Организвция ЭВм и систем

ОГЛАВЛЕНИЕ

3

4

1.Общие вопросы истории развития и построения ЭВМ

Смомента своего возникновения человек старался облегчить свой труд с помощью различных приспособлений. В начале это касалось только физического труда, а затем также и умственного. В результате уже в XVII веке начали появляться

первые механические устройства, позволяющие выполнять некоторые арифметические действия над числами. Они предназначались, в основном, для коммерческих

расчетов и составления навигационных таблиц.

Совершенствование технологии обработки металлов, а затем и появление первых электромеханических устройств типа электромагнитных реле привело к интен-

сивному совершенствованию вычислительных устройств. Кроме того, совершенствование вычислительных устройств было обусловлено все возрастающим объемом

информации, требующей переработки.

До 30-х годов прошлого столетия разработкой вычислительных устройств занимались механики, математики, электрики. Но с конца 30-х годов к этому процессу

подключились электронщики, поскольку вычислительные устройства стали создавать на электронных элементах – электронных лампах. Вычислительные устройства

превратились в электронные вычислительные машины (ЭВМ0, а все, что связано

было с созданием ЭВМ, превратилось в отдельную область человеческих знаний, которую условно можно было назвать "Теория и принципы проектирования ЭВМ".

Однако уже в 50-е годы разнообразие проблем теории и методов проектирова-

ния объектов вычислительной техники, сложность ее элементов, устройств, машин и

систем закономерно привели к тому, что из дисциплины "Теория и принципы проектирования ЭВМ", еще недавно охватывающей все основные аспекты этой области науки и техники, выделились самостоятельные курсы: схемотехника ЭВМ, методы оптимизации, периферийные устройства, операционные системы, теория програм-

мирования и т.д. Современная ЭВМ – настолько сложное устройство, что в одном

курсе физически невозможно охватить подробно все проблемы проектирования, создания и эксплуатации ЭВМ, которые в общем случае имеют три аспекта:

- пользовательский (т.е. ЭВМ является инструментом решения прикладных задач);

- программный (т.е. ЭВМ является объектом системного программирования);

- электронный (т.е. ЭВМ является сложным электронным устройством, созданным с использованием сложных технологий).

Настоящий курс "Организация ЭВМ и систем" без излишней детализации рассматривает комплекс основных вопросов, относящихся к теории, принципам по-

строения и функционирования ЭВМ как сложного электронного устройства. При этом

основное внимание уделяется микроЭВМ и устройствам на базе микропроцессорных

комплектов. Следует иметь в виду также, что под ЭВМ понимается любое устройство переработки цифровой информации (от микроконтроллера, управляющего сти-

ральной машиной, до суперЭВМ), а не только персональный компьютер.

1.1. Два класса ЭВМ

Любая сфера человеческой деятельности, любой процесс функционирования

технического объекта связаны с передачей и преобразованием информации. Одно из важнейших положений кибернетики состоит в том, что без информации, ее передачи и переработки невозможны организованные системы – ни биологические, ни технические, искусственно созданные человеком.

Информацией называются сведения о тех или иных явлениях природы, событиях общественной жизни, процессах в технических устройствах. Информация, за-

5

фиксированная в некоторых материальных формах (на материальном носителе), называется сообщением, например:

•статистические данные о работе предприятия и потребности производства в материалах;

•данные переписи населения;

•данные для диспетчера аэропорта о перемещении самолетов в воздухе;

•данные о толщине прокатываемого листа.

Все эти сообщения отличаются друг от друга по источнику информации, по спо-

собу представления, по продолжительности и т.д. Но их объединяет одно – информацию, которую они несут, необходимо передать, переработать и как-то использовать.

Вобщем случае сообщения могут быть непрерывными (аналоговыми) и дискретными (цифровыми).

Аналоговое сообщение представляется некоторой физической величиной

(обычно электрическим током или напряжением), изменение которой во времени отражает протекание рассматриваемого процесса, например температуры в нагрева-

тельной печи. Физический процесс, передающий непрерывное сообщение, может в определенном интервале принимать любые значения и изменяться в произвольные

моменты времени, т.е. может иметь бесконечное множество состояний.

Дискретное сообщение характеризуется конечным набором состояний, например, передача текста. Каждое из этих состояний можно представить в виде конечной последовательности символов или букв, принадлежащих конечному множеству, на-

зываемому алфавитом. Такая операция называется кодированием, а последова-

тельность символов – кодом. Число символов, входящих в алфавит, называется основанием кода. Важным здесь является не физическая природа символов кода, а то, что за конечное время можно передать только конечное число состояний сообщения. Причем, чем меньше основание кода, тем длиннее требуются кодовые группы для передачи фиксированного набора состояний сообщения.

Внастоящее время в абсолютном большинстве случаев используются коды с

основанием два, т.е. информация представляется в виде бинарных импульсных по-

следовательностей, или двоичных кодов.

Передачу и преобразование любой дискретной информации всегда можно све-

сти к эквивалентной передаче и преобразованию двоичных кодов, или цифровой

информации.

Более того, возможно с любой заранее заданной степенью точности непрерыв-

ное сообщение заменить цифровым путем квантования непрерывного сообщения по уровню и дискретизации его по времени. Однако следует иметь в виду, что с увеличением точности представления аналогового сообщения растет разрядность кода. Это может привести к тому, что обработка аналогового сообщения в цифровой форме на конкретной ЭВМ в реальном масштабе времени окажется невозможной.

Таким образом, любое сообщение может быть с определенной степенью точно-

сти представлено в цифровой форме.

Электронные вычислительные машины (ЭВМ) являются преобразователями информации. В них исходные данные задачи преобразуются в результат ее решения. В соответствии с используемой формой представления информации при пре-

образовании ЭВМ делятся на два больших класса – аналоговые и дискретного дей-

ствия – цифровые. Их обозначают как АВМ и ЦВМ соответственно. С 70-х годов

термин ЭВМ относят именно к машинам дискретного действия, или ЦВМ, принципы функционирования которых и будут рассмотрены в настоящем курсе.

6

1.2. Немного истории

Считается, что первым механизмом для счета являлся абак, в котором сложе-

ние и вычитание чисел выполнялось перемещением камешков по желобам доски. Подобные устройства встречаются в разных вариантах в различных странах древне-

го мира.

Но настоящая потребность в автоматизации вычислений возникла в средние века в связи с резко возросшими в этот период торговыми операциями и океанским

судоходством. Торговля требовала больших денежных расчетов, а судоходство – надежных навигационных таблиц.

Первые эскизы счетной машины создал Леонардо да Винчи (около 1500 года). А первые сведения о работающей счетной машине относятся к 1646 году (Германия). Но подробностей устройства этой счетной машины не сохранилось. В 1646 го-

ду во Франции Паскаль создал механическое устройство, которое складывало и вычитало многозначные числа. В 1673 году в Германии Лейбниц строит счетную маши-

ну, выполняющую все четыре арифметических действия. Он же предложил использовать двоичную систему счисления для нужд вычислительной математики. В этот период были созданы и другие счетные машины. Все они были построены в одном

экземпляре (поскольку создавались десятки лет) и не могли долго работать – слишком сложны были их механизмы и слишком примитивна технология их изготовления. Только в 1820 году был налажен серийный выпуск (сотни штук в год) арифмометров

конструкции Томаса де Кальмера. Вычисления, состоящие из последовательности

арифметических операций, все еще лежали за пределами возможностей счетной машины.

В1834 году Ч. Бэббидж разработал проект счетной машины, позволяющей реализовать вычисления любой сложности. Машина была задумана как механиче-

ская. Но Ч. Бэббиджа можно назвать пророком, поскольку его "аналитическая" ма-

шина стала прообразом ЭВМ, появившейся 100 лет спустя. Его машина содержала механический эквивалент практически всех основных устройств простейшей ЭВМ: память ("склад" на 1000 чисел по 50 десятичных знаков), арифметическое устройство ("мельница"), устройство управления, устройства ввода и вывода информации.

Последовательность выполнения операций и пересылки чисел между устройствами

задавалась программой на перфокартах Жаккарда (1804), которые использовались для управления работой ткацких станков. Кроме того, в машине Бэббиджа предусматривалась возможность изменения программы в зависимости от результата вычислений. Говоря современным языком, имелись команды условных переходов. Ин-

тересно отметить, что Бэббидж изобрел наиболее эффективный способ сложения

чисел – сложение по схеме со сквозным переносом. Эту машину Бэббидж строил всю оставшуюся жизнь (до 1871 года), но создал только ее отдельные узлы. В то же

время (50-е годы прошлого столетия) благодаря трудам английского математика

Ады Лавлейс зародилось машинное программирование. Ада Лавлейс пыталась написать программы к еще не созданной счетной машине Бэббиджа.

Вконце XIX –начале XX века начали появляться электромеханические счетно-

аналитические машины для выполнения расчетно-бухгалтерских и статистических операций. Сильным толчком к развитию таких устройств стал конкурс, объявленный

вСША при проведении переписи 1888 года. В нем победил табулятор Холлерита, который явился родоначальником целого семейства электронно-механических машин для обработки статистических данных. В 1898 году Холлерит организовал фир-

му, которая поставляла такие машины всему миру. Эти машины непрерывно совершенствовались: в 1913 году создан табулятор, печатающий результаты; в 1921 году к нему добавлена коммутационная доска, на которой хранилась программа обработ-

ки данных, считываемых с различных позиций перфокарты.

7

Первые вычислительные машины в современном смысле появились в конце 30-х – начале 40-х годов. В 1936 -1937 году К. Цузе (Германия) спроектировал маши-

ну с программным управлением. В 1941 году она была создана (машина на электромагнитных реле). Это первая в мире ЭВМ с программным управлением. Программа

наносилась на перфоленту и целиком вводилась в машину. После этого оператор уже не мог влиять на последовательность выполнения команд программы. Поскольку перфолента двигалась в одну сторону, все циклы записывались в развернутом

виде, т.е. в виде последовательности групп команд.

В1937 году Г. Айкин (США) разработал проект электромеханической универ-

сальной ЭВМ с программным управлением. Она была построена в 1944 году фирмой IBM и названа "Марк-1". В 1947 году под руководством Айкина построена более мощная машина "Марк-2". В ней для хранения чисел и выполнения операций ис-

пользовано 16000 электромеханических реле. В этот период был разработан целый ряд подобных релейных вычислительных машин, одна из которых практически пол-

ностью повторяла "аналитическую" машину Бебиджа.

Эти релейные вычислительные машины были ненадежны, медленно работали

ипотребляли много энергии, но позволили накопить большой опыт по созданию ма-

шин для автоматизированных вычислений. На них было опробовано двоичное кодирование чисел, представление чисел в форме с плавающей запятой, способы выполнения операций над числами на основе релейных схем и т.д.

Вэтот же период начали появляться машины, построенные на электронных

лампах, причем первоначально лампы стали использоваться в простейших счетчиках импульсов. На них строились схемы с двумя устойчивыми состояниями, впоследствии названные триггерами (впервые подобная схема была разработана в 1918 году Бонч-Бруевичем). Исследуя свойства триггеров, американские ученые

Дж. Моучли и Д. Эккер пришли к выводу о целесообразности использования в вы-

числительных машинах вместо электромеханических реле ламповых триггеров. В 1946 году под их руководством построена вычислительная машина "ЭНИАК" для баллистических расчетов. Она содержала 18000 электронных ламп и 1500 реле. Использование электронных ламп позволило резко (на два порядка) повысить скорость

выполнения операций.

Анализируя работу этой машины, математик Дж. Нейман сформулировал основные концепции организации ЭВМ. В соответствии с этими концепциями началась

разработка ЭВМ "ЭДВАК" – прообраза современных ЭВМ. Она была построена в

1950 году. А в 1949 году в Англии была введена в эксплуатацию первая в мире ЭВМ с хранимой в памяти программой – "ЭДСАК", созданная под руководством М. Уилкса.

Вычислительные машины "ЭДВАК" и "ЭДСАК" положили начало первому поколению ЭВМ – поколению ламповых машин. С начала 50-х годов было осуществлено

много проектов ЭВМ, в каждом из которых применялись новые типы устройств, спо-

собы управления вычислительным процессом и обработки информации. Особое внимание уделялось улучшению характеристик памяти, поскольку в ламповых ЭВМ она была незначительной. Так, в 1952 г. впервые были использованы ферритовые

сердечники.

На этом закончим рассмотрение истории развития вычислительных машин и

перейдем к принципам действия ЭВМ.

1.3. Принципы действия ЭВМ

Рассмотрим вначале вычисления с помощью калькулятора. Предварительно на листе бумаги выписываются формулы и исходные данные, а часто и таблицы для занесения промежуточных и конечных результатов. В процессе вычисления числа с листа заносятся в регистр микрокалькулятора, а затем включается нужная по фор-

8

муле операция. Полученные результаты переписываются с регистра (индикатора микрокалькулятора) на лист бумаги (в таблицу).

Таким образом, микрокалькулятор выполняет арифметические операции над числами, которые в него вводит человек. Лист бумаги выполняет в данном случае

роль запоминающего устройства, хранящего программу (расчетную формулу), исходные, промежуточные и конечные результаты. Человек управляет процессом вычисления, включая перенос чисел с листа в микрокалькулятор и обратно, а также

выбирает нужный вариант продолжения процесса вычисления в соответствии с полученным результатом. Интересно, что в данном случае быстродействие устройст-

ва, выполняющего арифметические операции (механического или электронного), практически не влияет на скорость вычислительного процесса, так как остальные операции выполняются очень медленно.

Принципиальный эффект достигается, если к быстродействующему арифметическому устройству добавить быстродействующую память, а также быстродейст-

вующее устройство, производящее все необходимые операции по реализации программы вычислений и пересылке чисел между арифметическим устройством и памятью. Если добавить к такому комплексу аппаратуры устройства связи с внешним

миром, т.е. устройства ввода исходных данных и программы и вывода результата, то придем к классической пятиблочной структуре Неймана, несколько модифицированный вид которой показан на рис. 1.1 (первоначально устройство ввода и вывода изо-

бражалось одним блоком, а память не разделялась на основную и внешнюю).

Пульт ручного управления

Управляющее устройство

Рис. 1.1. Классическая структура ЭВМ

Рассмотрим основные функции устройств, входящих в состав неймановской модели ЭВМ.

АЛУ – производит арифметические и логические преобразования над посту-

пающими в него машинными словами, т.е. двоичными кодами определенной длины,

представляющими собой числа или другой вид информации.

9