Лекции / Ильичев / Тема 0. Введение в курс

6

Тема 0 (введение в курс).

Задачей курса является ознакомление с физическими основами работы приборов элементной базы современных электронно-вычислительных машин (ЭВМ).

До появления ЭВМ, одна из их основных функций – проведение вычислительных операций – выполнялась различными Вычислителями. Отличие ЭВМ от Вычислителей, позволившее значительно расширить класс выполняемых ими функций, обусловлено архитектурой ЭВМ, предложенной Джоном фон Нейманом (см. рис.1). Его, казалось бы на первый взгляд чисто техническое, предложение размещать в едином потоке входные информационные данные и программу их обработки, позволяет проводить модификацию программы по усмотрению пользователя в процессе его работы над задачей, что позволило от чисто вычислительных функций прообраза ЭВМ («вычислителя») перейти к выполнению практически неограниченного множества функций, с возможностями в перспективе выйти на решение эвристических задач. В их числе:

• проведение вычислительных операций (как и ранее в «вычислителях»);

• управление техническими системами и устройствами;

• управление производственными системами;

• накопление информационных данных – создание базы данных;

• обработка больших информационных массивов (метеорология, геология, космология, медицина, ...);

• моделирование процессов в физических, технических , технологических, биологических , экономических и социальных системах;

• и т.д….. .

Широта функций ЭВМ способствовало их интенсивному внедрению во все сферы деятельности Человечества.

Упрощенная структура ЭВМ (см. рис.2), независимо от того, является она однокристальной или системной, состоит из следующих основных частей:

система управления;

арифметико – логическое устройство (АЛУ);

запоминающее устройство (ОЗУ - оперативное запоминающее устройство, ПЗУ – постоянное запоминающее устройство, ППЗУ-винчестер);

устройства ввода информации (клавиатура, дисководы, «сидером», «мышь», видеоплата, плата звуковая плата, и ряд других специальных плат, позволяющих соединять с входными портами ЭВМ детектирующие и управляющие системы);

устройства вывода информации (дисплей, принтер, звуковая- и видео - платы и др. специализированные платы, позволяющие соединять ЭВМ с силовыми исполнительными системами);

а также, контроллеры, счетчика команд, и т.д..

Состав процессора (расширенно - системного блока) представлен на рис.2(а, б).

При решении любой задачи с помощью ЭВМ необходимо преобразовать исходные данные в Программу, т.е. в некую «запись», определяющую последовательность процедур совершаемых машиной при решении задачи. При этом, как выбор способов решений, так и конкретных математических моделей и граничных условий задачи определяется только пользователем - машина лишь выполняет его волю. Т.е. процесс постановки задачи, определяющий и корректность рассмотрения, и результат, является функцией пользователя. Для реализации составленного алгоритма решения, пользователю необходимо перевести модель и алгоритм решения на один из языков программирования (один из языков высокого уровня: фортран, бейсик, Паскаль, Си, и др.) и микропрограмирования (язык ЭВМ). При этом, пользователи поступают обычно так: пишут программу на одном из языков высокого уровня, и далее,-

• I^й способ-используя специально разработанную системную программу (компилятор, или транслятор), переводят все операторы исходной программы на машинный язык, а полученный таким образом файл, содержащий машинные коды, уже выполняется ЭВМ (т.е. компилятор переводит всю программу как единое целое и позволяет оптимизировать получаемый код);

• II^йспособ – используется системная программа называемая интерпретатором, которая последовательно переводит один за другим операторы исходной программы на машинный язык и ЭВМ тот час же их последовательно выполняет.

Кампилятор и интерпретатор – программы выполненные на машинном языке.

Итак, исполнителями программы на языке высокого уровня является совокупность компьютера и системных программ, которые составляют «оболочку» компьютера. Эффективность программного обеспечения определяется во многом построением эффективных программных оболочек (например, ДОС – исполнитель алгоритма и программная оболочка для всех остальных программ). Система таких программ называется операционной системой, так как она обеспечивает управление не только всеми аппаратными компонентами, но и работой прикладных программ. К наиболее популярным операционным системам относятся MS DOS, Windows. Программная оболочка Norton Commander – одна из наиболее удобных для работы в MS DOS.

Развитие программ - «оболочек» (в виде системных программ), успехи в разработках унифицированных прикладных программ (тектовые редакторы, редакторы электронных таблиц, графические редакторы, программы работающие с базой данных), и в громадной степени - разработка микропроцессора привели к появлению в 70 ^х годах микрокомпьютеров – персональных ЭВМ (ПЭВМ).

Условно, ПЭВМ (ами) называют ЭВМ обладающие следующими характеристиками:

• стоимость всей системы менее 5 тыс. долларов;

• в состав системы входит периферийная память в виде накопителя на магнитных «гибких» дисках;

• микропроцессор способен функционировать с памятью до 10 Гбит (винчестер, сидером);

• компьютер способен работать с программами написанными на одном из языков высокого уровня;

• компьютер имеет операционную систему (ОС), облегчающую взаимодействие компьютера и человека;

• система обладает универсальностью, позволяющей выполнять обширный набор прикладных программ.

Типичная структура персонального компьютера выглядит следующим образом:

Устройство ввода:		Процессор:		Устройство вывода:
клавиатура, мышь, видео-плата, звуковая плата и микрофон, планшетный сканер,….		система управления., микропроцессор, АЛУ, внутренняя память (ОЗУ), накопители - внешняя память (ПЗУ, винчестер), контроллеры, счетчик команд.		монитор, принтер, звуковая плато и динамик, плоттер, планшетный сканер, графопостроитель, ….

Здесь:

• процессор – устройство с функциями управления и вычисления (состав см. выше);

• клавиатура и мышь – устройства для ввода текстовых либо графических символов в компьютер;

• монитор – устройство для изображения текстовых либо графических файлов;

• накопители: винчестеры – (ППЗУ) для работы и хранения программ операционной системы и прикладных программ; гибкие диски – для хранения и работы с программами постоянно не используемыми на компьютере;

• принтер – устройство для вывода информации в виде твердой копии (например, на бумагу);

• плоттер – устройство для вывода рисунков и другой графической информации;

• графопостроитель - устройство для вывода графиков;

• сканер – устройство для считывания графической и текстовой информации;

• звуковые и видео платы – устройства для ввода в компьютер информации с голоса, либо с устройств преобразующих оптический сигнал в электрический.

Процессор – основа аппаратной части ЭВМ.

В одной из его составных частей – арифметико-логическом устройстве, состоящем из сумматора (все арифметические действия сводятся к последовательности операций сложения) и регистров (устройства кратковременной памяти), собственно и происходит обработка информации; затем, сигналы транслируются между различными счетчиками, сумматорами и другими элементами.

Для правильной организации этих передач необходима система управления(см. рис.2б) – другая составная часть процессора. Она же служит посредником при передачах информации между центральным процессором, блоками ОЗУ и различными устройствами ввода-вывода. Упомянутая система управления может быть построена либо в виде системы «жестких» связей (связей неизменяемых внутренних соединений, присоединяемых к другим электрическим цепям процессора), либо в виде программы, содержащей подробные инструкции по управлению машиной в кодированной форме. При этом, программу инструкций, помещают в отдельный блок памяти (ПЗУ), который вводят в состав процессора. В иерархии программ эти инструкции выполняемые СУ занимают самый низкий уровень(они элементарны и каждая из них задает одно единственное функциональное состояние машины). Написание этих инструкций и их кодирование называют микропрограммированием, – в отличие от программирования более высокого уровня, - называемом математическим или программным обеспечением. В большинстве ЭВМ направление передачи информации между элементами аппаратуры на самом нижнем уровне определяется микропрограммой-набором хранимых в памяти инструкций. Микроинструкции хранятся в ПЗУ и управляют потоком информации в компьютере. Система управления состоит из: постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), программируемой логической матрицы (ПЛМ-декодирует большинство микроинструкций перед их передачей элементам процессора), формирователя последовательности (ФП-осуществляет выборку микроинструкций из ПЗУ в нужном порядке) и проверочного мультиплексора (ПМ-декодирует некоторые микроинструкции условных переходов). В регистрах (Рег) ОЗУ данные обрабатываемые компьютером храняться в виде слов, длинной 32 бита каждое, обработку которых и осуществляет АЛУ. Интерфейс шины (Иш) память – процессор обеспечивает связь между процессором и остальными элементами компьютера. Таким образом осуществляется обеспечение подачи сигналов «открыть» либо «закрыть» большому числу электронных приборов, называемых вентилями, в строго определенные интервалы времени, что обеспечивается генератором сигналов синхронизации (генератором тактовых импульсов). За каждый такой такт происходит один акт передачи информации внутри АЛУ.

Вид упрощенного центрального процессора представлен рисунке 4.

Классификация ЭВМ:

а). по производительности, б). по архитектуре, в). по типу запоминающих сред, г). спецмашины.

а). По производительности машины делятся на суперЭВМ, миниЭВМ, микроЭВМ (персональные компьютеры).

В значительной степени производительность ЭВМ определяется ее элементной базой. Это замечательно прослеживается по истории развития ЭВМ.

Машины I поколения (элементная базавыполнена на вакуумных электронных лампах):

1943-1946 гг. (Лос-Аламос, Пенсильванский университет – атомный проект): потребляемая мощность-150 кВт, вес – 30 тонн, производительность –10³ операций/с;

1952. (Москва) – БЭСМ (группа разработчиков под рук. Лебедева): производительность 10³ операций/с; -М-20 («Стрела») – Рук. Разработки – Базилевский.

Машины II поколения( элементная база на полупроводниковых приборах):

1950-1955 гг.- Минск, производительность10³ операций/с;

• Урал, производительность 10³ операций/с;

1966 гг.- БЭСМ –6, производительность 10⁶ операций/с (одна из лучших машин в мире в то время);

Машины третьего поколения (элементная база на основе интегральных схем):

1968-1973 гг. – миниЭВМ: «Ванда» (США), «Наири» (СССР);

1972-1980 гг. – ЭВМ серии ЕС (Единые Системы – страны СЭВ): производительностью 10⁵…10⁷ операций /c. Началась эпоха бурного развития системных программ.

Машины IY поколения( рождение микропроцессора и микропроцессорного комплекта):

1969-1971 гг. (фирма «Интел», руководитель проекта Марчиал Хофф): малая потребляемая мощность(~300 Вт), вес < 50 кГ, дешевизна( на четыре порядка дешевле машины I поколения). Микропроцессоры и развитые программные оболочки стимулировали появление и бурное развитие персональных компьютеров – разновидности микрокомпьютера.Кроме того, микропроцессоры стали основой разработки систем робототехники и автоматизированных систем управления различными производственными и технологическими системами.

б). по архитектуре машины можно разделить («крупно»)на:

ЭВМ с детерминированными связями (включая жесткие связи и перестраиваемые с помощью микропрограмирования);

ЭВМ с нейросистемной (вероятностной) организацией связей.

Существуют, сегодня это воспринимается как фантастика, проекты разработки новой архитектуры машин на биологических материалах (биороботы), а также с внутрисхемной передачей сигналов по типу нервного волокна (см. рис.5), реализуемой на новой элементной базе- на резонансно-туннельных диодах.

в). по типу запоминающих сред внешних носителей информации ЭВМ делятся на:

ЭВМ с носителями на магнитных дисках (гибких - дискеты и жестких – винчестер и седиром), запись информации на которые осуществляется в виде кодов из систем магнитных доменов (ПЗУ и ППЗУ);

ЭВМ с оптическими ЗУ, - оптические волоконные регистры (см. рис 6а); - оптические запоминающие среды в виде ориентированных слоев макромолекул (см. рис.6б);

ЭВМ с носителями на магнитных дисках, запись информации на которые осуществляется посредством управления спинами и спиновыми волнами.

г). СпецЭВМ:

Это, как правило, ЭВМ с жесткими связями, нацеленными для выполнения узкого класса задач и обладающие высоким быстродействием.

Выше было продемонстрировано, что прогресс в развитии ЭВМ обусловлен в основном двумя факторами: развитием элементной базы ЭВМ и развитием систем программного обеспечения (операционные системы и программные оболочки).

В настоящем курсе мы не будем изучать основы программирования, и микропрограммирования; не будем также изучать методы математического моделирования,не будем знакомиться и с архитектурой ЭВМ. – На протяжении настоящего семестра мы станем изучать физические основы работы приборов элементной базы аппаратной части современных ЭВМ и ЭВМ ближайшей перспективы.

Последние три поколения ЭВМ имеют элементную базу на твердотельных материалах.Спектр твердотельных материалов на основе которых выполняются приборы элементной базы современных ЭВМ не столь обширен. Это полупроводники (кремний, арсенид галлия), металлы (алюминий, золото, тантал, ванадий), нитриды и силициды металлов и полупроводников (силициды кремния, нитрид кремния, нитриды ниобия), оксиды металлов (оксид алюминия) и полупроводников (оксид кремния, оксиды арсенида галлия), а также диэлектрики. – Производительность современных суперЭВМ, выполненных в основном на кремниевой элементной базе ( исключение составили схемы синхронизации, мультиплексоры и демультиплексоры, выполненные на арсениде галлия) составляет ~ 10¹¹флопс и достигает насыщения. Ограничение производительности на этом этапе составляют приборы элементной базы и связи. Отсюда, актуален поиск новых материалов и принципов реализованных в приборах следующего поколения ЭВМ.

К таким перспективным материалам для приборов элементной базы нового поколения ЭВМ относятся наноструктуры, формируемые с использованием квантоворазмерных объектов (квантовые точки, квантовые плоскости, квантовые линии, -, соответственно: 0-мерные, 1-мерные и 2^х-мерные объекты). Среди представителей перспективных приборов и схем на структурах и материалах нового класса можно назвать RTD (резонансно-туннельный диод) и НЕМТ (полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов). Появление новых материалов и новой приборной базы способствует рождению новых принципов организации принципов хранения, передачи (внутрикристальной и межблочной) и обработки информации (см. рис.7).

Поэтому, представляется естественным, что изучению физических основ элементной базы ЭВМ в нашем курсе будет предшествовать изучение физики процессов, протекающих в материалах и приборах, из которых и формируется элементная база.

В заключение, упомянем об основных видах ограничений на выходные параметры ЭВМ. К ним относятся:

• фундаментальные ограничения (термодинамические и квантовые),

• ограничение параметрами материала,

• приборные ограничения,

• схемные ограничения, системные ограничения.

Так как сегодня определяющими являются ограничения со стороны материалов и связей, то основной поток инвестиций в разработку перспективных направлений направлен на развитие альтернативных материалов для ЭВМ.

Детальнее с упомянутыми ограничениями мы познакомимся в конце настоящего курса, при рассмотрении базовых схем ЭВМ. Теперь же обратимся к изучению физических процессов в материалах и приборах на их основе.