМ к четвертому не был революционным. Отличия коснулись не столько принципов построения ЭВМ, сколько плотности упаковки элементов в микросхемах.
Первой ПЭВМ можно считать компьютер Altair-8800, созданный в 1974 г. Э. Робертсом. Для этого компьютера П. Аллен и Б. Гейтс в 1975 г. создали транслятор с популярного языка Basic.
В 1976 г. Стивен П. Джобс и Стефан Г. Возниак удалось собрать действующий макет под названием Apple 1. В настоящее время компания с таким названием хорошо известна многим пользователям ЭВМ.
Устройство системной памяти. Адресация.
См вопр 6, 20, 23
Адресация — осуществление ссылки (обращение) к устройству или элементу данных по его адресу[1]; установление соответствия между множеством однотипных объектов и множеством их адресов; метод идентификации местоположения объекта[2].
Методы адресации
Адресное пространство
Простая — указание объекта с помощью идентификатора или числа, не имеющего внутренней структуры.
Расширенная — доступ к запоминающему устройству с адресным пространством, бо́льшим диапазона адресов, предусмотренного форматом команды.
Виртуальная — принцип, при котором каждая программа рассматривается как ограниченное непрерывное поле логической памяти, а адреса этого поля — как виртуальные адреса.
Ассоциативная — точное местоположение данных не указывается, а задаётся значение определённого поля данных, идентифицирующее эти данные.
Исполнение программ
Статическая — соответствие между виртуальными и физическими адресами устанавливается до начала и не меняется в ходе выполнения программы.
Динамическая — преобразование виртуальных адресов в физические осуществляется в процессе выполнения программы. Программа при этом не зависит от места размещения в физической памяти и может перемещаться в ней в процессе выполнения.
Кодирование адресов]
Явная (англ. explicit addressing) — адресация путём явного задания адресов в программе.
Неявная (англ. implied addressing) — один или несколько операндов или адресов операндов находятся в фиксированных для данной команды регистрах или ячейках памяти и не требуют явного указания в команде.
Абсолютная (англ. absolute addressing) — адресная часть команды содержит абсолютный адрес.
Символическая (англ. symbolic addressing) — адресная часть команды содержит символический адрес.
Вычисление адресов]
Непосредственная, прямая (англ. immediate (direct) addressing) — адресная часть команды содержит непосредственный (прямой) адрес; адресация путём указания прямых адресов.
Косвенная (англ. indirect addressing) — адресная часть команды содержит косвенный адрес; адресация посредством косвенных адресов.
Регистровая (англ. register addressing) — задание адресов операндов в регистрах.
Базисная (англ. basic addressing) — вычисление адресов в машинных командах относительно содержимого регистра, указанного в качестве базового.
Базовая (англ. base-displacement addressing) — схема вычисления исполнительного адреса, при которой этот адрес является суммой базового адреса и смещения.
Относительная (англ. relative addressing) — адресная часть команды содержит относительный адрес.
Индексная (англ. indexed addressing) — формирование исполнительного адреса осуществляется путём добавления к базовому адресу содержимого индексного регистра.
Автодекрементная, автоинкрементная (англ. autodecremental, autoincremental addressing — содержимое регистра индекса изменяется (уменьшается или увеличивается) на некоторое число.
Постдекрементная, предекрементная, постинкрементная, преинкрементная — автодекрементные и автоинкрементные адресации, при которых уменьшение/увеличение происходит после/до выборки операнда.
Стековая (англ. stack addressing) — адресация посредством регистра — указателя стека.
Самоопределяющаяся (англ. self-relative addressing) — адресная часть команды содержит самоопределяющийся адрес.
Адресация относительно счётчика команд (англ. program counter relative addressing) — адреса в команде указываются в виде разности исполнительных адресов и адреса исполняемой команды. Такой способ адресации не требует настройки ().
Способы адресации]
Подразумеваемый операнд]
В команде может не содержаться явных указаний об операнде; в этом случае операнд подразумевается и фактически задается кодом операции команды.
Подразумеваемый адрес]
В команде может не содержаться явных указаний об адресе участвующего в операции операнда или адреса, по которому должен быть размещен результат операции, но этот адрес подразумевается.
Непосредственная адресация]
В команде содержится не адрес операнда, а непосредственно сам операнд. При непосредственной адресации не требуется обращения к памяти для выборки операнда и ячейки памяти для его хранения. Это способствует уменьшению времени выполнения программы и занимаемого ею объёма памяти. Непосредственная адресация удобна для хранения различного рода констант.
Прямая адресация]
Адрес
указывается непосредственно в виде
некоторого значения, все ячейки
располагаются на одной странице.
Преимущество этого способа в том, что
он самый простой, а недостаток — в
том, что разрядность регистров общего
назначения процессора должна быть не
меньше разрядности шины
адреса процессора.
Относительная (базовая) адресация]
При этом способе адресации исполнительный адрес определяется как сумма адресного кода команды и базового адреса, как правило хранящегося в специальном регистре — регистре базы.
Относительная адресация позволяет при меньшей длине адресного кода команды обеспечить доступ к любой ячейке памяти. Для этого число разрядов в базовом регистре выбирают таким, чтобы можно было адресовать любую ячейку оперативной памяти, а адресный код команды используют для представления лишь сравнительно короткого «смещения». Смещение определяет положение операнда относительно начала массива, задаваемого базовым адресом.
Укороченная адресация]
В адресном поле командного слова содержатся только младшие разряды адресуемой ячейки. Дополнительный указательный регистр.
Адресация с регистром страницы является примером сокращённой адресации. При этом вся память разбивается на блоки-страницы. Размер страницы диктуется длиной адресного поля.
Регистровая адресация]
Регистровая адресация является частным случаем укороченной. Применяется, когда промежуточные результаты хранятся в одном из рабочих регистров центрального процессора. Поскольку регистров значительно меньше чем ячеек памяти, то небольшого адресного поля может хватить для адресации.
Косвенная адресация]
Адресный код команды в этом случае указывает адрес ячейки памяти, в которой находится адрес операнда или команды. Косвенная адресация широко используется в малых и микроЭВМ, имеющих короткое машинное слово, для преодоления ограничений короткого формата команды (совместно используются регистровая и косвенная адресация).
Адресация слов переменной длины]
Эффективность вычислительных систем, предназначенных для обработки данных, повышается, если имеется возможность выполнять операции со словами переменной длины. В этом случае в машине может быть предусмотрена адресация слов переменной длины, которая обычно реализуется путем указания в команде местоположения в памяти начала слова и его длины.
Стековая адресация]
Стековая память, реализующая безадресное задание операндов, особенно широко используется в микропроцессорах и Мини-ЭВМ.
Автоинкрементная и автодекрементная адресации]
Поскольку регистровая косвенная адресация требует предварительной загрузки регистра косвенным адресом из оперативной памяти, что связано с потерей времени, такой тип адресации особенно эффективен при обработке массива данных, если имеется механизм автоматического приращения или уменьшения содержимого регистра при каждом обращении к нему. Такой механизм называется соответственно автоинкрементной и автодекрементной адресацией. В этом случае достаточно один раз загрузить в регистр адрес первого обрабатываемого элемента массива, а затем при каждом обращении к регистру в нём будет формироваться адрес следующего элемента массива.
При автоинкрементной адресации сначала содержимое регистра используется как адрес операнда, а затем получает приращение, равное числу байт в элементе массива. При автодекрементной адресации сначала содержимое указанного в команде регистра уменьшается на число байт в элементе массива, а затем используется как адрес операнда.
Автоинкрементная и автодекрементная адресации могут рассматриваться как упрощенный вариант индексации — весьма важного механизма преобразования адресных частей команд и организации вычислительных циклов, поэтому их часто называют автоиндексацией.
Индексация]
Для реализуемых на ЭВМ методов решения математических задач и обработки данных характерна цикличность вычислительных процессов, когда одни и те же процедуры выполняются над различными операндами, упорядоченно расположенными в памяти. Поскольку операнды, обрабатываемые при повторениях цикла, имеют разные адреса, без использования индексации требовалось бы для каждого повторения составлять свою последовательность команд, отличающихся адресными частями.
Программирование циклов существенно упрощается, если после каждого выполнения цикла обеспечено автоматическое изменение в соответствующих командах их адресных частей согласно расположению в памяти обрабатываемых операндов. Такой процесс называется модификацией команд, и основан на возможности выполнения над кодами команд арифметических и логических операций.