Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ВС для ГОС (ПИ) / Котельников - Вычислительные машины, системы и сети

.pdf
Скачиваний:
289
Добавлен:
25.04.2015
Размер:
4.07 Mб
Скачать

Рис. 1.2. Механический калькулятор В. Шиккарда

Рис. 1.3. Часть разностной машины Ч. Бэббиджа

До появления первых электронных вычислительных машин некоторое время применялась переходная технология, основанная на электромеханических реле. Реле – электрический прибор, размыкающий или замыкающий цепь под действием управляющего сигнала. Отличие от транзистора в том, что в реле замыкающий контакт является движущейся механической пластиной, а в транзисторе движущиеся части отсутствуют, замыкание/размыкание происходит внутри транзистора, на уровне электронов. Наличие движущихся частей в реле является причиной следующих недостатков по сравнению с транзисторами:

11

1)малый ресурс переключений – реле быстро изнашиваются;

2)низкая частота переключений приводит к невысокой скорости работы компьютера.

Компьютеры на электромеханических реле:

1938–1945 – немецкий инженер Конрад Цузе создал серию программируемых вычислительных машин Z1-Z4. Самая известная машина серии – Z3 – состояла из 2200 реле, имела частоту 5–10 Гц;

1941–1944 – группа ученых Гарвардского университета во главе с Говардом Айкеном разрабатывает вычислитель на электромеханических реле Mark I. Длина устройства – 18 м, вес – 5 т. Вычислитель обрабатывал 23-разрядные числа, при этом сложение занимало 0,3 с, умножение – 4 с, а деление – 10 с.

Первое поколение (1940–1955)

Базовая технология – электронно-вакуумные лампы, представляющие собой стеклянные колбы, из которых откачивался воздух (создавался вакуум). К колбе присоединялись два электрода (анод и катод), а также управляющий электрод (сетка).

Движущиеся части отсутствовали, поэтому скорость переключений была гораздо выше, чем у реле, однако лампы часто выходили из строя и требовали большого количества электроэнергии.

Компьютеры, построенные на электронно-вакуумных лампах, стали называться электронные вычислительные машины (ЭВМ).

Первые ЭВМ:

АВС (Atanasoff-Berry Computer), 1942 год, Джон Атанасов и Клиф-

форд Берри (США);

COLOSSUS, 1943 год, Макс Ньюмен, Томми Флауэрс, Алан Тьюринг (Великобритания) (рис. 1.4);

ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), 1946 год,

Джон Мочли, Преспер Эккерт, Джон фон Нейман (США, 30 тонн, 140 кВт, 18000 электронных ламп, 20 десятиразрядных регистров)

(рис. 1.5).

12

Рис. 1.4. Colossus

Рис. 1.5. ENIAC

1951 год – первая советская ЭВМ – МЭСМ (Малая Электронная Счетная Машина), Сергей Алексеевич Лебедев.

1953 год – БЭСМ (Большая Электронная Счетная Машина, 10000 опер./с), С. А. Лебедев (рис. 1.6).

13

Рис. 1.6. БЭСМ-1

Программирование ВМ первого поколения осуществлялось на машинном языке, только в 50-е годы появляется Ассемблер.

Второе поколение (1955–1965)

Технология второго поколения – полупроводниковые транзисторы (Джон Бардин, Уолтер Браттейн, Уильям Шокли в 1956 году получили нобелевскую премию за создание транзистора). С появлением транзисторов на несколько порядков возросли по сравнению с электронно-вакуумными лампами быстродействие и надежность, существенно уменьшились энергопотребление и габариты ВМ.

Для удобства программирования были разработаны первые языки высокого уровня – Фортран (1956), Алгол (1958), Кобол (1959).

Первые транзисторные ЭВМ – TX-0 (Transistorized eXperimental computer), TRADIC (TRAnsistor Digital Computer).

Наибольшее распространение получили два семейства машин:

IBM 7090, IBM 7094, IBM 1401 (большие ЭВМ, стоимость – не-

сколько миллионов долларов);

PDP-1 (120 тысяч долларов), PDP-8 (16 тысяч долларов) – малые ЭВМ, компания DEC.

Третье поколение (1965–1980)

Технология третьего поколения – интегральные микросхемы (изобрели Роберт Нойс и Джек Килби независимо друг от друга в 1958 году). Интегральная микросхема (chip) – электронное устройство, все элементы которого нераздельно связаны конструктивно. До появления интегральных схем у

14

каждого элемента был свой корпус; для построения сложного устройства все элементы требовалось разместить на плате и провести между ними проводники. При этом из-за достаточно большого размера элементов не получалось поместить на одной плате требуемое их количество. В интегральных схемах размер элементов можно было уменьшать и одновременно увеличивать плотность размещения. Вследствие миниатюризации увеличивалась частота работы, уменьшались энергопотребление и тепловыделение.

Таким образом, компьютеры на интегральных микросхемах были меньшего размера, работали быстрее и стоили дешевле, чем их предшественники на транзисторах.

Самые популярные ЭВМ третьего поколения:

семейство больших компьютеров IBM-360 (рис. 1.7);

Рис. 1.7. IBM-360

малая ЭВМ PDP-11;

первые суперкомпьютеры: CDC-6600 (1964), CDC-7600 (1969), Cray-1 (Сеймур Крей).

Создатель первых суперкомпьютеров Сеймур Крей разработал также алгоритм покупки автомобиля: «Вы идете в магазин, ближайший к вашему дому, показываете на машину, ближайшую к двери, и говорите: «Я беру эту». Этот алгоритм позволяет тратить минимум времени на не очень важные дела (покупку автомобиля) и оставляет большую часть времени на важные (разработку суперкомпьютеров)» [1].

15

Во время третьего поколения появляются микропроцессоры – процессоры, размещенные на одной или нескольких интегральных схемах. Первым микропроцессором стал Intel 4004, выпущенный в 1971 году на одной микросхеме.

Четвертое поколение (c 1980 года)

Технология четвертого поколения – большие и сверхбольшие интегральные микросхемы (БИС и СБИС).

По количеству элементов выделяют следующие типы интегральных

схем:

малая интегральная схема (МИС) – до 100 элементов;

средняя интегральная схема (СИС) – от 100 до 1000 элементов;

большая интегральная схема (БИС) – от 1000 до 10000 элементов;

сверхбольшая интегральная схема (СБИС) – более 10000 элементов.

Важными чертами четвертого поколения стало повсеместное распространение персональных компьютеров (т. е. компьютеров, предназначенных для личного использования).

1977 год – первый массовый и коммерчески успешный персональный компьютер Apple II (1 МГц, до 48 Кбайт ОЗУ) (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Apple II

1981 год – персональный компьютер IBM PC (процессор Intel 8088, 4,77 МГц, до 256 Кбайт ОЗУ, операционная система MS-DOS, руководитель разработки Филипп Эстридж) (рис. 1.9).

16

Рис. 1.9. IBM PC

История развития вычислительной техники в хороших источниках читается как интересная повесть. Для более подробного ознакомления см. [1, 2, 16, 19].

1.4. Классификация вычислительных машин

Существует множество видов классификаций ВМ – по принципу действия, по этапам создания и элементной базе, по назначению, по способу организации вычислительного процесса, по вычислительной мощности и т. д.

Рассмотрим только один из вариантов [1].

Встроенные компьютеры:

цена – десятки долларов;

телевизоры, CD-плееры, микроволновые печи и т. д.

Игровые и карманные компьютеры, сотовые телефоны:

цена – сотни долларов.

Персональные компьютеры:

цена – сотни, тысячи долларов;

настольные компьютеры, ноутбуки, планшетные компьютеры, нетбуки.

Серверы:

цена – тысячи, десятки тысяч долларов;

сетевые серверы, серверы баз данных.

Малые компьютеры, или миникомпьютеры (потомки PDP-11):

цена – десятки, сотни тысяч долларов;

научные и технические ВМ.

Большие компьютеры, мэйнфреймы (mainframe, потомки IBM-360):

цена – сотни тысяч, миллионы долларов;

17

большие базы данных крупных компаний, сложные научные задачи.

Суперкомпьютеры:

цена – миллионы, десятки и сотни миллионов долларов;

ядерная физика, прогноз погоды, космические исследования…

1.5.Архитектура фон Неймана

В1945 году Джон фон Нейман совместно с другими учеными1 предложил принципы, положенные в основу большинства современных ВМ.

1.Принцип двоичного кодирования: вся информация, как данные, так и команды, кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы –

слова.

2.Принцип программного управления: алгоритм представляется с помо-

щью управляющих слов – команд. Алгоритм, записанный в виде последовательности команд, называется программой. Команды выполняются в естественной последовательности, т. е. в порядке их расположения в программе. При необходимости, с помощью специальных команд, эта последовательность может быть изменена.

3.Принцип однородности памяти: команды и данные хранятся в одной и той же памяти.

4.Принцип адресности: память состоит из пронумерованных ячеек. Номера ячеек называются адресами.

Фон Нейман разработал структуру ВМ, показанную на рис. 1.10 (сего-

дня она стала называться классической). Основным блоком является процессор, состоящий из двух элементов – устройства управления (УУ) и арифме- тико-логического устройства (АЛУ). Обрабатываемые данные хранятся в памяти, а взаимодействие с пользователем происходит через устройства вво- да-вывода.

 

 

Процессор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

АЛУ

 

 

 

 

Устройства

Устройства

 

 

 

 

 

 

ввода

 

 

 

 

 

 

вывода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

УУ

Память

Рис. 1.10. Структура ВМ по фон Нейману

1 Полунов Ю. Автора!!! // PC Week/Russian Edition. 2006. № 20(530).

18

Контрольные вопросы и задания

1.В чем ключевое отличие между понятиями вычислительной машины и вычислительной системы?

2.Зачем рассматривать вычислительную машину на нескольких уровнях? Приведите примеры систем, также рассматриваемых по уровням.

3.* Кто был первым в мире программистом?

4.Назовите первый в мире язык высокого уровня. Сохранился ли он до нашего времени?

5.Представьте память, построенную по принципу адресности фон Неймана в графическом виде.

6.* Принцип однородности памяти фон Неймана гласит, что данные и команды хранятся в одной и той же памяти. А как может быть иначе? Ответ проиллюстрируйте примерами из современности и из истории.

7.Почему в ВМ используется двоичное кодирование?

8.* Чем ВМ на основе троичной системы счисления отличается от обычной ВМ, основанной на двоичной? Перечислите преимущества и недостатки обеих.

9.* Найдите информацию о проекте ЭВМ пятого поколения, объявленном в Японии в начале 80-х годов. Почему проект до конца не был реализован? Какие уроки извлекли японцы (и весь мир) из опыта такого проекта?

19

ГЛАВА 2. ИНФОРМАЦИОННО-ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН

2.1. Системы счисления

Основные понятия

Система счисления – правило записи чисел с помощью заданного набора специальных символов – цифр.

Совокупность цифр, используемых в системе счисления, называется алфавитом системы счисления.

Существуют два основных вида систем счисления – непозиционные и позиционные.

Внепозиционных системах счисления вес цифры (т. е. тот вклад, который она вносит в значение числа) не зависит от ее позиции в записи числа.

Впозиционных системах счисления вес каждой цифры изменяется в зависимости от ее положения (позиции) в последовательности цифр, изображающей число.

Базис позиционной системы счисления – это возрастающая последовательность чисел, отвечающих за веса цифр.

Если базис образуют члены геометрической прогрессии вида

…, P–2, P–1, 1, P, P2, P3, …

то такую систему счисления называют традиционной.

Основанием традиционной системы счисления называется знаменатель Р геометрической прогрессии, члены которой образуют базис системы счисления. Основание соответствует количеству цифр, используемых в системе счисления.

К традиционным относится, например, десятичная система счисления, основание которой равно 10, а базис составляют числа:

… 0,01 0,1 1 10 100 1000 …

Традиционную систему счисления с основанием Р называют Р-ичной системой счисления.

Если из контекста неясно, в какой системе счисления записано число, основание системы счисления указывают нижним индексом: 12510.

20