ГЛАВА 1. ПОНЯТИЕ ОБ АРХИТЕКТУРЕ КОМПЬЮТЕРА. КЛАССИФИКАЦИИ АРТИТЕКТУРЕ КОМПЬЮТЕРОВ

Архитектура компьютера охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих множество факторов. Среди этих компонентов важнейшими являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации.

Основные компоненты архитектуры компьютера можно представить в виде схемы, показанной на рис. 1.1.

Архитектура

компьютера

Рис. 1.1. Основные компоненты архитектуры компьютера

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 его 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 наиболее грамотного использования данного средства.

Так пользователю компьютера безразлично, на каких элементах выполнены электронные схемы, как реализованы команды и т.д. Важно другое: какие возможности предоставляются пользователю, как эти возможности связаны со структурными особенностями компьютера, как связаны между собой характеристики отдельных устройств, входящие в состав компьютера, и какое влияние они оказывают на общие характеристики машины. Иными словами, архитектура компьютера действительно отражает круг вопросов, относящихся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.

Таким образом, по ходу изучения предмета мы, по возможности, рассмотрим все компоненты компьютера, включая структуру компьютера, организацию памяти, организацию ввода-вывода данных, принципы управления компьютера, системы команд, состав программного обеспечения. Прежде, чем приступить к изучению непосредственно вычислительных машин, для начала мы посмотрим, когда и зачем они появились, а чтобы лучше понять основы вычислительных машин, кратко остановимся на том, с чем работают и, что перерабатывают, т.е. – информация и способы ее представления в ЭВМ.

1.1.История развития вычислительной техники

Начало развития технологий принято считать с Блеза Паскаля, который в 1642 г. изобрел устройство, механически выполняющее сложение чисел. Его машина предназначалась для работы с 6-8 разрядными числами и могла только складывать и вычитать, а также имела лучший, чем все до этого, способ фиксации результата [1, 5, 10]. Идеи Паскаля оказали огромное влияние на многие другие изобретения в области вычислительной техники.

Следующий этап развития вычислительной техники и теории информации связан с выдающимся немецким математиком и философом Готфридом Вильгельмом Лейбницем, который в 1672 году высказал идею механического умножения без последовательного сложения. Уже через год в Парижской академии он представил машину, которая позволяла механически выполнять четыре арифметических действия [1, 10].

В1812 году английский математик Чарльз Бэббидж начал работать над так называемой разностной машиной, которая должна была вычислять любые функции, в том числе и тригонометрические, а также составлять таблицы. Однако из-за нехватки средств эта машина не была закончена, и ее механическая часть сдана в музей Королевского колледжа в Лондоне, где она хранится как экспонат. Однако эта неудача не остановила Бэббиджа, В 1834 году он приступил к реализации нового проекта по созданию аналитической машины, которая должна была выполнять вычисления без участия человека. По мнению экспертов [1, 5, 6, 10 и др.] заслуга Бэббиджа заключается в том, что он впервые предложил, и частично реализовал, идею программно-управляемых вычислений.

В1818 году Томас К. сконструировал счетную машину, уделив основное внимание технологичности механизма, и назвал ее арифмометром. Уже через три года в мастерских Томаса было изготовлено 16 арифмометров. Таким образом, К. Томас положил начало счетному машиностроению. Его арифмометры выпускали в течение ста лет, постоянно совершенствуя и меняя время от времени названия [1, 10].

Начиная с XIX века, арифмометры получили очень широкое применение. На них выполнялись даже очень сложные расчеты, например, расчеты баллистических таблиц для артиллерийских стрельб. К 1914 году в одной только Российской империи насчитывалось более 22 тысяч арифмометров [1].

Ранее, когда человечество не знало об электрических и магнитных явлениях или еще не умело их использовать, наиболее доступной, а, следовательно, и удобной была механическая форма представления информации в вычислительных устройствах. В арифмометрах операции

над числами выполнялись с помощью колес, которые при добавлении единицы поворачивались на 360 и с помощью штифта приводили в движение следующее по старшинству колесо всякий раз, когда цифра 9 переходила к цифре 0 (накапливался десяток). Однако механические устройства громоздки, дороги и инерционны (с их помощью нельзя построить универсальные и быстродействующие вычислительные машины). Поэтому сейчас во всех вычислительных машинах в качестве основной формы представления информации служат электрические сигналы (чаще всего - напряжения постоянного тока). Компьютеры изобрели достаточно давно.

Вте далекие времена об электронике даже не упоминалось. Первые компьютеры были ламповыми и занимали очень много места. Однако именно тогда были заложены основные принципы работы компьютера, которые действуют до сих пор. Суть их заключается в следующем. Данные передаются с помощью какого-то сигнала методом «есть сигнал или нет» или, по-другому, «включен или выключен». Так появился «бит» (bit). Бит это единица информации, которая может принимать значение 0 или 1, т. е. «включен или выключен». Восемь бит объединяются в байт, один байт равен 8 битам. Почему именно 8? Да потому, что первые компьютеры были восьмиразрядными и могли работать одновременно только с 8 битами, например, 010000111. Все первые нули можно удалять, поэтому число 010000111 можно записать как – 10000111. Это то же самое, что и в привычной для нас десятичной системе счисления, где каждый разряд может принимать значения от 0 до 9. Здесь так же никто не будет писать число 6743 как 00006743.

В1 байт можно записать любое число от 0 до 255. Указанный диапазон чисел довольно мал. Поэтому чаще используют более крупные градации:

-два байта = слово;

-два слова = двойное слово.

2

В первые десятилетия XX века конструкторы обратили внимание на возможность применения в счетных устройствах новых элементов – электромагнитных реле. В 1941 году немецкий инженер Конрад Цузе, построил вычислительное устройство, работающее на таких реле.

Почти одновременно, в 1943 году, американец Говард Эйкен с помощью работ Бэббиджа на основе техники XX века – электромеханических реле – смог построить на одном из предприятий фирмы IBM легендарный гарвардский Mark -1 («Марк-1», а позднее «Марк-2»). «Марк-1» имел длину 15 метров и высоту 2,5 метра, содержал 800 тысяч деталей, располагал 60 регистрами для констант, 72 запоминающими регистрами для сложения, центральным блоком умножения и деления, мог вычислять элементарные трансцендентные функции. Машина работала с 23-значными десятичными числами и выполняла операции сложения за 0,3 секунды, а умножения – за 3 секунды. Однако Эйкен сделал две ошибки: первая состояла в том, что обе эти машины были скорее электромеханическими, чем электронными; вторая – то, что Эйкен не придерживался концепции, что программы должны храниться в памяти компьютера, как и полученные данные [10].

Примерно в то же время в Англии начала работать первая вычислительная машина на реле, которая использовалась для расшифровки сообщений, передававшихся немецким кодированным передатчиком. К середине XX века потребность в автоматизации вычислений (в том числе для военных нужд – баллистики, криптографии и т.д.) стала настолько велика, что над созданием машин, подобных "Марк-1" и "Марк-2" работало несколько групп исследователей в разных странах.

Работа по созданию первой электронно-вычислительной машины была начата, повидимому, в 1937 году в США профессором Джоном Атанасовым, болгарином по происхождению. Эта машина была специализированной и предназначалась для решения задач математической физики. В ходе разработок Атанасов создал и запатентовал первые электронные устройства, которые впоследствии применялись довольно широко в первых компьютерах. Полностью проект Атанасова не был завершен, однако через три десятка лет в результате судебного разбирательства профессора признали родоначальником электронной вычислительной техники [1, 5, 10].

Начиная с 1943 года, группа специалистов под руководством Говарда Эйкена, Дж. Моучли и П. Эккерта в США начала конструировать вычислительную машину на основе электронных ламп, а не на электромагнитных реле [1, 10]. Эта машина была названа ENIAC (Electronic Numeral Integrator And Computer) и работала она в тысячу раз быстрее, чем «Марк-

1». ENIAC содержал 18 тысяч вакуумных ламп, занимал площадь 9 15 метров, весил 30 тонн и потреблял мощность 150 киловатт. ENIAC имел и существенный недостаток – управление им осуществлялось с помощью коммутационной панели, у него отсутствовала память, и для того чтобы задать программу приходилось в течение нескольких часов или даже дней подсоединять нужным образом провода. Худшим из всех недостатков была ужасающая ненадежность компьютера, так как за день работы успевало выйти из строя около десятка вакуумных ламп.

Чтобы упростить процесс задания программ, Моучли и Эккерт стали конструировать новую машину, которая могла бы хранить программу в своей памяти. В 1945 году к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этой машине. В этом докладе фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров. Это первая действующая машина, построенная на вакуумных лампах, официально была введена в

эксплуатацию 15 февраля 1946 года. Эту машину пытались использовать для решения некоторых задач, подготовленных фон Нейманом и связанных с проектом атомной бомбы. Затем она была перевезена на Абердинский полигон, где работала до 1955 года.

ENIAC стал первым представителем 1-го поколения компьютеров. Любая классификация условна, но большинство специалистов согласилось с тем, что различать поколения следует исходя из той элементной базы, на основе которой строятся машины.

В отчете фон Неймана и его коллег Г. Голдстайна и А.Беркса (июнь 1946 года) были сформулированы требования к структуре компьютеров. Отметим важнейшие из них [1, 6, 10, 12, 16]:

машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления;

программа, как и исходные данные, должна размещаться в памяти машины;

3

программа, как и числа, должна записываться в двоичном коде;

трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем, требуют иерархической организации памяти (то есть выделения оперативной, промежуточной и долговременной памяти);

арифметическое устройство (процессор) конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения; создание специальных устройств для выполнения других арифметических и иных операций нецелесообразно;

в машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над числами производятся одновременно по всем разрядам).

Практически все рекомендации фон Неймана впоследствии использовались в машинах первых трех поколений, их совокупность получила название «архитектура фон Неймана». Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 году английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 года Джон фон Нейман.

Новые машины первого поколения сменяли друг друга довольно быстро. В 1951 году заработала первая советская электронная вычислительная машина МЭСМ, площадью около 50 квадратных метров. МЭСМ имела 2 вида памяти: оперативное запоминающее устройство, в виде 4 панелей высотой в 3 метра и шириной 1 метр; и долговременная память в виде магнитного барабана объемом 5000 чисел. Всего в МЭСМ было 6000 электронных ламп, а работать с ними можно было только после 1,5-2 часов после включения машины. Ввод данных осуществлялся с помощью магнитной ленты, а вывод – цифропечатающим устройством, сопряженным с памятью. МЭСМ могла выполнять 50 математических операций в секунду, запоминать в оперативной памяти 31 число и 63 команды (всего было 12 различных команд), и потребляла мощность равную 25 киловаттам.

В1952 году на свет появилась американская машина EDWAC. Стоит также отметить построенный ранее, в 1949 году, английский компьютер EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) - первую машину с хранимой программой. В 1952 году советские конструкторы ввели в эксплуатацию БЭСМ – самую быстродействующую машину в Европе, а

вследующем году в СССР начала работать «Стрела» – первая в Европе серийная машина высокого класса. Среди создателей отечественных машин в первую очередь следует назвать имена С.А. Лебедева, Б.Я. Базилевского, И.С. Брука, Б.И. Рамеева, В.А. Мельникова, М.А. Карцева, А.Н. Мямлина. В 50-х годах появились и другие ЭВМ: «Урал», М-2, М-3, БЭСМ-2, «Минск-1», – которые воплощали в себе все более прогрессивные инженерные решения.

Проекты и реализация машин «Марк–1», EDSAC и EDVAC в Англии и США, МЭСМ в

СССР заложили основу для развёртывания работ по созданию ЭВМ вакуумноламповой технологии – серийных ЭВМ первого поколения. Разработка первой электронной серийной машины UNIVAC (Universal Automatic Computer) была начата примерно в 1947 г. Эккертом и Маучли. Первый образец машины (UNIVAC-1) был построен для бюро переписи США и пущен в эксплуатацию весной 1951 г. Синхронная, последовательного действия вычислительная машина UNIVAC-1 создана на базе ЭВМ ENIAC и EDVAC. Работала она с тактовой частотой 2,25 МГц и содержала около 5000 электронных ламп.

По сравнению с США, СССР и Англией развитие электронной вычислительной техники

вЯпонии, ФРГ и Италии задержалось. Первая японская машина "Фуджик" была введена в

эксплуатацию в 1956 году, серийное производство ЭВМ в ФРГ началось лишь в 1958 году. Возможности машин первого поколения были достаточно скромны. Так,

быстродействие их по нынешним понятиям было малым: от 100 («Урал-1») до 20 000 операций

всекунду (М-20 в 1959 году). Эти цифры определялись в первую очередь инерционностью вакуумных ламп и несовершенством запоминающих устройств. Объем оперативной памяти был крайне мал – в среднем 2 048 чисел (слов), этого не хватало даже для размещения сложных программ, не говоря уже о данных. Промежуточная память организовывалась на громоздких и тихоходных магнитных барабанах сравнительно небольшой емкости (5 120 слов у БЭСМ-1). Медленно работали и печатающие устройства, а также блоки ввода данных. Если же остановиться подробнее на устройствах ввода-вывода, то можно сказать, что с начала появления первых компьютеров выявилось противоречие между высоким быстродействием центральных устройств и низкой скоростью работы внешних устройств. Кроме того, выявилось несовершенство и неудобство этих устройств. Первым носителем данных в компьютерах, как

4

известно, была перфокарта. Затем появились перфорационные бумажные ленты или просто перфоленты. Они пришли из телеграфной техники после того, как в начале XIX в. отец и сын из Чикаго Чарлз и Говард Крамы изобрели телетайп.

ЭВМ первого поколения быстро сошли со сцены, так как не нашли широкого коммерческого применения из-за ненадежности, высокой стоимости, трудностей программирования.

Элементной базой второго поколения стали полупроводники. Без сомнения, транзисторы можно считать одним из наиболее впечатляющих чудес XX века.

Патент на открытие транзистора был выдан в 1948 году американцам Д. Бардину и У. Браттейну, а через восемь лет они вместе с теоретиком В. Шокли стали лауреатами Нобелевской премии. Скорости переключения уже первых транзисторных элементов оказались в сотни раз выше, чем ламповых, надежность и экономичность – тоже. Впервые стала широко применяться память на ферритовых сердечниках и тонких магнитных пленках, были опробованы индуктивные элементы – параметроны.

Первая бортовая ЭВМ для установки на межконтинентальной ракете – «Атлас» – была введена в эксплуатацию в США в 1955 году. В машине использовалось 20 тысяч транзисторов и диодов, она потребляла 4 киловатта. В 1961 году наземные компьютеры «СТРЕТЧ» фирмы «Бэрроуз» управляли космическими полетами ракет «Атлас», а машины фирмы IBM контролировали полет астронавта Гордона Купера. Под контролем ЭВМ проходили полеты беспилотных кораблей типа «Рейнджер» к Луне в 1964 году, а также корабля «Маринер» к Марсу. Аналогичные функции выполняли и советские компьютеры.

В1956 г. фирмой IBM были разработаны плавающие магнитные головки на воздушной подушке. Изобретение их позволило создать новый тип памяти – дисковые запоминающие устройства, значимость которых была в полной мере оценена в последующие десятилетия развития вычислительной техники. Первые запоминающие устройства на дисках появились в машинах IBM-305 и RAMAC. Последняя имела пакет, состоявший из 50 металлических дисков

смагнитным покрытием, которые вращались со скоростью 12000 об/мин. На поверхности диска размещалось 100 дорожек для записи данных, по 10000 знаков каждая [1].

Первые серийные универсальные ЭВМ на транзисторах были выпущены в 1958 году одновременно в США, ФРГ и Японии.

ВСоветском Союзе первые безламповые машины «Сетунь», «Раздан» и «Раздан-2» были созданы в 1959-1961 годах. В 60-х годах советские конструкторы разработали около 30 моделей транзисторных компьютеров, большинство которых стали выпускаться серийно. Наиболее мощный из них – «Минск-32» выполнял 65 тысяч операций в секунду. Появились целые семейства машин: «Урал», «Минск», БЭСМ [10].

Рекордсменом среди ЭВМ второго поколения стала БЭСМ-6, имевшая быстродействие около миллиона операций в секунду – одна из самых производительных в мире. Архитектура и многие технические решения в этом компьютере были настолько прогрессивными и опережающими свое время, что он успешно использовался почти до нашего времени.

Специально для автоматизации инженерных расчетов в Институте кибернетики Академии наук УССР под руководством академика В.М. Глушкова были разработаны компьютеры МИР (1966) и МИР-2 (1969). Важной особенностью машины МИР-2 явилось использование телевизионного экрана для визуального контроля информации и светового пера,

спомощью которого можно было корректировать данные прямо на экране.

Построение компьютерных систем, имевших в своем составе около 100 тысяч переключательных элементов, было бы просто невозможным на основе ламповой техники. Приоритет в изобретении интегральных схем, ставших элементной базой ЭВМ третьего поколения, принадлежит американским ученым Д. Килби и Р. Нойсу, сделавшим это открытие независимо друг от друга. Массовый выпуск интегральных схем начался в 1962 году, а в 1964 начал быстро осуществляться переход от дискретных элементов к интегральным.

Несмотря на успехи интегральной техники и появление мини-ЭВМ, в 60-х годах продолжали доминировать большие машины. Таким образом, третье поколение компьютеров, зарождаясь внутри второго, постепенно вырастало из него.

Первая массовая серия машин на интегральных элементах стала выпускаться в 1964 году фирмой IBM. Эта серия, известная под названием IBM-360, оказала значительное влияние на развитие вычислительной техники второй половины 60-х годов. Она объединила целое семейство ЭВМ с широким диапазоном производительности, причем совместимых друг с

5

другом. Последнее означало, что машины стало возможно связывать в комплексы, а также без всяких переделок переносить программы, написанные для одной ЭВМ, на любую другую из этой серии. Таким образом, впервые было выявлено коммерчески выгодное требование стандартизации аппаратного и программного обеспечения ЭВМ.

ВСССР первой серийной ЭВМ на интегральных схемах была машина «Наири-3», появившаяся в 1970 году. Со второй половины 60-х годов Советский Союз совместно со странами СЭВ приступил к разработке семейства универсальных машин, аналогичного системе IBM-360. В 1972 году началось серийное производство стартовой, наименее мощной модели Единой Системы – ЭВМ ЕС-1010, а еще через год – пяти других моделей. Их быстродействие находилась в пределах от десяти тысяч (ЕС-1010) до двух миллионов (ЕС-1060) операций в секунду.

Врамках третьего поколения в США была построена уникальная машина «ИЛЛИАК- 4», в составе которой в первоначальном варианте планировалось использовать 256 устройств обработки данных, выполненных на монолитных интегральных схемах. Позднее проект был изменен, из-за довольно высокой стоимости (более 16 миллионов долларов). Число процессоров пришлось сократить до 64, а также перейти к интегральным схемам с малой степенью интеграции. Сокращенный вариант проекта был завершен в 1972 году, номинальное быстродействие «ИЛЛИАК-4» составило 200 миллионов операций в секунду. Почти год этот компьютер был рекордсменом в скорости вычислений.

Именно в период развития третьего поколения возникла чрезвычайно мощная индустрия вычислительной техники, которая начала выпускать в больших количествах ЭВМ для массового коммерческого применения. Компьютеры все чаще стали включаться в информационные системы или системы управления производствами. Они выступили в качестве очевидного рычага современной промышленной революции.

Начало 70-х годов знаменует переход к компьютерам четвертого поколения – на сверхбольших интегральных схемах (СБИС). Другим признаком ЭВМ нового поколения являются резкие изменения в архитектуре.

Техника четвертого поколения породила качественно новый элемент ЭВМ – микропроцессор. В 1971 году пришли к идее ограничить возможности процессора, заложив в него небольшой набор операций, микропрограммы которых должны быть заранее введены в

постоянную память. Оценки показали, что применение постоянного запоминающего устройства в 16 килобит позволит исключить 100-200 обычных интегральных схем. Так возникла идея микропроцессора, который можно реализовать даже на одном кристалле, а программу в его память записать навсегда. В то время в рядовом микропроцессоре уровень интеграции соответствовал плотности, равной примерно 500 транзисторам на один квадратный миллиметр, при этом достигалась очень хорошая надежность.

К середине 70-х годов положение на компьютерном рынке резко и непредвиденно стало изменяться. Четко выделились две концепции развития ЭВМ. Воплощением первой концепции стали суперкомпьютеры, а второй – персональные ЭВМ.

Из больших компьютеров четвертого поколения на сверхбольших интегральных схемах особенно выделялись американские машины «Крей-1» (Cray-1) и «Крей-2», а также советские модели «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2». Первые их образцы появились примерно в одно и то же время – в 1976 году. Все они относятся к категории суперкомпьютеров, так как имеют предельно достижимые для своего времени характеристики и очень высокую стоимость.

Вмашинах четвертого поколения сделан отход от архитектуры фон Неймана, которая была ведущим признаком подавляющего большинства всех предыдущих компьютеров.

Многопроцессорные ЭВМ, в связи с громадным быстродействием и особенностями архитектуры, используются для решения ряда уникальных задач гидродинамики, аэродинамики, долгосрочного прогноза погоды и т.п. Наряду с суперкомпьютерами в состав четвертого поколения входят многие типы мини-ЭВМ, также опирающиеся на элементную базу из сверхбольших интегральных схем.

Хотя и персональные компьютеры относятся к ЭВМ 4-го поколения, все же возможность их широкого распространения, несмотря на достижения технологии СБИС, оставалась бы весьма небольшой.

В1970 году был сделан важный шаг на пути к персональному компьютеру – Маршиан Эдвард Хофф, работавший в Intеl, сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большого компьютера. Так появился первый

6

микропроцессор Intеl 4004, который был выпущен в продажу в 1971 г. Это cтало настоящим прорывом, т.к. микропроцессор Intеl 4004 размером менее 3 см был производительнее гигантских машин 1-го поколения. Правда, возможности Intе1 4004 были куда скромнее, чем у центрального процессора больших компьютеров того времени, – он работал гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации (процессоры больших компьютеров обрабатывали 16 или 32 бита одновременно), но и стоил он в десятки тысяч раз дешевле.

В1972 году появился 8-битный микропроцессор Intel 8008. Размер его регистров соответствовал стандартной единице цифровой информации – байту. Процессор Intel 8008 являлся простым развитием Intel 4004.

Но в 1974 году был создан гораздо более интересный микропроцессор Intel 8080. С самого начала разработки он закладывался как 8-битный чип. У него было более широкое множество микрокоманд (множество микрокоманд 8008 было расширено). Кроме того, это был первый микропроцессор, который мог делить числа. И до конца 70-х годов микропроцессор Intel 8008 стал стандартом для микрокомпьютерной индустрии.

Несколько инженеров фирмы имели идеи по усовершенствованию 8080. Они покинули Intel, чтобы реализовать их. Ими была организована Zilog Corporation, которая подарила миру микропроцессор Z80. В действительности Z80 являлся дальнейшей разработкой микропроцессора 8080. Было просто увеличено число его команд, что позволило создать и использовать на персональных компьютерах стандартные операционные системы.

Впериод с 1970 по 1975 по всей территории США возникли клубы любителей компьютеров. Самым примечательным был компьютерный клуб Homebrew, образованный в марте 1975 года в Менло-Парке (штат Калифорния). В состав его первых членов входили Стив Джобс и Стив Возняк, позднее основавшие компанию Apple Macintosh.

Поэтому, когда появился первый микрокомпьютер, на него сразу же возник огромный спрос среди тысяч любителей. Этим первым микрокомпьютером был «Altair-8800», созданный

в1974 году небольшой компанией в Альбукерке (штат Нью-Мексико). Этот компьютер продавался по цене около 500 дол. И хотя возможности его были весьма ограничены (оперативная память составляла всего 256 байт, клавиатура и экран отсутствовали), а также имелись серьезные недостатки по эксплуатации, «Altair-8800» стал бестселлером. Позже покупатели сами снабжали этот компьютер дополнительными устройствами: монитором для вывода информации, клавиатурой, блоками расширения памяти и т.д. Вскоре эти устройства стали выпускаться другими фирмами.

Вконце 1975 году Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Microsoft) создали для компьютера «Альтаир» интерпретатор языка Ваsic (Бейсик), что позволило пользователям достаточно просто общаться с компьютером и легко писать для него программы. Это также способствовало популярности персональных компьютеров.

Успех Альтаир-8800 заставил многие фирмы также заняться производством персональных компьютеров. Персональные компьютеры стали продаваться уже в полной комплектации, с клавиатурой и монитором, спрос на них составил десятки, а затем и сотни тысяч штук в год.

В1979 году фирма Intel выпустила новый микропроцессор Intel 8086/8088. Тогда же и появился первый сопроцессор Intel 8087. Тактовые частоты, на которых мог работать микропроцессор Intel-8086/8088, составляли - 4.77, 8 и 10 МГц.

Вконце 70-х годов распространение персональных компьютеров даже привело к некоторому снижению спроса на большие компьютеры и мини-компьютеры (мини-ЭВМ). Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IВМ, и в 1979 году IВМ решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров.

Прежде всего, в качестве основного микропроцессора компьютера был выбран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intе1 8088. Его использование позволило значительно увеличить потенциальные возможности компьютера, так как новый микропроцессор позволял работать с 1 Мбайтом памяти, а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены 64 Кбайтами. В компьютере были использованы и другие комплектующие различных фирм, а его программное обеспечение было поручено разработать небольшой тогда еще фирме Microsoft. И таким образом в 1981 году появилась первая версия операционной системы для компьютера IBM РС – MS DOS 1.0.

7

Вавгусте 1981 г. новый компьютер под названием «IВМ Personal Computer» был официально представлен публике и вскоре после этого он приобрел большую популярность у пользователей. IBM PC имел 64 Кб оперативной памяти, магнитофон для загрузки/сохранения программ и данных, дисковод и встроенную версию языка BASIС.

Через один-два года компьютер IВМ РС занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-битовых компьютеров.

Компания IВМ 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

всекрете. Напротив, принципы конструкции IВМ РС были доступны всем желающим. Этот подход, называемый «принципом открытой архитектуры», обеспечил потрясающий успех компьютеру IВМ РС, хотя и лишил фирму IВМ возможности единолично пользоваться плодами этого успеха.

Новое поколение микропроцессоров идет на смену предыдущему каждые два года и морально устаревает за 3-4 года. Микропроцессор вместе с другими устройствами микроэлектроники позволяют создать довольно экономичные информационные системы.

Причина такой популярности микропроцессора состоит в том, что с их появлением отпала необходимость в специальных схемах обработки информации, достаточно запрограммировать её функцию и ввести в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микропроцессора.

Через короткий отрезок времени модель IBM PC была усовершенствована. Новая модификация получила название «расширенного» IВМ РС/ХТ (Рersonal Соmрuter/еХТеnded version). В данной модификации производители отказались от использовании магнитофона в качестве накопителя информации, добавили второй дисковод гибких дисков, а также возможность использования жесткого диска емкостью 10-30 МБ. В настоящее время наличие жесткого диска в ПК ХТ является практически обязательным. Модель базировалась на использовании того же микропроцессора – Intel 8088.

В1982 году фирма Intel выпустила новый микропроцессор Intel 80286, который имел 134 тыс. транзисторов и был разработан по 1,5 микронной технологии (микрон – микрометр или мкм). Он мог работать с 16 Мб оперативной памяти на частотах: 8, 12 и 16 МГц. Его принципиальное новшество – защищенный режим и виртуальная память размером до 1 Гб – не нашли массового применения, процессор большей частью использовался как очень быстрый

8088.

Втом же году была выпущена новая модель компьютеров по названием IВМ РС/АТ (Рersonal Computer/Аdvanced Technolog – «ПК усовершенствованной технологии»). В связи с использованием нового микропроцессора с сопроцессором 80287 производительность системы возросла более чем вдвое. Она укомплектована дисководами гибких дисков нового типа (с утроенным объемом хранимой информации), жестким диском от 40 МБ и выше. Шина материнской платы ПК расширена до 16 бит.

Накал конкурентной борьбы заставил разработчиков IВМ в конечном счете отказаться от принципа «открытой архитектуры». Новое семейство моделей ПК IВМ получило название РS/2 (Рersonal System 2 - «персональная система/2»). Она абсолютно несовместима с первым поколением на аппаратном уровне, но сохраняет совместимость на уровне программного обеспечения. Первые модели семейства РS/2 использовали микропроцессор Intel 80286 и фактически копировали ПК АТ, но на базе иной архитектуры.

В1985 году появился Intel 80386SX и Intel 80386DX. Он открыл класс 32-разрядных процессоров. Микропроцессор Intel 80386 имел 275 тыс. транзисторов и изготавливался по технологии 1,5 мкм.

В1987 г. фирма Microsoft разработала версию 3.3 (3.30) операционной системы MS DOS, которая стала фактическим стандартом на последующие 3-4 года.

В1989 году Intel выпустила новый микропроцессор 80486SX/DX/DX2, имевший 1,2 млн. транзисторов на кристалле, и изготовленный по технологии 1 мкм.

Виюне 1991 года Microsoft выпускает MS-DOS 5.0, который имеет свои особенности: обладает улучшенными интерфейсами меню оболочки, полноэкранным редактором, утилитами на диске и возможностью смены задач. Последующие версии MS-DOS 6.0, MS-DOS 6.21 и MSDOS 6.22 кроме стандартного набора программ имеют в своем составе программы для

8

резервного копирования, антивирусную программу и другие усовершенствования в операционной системе.

В 1992 году появляется процессор Intel 80486DX4 с тактовой частотой до 100 МГц. Следующие основные даты развития операционных систем фирмы Microsoft шли

одновременно с развитием аппаратной части персонального компьютера.

6 апреля 1992 – выходит ОС Windows 3.1. которая становится самой популярной в США (по числу инсталляций).

27 октября 1992 - выход Windows for Workgroups 3.1. В ней интегрируются функции, ориентированные на обслуживание сетевых пользователей и рабочих групп, в том числе доставки электронной почты, совместного использования файлов и принтеров и календарного планирования. Версия 3.1 стала предвестником бума малых локальных сетей, но потерпела коммерческую неудачу, получив обидное прозвище «Windows for Warehouse» («Windows для складов»).

8 ноября 1993 – выпуск Windows for Workgrounds 3.11.

В 1993 году появились первые процессоры Pentium с частотой 60 и 66 МГц – это были 32-разрядные процессоры с 64-битной шиной данных. В 1995 году появились процессоры на 120 и 133 МГЦ, выполненные по технологии 0,35 мкм. 1996-й называют годом Pentium – появились процессоры на 150, 166 и 200 МГц, и Pentium стал рядовым процессором для PC широкого применения.

24 августа 1995 года выходит Windows 95.

25 июля 1998 корпорация Microsoft выпускает Windows 98 – последнюю версию Windows на базе старого ядра, функционирующего на фундаменте DOS. Система Windows 98 интегрирована с интернет-браузером Internet Explorer 4 и совместима с многочисленными – от USB до спецификаций управления энергопотреблением ACPI.

6 октября 1998 года корпорация Intel анонсировала версию процессора Pentium® II Xeon™ с тактовой частотой 450 МГц, предназначенную для двухпроцессорных (двухканальных) серверов и рабочих станций.

Последнее десятилетие характеризуется не только стремительным ростом производительности ЭВМ, но и появлением новых подходов к увеличению их производительности. Основные характеристики ЭВМ - разных поколений представлены в таблице 1.1 [1, 5, 10, 16, 22].

9

1.2.Системы классификации архитектур компьютеров

В1966 г. М.Флинном (Flynn) был предложен чрезвычайно удобный подход к классификации архитектур вычислительных систем [2, 5, 12, 16, 17 и др.]. В его основу было положено понятие потока, под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором. Соответствующая система классификации основана на рассмотрении числа потоков инструкций и потоков данных и описывает четыре архитектурных класса [12, 13, 16, 18]:

SISD = Single Instruction Single Data; MISD = Multiple Instruction Single Data; SIMD = Single Instruction Multiple Data; MIMD = Multiple Instruction Multiple Data.

10

Ниже приведены расшифрованные обозначения этих архитектурных классов, соответственно:

SISD (single instruction stream / single data stream) – одиночный поток команд и одиночный поток данных. К классу SISD относятся последовательные компьютерные системы, которые имеют один центральный процессор, способный обрабатывать только один поток последовательно исполняемых инструкций. В настоящее время практически все высокопроизводительные системы имеют более одного центрального процессора, однако каждый из них выполняет несвязанные потоки инструкций, что делает такие системы комплексами SISD-систем, действующих на разных пространствах данных. Для увеличения скорости обработки команд и скорости выполнения арифметических операций может применяться конвейерная обработка. В случае векторных систем векторный поток данных следует рассматривать как поток из одиночных неделимых векторов. Примерами компьютеров с архитектурой SISD могут служить большинство рабочих станций Compaq, Hewlett-Packard и Sun Microsystems [16, 17];

MISD (multiple instruction stream / single data stream) – множественный поток команд и одиночный поток данных. Теоретически в этом типе машин множество инструкций должно выполняться над единственным потоком данных. До сих пор ни одной реальной машины, попадающей в данный класс, создано не было;

SIMD (single instruction stream / multiple data stream) – одиночный поток команд и множественный поток данных. Эти системы обычно имеют большое количество процессоров, от 1024 до 16384, которые могут выполнять одну и ту же инструкцию относительно разных данных в жесткой конфигурации. Единственная инструкция параллельно выполняется над многими элементами данных. Примерами SIMD-машин являются системы CPP DAP, Gamma II

иQuadrics Apemille [16,17,20]. Другим подклассом SIMD-систем являются векторные компьютеры. Векторные компьютеры манипулируют массивами сходных данных подобно тому, как скалярные машины обрабатывают отдельные элементы таких массивов. Это делается за счет использования специально сконструированных векторных центральных процессоров. Когда данные обрабатываются посредством векторных модулей, результаты могут быть выданы на один, два или три такта частотогенератора (такт частотогенератора является основным временным параметром системы). При работе в векторном режиме векторные процессоры обрабатывают данные практически параллельно, что делает их в несколько раз более быстрыми, чем при работе в скалярном режиме. Примерами систем подобного типа являются, например, компьютеры Hitachi S3600 [16,18];

MIMD (multiple instruction stream / multiple data stream) – множественный поток команд

имножественный поток данных. Эти машины параллельно выполняют несколько потоков инструкций над различными потоками данных. В отличие от многопроцессорных SISD- машин, команды и данные связаны, потому что они представляют различные части одной и той же задачи. Например, MIMD-системы могут параллельно выполнять множество подзадач с целью сокращения времени выполнения основной задачи. Большое разнообразие попадающих в данный класс систем делает классификацию Флинна не полностью адекватной. Действительно, и четырехпроцессорный SX-5 компании NEC, и тысячепроцессорный Cray T3E попадают в этот класс. Это заставляет использовать другой подход к классификации, иначе описывающий классы компьютерных систем. Основная идея такого подхода может состоять, например, в следующем. Будем считать, что множественный поток команд может быть обработан двумя способами: либо одним конвейерным устройством обработки, работающем в режиме разделения времени для отдельных потоков, либо каждый поток обрабатывается своим собственным устройством. Первая возможность используется в MIMD-компьютерах. Их обычно называют конвейерными или векторными, вторая – в параллельных компьютерах. В основе векторных компьютеров лежит концепция конвейеризации, т.е. явного сегментирования арифметического устройства на отдельные части, каждая из которых выполняет свою подзадачу для пары операндов. В основе параллельного компьютера лежит идея использования для решения одной задачи нескольких процессоров, работающих сообща, причем процессоры могут быть как скалярными, так и векторными.

Для параллельных компьютерных систем существует своя классификация.

I. Векторно-конвейерные компьютеры (PVP).

Имеют MIMD-архитектуру (множество инструкций над множеством данных). Основные особенности:

11

конвейерные функциональные устройства;

набор векторных инструкций в системе команд;

зацепление команд (используется как средство ускорения вычислений).

II. Массивно-параллельные компьютеры с распределенной памятью.

Объединяется несколько серийных микропроцессоров, каждый со своей локальной

памятью, посредством некоторой коммуникационной среды.

Достоинств у такой архитектуры много: если нужна высокая производительность, то можно добавить еще процессоров; если ограничены финансы или заранее известна требуемая вычислительная мощность, то легко подобрать оптимальную конфигурацию и т.д.

Каждый процессор имеет доступ лишь к своей локальной памяти, а если программе нужно узнать значение переменной, расположенной в памяти другого процессора, то задействуется механизм передачи сообщений. Этот подход позволяет создавать компьютеры, включающие в себя тысячи процессоров.

Но эта архитектура имеет два существенных недостатка:

требуется быстродействующее коммуникационное оборудование, обеспечивающее среду передачи сообщений;

при создании программ необходимо учитывать топологию системы и специальным образом распределять данные между процессорами, чтобы минимизировать число пересылок и объем пересылаемых данных.

Последнее обстоятельство и мешает широкому внедрению подобных архитектур.

III. Параллельные компьютеры с общей памятью (SMP).

Вся оперативная память разделяется между несколькими одинаковыми процессорами. Это снимает проблемы предыдущего класса, но добавляет новые - число процессоров, имеющих доступ к общей памяти, нельзя сделать большим.

Основное преимущество таких компьютеров - относительная простота программирования. В ситуации, когда все процессоры имеют одинаково быстрый доступ к общей памяти, вопрос о том, какой процессор какие вычисления будет выполнять, не столь принципиален, и значительная часть вычислительных алгоритмов, разработанных для последовательных компьютеров, может быть ускорена с помощью распараллеливающих и векторизирующих трансляторов. SMP-компьютеры - это наиболее распространенные сейчас параллельные вычислители. Однако общее число процессоров в SMP-системах, как правило, не превышает 16, а их дальнейшее увеличение не дает выигрыша из-за конфликтов при обращении к памяти.

IV. Кластерная архитектура.

Кластерная архитектура представляет собой комбинации предыдущих трех. Из нескольких процессоров (традиционных или векторно-конвейерных) и общей для них памяти формируется вычислительный узел. Если полученной вычислительной мощности не достаточно, то объединяется несколько узлов высокоскоростными каналами.

Рассмотрим еще несколько распространенных критериев классификации компьютеров. Классификация по назначению [2, 5, 6, 8, 13, 15]:

большие электронно-вычислительные машины (ЭВМ) или Main Frame;

миниЭВМ;

микроЭВМ;

персональные компьютеры.

Классификация по уровню специализации [2, 5, 6, 8, 13, 15, 18]:

универсальные;

специализированные. Классификация по раз меру:

настольные (desktop);

портативные (notebook);

карманные (palmtop).

Классификация по совместимости:

аппаратная совместимость (платформа IBM PC и Apple Macintosh);

совместимость на уровне операционной системы;

программная совместимость;

12

совместимость на уровне данных.

Таким образом, выбрав в качестве критериев классификации выше перечисленные признаки, в первую очередь, вычислительную мощность и габариты, получем слудующую схему, см. рис. 1.2.

Рис. 1.2. Классификация ЭВМ, исходя из их вычислительной мощности и габаритов

Следует заметить, что любая классификация является в некоторой мере условной, поскольку развитие компьютерной науки и техники настолько бурное, что, например, сегодняшняя микро ЭВМ не уступает по мощности мини ЭВМ суперкомпьютерам недавнего прошлого. Кроме того, зачисление компьютеров к определенному классу довольно условно через нечеткость разделения групп, так и вследствии внедрения в практику заказной сборки компьютеров, где номенклатуру узлов и конкретные модели адаптируют к требованиям заказчика.

В организации цифровой вычислительной системы можно выделить девять уровней иерархии, представленных на рис. 1.3.

1.Языки высокого уровня

2.Уровень язык ассемблер

3.Уровень операционной системы

4.Уровень машинных команд

5.Микроархитектурный уровень

6.Уровень системотехники

7.Уровень цифровой схемотехники

8.Уровень аналоговой схемотехники

9.Физический уровень

Рис. 1.3. Уровни иерархии в организации цифровой вычислительной системы

13

Первый уровень, физический, объединяет в себе физические законы, явления и эффекты, лежащие в основе создания и функционирования аппаратной составляющей вычислительной системы. Это уровень интегральной и функциональной микроэлектроники, обеспечивающей элементную базу вычислительной аппаратуры.

Второй уровень, уровень аналоговой схемотехники, связан с построением базовых логических элементов (вентилей) из аналоговых компонентов (диодов, транзисторов, емкостей и т.д.).

Третий уровень, уровень цифровой схемотехники, определяет принципы, модели и методы построения функциональных узлов и устройств аппаратуры в заданном логическом базисе. Этот уровень имеет свою внутреннюю иерархию, которая детально представлена в разделе главы.

Четвертый уровень, уровень системотехники, определяет общую структуру вычислительной системы, организацию взаимосвязей ее подсистем и модулей между собой, выбор оптимальных режимов функционирования и т.д. Это уровень, отражающий принципы построения и закономерности функционирования системы в целом с учетом влияния внешних факторов, технико-экономических и других показателей. На этом уровне в первом приближении распределяются функции между аппаратной и программной составляющими архитектуры вычислительной системы.

Пятый уровень, микроархитектурный, связан с организацией управления аппаратными средствами компьютера на языке микрокоманд. Это уровень интерпретации машинных команд, на котором реализуются (аппаратно или микропрограммно) эффективные технологии исполнения инструкций с применением упреждающей выборки команд, конвейеризации, распараллеливания, кэширования, динамического предсказания ветвлений, переименования регистров и других приемов, способствующих повышению эффективности вычислительного процесса.

Шестой уровень, уровень машинных команд, представляет набор команд (инструкций), выполняемых аппаратными средствами или микропрограммой-интерпретатором. Это связующее звено между аппаратным и программным обеспечением, поэтому организация его должна быть рациональной как с точки зрения разработчиков аппаратного обеспечения, так и с точки зрения создателей программ-трансляторов с языков высокого уровня.

Седьмой уровень, уровень операционной системы, отличается от предыдущего наличием дополнительных команд, своей организации памяти, мультипрограммного режима и других расширений, реализуемых специальным интерпретатором, построенным на базе шестого и возможно пятого уровней и называемым операционной системой.

Последние три из рассмотренных уровней изначально планируются как инструментальная среда для создания системного программного обеспечения (трансляторов, оболочек операционных систем и других расширений, поддерживающих языки более высоких уровней). В отличие от них, средства восьмого и девятого уровней ориентируются на прикладных программистов.

1.3. Понятие об информации. Измерение информации

Информация всегда представляется в виде сообщения. Элементарная единица сообщения - символ. Символы собраны в группу - слова.

Сообщение, оформленное в виде слов или отдельных символов, всегда передается в материально-энергетической форме (электрический сигнал, световой и др.).

Различают информацию непрерывную и дискретную.

Функция x(t) может быть представлена в непрерывном и дискретном виде.

В непрерывном виде эта функция может принимать любые вещественные значения в данном диапазоне изменений аргумента t, т.е. множество значений непрерывной функции бесконечно. В дискретном виде функция x(t) может принимать вещественные значения только при определенных значениях аргумента. Какой бы малый интервал дискретности t не выбирался, множество значений дискретной функции для заданного диапазона изменений аргумента будет конечно. При структурном подходе различаются геометрическая, комбинаторная и аддитивная мера информации. Геометрическая мера предполагает измерение

14

параметра геометрической модели информационного сообщения (длина, площадь, объем) в дискретных единицах.

Максимально возможное количество информации в заданных структурах определяет информационную емкость модели (системы), которая определяется как сумма дискретных значений по всем измерениям (координатам). В комбинаторной мере количество информации определяется как число комбинаций (элементов). Возможное количество информации совпадает с числом возможных сочетаний, перестановок и размещений элементов. Аддитивная мера (мера Хартли). В соответствии с этой мерой количество информации измеряется в двоичных единицах - битах. Вводятся понятия глубины "q" числа и длины "n" числа. Глубина числа "q"- количество символов (элементов), принятых для представления информации (это основание системы счисления). В каждый момент времени реализуется один какой-либо символ. Длина числа "n" - количество позиций, необходимых и достаточных для представления чисел заданной величины. При заданных "q" и "n" число всевозможных отображаемых состояний N=qn. Величина N не удобна для оценки информационной емкости. Введем логарифмическую меру, позволяющую вычислять количество информации – бит [11]:

I(q)=log N=nlog q.

Следовательно, 1 бит информации соответствует одному элементарному событию, которое может произойти или не произойти. Это позволяет оперировать мерой как числом. Количество информации при этом эквивалентно количеству двоичных символов "0" или "1".

При наличии нескольких источников информации общее количество информации [9,

11]:

I(q, q, ..., q )=I(q )+I(q )+...+I(q ).

Передача информации является случайным процессом, ибо содержание передаваемого сообщения заранее не известно. Случайный характер имеют и воздействующие на процесс передачи информации помехи.

Поэтому изучение закономерностей передачи и преобразования информации производится методами теории вероятности, а теорию информации иногда называют статистической теорией передачи сообщений.

Вместе с тем теория информации рассматривается часто и более узко как теория меры количества информации и кодирования. Введение численной меры количества информации позволяет:

сравнивать различные сообщения по их содержательности;

оценивать скорость передачи информации в различных системах

сравнивать эти системы по эффективности;

определять предельное количество информации, которое может быть передано в

данных конкретных условиях.

Потребность в передаче информации возникает лишь тогда, когда интересующая нас система может иметь ряд случайных состояний. Предполагается, что вероятности нахождения системы в этих состояниях известны априорно.

О нахождении системы в том или ином состоянии мы узнаем по поступившему сообщению. Сообщение о событии, наступление которого заранее точно известно не содержит информации.

Из двух сообщений, одно из которых содержит результаты двух возможных исходов (бросок монеты), и другие результаты шести возможных исходов (бросание игральной кости), второе содержит больше информации.

В первом случае неопределенность исхода была сравнительно мала, поэтому, еще до получения сообщения о том, что, например, выпал "герб" с вероятностью P=1/2 можно предугадать наступление исхода.

Во втором случае P=1/6 неопределенность была значительно больше, и, поэтому, получение сообщения, в большей мере содержащего элемент неожиданности, новизны.

Таким образом, количество информации, содержащейся в сообщении, может быть количественно оценено по вероятности наступления этого сообщения.

15

Такой критерий оценки позволяет установить объективную численную меру количества информации, содержащейся в любых возможных сообщениях, независимо от их конкретного смысла.

Всоответствии с выше изложенным, требования, которым должна соответствовать мера количества информации можно сформулировать следующим образом:

1. Количество информации, содержащейся в данном сообщении, должно определяться не его конкретным смыслом, а лишь степенью неопределенности, снимаемой при получении данного сообщения.

2. Количество информации должно быть равно нулю, если интересующие нас событие имеет только один исход.

3. Должен быть соблюден принцип аддитивности, т.е. количество информации, содержащейся в данном сообщении, должно быть пропорционально его длине.

Вслучае равновероятных событий (сообщений) в качестве численной меры количества информации принимается логарифм обратной вероятности каждого из них. Если воспользоваться двоичным логарифмом и получить N=2, то I=log2=1.

За единицу количества информации принято считать такое количество информации, которое снимает неопределенность при выборе одного из двух равновероятных исходов. Эта единица называется двоичной единицей или битом. В общем случае получения неравновероятных сообщений неопределенность появления конкретного (i-го) сообщения

характеризуется его вероятностью Pi.

Информация, обрабатываемая ЭВМ, изображается соответствующими символами. Информация разнохарактерна - от чисел до музыки.

Семантическими мерами информации принято считать:

-содержательность;

-логическое количество;

-целесообразность.

Содержательность события i через функцию меры m(i)- содержательность его отрицания.

Логические функции истинности m(i) и ложности m(i)=1-m(i) имеют формальное сходство с функциями вероятности событий P(i) и q(i)=1-P(i). Логическое количество информации I вычисляется по формуле:

I=log(1/m(i))=-log m(i).

Отличие статистической оценки от логической состоит в том, что в первом случае учитываются вероятности реализации тех или иных событий, что приближает к оценке смысла информации. Мера целесообразности информации определяется как изменение вероятности достижения цели при получении дополнительной информации

Iцел=logPн-logPк=logPн/Pк. .

где Pн, Pк - начальные и конечные вероятности достижения цели.

Электронные вычислительные машины, т.е. компьютеры, предназначены для обработки цифровой информации.

Вычислительная машина - это физическая система, предназначенная для автоматизации процесса алгоритмической обработки информации. Таким образом, понятие "вычислительная машина" (ВМ) самым тесным образом связано с понятиями "информация" и "алгоритмическая обработка" [2, 5, 6].

Объект передачи и преобразования в вычислительных системах (машинах) - информация. В этом смысле ВМ (систему) можно назвать информационной.

Информация представляется в виде чертежей, рисунков, текста, звуковых и световых сигналов, энергетических импульсов и т.д. и передается сигналами какой-либо физической природы по линиям связи источника с приемником.

Алгоритмическая обработка - это обработка информации в соответствии с заранее разработанным алгоритмом.

16

Алгоритм - сформулированное на некотором языке правило (правила), определяющее действия, последовательное выполнение которых приводит от исходных данных к некоторому результату.

Следовательно, специфика информационных процессов состоит не только в передаче информационных сообщений посредством заданной физической среды, но и в преобразовании, переработке и хранении информации.

Информация определяет многие процессы в ВМ. В самой общей форме процесс решения задачи на ВМ проходит через следующие этапы:

1 - ввод информации или установка исходных данных;

2 - переработка или преобразование введенной информации;

3 - определение результатов и вывод переработанной информации.

Современные ЭВМ могут решать самые разнообразные задачи. Для этого лишь надо с помощью программы «научить» ЭВМ алгоритму решения той или иной задачи и ввести в нее исходные данные. Программа же записывается на алгоритмическом языке (например, Паскаль, С++ или Бейсик), который достаточно близок к естественному языку (особенно английскому).

Однако ЭВМ не понимает не только естественного языка, но и алгоритмического. Для расшифровки текста программы, написанной на Паскале или С++, в машине должна находится специальная программа – компилятор (транслятор), которая переводит текст исходной программы с С++ или Паскаля на язык ЭВМ. Таким образом, вычислительная машина - это техническое устройство, в котором информация об исходных данных решаемой задачи, правилах ее решения (алгоритме) и результатах вычислений должна задаваться в виде изменения каких-либо физических величин:

-намагниченности материала (как, например, для воспроизведения мелодии с помощью магнитофона или сохранения данных об аттестации студентов по дисциплинам учебного плана на магнитном диске);

-освещенности экрана (дисплей) и др.

Вопросы для самоконтроля

1.Назовите поколения ЭВМ?

2.По каким критериям классифицируют ЭВМ?

3.Назовите уровни иерархии в организации цифровой вычислительной системы.

4.Структурная схема ЭВМ?

5.Дайте определение понятию информация. Что такое алгоритм?

Литература для самостоятельной подготовки по теме:

1, 2, 10, 13.

17

ГЛАВА 2. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ ЭВМ

На рис. 2.1 показана функциональная структура ЭВМ.

Рис. 2.1. Базовые функциональные устройства ЭВМ

Таким образом, компьютер состоит из пяти главных, функционально независимых частей:

устройство ввода;

устройство вывода;

память;

арифметико-логическое устройство;

устройство управления.

Устройство ввода принимает через цифровые линии связи закодированную информацию от операторов, например, через клавиатуру, мышку или от других компьютеров сети. Полученная информация либо сохраняется в памяти компьютера для последующего применения, либо немедленно используется арифметическими и логическими схемами для выполнения необходимых операций. Последовательность шагов обработки определяется хранящейся в памяти программой. Полученные результаты отправляются обратно, во внешний мир, посредством устройства вывода. Все эти действия координируются блоком управления. На рис. 2.1. не показаны связи между функциональными устройствами. Объясняется это тем, что такие связи могут быть по-разному реализованы, на этом мы остановимся несколько позже. Арифметические и логические схемы в комплексе с главными управляющими схемами называют процессором, а все вместе взятое оборудование для ввода и вывода часто называют устройством ввода-вывода (input-output unit).

Теперь обратимся к обрабатываемой компьютером информации. Ее удобно разделять на две основные категории: команды и данные, см. главу 1. Команды, или машинные команды - это явно заданные инструкции, которые:

•управляют пересылкой информации внутри компьютера, а также между компьютером и его устройствами ввода-вывода;

•определяют подлежащие выполнению арифметические и логические операции.

Список команд, выполняющих некоторую задачу, называется программой. Обычно программы хранятся в памяти. Процессор по очереди извлекает команды программы из памяти и реализует определяемые ими операции. Компьютер полностью управляется хранимой программой, если не считать возможность внешнего вмешательства оператора и подсоединенных к машине устройств ввода-вывода.

Данные - это числа и закодированные символы, используемые в качестве операндов команд. Однако термин «данные» часто используется для обозначения любой цифровой информации. Согласно этому определению, сама программа (то есть список команд) также

18

может считаться данными, если она обрабатывается другой программой. Примером обработки одной программой другой является компиляция исходной программы, написанной на языке высокого уровня, в список машинных команд, составляющих программу на машинном языке, которая называется объектной программой. Исходная программа поступает на вход компилятора, который транслирует ее в программу на машинном языке.

Информация, предназначенная для обработки компьютером, должна быть закодирована, чтобы иметь подходящий для компьютера формат. Современное аппаратное обеспечение в большинстве своем основано на цифровых схемах, у которых имеется только два устойчивых состояния, ON и OFF (см. лекцию 2). В результате кодирования любое число, символ или команда преобразуется в строку двоичных цифр, называемых битами, каждый из которых имеет одно из двух возможных значений: 0 или 1.

2.1. Арифметико-логическое устройство

Рассмортим функциональные узлы процессора на примере модели 8086, см. рис. 2.2. Центральный процессор (CPU) 8086 имеет четыре 16-битных регистра общего

назначения AX, BX, CX, DX, четыре регистра-указателя SI, DI, BP и SP, четыре регистра сегментов CS, DS, ES, SS, один 16-битовый регистр флагов FLAGS и указатель программ IP, см. рис. 2.2. На рис. 2.3 показана структурная схема процессора 80286.

Структура АЛУ представлена на рис. 2.4. Исходные данные (операнды) по командам устройства управления (УУ) считываются из ОЗУ в регистры первого и второго операндов

(линия связи 1 - (ЛС1) на рис. 2.4 показаны только цифры).

19

Устройство сопряжения с шиной

Очередь команд (6 байт)

Рис. 2.3. Структура МП 80286

Из УУ в блок управления АЛУ поступает команда на выполнение той или иной операции (ЛС2), которая передается им в операционную часть (ЛС 3).

В соответствии с этой командой операционная часть выполняет нужное действие с данными, которые выбираются из регистров первого и второго операндов (ЛС6). Результат заносится в регистр результата (ЛС4), откуда – в ОЗУ (ЛС5).

Структура регистров АЛУ, куда помещаются исходные и результирующие данные, а также размер регистров (число двоичных разрядов) формируют понятие разрядной сетки.

21

Рис. 2.4. Схема арифметико-логического устройства процессора

По способу действия над операндами АЛУ делятся на последовательные и параллельные. В последовательных АЛУ операнды представляются в последовательном коде, а операции производятся последовательно во времени над их отдельными разрядами. В параллельных АЛУ операнды представляются параллельным кодом, а операции совершаются параллельно во времени над всеми разрядами операндов.

По способу представления чисел различают АЛУ:

для чисел с фиксированной точкой;

для чисел с плавающей точкой;

для десятичных чисел.

По характеру использования элементов и узлов АЛУ делятся на блочные и многофункциональные. В блочном АЛУ операции над числами с фиксированной и плавающей точкой, десятичными числами и алфавитно-цифровыми полями выполняются в отдельных блоках, при этом повышается скорость работы, так как блоки могут параллельно выполнять соответствующие операции, но значительно возрастают на затраты оборудование. В многофункциональных АЛУ операции для всех форм представления чисел выполняются одними и теми же схемами, которые коммутируются нужным образом в зависимости от требуемого режима работы.

При выполнении операции сложения в АЛУ положительные слагаемые представляются в прямом коде, а отрицательные - в дополнительном (см. главу 3). Производится сложение двоичных кодов, включая разряды знаков. Если при этом возникает перенос из знакового разряда суммы при отсутствии переноса в этот разряд, или перенос в знаковый разряд при отсутствии переноса из разряда знака, то имеется переполнение разрядной сетки соответственно при отрицательной и положительной суммах. Если нет переносов из знакового разряда и в знаковый разряд суммы или есть оба эти переноса, то переполнения нет и при нуле в знаковом разряде сумма положительна и представлена в прямом коде, а при 1 в знаковом разряде сумма отрицательна и представлена в дополнительном коде.

АЛУ может оперировать четырьмя типами информационных объектов: булевскими (1 бит), цифровыми (4 бита), байтными (8 бит) и адресными (16 бит). В АЛУ выполняется 51 различная операция пересылки или преобразования этих данных. Так как используется 11 режимов адресации (7 для данных и 4 для адресов), то путем комбинирования "операция/ режим адресации" базовое число команд 111 расширяется до 255 из 256 возможных при однобайтном коде операции.

22

2.2. Устройство управления

Устройство управления предназначено для выработки управляющих сигналов, под воздействием которых происходит преобразование информации в арифметико-логическом устройстве, а также операции по записи и чтению информации в/из запоминающего устройства.

Устройства управления (УУ) делятся на:

УУ с жесткой, или схемной логикой;

УУ с программируемой логикой (микропрограммные УУ).

Вустройствах управления первого типа для каждой команды, задаваемой кодом операции, строится набор комбинационных схем, которые в нужных тактах вырабатывают необходимые управляющие сигналы.

Вмикропрограммных УУ каждой команде ставится в соответствие совокупность хранимых в специальной памяти слов - микрокоманд. Каждая из микрокоманд содержит информацию о микрооперациях, подлежащих выполнению в данном такте, и указание, какое слово должно быть выбрано из памяти в следующем такте.

Устройство управления схемного типа (рис. 2.5) состоит из следующих узлов:

датчика сигналов (ДС), вырабатывающего последовательность импульсов, равномерно распределенную во времени по своим шинам;

блока управления операциями, осуществляющего выработку управляющих сигналов, то есть коммутацию сигналов, поступающих с ДС, в соответствующем такте на нужную управляющую шину;

дешифратора кода операций, который дешифрирует код операции команды, присутствующей в данный момент в регистре команд, и возбуждает одну шину, соответствующую данной операции; этот сигнал используется блоком управления операциями для выработки нужной последовательности управляющих сигналов.

КОП

Рис. 2.5. Устройство управления с жесткой логикой

Датчик сигналов обычно реализуется на основе счетчика с дешифратором или на сдвиговом регистре.

Реализация датчика сигналов на основе счетчика с дешифратором показана на рис. 2.6. По заднему фронту каждого тактового импульса, поступающего на устройство управления с системного генератора импульсов, счетчик увеличивает свое состояние; выходы счетчика соединены с входами дешифратора, выходы которого и являются выходами датчика сигналов.

23

Рис. 2.6. Схема датчика сигналов на основе счетчика с дешифратором

Реализация датчика сигналов на сдвиговом регистре требует лишь его "закольцовывания", то есть соединения выхода последнего разряда с входом, через который в регистр заносится информация при сдвиге, и первоначальной установки (рис. 2.7). В начальном состоянии регистр содержит 1 только в нулевом разряде. Входы параллельной загрузки регистра для его начальной установки и соответствующий этой операции управляющий вход регистра на схеме не показаны.

Рис. 2.7. Схема датчика сигналов на основе регистра сдвига

Наиболее сложной частью схемного устройства управления является блок управления операциями. Он представляет собой нерегулярную схему, структура которой определяется системой команд и составом оборудования процессора. Такое УУ может быть реализовано в виде специализированной интегральной схемы.

Микропрограммное устройство управления представлено на рис. 2.8.

24

КОП

Сигнал записи новой команды в регистр команд

Рис. 2.8. Функциональная схема микропрограммного устройства управления

Преобразователь адреса микрокоманды преобразует код операции команды, присутствующей в данный момент в регистре команд, в начальный адрес микропрограммы, реализующей данную операцию, а также определяет адрес следующей микрокоманды выполняемой микропрограммы по значению адресной части текущей микрокоманды. УСi - управляющие сигналы, вырабатываемые устройством управления.

Из анализа структуры и принципов работы схемного и микропрограммного устройств управления видно, что УУ первого типа имеют сложную нерегулярную структуру, которая требует специальной разработки для каждой системы команд и должна практически полностью перерабатываться при любых модификациях системы команд. В то же время оно имеет достаточно высокое быстродействие, определяемое быстродействием используемого элементного базиса.

Устройство управления, реализованное по микропрограммному принципу, может легко настраиваться на возможные изменения в операционной части ЭВМ. При этом настройка во многом сводится лишь к замене микропрограммной памяти. Однако УУ этого типа обладают худшими временными показателями по сравнению с устройствами управления на жесткой логике.

На структурных схемах современных процессоров мы остановимся в главе 6.

2.3. Устройства ввода вывода

Разработка и использование устройств ввода-вывода данных - это практическая область, тесно связанная с вычислительной техникой. Своими историческими корнями она уходит еще глубже, чем компьютеры, а ее развитием занимались лучшие умы компьютерной эры.

Благодаря многолетнему труду инженеров и программистов появилась возможность вводить информацию в машину самыми разнообразными способами: при помощи ручных переключателей, печатая на алфавитно-цифровой или цифровой клавиатуре, рисуя ручкой по электронному планшету, говоря в микрофон или прикасаясь кончиком пальца к экрану дисплея. Некоторые устройства вывода, например дисплеи лучше всего подходят для представления временных, т. е. быстро меняющихся данных. Они предпочтительны, скажем, для показа текста в процессе набора или редактирования. Когда же документ готов, в ход идут уже печатающие устройства. В последние годы периферийные устройства вода вывода стали характеризоваться большим разнообразием, зачастую они даже дороже и занимают больше места, чем сам компьютер.

25

Устройства ввода/вывода более детально рассмотрены в главе 16.

Вопросы для самоконтроля

1.Назовите функциональные элементы ЭВМ?

2.Назначение АЛУ?

3.Нарисуйте структуру МП 80286.

4.Функции устройства управления?

Литература для самостоятельной подготовки по теме:

2, 5, 6, 13.

26