книги из ГПНТБ / Королев, Л. Н. Структуры ЭВМ и их математическое обеспечение учебное пособие
.pdfтеория релейно-контактных схем и практика конструи рования сложных дискретных автоматов. Влияние буле вой алгебры на развитие вычислительной техники имеет огромное значение. Булева алгебра является инстру ментом разработки сложных схем, инструментом опти мизации числа логических элементов, из многих тысяч которых состоит современная электронная вычислитель ная машина.
Отцом счетно-перфорационной техники, явившейся непосредственной предшественницей современных ма шин, часто называют Холлериза, который, занимаясь в 80-х годах прошлого столетия вопросами обработки данных переписи, изобрел машину, автоматизирующую процесс обработки данных, и носитель информации — перфокарту. Эта машина явилась прообразом совре менных табуляторов и счетно-перфорационных устройств и участвовала в обработке данных переписи
1890 года.
В1896 г. Холлеризом была основана фирма по вы пуску перфокарт и счетно-перфорационных машин. Эта фирма затем была преобразована в фирму IBM, которая ныне является самым крупным поставщиком электрон ных машин во всем мире и входит в первый десяток фирм капиталистического мира.
Вконце 30-х годов нашего столетия появляются пер вые проекты электронных вычислительных машин.
В1937 г. в США в Университете штата Айова профес сор Атанасов, болгарин по национальности, начал
работу по созданию электронной вычислительной ма шины, предназначенной для решения некоторых задач математической физики. Эта машина известна под назва нием машины Атанасова — Бери. Атанасовым были разработаны и запатентованы первые электронные схемы, которые применялись при создании устройств ЭВМ. Начавшаяся вторая мировая война не позволила Ата насову и его сотрудникам полностью завершить про ект. После войны работа над проектом уже не возобнов лялась.
По-видимому, Атанасов был первым, кто обратил внимание на удобство использования двоичной системы счисления в электронных вычислительных машинах. Ма шина Атанасова — Бери состояла из электромеханиче ских блоков, осуществлявших перевод данных, представ
10
ленных в десятичном виде, в двоичный вид и обратно. Вычислитель (арифметическое устройство) работал с чис лами в двоичной системе счисления. В машине было
использовано |
около 300 ламп. |
В 1937 г. |
Говард Айткен из Гарвардского универси |
тета предложил проект большой релейной машины, со держащей 72 сумматора и 60 тумблерных регистров для набора констант. Программа работы этой машины наби ралась на коммутационных досках и переключателях. Это была очень большая электромеханическая машина, приводившаяся в действие мотором в 5 лошадиных сил. Машина была построена фирмой IBM в 1944 г. и пода рена Гарвардскому университету. Она называлась
«Марк-1».
Это, конечно, не была еще машина с хранимой, гибко изменяющейся программой, и ее значение, пожалуй, сводится к тому, что была доказана возможность строить большие машины, состоящие из многих тысяч логиче ских элементов. Машина эта была по современным поня тиям очень медленной; умножение, например, выполня лось за 3 секунды.
Первой электронной машиной принято считать ма шину ENIAC, которая была разработана Эккертом и Моучли — сотрудниками школы Мура Пенсильванского университета США. Она была построена в 1945 г. Это — ламповая машина, выполненная на электронных реле. В отличие от машины «Марк-I» ее уже можно назвать машиной с автоматическим программным управлением, хотя эта машина еще не имела внутреннего запоминаю щего устройства.
Первая машина, которая обладала всеми необхо димыми компонентами современных ЭВМ, т. е. проме жуточной внутренней памятью и хранимой программой, была английская машина EDSAC, сделанная в 1949 г.
В 1947 г. в Советском Союзе в Киеве началась разра ботка малой электронной машины МЭСМ, которая всту пила в строй в 1951 г. Эта машина была разработана под руководством академика С. А. Лебедева, с именем кото рого тесно связано все дальнейшее развитие отечествен ной вычислительной техники.
Таким образом, в начале 50-х годов начался период бурного развития вычислительной техники как у нас, так и за рубежом.
и
В 1952—1953 гг. в Советском Союзе появились про
тотипы |
первых серийных машин БЭСМ-1, «Стрела», |
М-2. В |
Америке первые серийные машины появились |
в 1951 г,— это две машины UNIVAC. Первую серийную |
|
машину |
крупнейшая фирма IBM построила в 1951 г. |
Эта машина называлась IBM-701.
Если в 1952—1953 гг. электронных машин насчиты вались десятки, то в 1965 г. их уже использовалось во
всем мире около 40 тысяч, в 1970 г.— более 100 |
ты |
|
сяч, в |
1972 г.— около 140 тысяч, а в 1973 г.— до |
168 |
тысяч. |
|
|
Эти цифры характеризуют темпы развития вычисли тельной техники за двадцать с небольшим лет ее суще ствования.
Цель настоящей книги — рассказать о структурах современных машин, об их архитектуре с тем, чтобы дать общее представление о развитии идей в области разра ботки вычислительных машин, об интересных идеях, которые возникли в этой области, и дать ряд конкретных сведений об основных параметрах некоторых современ ных отечественных и зарубежных машин.
§ 2. Принцип действия электронных машин, автоматизм их работы
В большей степени для того, чтобы ознакомиться со сложившейся терминологией, целесообразно коротко рассказать об основных узлах вычислительных машин, их назначении, связях, существующих между этими узлами, и принципе их действия.
Во всякой ЭВМ существуют следующие крупные узлы.
У с т р о й с т в о у п р а в л е н и я (УУ), которое умеет расшифровывать команды или инструкции, поступаю щие из запоминающего устройства, и управляет работой других узлов машины. В соответствии с указаниями команды устройство управления следит за соблюде нием последовательности выполнения команд, правиль ностью их исполнения, организует потоки информации внутри машины и координирует работу всех устройств
машины. |
(АУ) |
А р и ф м е т и ч е с к о е у с т р о й с т в о |
предназначено для выполнения арифметических и логи
12
ческих действий над операндами, полученными из запо минающего устройства, т. е. выполняет функции преобра зователя информации. В набор действий, которые вы полняются арифметическим устройством, обычно входят операции сложения, вычитания, умножения, деления чисел, логические операции над последовательностя ми двоичных разрядов (поразрядные логические опе рации).
Чаще всего из логических операций арифметическое устройство умеет выполнять двоичное наложение, двоич ное поразрядное сложение, двоичное умножение, сдвиг кодов, обращение кодов (отрицание) и ряд других опе раций. В современных машинах функции арифметиче ского устройства значительно расширены по сравнению с вышеприведенным перечнем. Арифметическое уст ройство может выполнять сложные процессы преобразо вания символьной информации, преобразовывать вели чины из одних типов в другие, обрабатывать разнофор матные данные переменной длины. Само арифметическое устройство у многих машин разбито на несколько авто номно функционирующих блоков, т. е. состоит из не скольких процессоров.
Несмотря на то, что основной объем по переработке информации ложится на арифметическое устройство, по объему оборудования всей машины в целом оно занимает обычно 10—20%. Эти цифры приведены для того, чтобы подчеркнуть ту мысль, что современную ЭВМ нельзя рассматривать как очень быстрый арифмометр,—это слож ная система цифровых автоматов, запоминающих уст ройств и устройств ввода-вывода, включающая в том числе и устройства, выполняющие арифметические действия.
З а п о м и н а ю щ е е у с т р о й с т в о (ЗУ), или память, хранит команды и данные. Под данными подра зумеваются числа, двоичная информация различной числовой природы, символьная информация, т. е. весь тот материал, который может служить в качестве операндов, подлежащих преобразованию. Память делится на ячейки, или слова, состоящие обычно из фиксирован ного числа двоичных разрядов. В разрядах машинного слова могут храниться числа или части чисел в различ ной форме представления, команды или части команд программы, двоичная или символьная информация.
смысл которой определяется задачей, в которой эта информация используется.
Запоминающие устройства подразделяются на внеш ние запоминающие устройства (ВЗУ) и внутреннее опе ративное запоминающее устройство (ОЗУ). Отличие со стоит ртом, что устройство управления и арифметическое устройство могут непосредственно получать и обрабаты вать информацию только из оперативной внутренней памяти. Чтобы обработать информацию, находящуюся на внешних запоминающих устройствах, надо позабо титься о том, чтобы она была предварительно передана в оперативное ЗУ. Разумеется, в любой машине есть команды, которые позволяют это сделать. Внешние запоминающие устройства по объему намного превосхо дят оперативные ЗУ. В расчете на единицу хранимой информации внешние ЗУ в тысячи и десятки тысяч раз дешевле. Но, как правило, они в сотни раз медленнее оперативных ЗУ. Чтобы добраться до одного числа, хранящегося, например, на магнитной ленте, надо затра тить в 1 000 000 раз больше времени, чем при обращении к ОЗУ. Оперативные запоминающие устройства у боль шинства машин выполнены на ферритовых сердечниках,
вряде случаев используются другие запоминающие устройства на магнитных пленках, на проволоках, по крытых магнитной пленкой, на интегральных схемах — электронные запоминающие устройства.
Вкачестве внешних запоминающих устройств ис пользуются магнитные ленты, магнитные карты, маг нитные диски, магнитные барабаны. В настоящее время
вкачестве внешних используются ЗУ, построенные на принципах голографии и считывания информации лазер ным лучом.
Электрооптические запоминающие устройства начи нают приобретать все большее значение в вычислитель ной технике, открывая принципиальные возможности достижения огромных объемов и очень высокого быстро действия. Но существует много нерешенных технологи ческих проблем, которые задерживают использование этих принципов хранения информации в серийно выпу скаемых машинах.
В в о д и ы е-вы в о д н ы е у с т р о й с т в а слу
жат источником |
внешней |
информации, попадающей |
в вычислительную |
машину. |
Они позволяют загружать |
14
запоминающее устройство машины информацией, приго товленной вне машины. С их помощью ЗУ машины начи няются программами и данными, которые подлежат обработке. Устройства вывода позволяют представить результаты работы машины в форме, пригодной для даль нейшего использования: в виде хорошо оформленных таблиц, в виде графиков, в виде изображений на телеви зионных экранах, на носителях информации, пригодных для последующего ввода в машины, и т. д.
За время существования вычислительной техники устройства ввода-вывода претерпели значительную эво люцию. Однако до сих пор они остаются наиболее мед= ленно действующими узлами ЭВМ. Основным носителем информации до сих пор остаются перфокарты. Ввод с пер фокарт связан с необходимостью их механического пере мещения под считывающими элементами устройства ввода. Несмотря на то, что в современных устройствах ввода используется фотосчитывание, максимальное быст родействие устройств достигает порядка 2000 карт в ми нуту. Сравнительно с производительностью электронных узлов машины это очень медленный темп ввода. Скорость электроники возросла за время существования машин
внесколько тысяч раз, в то время как быстродействие вводных устройств — всего лишь в 10—15 раз. Гораздо большую эволюцию претерпели устройства вывода. Если в первых машинах вывод информации осущест влялся главным образом на медленные цифропечатаю щие устройства или перфокарты и перфоленту, то сейчас
внаборе выводных устройств появилось большое разно образие графопостроителей (плоттеров), широкоформат ных буквенно-цифровых печатающих устройств, электро печатающих пишущих машинок, устройств вывода на
электронно-лучевые трубки, на большие индикационные экраны и т. п. Вводное-выводное оборудование, так назы ваемая периферия, по объему и стоимости оборудования в настоящее время превышает объем и стоимость элект ронных узлов центрального процессора.
Обычно устройство управления, арифметическое уст ройство и оперативное запоминающее устройство назы вают центральным процессором. Остальные устройства машины называют внешними устройствами или перифе рийным оборудованием.
!5
У с т р о й с т в а п о д г о т о в к и д а н н ы х вхо дят в комплект любой современной машины, хотя, как правило, они работают независимо от машины и никак
сней не связаны. Для того чтобы поместить необходимую информацию в память машины, она должна в том или ином виде быть представлена на носителях, информацию
скоторых машина может воспринять. К таким носите лям информации относятся перфокарты, перфоленты, магнитные ленты и магнитные карты. Наибольшее рас пространение получили устройства подготовки на перфо картах и перфолентах — перфораторы.
Внастоящее время получают все большее распростра нение устройства ввода с бланков. Необходимый для ввода материал наносится в виде штрихов или стилизо ванных цифр в определенных позициях бланка. Спе циальные вводные устройства затем считывают эту ин формацию и передают в закодированном виде машине. Для того чтобы записать информацию на такого рода бланках, не требуется сравнительно дорогих перфори рующих устройств. Штрихи или цифры наносятся вруч ную карандашом или специальными магнитными черни лами. Эта работа может быть выполнена в цеху, на диспетчерском пункте, на любом рабочем месте. Такого рода способ подготовки информации очень важен в тех случаях, когда речь идет об автоматизированных систе мах управления производством, складском учете, конт роле готовой продукции.
П о т о к и и н ф о р м а ц и и |
в н у т р и м а ш и- |
н ы. Как же происходит движение |
информации при ис |
пользовании машины?
Грубая схема такова. Математик-программист гото
вит программу и данные, которые |
он записывает на |
||
бланках, |
специально |
для этого предназначенных. Эти |
|
данные |
он передает |
в перфораторную для пробивки |
|
(перфорации). Операторы переносят |
эту информацию |
||
с помощью устройств |
подготовки данных на машинные |
||
носители — перфокарты или перфоленты. Колоды пер фокарт или рулоны перфолент передаются в машин ный зал, и операторы машинного зала вводят инфор мацию в запоминающее устройство машины. Таким об разом, исходная информация, записанная первоначально пером иа бумаге, после ряда преобразований оказы вается в памяти машины, в ячейках ее ЗУ.
16
Если тем или иным способом устройству управления указать, с какой ячейки памяти, с какого адреса начать выполнять программу, и пустить машину, процесс вы числений и обработки данных пойдет полностью авто матически.
Устройство управления выберет из ЗУ первую ука занную команду, расшифрует указания, содержащиеся в этой команде, заставит устройства машины выполнить эти указания и перейдет автоматически к выполнению следующей команды.
Этот процесс последовательной выборки и выполне ния команд будет продолжаться до тех пор, пока не поя вится команда, указывающая на необходимость прервать последовательное выполнение команд и перейти к вы полнению новой последовательности по указанному в команде адресу, или до тех пор, пока не появится команда, говорящая о том, что надо прекратить вычис ления.
Команды условного и безусловного перехода, суще ствующие в любой машине, как раз и являются теми командами, которые нарушают последовательность в вы полнении команд и превращают электронную машину в гибкий инструмент для решения логических задач. Путь дальнейшей обработки определяется результатами вычислений или ситуацией, возникшей внутри или вне машины.
Как мы увидим далее, хотя в современных машинах можно проследить вышеописанную схему движения ин формации от человека к машине, характер взаимоотно шений «человек — машина» претерпел столь большую эволюцию, что эту схему скорее следует рассматривать как разъясняющий пример, нежели как картину, отве чающую действительности.
Эгапы этой эволюции: от прямого использования ЭВМ одним математиком-программистом (в распоряже ние которого предоставлены все ресурсы машины) — через мультипрограммирование (когда математик-про граммист полностью отстранен от машины) — к системам разделения времени и разговорному режиму (когда много математиков-программистов, сидя за своими ин дивидуальными пультами, управляют ходом решения своих задач независимо друг от друга и одновременно используют мощности вычислительных систем).
17
§ 3. Четыре поколения ЭВМ
Принято делить машины на поколения. Надо сразу же сказать, что это деление весьма условно. Некоторые авторы насчитывают шесть поколений ЭВМ, большинство насчитывает их четыре. Вообще идея делить машины на поколения вызвана к жизни тем, что за время корот кой истории своего развития ЭВМ проделали большую эволюцию как в смысле элементной базы, на которой они строятся, так и в смысле изменения их структуры, появления новых возможностей, расширения областей применения и характера их использования.
Если вы спросите инженера-электроника, какие по коления машин он знает, инженер, наверное, ответит так:
с |
Первое поколение машин — это ламповые машины |
быстродействием порядка 10—20 тысяч операций |
|
в |
секунду. |
|
Второе поколение — это транзисторные машины или |
машины на твердых схемах с быстродействием порядка сотен тысяч операций в секунду.
Третье поколение — машины на интегральных схе мах и вычислительные комплексы с быстродействием порядка миллионов операций в секунду.
Четвертое поколение — это многопроцессорные ма шины на больших интегральных схемах (БИС), обладаю щие быстродействием в десятки миллионов операций в одну секунду.
Если вы спросите математика, имеющего отношение к разработке вычислительных машин и их математиче ского обеспечения или программного хозяйства, то он назовет следующие этапы в развитии машин:
Первое поколение — это сравнительно медленные ма шины, для которых программы писались большей частью вручную.
Второе поколение — это машины, на которых име лись трансляторы с алгоритмических языков, широкий набор библиотечных программ.
Третье поколение — это фамилии программно-преем ственных (совместимых) машин с развитой системой пре рывания и развитыми операционными системами.
Четвертое поколение — это машины, обеспечивающие коммунальное использование вычислительных мощно-
18
стей, связанные в единую вычислительную сеть, обеспе чивающие работу в режиме разделения времени.
Цель этой книги — рассказать более подробно о структуре ЭВМ второго и третьего поколений. Менее подробно в книге рассказывается о математическом обе спечении ЭВМ, просто потому, что детальный разбор этого феномена, определяющего характер использования ЭВМ, определяющего сферу их применения и удобство их использования, отвлек бы от основной цели книги — дать общую картину эволюции ЭВМ.
3.1. Машины первого поколения. Как уже упомина лось, первыми прототипами серийных отечественных вы числительных машин первого поколения являлись «Стрела», БЭСМ-1, М-2.
Многие советские ученые и конструкторы принимали участие в создании первых ЭВМ, но особенно большой вклад в дело становления вычислительной техники внесли академики М. В. Келдыш, М. А. Лаврентьев, С. А. Лебедев. Существенное значение в этом деле имели работы И. С. Брука и М. А. Карцева — создателей ма шин М-2 и М-3, Ю. Я- Базилевского— главного конст руктора машины «Стрела», Б. И. Рамеева, В. А. Мельни кова, А. Н. Мямлина и многих других ныне хорошо известных конструкторов ЭВМ.
Под первым поколением машин подразумеваются ма шины, построенные на радиолампах, с ограниченным объ емом запоминающих устройств, со сравнительно бедным набором устройств ввода-вывода.
Среди известных советских машин к этому поколению относятся М-3; «Минск-1, -12, -14»; БЭСМ-2, «Стрела»;
М-20; «Урал-1».
Ниже мы приведем основные характеристики неко торых из этих машин. Эти характеристики затем можно будет сравнить с таковыми для машин второго и третьего поколений с тем, чтобы наглядно представить эволюцию технических параметров: быстродействия, объемов запо минающих устройств, состава устройств ввода-вывода, устройств телекоммуникационной связи.
Говоря о быстродействии, мы будем называть неко торую довольно условную цифру, отражающую скорость выполнения основных арифметических операций. Как известно, скорость «арифметики» не всегда определяет то время, за которое может быть решена та или иная
19