Основные этапы развития вт

В 1878 г. в России П.Л. Чебышевым был создан арифмометр, преимуществом которого являлось то, что перенос десятков из младшего разряда в старший происходил постепенно в процессе накопления единиц и распространялся на последующие разряды. Идеи, заложенные в арифмометре Чебышева, лежат в основе многих видов современных вычислительных устройств.

Существенным недостатком суммирующих устройств и арифмометров считается невозможность значительного увеличения скорости вычислений. Впервые был автоматизирован процесс вычислений английским ученым Ч. Бебиджем, при этом скорость вычислений определялась значениями: сложение 1 с., умножение 1 мин. Идеи Ч. Бебиджа не были поддержаны современниками, и к ним обратились только в 40-х годах ХХ столетия.

В 1947г. была создана релейная вычислительная машина “Марк-2”, в которой впервые использовалась двоичная система счисления, а в качестве запоминающих устройств использовались реле ( более13 тыс. штук.). Производительность машины определялась параметрами: сложение 0.125 с., умножение 0.25 с.

(Наиболее удачной из релейных вычислительных машин была релейная вычисли-тельная машина, сконструированная советским инженером Н.И. Беловым в 1956г.)

В 1943г. в Гарвардском университете под руководством американских ученых Д. Моучли и Д. Эккерта приступили к созданию электронной вычислительной машины (ЭВМ). Машина изготавливалась по заказу артиллерийского управления МО США и была предназначена для расчета баллистических таблиц. Завершенная в 1945 г. и получившая название ЭНИАК, эта ЭВМ имела громадные размеры, содержала 18 тыс. ламп, более 15 тыс. реле, потребляла 150 кВт. Скорость вычислений определялась параметрами: сложение 0.2 мс., умножение 2.8 мс.

Несоответствие между временем решения и временем подготовки задачи к решению вручную было настолько большим, что выигрыш от скорости вычисления почти полностью покрывал время на подготовку. Создание ЭНИАК - начало бурного развития ЭВМ 1-го поколения. Существенно упростилась процедура решения последовательности специальных задач в модели ЭНИАК (1948г.), впервые управляемой от памяти (постоянного типа), но автоматический ввод новых программ и автоматическое их ``самоизменение`` с построением разветвлений еще не были доступны.

Следующий скачок - 50-е годы. В СССР первая малая ЭВМ (МЭСМ) была создана под руководством С.Л. Лебедева в 1951г., где были воплощены новые технические принципы.

Следует отметить, что МЭСМ была введена в действие на два года раньше, чем Дж. Нейман, с именем которого связывают за рубежом разработку принципов универсальных ЭВМ, создал свою ЭДВАК. Более того, МЭСМ относилась к машинам с последовательно-параллельной обработкой кодов, и может рассматриваться как базовый прототип быстродействующих ЭВМ, чего нельзя сказать об американских ее ровесниках - машинах с последовательной обработкой кодов.

На рис.1.1 приведена схема перехода от режима ручного программирования к автоматическому управлению.¹

Считывание запись

запомин. устройство

БИНАК, США 1950г.

СЕАК, США 1950г.

МЭСМ, СССР 1950г.

ЭДВАК, США 1952г.


внутреннее

Только считывание

Коммуника-ционные каналы

автоматич.

США 1948г.

Программир.

ЭНИАК,

США 1946г.

внешнее

управл.

ручное

МАРК-1, США

БЭЛЛ,

США 1938 г.

Рис.1.1
В процессе создания МЭСМ разрабатывались, монтировались и опробывались быстродействующие узлы и устройства большой электронно-счетной машины (БЭСМ), монтаж и отладка которой были завершены в 1953г. В течение нескольких последующих лет БЭСМ, производившая 8 тыс.оп./сек. была самой быстро-действующей машиной в Европе. Структура и основаные схемы БЭСМ стали классическими: они были положены в основу БЭСМ-2, М2 и др. В 1953г. под руководством Ю.А. Базилевского была создана ЦВМ “Стрела”, а в 1954г. и под руководством Б.И. Рамеева - ЭВМ “Урал”. Почти одновременно с этими машинами появились такие ЭВМ, как М-3, Минск-1 и др.

Первое поколение образовывали ламповые ЭВМ, промышленный выпуск которых начался в начале 50-х годов. В качестве компонентов логических элементов использовались электронные лампы. ЭВМ I^го поколения характеризуются наличием параллельного арифметического устройства, разделением памяти на оперативную и внешнюю, применением перфокарт и перфолент как носителей информации при вводе и выводе данных. Среднее быстродействие 10 тыс. оп./сек.

Основу технической базы ЭВМ II^го поколения, появившихся в конце 50-х годов, составляли полупроводниковые приборы. ЭВМ II^го поколения характеризуются повышением надежности, снижением потребляемой мощности, уменьшением габаритов. Характерен параллелизм в работе отдельных блоков. К ЭВМ этого поколения относят:

• 
  малые ЭВМ серий “Наири”, “Мир”;
  
• 
  средние ЭВМ (5-30 тыс. оп./сек.): Минск-2, Минск-22, Минск-32, Урал-14, Раздан-3, БЭСМ-4, М220;
  
• 
  управляющие вычислительные машины: Днепр, ВНИИЭМ и др.
  

Второе поколение позволило существенно расширить сферу использования вычислительной техники, приступить к созданию АСУ отраслями, предприятиями, технологическими процессами.

Дальнейшее увеличение быстродействия ЭВМ тормозилось конструктивным выполнением электронных схем, собираемых из отдельных элементов. Стремление к повышению быстродействия, надежности, снижению стоимости аппаратуры привело к появлению новой элементной базы ВТ - интегральных микросхем, составляющих элементную базу ЭВМ третьего поколения.

ЭВМ III^го поколения появились во второй половине 60-х годов, когда фирма IBM(США) разработала систему машин IBM-360. Эта система оказала влияние на логическую организацию машин общего назначения, разработанных в других странах.

ЭВМ III^го поколения оперируют с произвольной буквенно-цифровой информацией. В них фактически соединились два направления предыдущих поколений машин. ЭВМ для делового, коммерческого применения с обработкой алфавитной информации и ЭВМ, предназначенных для научных учреждений и обработки цифровой информации. ЭВМ III^го поколения построены по принципу независимой параллельной работы различных устройств: процессоров, средств внешней памяти и т.д.

Типичные представители ЭВМ III^го машины единой серии ЕС ЭВМ, предусмотренные для решения научно-технических, экономических и управленческих задач в разного рода АСУ и системах обработки данных.

Промышленный выпуск ЕС ЭВМ начат в 1972г. (СССР, НРБ, ВНР, ГДР, ПНР, ЧССР)

Конструктивно-технологической основой ЭВМ IV поколения, контуры которого определить довольно трудно, являются БИС и СБИС. В первую очередь следует отметить построение блоков памяти с применением БИС.

К IV поколению относятся реализованные на СБИС такие средства ВТ как микропроцессоры и микро-ЭВМ, микроконтроллеры.

В рамках ЭВМ IV^го поколения созданы новые по ряду эксплуатационных характеристик и их способу использования типы вычислительных устройств - персональные компьютеры.

Характерным для крупных ЭВМ IV^го поколения является наличие нескольких процессоров, ориентированных на выполнение определенных операций, процедур или на решение некоторых классов задач. В рамках этого поколения создаются многопроцессорные вычислительные системы с быстродействием несколько миллионов оп./сек. и многопроцессорные управляющие комплексы повышенной надежности. Примерами крупных вычислительных систем, которые следует отнести к четвертому поколению, являются многопроцессорные комплексы "Эльбрус-2" и "Эльбрус-3" с суммарным быстродействием соответственно 100 млн. и порядка 1 млрд. операций/сек.; многопроцессорная вычислительная система ПС-2000, содержащая до 64 процессоров, управляемых общим потоком команд, в которой при распараллеливании процесса выполнения программ может быть достигнуто быстродействие до 200 млн. оп./сек.

В контурах нового, пятого поколения ЭВМ (а также вычислительных систем) последние при более высокой производительности и надежности и при более низкой стоимости должны обладать качественно новыми свойствами: возможностью взаимо-действия с ЭВМ при помощи естественного языка, человеческой речи, графических изображений; способностью системы самообучаться, производить ассоциативную обработку информации, делать логические суждения, вести диалог в форме вопросов и ответов, принимать решения, адекватные имеющейся в ЭВМ информации; способностью системы "понимать" содержимое базы данных и использовать ее при решении различных задач и т.п.

Элементная база ЭВМ V^го поколения – интегральные микросхемы сверхбольшой степени интеграции (10-12), которые определяют и основные характеристики ЭВМ: производительность – более 25 млн.опер./сек для персональных компьютеров и более 1100 млрд.опер/сек для сверхпроизводительных ЭВМ: емкость ОЗУ – до 100 Мбайт для персональных и более 100 Мбайт для сверхпроизводительных компьютеров.
1 Общие сведения об ЭВМ
1.1 Принцип действия ЭВМ
ЭВМ - техническая система, предназначенная для выполнения вычислений на основе алгоритмов.
Алгоритм - всякое точное предписание, которое задает вычислительный (или алгоритмический) процесс, начинающийся с произвольно допустимых для данного процесса исходных данных и направленный на получение полностью определяемого этими исходными данными результата.

(Алгоритм - центральное понятие кибернетики, происходящее от латинского написания имени узбекского математика IX века аль Хорезми, родившегося в Хиве-Algoritmi)

Алгоритм характеризуется:

• 
  совокупностью возможных исходных данных;
  
• 
  совокупностью возможных конечных результатов;
  
• 
  совокупностью промежуточных результатов;
  
• 
  правилом начала;
  
• 
  правилами переработки;
  
• 
  правилом окончания;
  
• 
  правилом извлечения результата.
  

Классические примеры абстрактных автоматов - машины Тьюринга или машины Поста² (рис. 1.2). Как правило, такая машина содержит бесконечную ленту, разделенную на отдельные секции (ячейки), в которые можно либо заносить метку, либо считывать метку с помощью записывающей или считывающей головки.

Автомат Поста

Рис. 1.2

Команды абстрактного автомата обычно включают в себя одно из следующих действий:

• 
  движение головки вправо;
  
• 
  движение головки влево;
  
• 
  запись метки;
  
• 
  стирание метки;
  
• 
  передача управления;
  
• 
  остановка.
  

Важнейшими свойствами алгоритмов, наиболее существенно влияющими на организацию ЭВМ являются:

• 
  дискретность информации, с которой оперируют алгоритмы;
  
• 
  конечность и элементарность набора операций, выполняемых при реализации алгоритмов;
  
• 
  детерминированность вычислительных процессов, порождаемых алгоритмами.
  

Современные ЭВМ строятся на основе принципа программного управления, предполагающего следующее уточнение понятия алгоритма:

• 
  исходные данные, промежуточные и конечные результаты кодируются обычно в двоичной форме и разделяются на единицы или элементы информации, называемые словами;
  
• 
  правила вычислений задаются как композиция операторов двух типов - преобразователей и распознавателей. Преобразователи обеспечивают собственно преобразование информации путем выполнения действий над элементами информации (словами). Распознаватели - обеспечивают управление порядком выполнения операторов путем анализа элементов информации;
  
• 
  операторы кодируются управляющими словами, которые определяют наименование операции и слова информации (операнды), участвующие в операции. Управляющие слова называются командами.
  

Один из способов реализации программного управления был предложен в 1945г. Дж. фон Нейманом и используется в настоящее время. Для этого принципа в дополнение к сказанному имеют место следующие положения:

• 
  разнотипные слова информации (данные и команды) различаются не по способу кодирования, а по способу использования;
  
• 
  слова информации размещаются в ячейках памяти и идентифицируются номерами ячеек, называемыми адресами слов.
  

Несмотря на недостатки, неймановский принцип остается в настоящее время практически единственным принципом программного управления. Однако в последние годы, стараясь достигнуть существенного повышения их производительности, в ряде случаев отходят от модели фон Неймана.

В неймановской машине с общей памятью для данных и команд имеется всего одна шина (магистраль) для передачи из памяти в другие устройства команд и данных.

Возможно построение машины с отдельными памятями и шинами для хранения и передачи команд и данных, и допускающей параллельное во времени извлечение их из памяти и передачу по шинам. Такая структура (модель) получила название гарвардской, т.к. была реализована впервые в 1944г. в Гарвардском университете в ранней релейной ВМ, предшествующей появлению ЭВМ. Гарвардская модель реализована, в частности, в некоторых микропроцессорах.

Для кодирования информации в настоящее время наиболее широкое распространение получила двоичная система счисления.

Для всех используемых множеств различных способов представления данных в ЭВМ характерна неделимость слов информации: слово обрабатывается целиком как самостоятельный информационный объект.

Данные и команды записаны в ячейках памяти. Для обозначения места данных и команд в памяти ЭВМ нет никаких других средств, кроме адресов-чисел, представляющих собой номер ячейки.

В команде должны указываться адреса операндов. Использование в команде адресов вместо самих операндов придает программе универсальность .

Для бинарных операций требуется два операнда, а команде необходимо три адреса: два для указания операндов и один для ячейки результата.

Все эти данные расположены в команде в определенном порядке, задаваемом форматом команды - схемой расположения двоичных цифр, позволяющей различать ее составные части и определять их функции. ЭВМ имеют несколько форматов команд, отличающихся числом и расположением адресов операндов.

Процесс выполнения программы заключается в последовательности выполнения команд. Т.к. команды записаны в памяти, чтобы начать выполнение программы, надо задать адрес первой команды, а в каждой выполненной команде указать адрес следующей команды или определить способ вычисления адреса следующей команды из адреса выполненной. Обычно предполагается естественный порядок выполнения команд. Последовательно выполняемые команды программы должны быть записаны в последовательные ячейки памяти. Тогда адрес следующей команды будет вычисляться увеличением адреса выполненной команды. Для изменения такого порядка выполнения команд предусматривается специальная команда перехода, в адресной части которой указывается адрес следующей команды.

Реализуемая ЭВМ функция целиком определяется программой. Замена программы изменяет и функцию ЭВМ.

• 
  Пусть необходимо вычислить значение арифметического выражения Y:=(A+B)/C. Будем считать, что к моменту пуска программы исходные данные каким-либо образом записаны в память ЭВМ. Кодирование операций задано таблицей 1.1. Тогда программа будет иметь вид, представленный в таблице 1.2
  

Таблица 1.1 Таблица 1.2

Программа (табл.1.2) состоит всего из трех команд, расположенных в последовательных адресах 00, 01, 02. По первой команде складываются числа А и В, записанные соответственно в адресах 03 и 04, и результат сложения записывается в ячейку Y с адресом 06. По второй команде выполняется деление содержимого ячейки Y (адрес 06) на содержимое ячейки С (адрес 05) и результат снова записывается в ячейку Y. По третьей команде ЭВМ прекращает вычисления. При этом не требуется операндов.