- •Лабораторна робота №1 Тема: Розвиток комп'ютерної архітектури
- •Таблиця 1.1. Основні етапи розвитку комп'ютерів
- •Таблиця 1.2. Перші моделі серії івм-360
- •Лабораторна робота №2 Тема: Типова архітектура еом.
- •Таблиця 2.1. Інтерпретація команд перетворення з різною кількістю адрес в адресній частині
- •Лабораторна робота №3 Тема: Формати команд. Адресовий простір еом
- •Лабораторна робота №4 Тема: Етапи виконання команди. Типи і структура даних. Взаємодія основних пристроїв еом.
- •Лабораторна робота №5 Тема: Структури універсальних, функціонально-орієнтованих і спеціалізованих процесорів. Мікропроцесори
- •Таблиця 3.1. Еволюція мікропроцесорів фірми Intel. Вироби 1970-х років.
- •Таблиця 3.2. Еволюція мікропроцесорів фірми Intel. Вироби 1980-х років.
- •Таблиця 3.3. Еволюція мікропроцесорів фірми Intel. Вироби 1990-х років.
- •Лабораторна робота №6 Тема: Арифметико-логічні пристрої
- •Лабораторна робота №7 Тема: Принцип мікропрограмного управління. Реалізація різних етапів виконання команд
- •Таблиця 15.2 Мікрокоманди пристрою керування гіпотетичного процесора Уілкса
- •Лабораторна робота №8 Тема: Організація даних на магнітному диску. Внутрішня пам’ять
- •Таблиця 6.1. Характеристики пзпмд
- •Лабораторна робота №9 Тема: Ієрархічна структура пам'яті. Віртуальна пам’ять.
- •Таблиця 6.3. Основні функції api для керування віртуальною пам'яттю в системі Windows nt
- •Лабораторна робота №10
- •Листінг 7.1. Приклад програмованого вводу-виводу
- •Лабораторна робота № 12 Тема: Класи переривань
- •Лабораторна робота №12 Тема: Переривання. Дії апаратного та програмного забезпечення
- •Дії апаратного забезпечення:
- •Дії програмного забезпечення:
- •Лабораторна робота № 13 Тема: Фаза переривання основного циклу
- •Лабораторна робота №14 Тема: Організація прямого доступу до пам’яті
- •Лабораторна робота № 15 Тема: Арбітраж шини
- •Лабораторна робота № 16 Тема: Персональні еом, їх різновидності
- •Лабораторна робота № 17 Тема:Робота еом у мультипрограмному режимі
- •Лабораторна робота № 18 Тема:Системи колективного користування з розподілом та без розподілу часу. Системи реального часу
Лабораторна робота №1 Тема: Розвиток комп'ютерної архітектури
Огляд ключових історичних моментів розвитку обчислювальної техніки підсумовано в табл. 1.1.
Таблиця 1.1. Основні етапи розвитку комп'ютерів
Рік випуску |
Назва комп'ютера |
Будівник |
Примітки |
1834 |
Аналітична машина |
Бебідж |
Перша спроба побудувати цифровий комп'ютер |
1936 |
Z1 |
Зус |
Перша релейна обчислювальна машина |
1943 |
COLOSSUS |
Британський уряд |
Перший електронний комп'ютер |
1944 |
MARK I |
Айкен |
Перший американський багатоцільовий комп'ютер |
1946 |
ENIAC I |
Екерт/Моушлі |
Початок історії сучасних комп'ютерів |
1949 |
EDSAC |
Уілкс |
Перший комп'ютер з програмами, що зберігаються у пам'яті |
1951 |
Wirlwind I |
MTI |
Перший комп'ютер реального часу |
1952 |
IAS |
Фон Нейман |
Цей проект використовується в більшості сучасних комп'ютерів |
1960 |
PDP-1 |
DEC |
Перший міні-комп'ютер (було продано 50 екземплярів) |
1961 |
1401 |
IBM |
Дуже популярний маленький комп'ютер |
1962 |
7094 |
IBM |
Дуже популярна невелика обчислювальна машина |
1963 |
B5000 |
Burroughs |
Перша машина, яку розробили для мови високого рівня |
1964 |
360 |
IBM |
Перше сімейство комп'ютерів |
1964 |
6600 |
CDC |
Перший суперкомп'ютер для наукових розрахунків |
1965 |
PDP-8 |
DEC |
Перший міні-комп'ютер масового спожитку (було продано 50000 екземплярів) |
1970 |
PDP-11 |
DEC |
Домінуючий міні-комп'ютер на ринку 70-х років |
1974 |
8080 |
Intel |
Перший універсальний 8-бітний комп'ютер на мікросхемі |
1974 |
CRAY-1 |
Cray |
Перший векторний суперкомп'ютер |
1978 |
VAX |
DEC |
Перший 32-бітний супермінікомп'ютер |
1981 |
IBM PC |
IBM |
Початок ери сучасних персональних комп'ютерів |
1985 |
MIPS |
MIPS |
Перший комп'ютер RISC |
1987 |
SPARC |
Sun |
Перша робоча станція RISC |
1990 |
RS6000 |
IBM |
Перший суперскалярний комп'ютер |
Нульове покоління — механічні комп'ютери (1642-1945)
Перша обчислювальна машина розроблена Блезом Паскалем (1642) - механічна, із шестірнями і ручним приводом - могла виконувати тільки операції додавання і віднімання.
1673 - Готфрид Вільгельм Лейбніц побудував механічну машину, що крім додавання і віднімання могла виконувати операції множення і діління.
1822 - Чарльз Бебідж розробив і сконструював різницеву машину. Ця механічна машина, як і машина Паскаля, могла тільки складати і віднімати, підраховувала таблиці чисел для морської навігації. У машину був закладений тільки один алгоритм — метод кінцевих різниць з використанням поліномів. Результати видавлювалися сталевим штампом на мідній дощечці, що передбачило більш пізні засоби вводу-виводу — перфокарти і компакт-диски.
1849 - Бебідж удосконалив пристрій, розробивши аналітичну машину. В ній було 4 компоненти: запам'ятовуючий пристрій (пам'ять), обчислювальний пристрій, пристрій введення (для зчитування перфокарт), пристрій висновку (перфоратор і друкувальний пристрій). Пам'ять складалася з 1000 слів по 50 десяткових розрядів, кожне з яких містило змінні і результати. Обчислювальний пристрій приймав операнди з пам'яті, потім виконував операції додавання, віднімання, множення чи діління і повертав отриманий результат назад у пам'ять. Як і різницева машина, цей пристрій був механічним.
Оскільки ця аналітична машина програмувалася на асемблері, їй було необхідно програмне забезпечення. Щоб створити це програмне забезпечення, Бебідж найняв Аду Августу Ловлейс, дочку знаменитого британського поета Байрона. Ада Ловлейс була першим у світі програмістом. У її честь названа сучасна мова програмування Ada.
1944 - Говард Айкен створив релейний комп'ютер “Mark I”. Комп'ютер містив 72 слова по 23 десяткових розряда кожне і міг виконати будь-яку команду за 6 секунд. Для вводу-виводу використовувалася перфострічка.
Перше покоління — електронні лампи (1945-1955)
1943 - перший електронний комп'ютер (COLOSSUS, Велика Британія). У створенні цієї машини брав участь знаменитий математик Алан Тьюрінг.
1946 - перший електронний комп'ютер в США (ENIAC, Джон Моушлі). Він складався з 18 000 електровакуумних ламп і 1500 реле. ЕNІАС важив 30 тонн і споживав 140 кіловат електроенергії. У машини було 20 регістрів, кожний з який міг містити 10-розрядне десяткове число.
Коли закінчилася Друга Світова війна, першим робочим комп'ютером став EDSAC (Моріс Уілкс, Кембріджський університет, 1949). Далі - JОHNІАС — у корпорації Rand, ILLIAC — в Університеті Іллінойсу, MANIAC — у лабораторії Лос-Аламоса і WEIZAC — в Інституті Вайцмана в Ізраїлі.
У вересні 1944 року видатний математик Джон фон Нейман отримав дозвіл ознайомитися із проектом ENIAC. Результатом його співпраці у проекті став звіт, в якому він описав логічну організацію власної обчислювальної машини (1945). Основні положення цього звіту:
закінчений пристрій повинен включати органи арифметики, пам'яті, керування та зв'язку з оператором;
машина повинна запам'ятовувати не тільки цифрову інформацію, потрібну для обчислень, але й команди, які керують програмою обчислень;
орган пам'яті можна використовувати не тільки для збереження чисел, а також і команд.
Він також відзначив, що десяткова арифметика, використовувана в ENIAC, де розряд був представлений 10 електронними лампами, повинна бути замінена бінарною арифметикою. Схема архітектури цієї машини дана на мал. 1.1.
Пам'ять включала 4096 слів, кожне слово містило 40 бітів. Кожне слово містило чи 2 команди по 20 бітів, чи ціле число зі знаком на 40 бітів. 8 бітів указували на тип команди, а інші 12 бітів визначали одне з 4096 слів. Усередині арифметико-логічного пристрою знаходився особливий внутрішній регістр у 40 бітів, так званий акумулятор. Типова команда додавала слово з пам'яті до акумулятора або зберігала вміст акумулятора в пам'яті.
Хоча фірма IBM частково фінансувала проект Айкена, вона тільки в 1953 році побудувала перший комп'ютер IBM-701. Він став першим комп'ютером, що лідирував на ринку протягом десяти років. Через три роки з'явився IBM-704, у якого було 4 К пам'яті на магнітних сердечниках, команди по 36 бітів і процесор із плаваючою крапкою.
Друге покоління — транзистори (1955-1965)
Транзистор був винайдений співробітниками лабораторії Bell Laboratories Джоном Бардіном, Уолтером Братейном і Вільямом Шоклі. Перший комп'ютер на транзисторах був побудований у лабораторії МТІ. Він містив слова з 16 бітів. Комп'ютер називався ТХ-0 (Transistorized eХperimental computer 0 — експериментальна транзисторна обчислювальна машина 0) і призначався для тестування машини ТХ-2.
Один з інженерів з цієї лабораторії, Кенет Ольсен, у 1957 році заснував компанію DEC (Digital Equipment Corporation — корпорація по виробництву цифрової апаратури), щоб розробити серійну машину, подібну до ТХ-0. Ця машина, PDP-1, з'явилася в 1961 році. У неї було 4 К слів по 18 бітів і вона мала час циклу 5 мікросекунд. Цей параметр був у два рази менше, ніж у IBM-7090, транзисторного аналога IBM-709. PDP-1 був самим швидким комп'ютером у світі на той час. PDP-1 коштував $120000, a IBM-7090 коштував мільйони. Одну з перших машин моделі PDP-1 віддали в МТІ, де вона відразу привернула увагу молодих дослідників. Одним з нововведень PDP-1 був дисплей з розміром 512 на 512 пікселів. Незабаром студенти МТІ склали спеціальну програму для PDP-1, щоб грати в “Війну світів” — першу у світі комп'ютерну гру.
Через кілька років DEC розробив модель PDP-8, 12-бітний комп'ютер. PDP-8 коштував $ 16000. Головне нововведення — одна шина (Omnibus) (мал. 1.2). Шина — це набір паралельно з'єднаних проводів для зв'язку компонентів комп'ютера. Це нововведення сильно відрізняло PDP-8 від фон-нейманівської машини. З тих пір така структура використовується у всіх комп'ютерах. Компанія DEC продала 50 000 комп'ютерів моделі PDP-8 і стала лідером на ринку міні-комп'ютерів.
Як уже було сказано, з винаходом транзисторів компанія IBM побудувала транзисторну версію ІВМ-709 — IBM-7090, а пізніше — IBM-7094. У неї час циклу складав 2 мікросекунди, а пам'ять складалася з 32К слів по 16 бітів. IBM-7090 і IBM-7094 були останніми комп'ютерами типу ENIAC, але вони широко використовувалися для наукових розрахунків у 60-х роках минулого століття. Компанія IBM також випускала комп'ютери IBM-1401 для комерційних розрахунків. Ця машина могла зчитувати і записувати магнітні стрічки і перфокарти і роздруковувати результат так само швидко, як і IBM-7094, але при цьому коштувала дешевше. Для наукових обчислень вона не підходила, але була дуже зручна для ведення ділових записів. У IBM-1401 не було регістрів і фіксованої довжини слова. Пам'ять містила 4 К слів по 8 бітів (4 Кбайт). Кожен байт містив символ у 6 бітів, адміністративний біт і біт для вказівки кінця слова.
У 1964 році компанія CDC (Control Data Corporation) випустила машину 6600, що працювала майже на порядок швидше, ніж IBM-7094. Секрет високої швидкості роботи полягав у тім, що усередині ЦП (центрального процесора) знаходилася машина з високим ступенем паралелізму. У неї було декілька функціональних пристроїв для додавання, множення і ділення, і усі вони могли працювати одночасно. Можна було скласти програму так, щоб машина виконувала 10 команд одночасно.
Третє покоління — інтегральні схеми (1965-1980)
Винахід кремнієвої інтегральної схеми в 1958 році (Роберт Нойс) дав можливість розміщувати десятки транзисторів на одній невеликій мікросхемі. Комп'ютери на інтегральних схемах були меншого розміру, працювали швидше і коштували дешевше, ніж їхні попередники на транзисторах.
Компанія IBM випустила серію комп'ютерів, System/360, що були призначені і для наукових, і для комерційних розрахунків. Це було ціле сімейство комп'ютерів з тією самою мовою (асемблером). В табл.1.2 наведені деякі параметри моделей сімейства ІВМ-360.