Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы компьютерных наук. Ч.1. Учебное пособие
.pdf
обеспечивающих более высокую пропускную способность тракта
«память – устройства ввода/вывода»;
– совмещение операций процессора с обращением к памяти;
– простейшие формы параллельной обработки данных;
– создание языков программирования высокого уровня:
Фортран (1956), Алгол (1958) и Кобол(1959).
Первой вычислительной машиной, выполненной полностью на
полупроводниковых диодах и транзисторах, стала TRADIC
(TRAnsistor Digital Computer), построенная в Bel lLabs как прототип
бортовой вычислительной машины. Машина состояла из 700
транзисторов и 10 тысяч германиевых диодов. За два года
эксплуатации TRADIC отказали только 17 полупроводниковых
элементов, что говорит о прорыве в области надежности, по
сравнению с машинами на электронных лампах. Другой полностью
полупроводниковой вычислительной машиной стала TX-0, созданная в
1957 году в Массачусетском технологическом институте.
Ко второму поколению относятся и две первые суперЭВМ,
разработанные для ускорения численных вычислений в научных
приложениях. Термин «суперЭВМ» первоначально применялся по
отношению к вычислительной машине, производительность которой
на один или более порядков превосходила таковую для прочих
вычислительных машин того же поколения. Во втором поколении
этому определению отвечали две вычислительные машины: LARC и
IBM 7030.
Заметным событием данного периода стало появление в 1958
году машины М-20, в которой были реализованы: частичное
совмещение операций, аппаратные средства поддержки программных
циклов, возможность параллельной работы процессора и устройства
вывода. Оперативная память емкостью 4096 45-разрядных слов была
выполнена на магнитных сердечниках.
Шестидесятые годы XX века стали периодом бурного развития
вычислительной техники в СССР, за этот период разработаны и
запущены в производство вычислительные машины «Урал-1»,«Урал4»,«Урал-11»,«Урал-14»,БЭСМ-2, М-40,«Минск-1», «Минск-2»,
«Минск-22», «Минск-32».
1.3.4. Третье поколение
Особенности:
– резкое увеличение вычислительной мощности
вычислительных машин, ставшее следствием больших успехов в
11
области архитектуры, технологии и программного обеспечения;
– переход от дискретных полупроводниковых элементов к
интегральным микросхемам;
– применения полупроводниковых запоминающих устройств,
вытесняющих запоминающие устройства на магнитных сердечниках;
– микропрограммирование;
– конвейеризация;
– параллельная обработка данных;
– первые операционные системы;
– реализация режима разделения времени;
– интегральные схемы с малой степенью интеграции, где на
одном кристалле размещается порядка 10 транзисторов, и средней
степенью интеграции, в которых число транзисторов на кристалле
увеличилось на порядок;
– применение многослойных печатных плат.
В 1964 году Сеймур Крей построил вычислительную систему
CDC 6600, в архитектуру которой впервые был заложен
функциональный параллелизм. Благодаря наличию 10 независимых
функциональных блоков, способных работать параллельно, и 32
независимых модулей памяти удалось достичь быстродействия в 1
миллион операций с плавающей точкой в секунду. Через 5 лет он
создал CDC 7600 с конвейеризированными функциональными
блоками и быстродействием 10 миллионов операций с плавающей
точкой в секунду. Революционной вехой в истории вычислительной
техники стало создание семейства вычислительных машин IBM 360,
архитектура и программное обеспечение которых на долгие годы
послужили эталоном для последующих больших универсальных
вычислительных машин. В машинах этого семейства нашли
воплощение предварительная выборка команд, отдельные блоки для
операций с фиксированной и плавающей точкой, конвейеризация
команд, кэш-память.
К третьему поколению вычислительных систем относятся также
первые параллельные вычислительные системы: SOLOMON и
ILLIACIV.
Третье поколение вычислительной техники ознаменовалось
также появлением первых конвейерно-векторных вычислительных
систем: TI-ASC (Texas Instruments Advanced Scientific Computer) и
STAR-100.
Среди вычислительных машин, разработанных в этот период в
СССР, прежде всего необходимо отметить «быстродействующую
12
электронно-счетную машину» – БЭСМ-6 (С. А. Лебедев) с
производительностью 1 млн операций/с. Продолжением линии М-20
стали М-220 и М-222 с производительностью до200 тысяч операций/с.
Оригинальная вычислительная машина для инженерных
расчетов «Мир-1» была создана под руководством В. М. Глушкова. В
качестве языка использован язык программирования высокого уровня
Аналитик, похожий на язык Алгол.
В сфере программного обеспечения можно отметить создание в
1970 году Кеном Томпсоном из Bell Labs языка программирования
B(предшественника С) и появление операционной системы UNIX.
1.3.5. Четвертое поколение
Особенности:
– переход на интегральные микросхемы большой (около 1000
транзисторов на кристалле) и сверхбольшой степени интеграции
(~ 100000 транзисторов на кристалле). При таких уровнях интеграции
стало возможным уместить в одну микросхему не только центральный
процессор, но и вычислительную машину (центральный процессор,
основную память и систему ввода/вывода);
– идея вычислительной машины с сокращенным набором
команд (RISC, Redused Instruction Set Computer), выдвинутая в 1975
году и впервые реализованная в 1980 году. Суть концепции
RISCзаключается в сведении набора команд вычислительной машины
к наиболее употребительным простейшим командам. Это позволяет
упростить схемотехнику процессора и добиться резкого сокращения
времени выполнения каждой из простых команд. Более сложные
команды реализуются как подпрограммы, составленные из быстрых
простых команд;
– в вычислительной машине и вычислительной системе
четвертого поколения практически уходят со сцены запоминающие
устройства на магнитных сердечниках и основная память строится из
полупроводниковых запоминающих устройств;
– в сфере высокопроизводительных вычислений доминируют
векторные вычислительные системы, более известные как суперЭВМ;
– на замену большим вычислительным машинам, работающим в
режиме разделения времени, приходят индивидуальные микроЭВМ и
рабочие станции, использующие ресурсы сервера;
– появление языков программирования сверхвысокого уровня,
таких как FP и Prolog. Эти языки ориентированы на аппликативный и
декларативный стили программирования соответственно, в отличие от
13
Паскаля, С, Фортрана– языков императивного стиля
программирования. При аппликативном стиле вычисления задаются
только как вызовы функций. При декларативном стиле программист
дает математическое описание того, что должно быть вычислено, а
детали того, каким образом это должно быть сделано, возлагаются на
компилятор и операционную систему;
– создание языка программирования C и его использование при
написании операционной системы UNIX.
1.3.6. Пятое поколение (1984–1990)
Особенности:
– стремительное развитие вычислительных систем с сотнями
процессоров, ставшее мотивом для прогресса в области параллельных
вычислений. Вычислительные системы пятого поколения
обеспечивают такое распределение задач по множеству процессоров,
при котором каждый из процессоров может выполнять задачу
отдельного пользователя;
– в архитектуре вычислительных систем сформировались два
принципиально различных подхода: архитектура с совместно
используемой памятью и архитектура с распределенной памятью;
– RISC-архитектура выходит из стадии экспериментов и
становится базовой архитектурой для рабочих станций;
– стремительное развитие технологий глобальных и локальных
компьютерных сетей. Пользователи все более отдают предпочтение
подключенным к сети индивидуальным рабочим станциям. Такой
подход позволяет для решения небольших задач задействовать
индивидуальную машину, а при необходимости в большой
вычислительной мощности обратиться к ресурсам подсоединенных к
той же сети мощных файл-серверов или суперЭВМ.
1.3.7. Шестое поколение (1990-…)
Особенности:
– значительные успехи в области параллельных вычислений,
связанные с широким распространением вычислительных систем с
массовым параллелизмом. Особенностью таких систем, обозначаемых
аббревиатурой MPP (massively parallel processing), является
организация в виде совокупности большого количества (до нескольких
тысяч) взаимодействующих, но достаточно автономных
вычислительных машин;
– резко возросший уровень рабочих станций. В процессорах
14
новых рабочих станций успешно совмещаются RISC-архитектура,
Код операции (КОП)
Адресная часть (АЧ)
конвейеризация и параллельная обработка;
– активное развитие глобальных сетей.
2. Архитектура ЭВМ
2.1. Концепция вычислительной машины с хранимой в
памяти программой
В основе архитектуры современных вычислительных машин
лежит представление алгоритма решения задачи в виде программного
кода. Согласно стандарту ISO, программа для вычислительной
машины состоит из команд, необходимых для выполнения
поставленных задач.
Вычислительная машина, где закодированные команды
программы хранятся в памяти, называется вычислительной машиной с
хранимой в памяти программой (автор – фон Нейман).
Принципы фон-неймановской концепции вычислительной
машины:
– двоичное кодирование;
– программное управление;
– однородность памяти;
– адресуемость памяти.
2.1.1. Принцип двоичного кодирования
Вся информация (данные и команды) кодируется двоичными
цифрами «0» и «1». Последовательность битов в формате, имеющая
определенный смысл, называется полем. В формате числа обычно
выделяют поле знака и поле значащих разрядов. В формате команды
можно выделить два поля (рис. 2): поле кода операции (КОП) и поле
адресов (адресную часть – АЧ).
Код операции представляет собой указание, какая операция
должна быть выполнена, и задается с помощью двоичной комбинации.
2.1.2. Принцип программного управления
Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи,
должны быть представлены в виде программы, состоящей из
Рис. 2. Структура команды
15
последовательности команд. Каждая команда предписывает
некоторую операцию из набора операций, реализуемых
вычислительной машиной. Команды программы хранятся в
последовательности смежных ячеек памяти вычислительной машины
и выполняются в порядке их расположения в программе. С помощью
специальных команд естественный порядок выполнения может
изменяться.
2.1.3. Принцип однородности памяти
Концепция вычислительной машины, изложенная в статье фон
Неймана, предполагает единую память для хранения команд и данных.
Такой подход был принят в вычислительных машинах, создававшихся
в Принстонском университете, из-за чего и получил название
принстонской архитектуры. Практически одновременно в Гарвардском
университете предложили иную модель, в которой вычислительная
машина имела отдельную память команд и отдельную память данных.
Этот вид архитектуры называют гарвардской архитектурой. Долгие
годы преобладающей была и остается принстонская архитектура, хотя
она порождает проблемы пропускной способности тракта «процессорпамять». В последнее время, в связи с широким использованием кэшпамяти, разработчики вычислительных машин все чаще обращаются к
гарвардской архитектуре.
2.1.4. Принцип адресуемости памяти
Структурно основная память состоит из пронумерованных
ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая
ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на слова,
хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются адреса
ячеек.
2.2. Фон-неймановская архитектура
Большинство современных вычислительных машин по своей
структуре отвечают принципу программного управления. Типичная
фон-неймановская вычислительная машина (рис. 3) содержит:
–память;
–устройство управления;
– арифметико-логическое устройство;
–устройство ввода/вывода.
В любой вычислительной машине имеются средства для ввода
программ и данных к ним. Информация поступает из подсоединенных
16
к вычислительной машине периферийных устройств ввода. Результаты
вычислений выводятся на периферийные устройства вывода. Связь и
взаимодействие вычислительной машины и периферийных устройств
обеспечивают порты ввода и порты вывода. Термином «порт»
обозначают аппаратуру сопряжения периферийного устройства с
вычислительной машиной.
Память компьютера имеет сложную многоуровневую
структуру, реализованную в виде взаимодействующих запоминающих
устройств, которые могут использовать различные физические
принципы для хранения данных.
Введенная информация сначала запоминается в основной
памяти, а затем переносится во вторичную память для длительного
хранения. Чтобы программа могла выполняться, команды и данные
должны располагаться в основной памяти, организованной таким
образом, что каждое двоичное слово хранится в отдельной ячейке,
идентифицируемой адресом, причем соседние ячейки памяти имеют
следующие по порядку адреса.
Рис. 3. Структура фон-неймановской вычислительной машины
Доступ к любым ячейкам основной памяти может
производиться в произвольном порядке. Такой вид памяти известен
как память с произвольным доступом. Основная память современных
вычислительных машин в основном состоит из полупроводниковых
оперативных запоминающих устройств, обеспечивающих как
считывание, так и запись информации. Для таких запоминающих
устройств характерна энергозависимость — хранимая информация
17
теряется при отключении электропитания. Если необходимо, чтобы
часть основной памяти была энергонезависимой, в состав основной
памяти включают постоянные запоминающие устройства, также
обеспечивающие произвольный доступ.
Размер ячейки основной памяти обычно равен 1 байту или 8
битам (двоичным разряда). Для хранения больших чисел используются
2, 4 или 8 байтов, размещаемых в последовательности ячеек со
смежными адресами. В этом случае за адрес числа часто принимается
адрес его младшего байта.
Для долговременного хранения больших программ и массивов
данных в вычислительной машине обычно имеется дополнительная
память, известная как вторичная. Вторичная память энергонезависима
и чаще всего реализуется на базе магнитных дисков. Информация в
ней хранится в виде файлов (согласно стандарту ISO, файл — это
именуемый набор записей, обрабатываемых как единый блок).
Неотъемлемой частью современных вычислительных машин
стала кэш-память – память небольшой емкости и высокого
быстродействия. В нее из основной памяти копируются наиболее часто
используемые команды и данные. При обращении со стороны
процессора информация берется не из основной памяти, а из
соответствующей копии, находящейся в кэш-памяти.
Четвертый вид памяти – это регистры центрального процессора.
Каждый регистр можно рассматривать как одну ячейку памяти,
обращение к которой занимает значительно меньше времени даже по
сравнению с кэш-памятью. В регистры обычно помещают часто
используемые константы или промежуточные результаты вычислений.
При этом обязательным элементом фон-неймановской
архитектуры можно считать лишь основную память.
Устройство управления – важнейшая часть вычислительной
машины, организующая автоматическое выполнение программ и
обеспечивающая функционирование вычислительной машины как
единой системы. Для пояснения функций устройства управления
вычислительную машину следует рассматривать как совокупность
элементов, между которыми происходит пересылка информации, в
ходе которой эта информация может подвергаться обработке.
Основной функцией устройства управления является формирование
управляющих сигналов, отвечающих за извлечение команд из памяти в
порядке, определяемом программой, и последующее исполнение этих
команд. Устройство управления также формирует сигналы управления
для синхронизации и координации внутренних и внешних устройств
18
вычислительной машины.
Еще одной неотъемлемой частью вычислительной машины
является арифметико-логическое устройство. Арифметико-логическое
устройство обеспечивает арифметическую и логическую обработку
двух входных переменных (операндов), в итоге которой формируется
выходная переменная (результат). Функции арифметико-логического
устройства обычно сводятся к простым арифметическим и логическим
операциям, а также операциям сдвига. Арифметико-логическое
устройство также формирует признаки результата (флаги),
характеризующие полученный результат и события, произошедшие в
ходе его получения (равенство нулю, знак, четность, перенос,
переполнение и т. д.). Флаги могут анализироваться в устройстве
управления с целью принятия решения о дальнейшем порядке
следования команд программы.
Устройство управления и арифметико-логическое устройство
тесно взаимосвязаны и их обычно рассматривают как единое
устройство, известное как центральный процессор. Помимо
устройства управления и арифметико-логического устройства в
процессор входит также набор регистров общего назначения (РОН),
служащих для промежуточного хранения информации в процессе ее
обработки.
2.3. Типы структур вычислительных машин и систем
2.3.1. Структуры вычислительных машин
В настоящее время распространение получили два способа
построения вычислительных машин:
– на основе шины;
–с непосредственными связями.
В варианте с общей шиной все устройства вычислительной
машины подключены к магистральной шине, служащей единственным
трактом для потоков команд, данных и управления (рис. 4). Наличие
общей шины существенно упрощает реализацию вычислительной
машины, позволяет легко менять состав и конфигурацию машины.
Основной недостаток – в каждый момент передавать информацию по
шине может только одно устройство. Основную нагрузку на шину
создают обмены между процессором и памятью, связанные с
извлечением из памяти команд и данных и записью в память
результатов вычислений. На операции ввода/вывода остается лишь
часть пропускной способности шины.
19
Рис. 4. Структура вычислительной машины на базе общей шины
Типичным представителем второго способа может служить
классическая фон-неймановская вычислительная машина (рис. 3). В
ней между взаимодействующими устройствами (процессор, память,
устройство ввода/вывода) имеются непосредственные связи.
Особенности связей (число линий в шинах, пропускная способность и
т. п.) определяются видом информации, характером и интенсивностью
обмена. Достоинством архитектуры с непосредственными связями
можно считать возможность развязки «узких мест» путем улучшения
структуры и характеристик только определенных связей, что
экономически может быть наиболее выгодным решением.
Рис. 5. Структура вычислительной системы с общей памятью
При сохранении фон-неймановской концепции
последовательного выполнения команд программы (одна команда в
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]