Архитектура персонального компьютера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

«Архитектура персонального компьютера»

Оглавление

• I. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭВМ
• 1. Задачи, поставленные человечеством в области усовершенствования ЭВМ
• 2. Решения задач
• 3. Архитектура Фон Неймана
• 3.1 Больше об истории жизни фон Неймана
• 3.2 ЭВМ и архитектура фон Неймана
• 4. Элементная база и поколения ЭВМ
• 4.1 поколения
• 4.2 Нулевое поколение
• 4.3 Пятое поколение ЭВМ(1984)
• 4.4 архитектура ЭВМ
• 4.5 Совершенствование и развитие внутренней структуры ЭВМ
• 4.6 Система команд ЭВМ
• II. КЛАССИФИКАЦИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
• 1.Классификация операционных систем
• 1.1 Классификация операционных систем по мощности аппаратных средств
• 1.2 Классификация операционных систем для компьютеров по выполняемым функциям
• 1.3 Классификация операционных систем по числу одновременно выполняемых задач
• 1.4 Классификация операционных систем по числу одновременно работающих пользователей
• 1.5 Классификация операционных систем по разрядности кода
• 1.6 Классификация операционных систем по количеству поддерживаемых процессоров
• 1.7 Классификация операционных систем по типу доступа пользователя к ЭВМ
• 1.8 Классификация операционных систем по типу использования ресурсов
• 1.9 Классификация операционных систем по типу используемого интерфейса
• 1.10 Классификация по семействам операционных систем
• 2. Классификация вычислительных устройств
• 2.1 По принципу действия
• 2.2 По назначению
• 2.3 По размерам и функциональным возможностям
• 3. История развития микропроцессоров
• 3.1 Микропроцессоры типа CISC
• 3.2 Микропроцессоры Pentium
• 3.3 Микропроцессоры Pentium Pro
• 3.4 Микропроцессоры Pentium ММХ и Pentium П
• 3.5 Микропроцессоры Pentium III
• 3.6 Микропроцессоры Pentium 4
• 3.7 Микропроцессоры Over Drive
• 3.8 Микропроцессоры типа RISC
• 3.9 Микропроцессоры типа VLIW
• 4. Методы повышения производительности процессоров
• 4.1 Суперскалярная архитектура
• 4.2 Конвейерная обработка
• 4.3 Суперконвейер
• 4.4 Спекулятивное выполнение и предсказание переходов
• 4.5 Динамическое выполнение команд
• 4.6 Переименование регистров и буфера записи
• 4.7 Многопроцессорность
• 4.8 Hyper-Threading
• 4.9 Мультимедийные расширения
• III. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ IBM PC. АРХИТЕКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРОВ
• 1. История развития IBM PC
• 2. Архитектура IBM
• 2.1 Процессор
• 2.2 BIOS
• 2.3 Конфигурирование
• 2.4 Начальная загрузка
• 2.5 Адреса памяти и устройств ввода-вывода
• 2.6 Системный регистр
• 2.7 Аппаратные прерывания
• 2.8 Канал прямого доступа к памяти
• 2.9 Системный таймер
• 2.10 Системная шина
• 2.11 Канал параллельной передачи данных - LPT
• 2.12 Канал последовательной передачи данных - COM
• 2.13 Игровой порт
• 2.14 Видеосистема
• 2.15 Клавиатура
• 3. Архитектура микропроцессоров
• 3.1 Классификация процессоров
• 3.2 DSP-процессор
• 3.3 Архитектура CPU и GPU
• 3.4 Матричная SIMD и конвейерная MIMD обработка данных
• Список литературы
• I. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭВМ

1. Задачи, поставленные человечеством в области усовершенствования ЭВМ

1.Облегчить и автоматизировать большие объемы вычислении и информации.

2.Электромеханическое реле работали недостаточно быстро. Нужно было увеличить скорость быстродействия.

3.Использование более стабильных переключающих полупроводниковых элементов.

4.Сокращение пути прохождения тока при переключениях. Появление микросхемы(чипа).

5..Обработка большого количества данных, производство научных расчетов, решение оборонных задач, создание автоматизированных систем управления. процессор конфигурирование вычислительный электронный

6..Применение принципа открытой архитектуры, стандартизация основных компьютерных устройств и способы их соединения.

7.Стремление к более совершенной вычислительной и автоматизированной машины(компьютера).

8.Создания различных и более удобных языков программирования.

9. Возможность модернизации.

10. Необходимо, чтобы создаваемое устройство было надежным и соответствовало всем необходимым нормам безопасности.

11. Универсальные компьютеры предназначены для решения самых различных инженерно-технических, экономических, математических, информационных задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных.

12. В процессе функционирования ЭВМ возникают отказы, связанные с неисправностью отдельных элементов либо соединений между ними.

13.Увеличение мощности и производительности компьютера.

В конце 20-ого века человечество вступило в стадию формирования глобальной информационной сети, которая способна объединить возможности различных компьютерных систем.

2. Решения задач

С каждым поколением улучшалось развитие ЭВМ. С каждым годом ставились все новые и новые задачи, которые нужно было как-то решать.

Решениям этих задач способствовали многие факты:

1.Менялась элементная база и архитектура

2.Увеличивалась скорость быстродействия, поэтому для решения поставленной задачи с каждым разом быстрее искали ответ.

3.Улучшалось программное обеспечение.

4.Внедрялись новые устройства ЭВМ, что позволяли делать новые открытия в области компьютерных технологии

5.Вместе с тем, развитие науки дал свой плюс. Улучшались применения изучения техники и ЭВМ.

6. Операционные ресурсы ЭВМ напрямую связаны с аппаратными средствами, которые характеризуют степень приспособленности ЭВМ для решения тех или иных задач.

7.Необходимость в практических доказательств теории.

8. При росте стоимости ЭВМ растет количество оборудования и, следовательно, снижается скорость решения задачи.

9.При росте стоимости ЭВМ растет объем оборудования и, следовательно, увеличивается время ремонта.

Вывод: Хоть задач поставлено много, но для каждого из них найдется решение, ведь информационные технологии развиваются и сейчас, изучаются все более новые технологии и наука позволяет проводить различные эксперименты для создания чего-то нового.

3.Архитектура Фон Неймана

3.1 Больше об истории жизни фон Неймана

В период с 1927 по 1930 год фон Нейман был лектором по математике в университете в Берлине. Редко кто, будучи молодым, получает такую должность. В течение первого года он опубликовал там 5 научных работ. Три из них, излагавшие математическую структуру для квантовой теории, имели большое значение для этой области науки. Четвертая научная работа была первой попыткой в изучении теории игр. Пятая рассматривала связь между формальными логическими системами пределов математики. К 30-м годам XX века фон Нейман был признан одним из ведущих математиков мира.

Он провел весну 1929 года в Гамбурге и именно тогда получил приглашение читать лекции в Принстонском университете, что явилось поворотным пунктом в его карьере. Фон Нейман приехал в Соединенные Штаты в 1930 году. После чтения лекций по квантовой статистике в течение года в Принстоне, в 1931 году он был назначен на должность профессора. Математическая гидродинамика была предметом его лекций в следующем году. В 1933 году, когда в Принстоне был основан институт перспективных исследований, фон Нейман стал одним из первых шести профессоров школы математики. Эту должность он будет занимать до конца своей жизни. 1 января 1930 года фон Нейман женился на Мариетте Коведи, у них родилась дочь Марина в 1935 году, но брак распался в 1937 году. В том же году фон Нейман стал американским гражданином, а 18 декабря 1938 года женился на Кларе Дэн, которая позже стала программистом в научной лаборатории в Лос-Аламосе.

Решающий момент в карьере Джона фон Неймана произошел, когда он начал работать над созданием первой атомной бомбы в Лос-Аламосе в начале 40-х годов. Результат этой работы привел его к пониманию высокой значимости компьютеров. Роберт Оппенгеймер, который знал фон Неймана с Геттингена, убедил его стать математическим консультантом для секретного Манхэттенского проекта в конце 1943 года. Его квалификация математика в вопросах теории взрыва была крайне необходима. Другие участники манхэттенского проекта отклонили взрывной метод как бесполезный, но, полагаясь на свои знания в теории взрыва, Нейман считал, что такой метод может сработать. Оппенгеймер был убежден в этом, и поэтому фон Нейман разработал детали. Техника фон Неймана, правильность которой была доказана испытаниями в Аламогордо, была применена при взрыве бомбы в Нагасаки.

В течение лета 1944 года фон Нейман был полон страстного желания найти пути ускорения вычислений. Как это ни странно, его первая “встреча” с компьютерами произошла на железнодорожной платформе. Однажды, в июне 1944 года, Герман Голдстайн, математик и военный офицер, который был посредником между Абердинской Мэрилендской баллистической исследовательской лабораторией и секретным компьютерным проектом в школе Мура при университете в Пенсильвании увидел фон Неймана на платформе в Абердине.

Голдстайн ожидал поезда из Филадельфии. В течение военных лет фон Нейману приходилось ездить на работу из Лос-Аламоса (где он был консультантом в баллистической лаборатории) в Принстон. Позже Голдстайн рассказывал: “Разговор вскоре зашел о моей работе”. Голдстайн испытывал большое почтение к фон Нейману. В спокойной обстановке той железнодорожной платформы искушение попробовать произвести на него впечатление было огромным. Какой же лучший способ сделать это, чем раскрыть, что он, Голдстайн, был вовлечен в проектирование компьютера в университете в Пенсильвании, названного электронно-числовым интегратором -- ENIAC.

Когда Голдстайн объяснил, что компьютер может выполнять 333 умножения в минуту, фон Нейман взволнованно попросил более детального объяснения. “Вся атмосфера нашего разговора, -- вспоминал Голдстайн, -- изменилась: из расслабляющего доброго юмора в атмосферу, более похожую на устный экзамен на докторскую степень по математике”. Фон Нейман добился разрешения от властей посетить проект. Приехав 7 сентября 1944 года в школу Мура электронного проектирования, где компьютер находился в стадии завершения, фон Нейман придал программе ENIAC респектабельность, которая не вызвала энтузиазма у создателей. Джон Маучли, автор изобретения, считал фон Неймана не самим выдающимся математиком в мире и был взволнован тем, что фигура такой величины проявляла интерес к его работе.

С ним обходились как с посещающим членом королевской семьи, которому было разрешено все видеть и обо всем спрашивать. То, что он видел, поражало своим великолепием: два аккумулятора, вычислявших со скоростью, которая была гораздо быстрее той, с которой фон Нейман мог вычислять в уме. Но чувствуя огромный потенциал внутри ENIAC, он уже представлял себе более совершенные компьютеры, которые по своей значимости превзойдут даже эти вычислительные способности. По словам Маучли, фон Нейман был так похож на ребенка, получившего новую игрушку.

Нейман стал лицом, прочно обосновавшимся в проектах ENIAC и EDVAC в качестве консультанта, высокопоставленного посетителя и энтузиаста. Он понял, что работы Маучли и Эккерта по реализации проектов ENIAC и EDVAC очень важны для науки. Обобщив увиденное и услышанное о проектах ENIAC и EDVAC в июне 1945 года, меньше, чем через год после того, как он присоединился к группе Маучли и Эккерта, Нейман, пользуясь своим высоким авторитетом, написал отчет под названием “Предварительный доклад о машине EDVAC”. В нем он описал не только саму машину, но и ее логическую организацию.

“Так как законченное устройство будет универсальной вычислительной машиной, оно должно содержать несколько основных органов, таких как орган арифметики, памяти, управления и связи с оператором. Мы хотим, чтобы после начала вычислений работа машины не зависела от оператора”.

“Очевидно, что машина должна быть способна запоминать некоторым образом не только цифровую информацию, необходимую для данного вычисления… но также и команды, управляющие программой, которая должна производить вычисления над этими числовыми данными”.

“Если, однако, приказы (команды) машины свести к числовому коду и если машина сможет некоторым образом отличать число от приказа (команды), то орган памяти можно использовать для хранения как чисел, так и приказов (команд)” (идея, выдвинутая еще в начале 1944 года Эккертом). “Если память для приказов (команд) является просто органом памяти, то Должен существовать еще орган, который может автоматически выполнять приказы (команды), хранящиеся в памяти. Мы будем называть этот орган управляющим”.

“Поскольку наше устройство должно быть вычислительной машиной, в нем должен иметься арифметический орган… устройство, способное складывать, вычитать, умножать и делить”.

“Наконец, должен существовать орган ввода и вывода, с помощью которого осуществляется связь между оператором и машиной”.

EDVAC с 4000 электронными лампами и 10 000 кристаллическими диодами, в отсутствие Маучли и Эккерта, был завершен только в 1952 году. Но таланты фон Неймана были многогранны. В 1944 году он и Оскар Моргенштерн опубликовали классическую работу “Теория игр и экономическое поведение”, в которой они проанализировали такие простые игры, как покер и игра в орлянку, чтобы продемонстрировать, что “наиболее возможный” метод игры существует и математически обусловлен. Их “теория игр” могла также быть применима к экономическим и социальным проблемам. Посредством этой книги фон Нейман и Моргенштерн сделали первый шаг к общей математической теории экономики.

В его планах было создать полностью автоматическую, цифровую универсальную электронную вычислительную машину, самую быстродействующую. Она предназначалась для научных исследований, а не для коммерческого рынка. IAS-компьютер, названный в честь Института перспективных исследований, был начат в 1946 году и закончен пять лет спустя.

Тем временем 22 марта 1946 года фон Нейман и Голдстайн попытались получить патент на EDVAC, обосновывая свое требование на “Первом отчете”. Они обратились в юридическое отделение Пентагона. 3 апреля 1947 года армия отказала им, аргументируя это тем, что хотя “Первый отчет” квалифицируется как опубликованное доказательство, но уже слишком поздно, т. к. патенты выдаются в течение года после публикации свидетельства. EDVAC пришлось стать общественной собственностью. Маучли и Эккерт были озадачены в равной степени. Они знали, что патент по праву принадлежит им.

Джон фон Нейман был диагностирован рак. Несмотря на свою болезнь и слабость, он принял участие в церемониях, организованных в его честь, в инвалидном кресле, и все контакты с семьей и друзьями в это время. Он скончался 8 февраля 1957 года.

3.2 ЭВМ и архитектура фон Неймана

Первая ЭВМ была построена в 1943-1946 годах в школе инженеров-электриков Мура Пенсильванского университета и получила название ENIAC (по первым буквам английского названия - электронный цифровой интегратор и вычислитель). Фон Нейман подсказал её разработчикам, как можно модифицировать ENIAC, чтобы упростить его программирование.

А вот в создании следующей машины - EDVAC (электронный автоматический вычислитель с дискретными переменными) фон Нейман принял более активное участие. Он разработал подробную логическую схему машины, в который структурными единицами были не физические элементы цепей, а идеализированные вычислительные элементы. Использование идеализированных вычислительных элементов стало важным шагом вперед, так как позволило отделить создание принципиальной логической схемы от ее технического воплощения. Также фон Нейман предложил ряд инженерных решений: использовать в качестве элементов памяти не линии задержки, а электронно-лучевые трубки (электростатическая запоминающая система), что должно было сильно повысить быстродействие. При этом можно было обрабатывать все разряды машинного слова параллельно. Эта машина была названа JONIAC - в честь фон Неймана. С помощью JONIAC были осуществлены важные расчеты при создании водородной бомбы.

В 1944 увидела свет работа фон Неймана и О. Моргенштерна "Теория игр и экономического поведения". В конце сороковых годов, накопив практический опыт создания компьютеров, фон Нейман приступил к созданию общей математической (логической) теории автоматов. Различия между теорией автоматов фон Неймана и кибернетикой Винера несущественны и обусловлены личным вкусом их создателей, а не принципиальными соображениями. Теория фон Неймана посвящена, в основном, дискретной математике, в то время как у Винера - непрерывной.

Фон Нейман предложил систему корректировки данных, для повышения надежности систем - использование дублирующихся устройств с выбором двоичного результата по наибольшему числу.

Во второй половине 1930-х годов совместно с Ф. Дж. Мюрреем Нейман опубликовал ряд работ по кольцам операторов, положив начало так называемой алгебре Неймана, которая впоследствии стала одним из главных инструментов для квантовых исследований.

Из 150 трудов Неймана лишь 20 касаются проблем физики, остальные же равным образом распределены между чистой математикой и ее практическими приложениями, в том числе теорией игр и компьютерной теорией.

Нейману принадлежат новаторские работы по компьютерной теории, связанные с логической организацией компьютеров, проблемами функционирования машинной памяти, имитацией случайности, проблемами самовоспроизводящихся систем. В 1944 Нейман присоединился к группе Мокли и Эккерта, занятой созданием машины ENIAC, в качестве консультанта по математическим вопросам. Тем временем в группе началась разработка новой модели, EDVAC, которая, в отличие от предыдущей, могла бы хранить программы в своей внутренней памяти. В 1945 Нейман опубликовал «Предварительный доклад о машине EDVAC», в котором описывалась сама машина и ее логические свойства. Описанная Нейманом архитектура компьютера получила название «фон Неймановской», и таким образом ему было приписано авторство всего проекта. Это вылилось впоследствии в судебное разбирательство о праве на патент и привело к тому, что Эккерт и Мокли покинули лабораторию и основали собственную фирму. Тем не менее «архитектура фон Неймана» была положена в основу всех последующих моделей компьютеров.

Требования к структуре компьютеров:

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

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

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

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

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

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

3.3 Подробнее о самих машинах

ENIAC

Машина Эниак (ENIAC, аббревиатура от Electronic Numerical Integrator and Computer - электронный цифровой интегратор и вычислитель), подобно Марк-1 Говарда Эйкена, также предназначалась для решения задач баллистики. Но в итоге она оказалась способной решать задачи из самых различных областей.

С самого начала войны сотрудники Лаборатории баллистических исследований министерства обороны США, расположенной в районе Абердинского полигона, шт. Мэриленд, трудились над созданием баллистических таблиц, столь необходимых артиллеристам на полях сражений. Значение этих таблиц трудно переоценить. С их помощью артиллеристы могли делать поправки при наводке орудия с учетом расстояния до цели, ее высоты над уровнем моря, а также метеорологических условий - ветра и температуры воздуха. Однако для построения таблиц требовались очень длинные и утомительные вычисления - для расчета лишь одной траектории приходилось выполнять минимум 750 операций умножения, а каждая таблица включала не менее 2000 траекторий. Правда, дифференциальный анализатор позволил несколько ускорить расчеты, но это устройство давало лишь приближенные результаты, для уточнения которых привлекались затем десятки людей, работавших с обычными настольными калькуляторами.

Война разрасталась, военные разработки требовали ускорения, лаборатория не справлялась с работой и, в конце концов, вынуждена была обратиться за помощью. В расположенном неподалеку Высшем техническом училище Пенсильванского университета был создан вспомогательный вычислительный центр. Училище располагало дифференциальным анализатором, однако двое сотрудников вычислительного центра, Джон У. Маучли и Дж. Преспер Экерт, вознамерились придумать кое-что получше.

Маучли, физик, увлекавшийся метеорологией, давно мечтал о создании устройства, которое позволило бы применить статистические методы для прогнозирования погоды. Перед войной он смастерил несколько простых цифровых счетных устройств на электронных лампах. Возможно, интерес к электронным вычислительным машинам возник у него под влиянием идей Джона Атанасоффа, работавшего в шт. Айова. В июне 1941 г. Маучли в течение пяти дней гостил у Атанасоффа, наблюдая, как тот вместе со своим помощником Клиффордом Берри трудился над прототипом компьютера, содержащим около З00 электронных ламп. [2]

Существенным или нет, оказалось влияние Атанасоффа - позже этот вопрос стал предметом судебной тяжбы, - но вдохновил Маучли на эту работу Экерт. Моложе Маучли на 12 лет Экерт был поистине виртуозом в технике. В возрасте восьми лет он построил миниатюрный приемник. Как вспоминал позднее Маучли, Экерт убедил его, что «мечты о компьютере можно осуществить на практике».

В августе 1942 г. Маучли написал нечто вроде заявки на пяти страничках, где вкратце изложил их совместное с Экертом предложение о создании быстродействующего компьютера на электронных лампах. Заявка затерялась в инстанциях. Однако через несколько месяцев лейтенант Герман

Голдстейн, прикомандированный к училищу военный представитель, случайно услышал об этой идее.

Голдстейн, до войны преподававший математику в Мичиганском университете, сразу же оценил значение предлагаемого проекта компьютера и начал хлопотать от имени военного командования, чтобы проект приняли к разработке. Наконец, 9 апреля 1943 г. - армия заключила с училищем контракт на 400 тыс. долл., предусматривающий создание компьютера Эниак(ENIAK).[2]

Группа специалистов, работавшая над этим проектом, в конечном счете, выросла до 50 человек. Маучли был главным консультантом проекта, Экерт - главным конструктором. Разные по своему характеру и привычкам эти два человека прекрасно дополняли друг друга. Быстрый и общительный Маучли генерировал идеи, а сдержанный, хладнокровный и осторожный Экерт подвергал эти идеи строгому анализу, желая убедиться, что они действенны.

Новая машина имела впечатляющие "параметры": применено 17 тысяч электронных ламп и 1500 реле. Потребовалось помещение площадью 9x15 квадратных метров, масса - 30 т. Машина потребляла около 150 кВт энергии - мощность, достаточная для небольшого завода. ENIAC работал с тактовой частотой 100 кГц и выполнял операцию сложения за 0,2 мс, а умножения - за 2,8 мс, что было на три порядка быстрее, чем это могли делать релейные машины. Быстро обнажились недостатки новой машины. При 17 тыс. ламп, одновременно работающих с частотой 100 тыс. импульсов в секунду, ежесекундно возникало 1,7 млрд. ситуаций, в которых хотя бы одна из ламп могла не сработать. Экерт разрешил эту проблему, позаимствовав прием, который широко использовался при эксплуатации больших электроорганов в концертных залах: на лампы стали подавать несколько меньшее напряжение, и количество аварий снизилось до одной-двух в неделю.[4]

Использовалась десятичная система счисления вместо двоичной. Программа задавалась схемой коммутации триггеров на 40 наборных полях, на каждую требовалось несколько коммутационных шнуров. На перенастройку коммутационных полей уходили недели. При пробной эксплуатации выяснилось, что надежность машины очень низка - поиск неисправностей занимал от нескольких часов до нескольких суток. Экерт разработал программу строгого контроля исправности аппаратуры. Каждый из более чем 100 тыс. электронных компонентов 30-тонной машины подвергался тщательной проверке, затем все они аккуратно расставлялись по местам и запаивались, а иногда и перепаивались не раз. Эта работа потребовала большого напряжения сил всех членов группы, включая Маучли, ее «мозговой центр».

Основными схемами машины были так называемые ячейки "и", действовавшие как переключатели, ячейки "или", предназначавшиеся для объединения на одном выходе импульсов, идущих от разных источников, и, наконец, триггеры. В ENIAC'е 10 триггеров соединялись в кольцо, образуя десятичный счетчик, который исполнял роль счетного колеса механической машины. 10 таких колец плюс 2 триггера для представления знака числа образуют запоминающий регистр. Всего в ENIAC'e было 20 таких регистров. Каждый регистр снабжен схемой передачи десятков и мог быть использован для операций суммирования и вычитания. Другие арифметические операции выполнялись в специализированных блоках. Помимо памяти, на триггерных ячейках в машине имелся блок механических переключателей, на котором вручную могло быть установлено до 300 чисел. Числа передавались из одной части машины в другую посредством 11 проводников, по одному для каждого десятичного разряда и знака числа. Значение передаваемой цифры равнялось числу импульсов, прошедших по данному проводнику. Работой отдельных блоков машины управлял задающий генератор, который определял последовательность тактовых и синхронизирующих импульсов, эти импульсы "открывали" и "закрывали" соответствующие электронные блоки машины.[3]

Ввод чисел в машину производился с помощью перфокарт, а программное управление последовательностью выполнения операций осуществлялось, как в счетно-аналитических машинах, с помощью штеккеров и наборных полей. Хотя такой способ программирования и требовал много времени для подготовки машины, то есть для соединения на наборном поле (коммутационной доске) отдельных блоков машины, он позволял реализовывать счетные "способности" ENIAC'а и тем выгодно отличался от способа программной перфоленты, характерного для релейных машин.

В конце 1945 г., когда Эниак (ENIAC) был, наконец собран и готов к проведению первого официального испытания, война, нуждам которой он был призван служить, окончилась. Однако сама задача, выбранная для проверки машины, - расчеты, которые должны были ответить на вопрос о принципиальной возможности создания водородной бомбы, - указывала на то, что роль компьютера в послевоенные годы и годы «холодной войны» не снижалась, а скорее возрастала

Эниак успешно выдержал испытания, обработав около миллиона перфокарт фирмы IBM. Спустя два месяца машину продемонстрировали представителям прессы. По своим размерам этот компьютер более чем вдвое превосходил Марк-1 Говарда Эйкена. Однако двойное увеличение в размерах сопровождалось тысячекратным увеличением в быстродействии. По словам одного восхищенного репортера, Эниак работал «быстрее мысли».[2]

Не успел Эниак вступить в эксплуатацию, как Маучли и Экерт уже работали по заказу военных над новым компьютером. Главным недостатком компьютера Эниак были трудности, возникавшие при изменении вводимых в него инструкций, т. е. программы. Объема внутренней памяти машины едва хватало для хранения числовых данных, используемых в расчетах. Это означало, что программы приходилось буквально «впаивать» в сложные электронные схемы машины. Если требовалось перейти от вычислений баллистических таблиц к расчету параметров аэродинамической трубы, то приходилось бегать по комнате, подсоединяя и отсоединяя сотни контактов, как на ручном телефонном коммутаторе. В зависимости от сложности программы такая работа занимала от нескольких часов до двух дней. Это было достаточно веским аргументом, чтобы отказаться от попыток использовать Эниак в качестве универсального компьютера.

Следующая модель - машина Эдвак (EDVAC, от Electronic Discrete Automatic Variable Computer - электронный дискретный переменный компьютер) - была уже более гибкой. Ее более вместительная внутренняя память содержала не только данные, но и программу.[1]

EDVAС

Машина Эдвак (EDVAC, от Electronic Discrete Automatic Variable Computer - электронный дискретный переменный компьютер) - была уже более гибкой. Ее более вместительная внутренняя память содержала не только данные, но и про грамму. Инструкции теперь не «впаивались» в схемы аппаратуры, а записывались электронным способом в специальных устройствах, о которых Экерт узнал, работая над созданием радара: это - заполненные ртутью трубки, называемые линиями задержки. Кристаллы, помещенные в трубку, генерировали импульсы, которые, распространяясь по трубке, сохраняли информацию, как ущелье «хранит» эхо. Существенно и то, что Эдвак кодировал данные уже не в десятичной системе, а в двоичной, что позволило значительно сократить количество электронных ламп.

В конце 1944 г., когда Мочли и Экерт трудились над машиной Эдвак, способной хранить про граммы в памяти, на помощь им был направлен консультант. Джону фон Нейману, который в 41 год уже обрел известность как блестящий математик, суждено было оказать огромное влияние на развитие вычислительной техники в послевоенные годы.

4. Элементная база и поколения ЭВМ

4.1 Поколения

Поколение	1	2	3	4
Период, гг	1946 -1960	1955-1970	1965-1980	1980-наст. вр.
Элементная база	Вакуумные электронные лампы	Полупроводниковые диоды и транзисторы	Интегральные схемы	Сверхбольшие интегральные схемы
Архитектура	Архитектура фон Неймана	Мультипрограммный режим	Локальные сети ЭВМ, вычислительные системы коллективного пользования	Многопроцессорные системы, персональные компьютеры, глобальные сети
Быстродействие	10 - 20 тыс. оп/с	100-500 тыс. оп/с	Порядка 1 млн. оп/с	Десятки и сотни млн. оп/с
Программное обеспечение	Машинные языки	Операционные системы, алгоритмические языки	Операционные системы, диалоговые системы, системы машинной графики	Пакеты прикладных программ, базы данных и знаний, браузеры
Внешние устройства	Устройства ввода с перфолент и перфокарт,	АЦПУ, телетайпы, НМЛ, НМБ	Видеотерминалы, НЖМД	НГМД, модемы, сканеры, лазерные принтеры
Применение	Расчетные задачи	Инженерные, научные, экономические задачи	АСУ, САПР, научно - технические задачи	Задачи управления, коммуникации, создание АРМ, обработка текстов, мультимедиа
Примеры	ENIAC , UNIVAC ( США); БЭСМ - 1,2, М-1, М-20 (СССР)	IBM 701/709 (США) БЭСМ-4, , М-220, Минск, БЭСМ-6 (СССР)	IBM 360/370, PDP -11/20, Cray -1 (США); ЕС 1050, 1066, Эльбрус 1,2 (СССР)	Cray T3 E, SGI (США), ПК, серверы, рабочие станции различных производителей

4.2 Нулевое поколение

Электронная вычислительная машина(ЭВМ)- это комплекс технических и программных средств , предназначенных для автоматизированной обработки информации (дискретных сообщений) по требуемому алгоритму.

«Механическая» эра в эволюции ВТ связана с механическими, а позже - электромеханическими вычислительными устройствами. Основным элементом механических устройств было зубчатое колесо. Начиная с ХХ века роль базового элемента переходит к электромеханическому реле.

Краткая хронология основных событий данной эры:

1492 год. В одном из своих дневников Леонардо да Винчи приводит рисунок тринадцатиразрядного десятичного суммирующего устройства на основе зубчатых колес.

1623 год. Вильгельм Шиккард разрабатывает устройство на основе зубчатых колес («считающие часы») для сложения и вычитания шестнадцатиразрядных десятичных чисел.

1642 год. Блез Паскаль представляет « Паскалин» - механическое цифровое вычислительное устройство, которое суммировало и вычитало пятиразрядные десятичные числа. .

1673 год. Готфрид Вильгельм Лейбниц создает «пошаговый вычислитель» - десятичное устройство для выполнения всех четырех арифметических операций над 12-разрядными десятичными числами. Результат умножения представлялся 16 цифрами.

1832 год. Английский математик Чарльз Бэббидж создает сегмент разностной машины, оперирующий 16-разрядными числами и разностями второго порядка.

1836 год. Бэббидж разрабатывает проект «аналитической машины». Проект предусматривает три считывателя с перфокарт для ввода программ и ввода данных, память на пятьдесят 40-разрядных чисел, два аккумулятора для хранения промежуточных результатов. В программирования машины предусмотрено концепция условного перехода. В проект заложен также и прообраз микропрограммирования - содержание инструкций предполагалось создавать путем позиционирования металлических штырей в цилиндре с отверстиями. По оценкам автора, суммирование должно было занимать 3 с, а умножение и деление - 2-4 мин.

1871 год. Бэббидж создает прототип одного из устройств своей аналитической машины - «мельницу» (сейчас это называется центральным процессором), а также принтер.

1937 год. Алан Тьюринг из Кембриджского университета публикует статью, в которой излагает концепцию теоретической упрощенной вычислительной машины, в дальнейшем получившей название машины Тьюринга.

1938 год. Немецкий инженер Конрад Цузе строит механический программируемый вычислитель Z1 с памятью на 1000 бит. В последнее время Z1 все чаще называют первым в мире компьютером.

1939 год. Джордж Стибитц и Сэмюэль Вильямс представили Model I - калькулятор на базе релейной логики, управляемый с помощью модифицированного телетайпа, что позволило подключаться к калькулятору по телефонной линии.

1940 год. Следующая работа Цузе - электромеханическая машина Z2, основу которой составляла релейная логика, хотя память, как и в Z1, была механической.

1941 год. Цузе создает электромеханический программируемый вычислитель Z3. Вычислитель содержит 2600 электромеханических реле. Z3 - это первая попытка реализации принципа программного управления, хотя и не в полном объеме. Программа хранилась на перфоленте. Емкость памяти составляла 64 22-битовых слова. Операция умножения занимала 3-5 с.

1943 год. Группа ученых Гарвардского университета во главе с Говардом Айкеном разрабатывает вычислитель ASCC Mark I - первый программно-управляемый вычислитель, получивший широкую известность. Длина устройства составила 18 м., а весило оно 5т. Машина состояла из множества вычислителей, обрабатывающих свои части общей задачи под управлением единого устройства управления. Команды считывались с бумажной перфоленты и выполнялись в порядке считывания. Вычислитель обрабатывал 23-разрядные числа, при этом сложение занимало 0,3 с., умножение - 4с., а деление - 10с.

1945 год. Цузе завершает Z4 -улучшенную версию вычислителя Z3. По архитектуре у Z4 очень много общих черт с современными ВМ: память и процессор представлены отдельными устройствами, процессор может обрабатывать числа с плавающей запятой и, в дополнении к четырем основным арифметическим операциям, способен извлекать квадратный корень. Программа хранится на перфоленте и считывается последовательно. Также, под руководством Джона Моучли и Джона Эккерта был разработан проект первого компьютера EDVAC с хранимой программой.

4.3 Пятое поколение ЭВМ(1984)

Переход к компьютерам пятого поколения предполагал переход к новым архитектурам, ориентированным на создание искусственного интеллекта.

Основные требования к компьютерам 5-го поколения: Создание развитого человеко-машинного интерфейса (распознавание речи, образов); Развитие логического программирования для создания баз знаний и систем искусственного интеллекта; Создание новых технологий в производстве вычислительной техники; Создание новых архитектур компьютеров и вычислительных комплексов.

Новые технические возможности вычислительной техники должны были расширить круг решаемых задач и позволить перейти к задачам создания искусственного интеллекта. В качестве одной из необходимых для создания искусственного интеллекта составляющих являются базы знаний (базы данных) по различным направлениям науки и техники. Для создания и использования баз данных требуется высокое быстродействие вычислительной системы и большой объем памяти. Универсальные компьютеры способны производить высокоскоростные вычисления, но не пригодны для выполнения с высокой скоростью операций сравнения и сортировки больших объемов записей, хранящихся обычно на магнитных дисках. Для создания программ, обеспечивающих заполнение, обновление баз данных и работу с ними, были созданы специальные объектно ориентированные и логические языки программирования, обеспечивающие наибольшие возможности по сравнению с обычными процедурными языками. Структура этих языков требует перехода от традиционной фон-неймановской архитектуры компьютера к архитектурам, учитывающим требования задач создания искусственного интеллекта.

Первые суперкомпьютеры появились уже среди компьютеров второго поколения (1955 - 1964, см. компьютеры второго поколения), они были предназначены для решения сложных задач, требовавших высокой скорости вычислений. Это LARC фирмы UNIVAC, Stretch фирмы IBM и "CDC-6600" (семейство CYBER) фирмы Control Data Corporation, в них были применены методы параллельной обработки (увеличивающие число операций, выполняемых в единицу времени), конвейеризация команд (когда во время выполнения одной команды вторая считывается из памяти и готовится к выполнению) и параллельная обработка при помощи процессора сложной структуры, состоящего из матрицы процессоров обработки данных и специального управляющего процессора, который распределяет задачи и управляет потоком данных в системе. Компьютеры, выполняющие параллельно несколько программ при помощи нескольких микропроцессоров, получили название мультипроцессорных систем.

Отличительной особенностью суперкомпьютеров являются векторные процессоры, оснащенные аппаратурой для параллельного выполнения операций с многомерными цифровыми объектами - векторами и матрицами. В них встроены векторные регистры и параллельный конвейерный механизм обработки. Если на обычном процессоре программист выполняет операции над каждым компонентом вектора по очереди, то на векторном - выдаёт сразу векторые команды

4.4 Архитектура ЭВМ

Естественно понимать под архитектурой ЭВМ ту совокупность их характеристик, которая необходима пользователю. Это, прежде всего, основные устройства и блоки ЭВМ, а также структура связей между ними.

Именно то общее, что есть в строении ЭВМ, и относят к понятию архитектуры. Важно отметить, что целью такой общности в конечном счете служит вполне понятное стремление: все машины одного семейства, независимо от их конкретного устройства и фирмы-производителя, должны быть способны выполнять одну и ту же программу .Отсюда неизбежно следует вывод, что с точки зрения архитектуры важны не все сведения о построении ЭВМ, а только те, которые могут как-то использоваться при программировании и “пользовательской” работе с ЭВМ. Архитектура ЭВМ не содержит описания электронных схем, других деталей реализации, “невидимых” для пользователя (например, внутреннего ускорителя доступа к памяти).

Общие принципы построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре:

* структура памяти ЭВМ;

* способы доступа к памяти и внешним устройствам;

* возможность изменения конфигурации компьютера;

* система команд;

* форматы данных;

* организация интерфейса.

Суммируя все вышеизложенное, получаем следующее определение архитектуры:

“Архитектура - это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов”.

.

4.5 Совершенствование и развитие внутренней структуры ЭВМ

Значительные успехи в миниатюризации электронных схем не просто способствовали уменьшению размеров базовых функциональных узлов ЭВМ, но и создали предпосылки для существенного роста быстродействия процессора. Возникло существенное противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой устройств ввода-вывода, в большинстве своем содержащих механически движущиеся части. Процессор, руководивший работой внешних устройств, значительную часть времени был бы вынужден простаивать в ожидании информации “из внешнего мира”, что существенно снижало бы эффективность работы всей ЭВМ в целом. Для решения этой проблемы возникла тенденция к освобождению центрального процессора от функций обмена и к передаче их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы имели различные названия: каналы обмена, процессоры ввода-вывода, периферийные процессоры. Последнее время все чаще используется термин “контроллер внешнего устройства” (или просто контроллер).

Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой “вверенного ему” внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Такой процессор имеет собственную систему команд. Например, контроллер накопителя на гибких магнитных дисках (дисковода) умеет позиционировать головку на нужную дорожку диска, читать или записывать сектор, форматировать дорожку и т.п. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором.

Таким образом, наличие интеллектуальных внешних устройств может существенно изменять идеологию обмена. Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия центрального процессора. Последний получает возможность “заниматься своим делом”, т.е. выполнять программу дальше (если по данной задаче до завершения обмена ничего сделать нельзя, то можно в это время решать другую).

Перейдем теперь к обсуждению вопроса о внутренней структуре ЭВМ, содержащей интеллектуальные контроллеры. Для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая шина, которая состоит из трех частей:

* шина данных, по которой передается информация;

* шина адреса, определяющая, куда передаются данные;

* шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.

Отметим, что существуют модели компьютеров, у которых шины данных и адреса для экономии объединены. У таких машин сначала на шину выставляется адрес, а затем через некоторое время данные; для какой именно цели используется шина в данный момент, определяется сигналами на шине управления.

Описанную схему легко пополнять новыми устройствами - это свойство называют открытостью архитектуры. Для пользователя открытая архитектура означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости от круга решаемых задач.

Для получения на экране монитора стабильной картинки ее надо где-то хранить. Для этого видеопамять. Сначала содержимое видеопамяти формируется компьютером, а затем контроллер дисплея выводит изображение на экран. Объем видеопамяти существенно зависит от характера информации (текстовая или графическая) и от числа цветов изображения. Конструктивно она может быть выполнена как обычное ОЗУ или содержаться непосредственно в контроллере дисплея.

Поскольку процессор теперь перестал быть центром конструкции, стало возможным реализовывать прямые связи между устройствами ЭВМ. На практике чаще всего используют передачу данных из внешних устройств в ОЗУ и наоборот. Режим, при котором внешнее устройство обменивается непосредственно с ОЗУ без участия центрального процессора, называется прямым доступом к памяти (ПДП). Для его реализации необходим специальный контроллер. Режим ПДП в машинах первого и второго поколений не существовал. Поэтому встречающаяся иногда схема ЭВМ, на которой данные из устройств ввода напрямую поступают в ОЗУ, не соответствует действительности: данные при отсутствии контроллера ПДП всегда сначала принимаются во внутренние регистры процессора и лишь затем в память.

Укажем несколько характерных тенденций в ее развитии. Во-первых, постоянно расширяется и совершенствуется набор внешних устройств, что приводит, как описывалось выше, к усложнению системы связей между узлами ЭВМ. Во-вторых, вычислительные машины перестают быть однопроцессорными. Помимо центрального, в компьютере могут быть специализированные процессоры для вычисления с плавающей запятой (так называемые математические сопроцессоры), видеопроцессоры для ускорения вывода информации на экран дисплея и т.п. Развитие методов параллельных вычислений также вызывает к жизни вычислительные системы достаточно сложной структуры, в которых одна операция выполняется сразу несколькими процессорами. В-третьих, наметившееся стремление иметь быстродействующие машины не только для вычислений, но и для логического анализа информации, также может привести в ближайшие годы к серьезному пересмотру традиционной фон-неймановской архитектуры.

Еще одной особенностью развития современных ЭВМ является все ускоряющееся возрастание роли межкомпьютерных коммуникаций. Все большее количество компьютеров объединяются в сети и обрабатывают имеющуюся информацию совместно.

Таким образом, внутренняя структура вычислительной техники постоянно совершенствовалась и будет совершенствоваться. Вместе с тем, на данный момент подавляющее большинство существующих ЭВМ, несмотря на имеющиеся различия, по-прежнему состоит из одинаковых узлов и основано на общих принципах фон-неймановской архитектуры.

4.6 Система команд ЭВМ

1. Команды передачи данных (перепись), копирующие информацию из одного места в другое.

2. Арифметические операции, которым фактически обязана своим названием вычислительная техника. Конечно, доля вычислительных действий в современном компьютере заметно уменьшилась, но они по-прежнему играют в программах важную роль. Отметим, что к основным арифметическим действиям обычно относятся сложение и вычитание (последнее в конечном счете чаще всего тем или иным способом также сводится к сложению). Что касается умножения и деления, то они во многих ЭВМ выполняются по специальным программам.

3. Логические операции, позволяющие компьютеру анализировать обрабатываемую информацию. Простейшими примерами могут служить сравнение, а также известные логические операции И, ИЛИ, НЕ (инверсия). Кроме того к ним часто добавляются анализ отдельных битов кода, их сброс и установка.

4. Сдвиги двоичного кода влево и вправо. Для доказательства важности этой группы команд достаточно вспомнить правило умножения столбиком: каждое последующее произведение записывается в такой схеме со сдвигом на одну цифру влево. В некоторых частных случаях умножение и деление вообще может быть заменено сдвигом (вспомните, что дописав или убрав ноль справа, т.е. фактически осуществляя сдвиг десятичного числа, можно увеличить или уменьшить его в 10 раз).

5. Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами. В некоторых ЭВМ внешние устройства являются специальными служебными адресами памяти, поэтому ввод и вывод осуществляется с помощью команд переписи.

6. Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы. Сюда прежде всего следует отнести условный и безусловный переход, а также команды обращения к подпрограмме (переход с возвратом). Некоторые ЭВМ имеют специальные команды для организации циклов, но это не обязательно: цикл может быть сведен к той или иной комбинации условного и безусловного переходов. Часто к этой же группе команд относят немногочисленные операции по управлению процессором -типа “останов” или НОП (“нет операции”). Иногда их выделяют в особую группу.

II. КЛАССИФИКАЦИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

1. Классификация операционных систем

Операционная система представляет комплекс системных и служебных программных средств, который обеспечивает взаимодействие пользователя с компьютером и выполнение всех других программ. Они могут различаться особенностями реализации внутренних алгоритмов управления основными ресурсами компьютера (процессорами, памятью, устройствами), особенностями использованных методов проектирования, типами аппаратных платформ, областями использования и многими другими свойствами.

1.1. Классификация операционных систем по мощности аппаратных средств

Операционные системы мэйнфреймов - больших компьютеров, используемых в центрах данных корпораций, отличающихся от персональных компьютеров по возможностям ввода-вывода. Они часто встречаются с большим количеством дисков и терабайтами данных. Операционные системы для мэйнфреймов в основном ориентированы на обработку множества одновременных заданий, большинству из которых требуется огромное количество операций ввода-вывода. Обычно они предлагают три вида обслуживания:

- пакетную обработку, которая представляет собой систему, выполняющую стандартные задания без присутствия пользователей, работающих в интерактивном режиме;

- системы обработки транзакций - системы, которые управляют очень большим количеством маленьких запросов;

- системы, работающие в режиме разделения времени, - системы, которые позволяют множеству удаленных пользователей одновременно выполнять свои задания на одной машине.

Серверные операционные системы - системы, которые работают на серверах и представляют собой очень большие персональные компьютеры, рабочие станции или мэйнфреймы. Они одновременно обслуживают множество пользователей и дают возможность им делить между собой программные и аппаратные ресурсы. Серверы предоставляют возможность работы с печатающими устройствами, файлами или Интернетом. Интернет-провайдеры обычно запускают в работу несколько серверов для того, чтобы поддерживать одновременный доступ к сети множества клиентов. На серверах хранятся страницы web-сайтов и обрабатываются входящие запросы. Типичными серверными операционными системами являются UNIX и Windows 2000, теперь в этих целях стала использоваться и операционная система Linux.

...