Домеханические вычислительные машины. Человек с древнейших времён применял пальцевый счёт, счёт с помощью зарубок и различных предметов (камешков, зёрен и др.), узелковый счёт.
В середине 1-го тысячелетия до нашей эры появился первый цифровой счётный прибор — абак (Древняя Греция), который (в форме счёта на линиях с помощью жетонов) применялся для арифметических вычислений в Западной Европе до 18 века. Аналоги абака существовали и в других странах: в Китае — суанпань, в Японии — соробан, в России — счёты.
В 1617 году появилось описание первого немеханического вычислительного устройства, которое получило название «счётные палочки Непера». Оно состояло из тонких пластин или брусков, на которые особым образом записывалась таблица умножения. Простые манипуляции с брусками позволяли умножать и делить большие числа. Основанные на том же принципе устройства предлагались позднее в России (бруски Иофе, 1881), во Франции (бруски Женая-Люка, 1885) и др.
Механические вычислительные машины. Первые механические ЦВМ, предназначенные для выполнения арифметических операций, изобретены в 17 веке. Их появление в значительной степени явилось следствием общефилософской установки того времени, согласно которой в основе устройства мироздания лежат законы механики.
Как появился компьютер История развития ЭВМ
Поэтому механические вычислительные машины должны были показать, что умственная деятельность человека также (хотя бы отчасти) может быть механизирована. Механические вычислительные машины были созданы В. Шиккардом (1623, Германия, не сохранились), Б. Паскалем (1642) и Г. В. Лейбницем (1672). В 18 веке Дж. Полени (1709, Италия), Ф. М. Ган (1774, Германия), Ч. Стенхоуп (1775, Великобритания) и другие реализовали различные проекты вычислительных машин. Однако малая надёжность и высокая стоимость препятствовали их распространению.
В 1821 году в Париже Тома де Кольмар организовал первое мелкосерийное производство арифмометров, конструкция которых продолжала совершенствоваться почти до середины 20 века. К началу 20 века номенклатура выпускаемых вычислительных машин была уже достаточно велика, кроме арифмометров большим спросом пользовались и другие механические вычислительные машины, например простые и дешёвые карманные сумматоры Куммера (Россия, 1846), Ч. Г. Вебба (США, 1868). Подобные устройства выпускались в разных странах вплоть до 1970 года. В 1884 году американская фирма NCR наладила производство кассовых аппаратов, которые надолго стали самым массовым видом вычислительных машин. Все эти машины применялись для решения достаточно простых задач с ограниченным объёмом вычислений.
Другой вид вычислительных машин — специализированные разностные машины, предназначались для табулирования функций, аппроксимированных полиномом n-й степени (где n = 1, 2, 3 . ). Первым проектом такой вычислительной машины была разностная машина Ч. Бэббиджа (1821-33, не закончена). Созданные позднее разностные машины П. и Г. Шейцев (1853, Швеция) и М. Виберга (1863, Швеция) применялись для расчёта математических таблиц и были первыми вычислительными машинами, снабжёнными устройством для печати результатов. Они стали первыми вычислительными машинами, которые выполняли достаточно длинную последовательность арифметических операций автоматически. Известны также разностные машины Дж. Гранта (1876, США) и К. Гамана (1909, Германия).
Принципы фон Неймана
Идея создания универсальной ЦВМ принадлежит Ч. Бэббиджу. В 1834 году он начал работу над проектом аналитической машины, первой вычислительной машины с программным управлением. Её конструкция, предвосхитившая структуру современных компьютеров, включала арифметическое устройство, устройство для хранения чисел, печатающее устройство.
Вычисления должны были производиться специальным устройством в соответствии с программой, записанной на перфокартах. Леди Ада Лавлейс, написавшая несколько программ для аналитической машины, признана первым в мире программистом. Хотя проект Бэббиджа не был реализован, он послужил толчком к разработке других аналитических машин, в том числе механической — П. Ладгейта (1909, Великобритания, не построена) и электро-механической — Л. Торрес-и-Кеведо (Испания, 1914).
Электромеханические вычислительные машины. К концу 19 века сложился достаточно широкий круг задач (экономических, статистических, научно-технических), требующих большого объёма вычислений. В 1889 году Г. Холлерит создал счётно-перфорационные машины (СПМ), первоначально предназначавшиеся для обработки статистической информации.
Исходные данные (вручную с помощью перфоратора) переносились на перфокарты. Набор подготовленных перфокарт вводился в табулятор, который в автоматическом режиме считывал данные и выполнял необходимые вычислительные операции. Порядок выполнения операций задавался установкой электрических связей на коммутационной доске.
Промежуточные результаты записывались в запоминающие регистры, окончательные результаты печатались или выводились на перфокарты. Счётно-перфорационные машины содержали арифметическое устройство, память (колода перфокарт и регистры для запоминания промежуточных результатов), устройства ввода (с перфокарт) и вывода данных, т. е. включали все элементы архитектуры автоматической ЦВМ. К 1930 году СПМ занимали доминирующее положение в области обработки больших массивов числовых данных, однако выполнение арифметических операций механическим способом ограничивало их производительность. В СПМ, как и в механической вычислительной машине, использовалась десятичная система счисления, исключением было только множительное устройство Т. Фаулера (1844, Великобритания), работавшее в уравновешенной троичной системе.
Первую попытку применить электромагнитное реле для построения ЦВМ предпринял А. Маркванд (США) в 1885 году, разработавший проект релейной логической вычислительной машины (не был реализован). В начале 1930-х годов, когда в системах телефонной связи уже широко применялись электромагнитные реле, было построено несколько специализированных релейных вычислительных машин.
Вслед за ними — универсальные релейные вычислительные машины с программным управлением: двоичная машина Z-З К. Цузе (1941), серия релейных машин Дж. Стибица (1940-46, США), десятичная машина Mark I Г. Айкена (1944). Их продолжали строить вплоть до конца 1950-х годов в ФРГ (К. Цузе), СССР (PBM-I Н. И. Бессонова, 1957) и других странах. Однако электромеханические вычислительные машины уже не могли обеспечить требуемую вычислительную мощность, и дальнейшее развитие вычислительных машин определила электронная техника.
Электронные вычислительные машины. Элементной базой ЭВМ первого поколения (1945-55) были вакуумные электронные лампы.
До 1930-х годов электронные вакуумные и газонаполненные лампы использовались главным образом в радиотехнике, но в 1931 году английский физик Ч. Винн-Вильямс разработал первые счётчики импульсов (для устройств, регистрирующих заряженные частицы) на тиратронах, открыв тем самым новую область применения электронных ламп. В 1939-42 годах Дж.
В. Атанасов и К. Берри (США) построили специализированную цифровую электронную вычислительную машину, работавшую в двоичной системе счисления и предназначенную для решения систем линейных алгебраических уравнений. Специализированная электронная вычислительная машина Colossus для расшифровки секретных немецких радиограмм создана в Великобритании в 1943 году.
Первая универсальная ЭВМ ENIAC (1946, США, Дж. У. Мокли, Дж. П. Эккерт) выполняла 300 операций умножения (или 5000 операций сложения) многоразрядных чисел в секунду. Машина имела огромные размеры и весила 30 тонн, потребляемая мощность составляла около 160 кВт, в электронной схеме было задействовано до 18000 электронных ламп 16 основных типов.
Большое внимание приходилось уделять системе охлаждения, т.к. лампы выделяли много тепла. Опыт работы над ENIAC позволил Дж. фон Нейману определить общие требования к конфигурации вычислительных машин, а именно: ЭВМ должна состоять из арифметического устройства, устройства управления, устройства ввода-вывода и памяти.
Он также сформулировал требования, которым должна удовлетворять универсальная вычислительная машина (так называемые принципы фон Неймана), важнейшими из которых являлись хранение машинной программы в запоминающем устройстве (памяти) и программное управление работой вычислительной машины. Первая ЭВМ с хранимой в памяти программой — EDSAC (Великобритания, 1949, М. Уилкс), в России — МЭСМ (малая электронная счётная машина, 1950, под руководством академика С. А. Лебедева).
К первому поколению ЭВМ относят также EDVAC (Мокли и Эккерт, 1952), SEAC (1950), SWAC (1950), Whirlwind (1951), М-2 (И. С. Брук, 1952) и др. Особое место среди них занимает первая и единственная в мире с троичной системой счисления ЭВМ «Сетунь» (Н. П. Брусенцов, 1958).
В ЭВМ первого поколения первоначально использовалась память на основе ртутных линий задержки и электронно-лучевых трубок, позднее — память на магнитных сердечниках и накопители на магнитных лентах; процессоры выполняли как вычислительные операции, так и операции ввода-вывода, пересылки данных между запоминающими устройствами и др., что значительно снижало производительность ЭВМ. Программы для них писали на языке низкого уровня, средства автоматизации программирования практически отсутствовали. Эти машины отличались невысокой надёжностью, потребляли большое количество электроэнергии и имели значительные габариты.
В машинах второго поколения (1955-1965) электронные лампы были заменены полупроводниковыми диодами и триодами (транзисторы). Новая технология позволила повысить надёжность и производительность ЭВМ, значительно уменьшить её габариты и энергопотребление.
Первая бортовая ЭВМ на полупроводниковой элементной базе (для межконтинентальной баллистической ракеты ATLAS) создана в 1955 году в США. Наряду с памятью на магнитных сердечниках стали использовать накопители на магнитных дисках.
В состав ЭВМ были включены процессоры ввода-вывода, позволявшие увеличить производительность за счёт совмещения операций ввода-вывода с вычислениями в центральном процессоре. Появились языки программирования высокого уровня (фортран, алгол-60, кобол, лисп и др.), а также компиляторы с них, что значительно повысило эффективность программирования.
Этой же цели служили наборы библиотечных программ. Процессы управления решением задач и распределения ресурсов ЭВМ были возложены на специальные служебные программы, ставшие ядром будущих операционных систем (ОС). Наиболее известными ЭВМ второго поколения стали Stretch (1961), Atlas (Т. Килберн, 1962), Burroughs В-5000 (1963), CDC 6600 (С. Крей, 1964).
В СССР серийное производство транзисторных ЭВМ началось в 1961 году (Раздан-2), лучшей отечественной вычислительной машиной этого поколения была БЭСМ-6 (С. А. Лебедев, 1966), в которой нашёл воплощение целый ряд прогрессивных архитектурных решений, во многом предвосхитивших архитектурные особенности машин третьего поколения.
ЭВМ третьего поколения (1965-80) выполнялись на интегральных схемах, содержавших в одном модуле десятки транзисторов, резисторов и диодов, благодаря чему уменьшились габариты, снизилась потребляемая мощность, увеличилась производительность и надёжность вычислительных машин. Впервые стали производиться относительно недорогие мини-ЭВМ (PDP-8, 1965; ряд машин PDP-11, 1970; Vax-11/780, 1978), которые нашли применение, как при решении вычислительных задач, так и в различных системах управления.
Самыми известными большими ЭВМ этого поколения стали программно совместимые машины семейства IBM-360 (1964) и IBM-370 (1971) Дж. Амдала. Данная серия оказала большое влияние на дальнейшее развитие ЭВМ общего назначения во всём мире. Их аналогом в России были вычислительные машины серии ЕС ЭВМ (1971, Единая система ЭВМ стран социалистического содружества). Отличительная особенность ЭВМ третьего поколения — наличие развитых ОС, обеспечивающих совместное использование ресурса ЭВМ несколькими пользователями.
Конструктивно-технологической основой четвёртого поколения ЭВМ (около 1980) стали большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС), в которых на одной плате размещались десятки и сотни тысяч, а затем миллионы транзисторов. На рубеже 1970-х годов создан процессор на одном кристалле (чипе). Первый микропроцессор Intel 4004 (1971, США) содержал 2250 элементов.
Микропроцессор Intel 8080 (1974), ставший стандартом микрокомпьютерной технологии своего времени, содержал уже 4500 элементов и послужил основой для создания первых персональных компьютеров (ПК). В 1979 году (США) выпускается один из самых мощных и универсальных микропроцессоров — 16-битный микропроцессор Motorola 68 000 с 70 000 элементами. Массовый выпуск ПК полностью изменил всю структуру рынка вычислительных машин и открыл новые горизонты их применения. Наряду с ПК большое распространение получили встроенные и мобильные вычислительные устройства на основе простых микропроцессоров, которые, например, применяются в разнообразных бытовых приборах (телевизоры, фотоаппараты, мобильные телефоны и др.). Тем не менее, создание мощных многопроцессорных вычислительных систем с высокой производительностью остаётся важнейшим направлением развития вычислительных машин, так как сохраняется тенденция к расширению круга задач, требующих высокоскоростной обработки больших объёмов данных.
Предполагается, что переход к вычислительным машинам пятого поколения будет определяться в первую очередь развитием интеллектуального человекомашинного интерфейса (распознавание речи, образов) и логического программирования для создания баз знаний и систем искусственного интеллекта. При этом возможность создания компьютеров, производительность которых на много порядков превышала бы возможности современных вычислительных машин, часто связывается с использованием иных физических принципов их работы (оптические компьютеры, квантовые компьютеры и др.).
Смотри также: Вычислительная техника, Микропроцессор, Персональный компьютер, Портативный компьютер, Супер-ЭВМ, Электронная вычислительная машина.
Лит.: Быстродействующие вычислительные машины. М., 1952; Апокин И. А., Майстров Л.Е. Развитие вычислительных машин. М., 1974; ЭВМ пятого поколения: Концепции, проблемы, перспективы. М., 1984; Computing before computers. Ames, 1990; Martin Е. The calculating machines: Their history and development. Camb.; L., 1992; Таненбаум Э. Архитектура компьютера. 4-е изд.
СПб., 2002; Хамахер К., Вранешич 3., Заки С. Организация ЭВМ. 5-е изд. М.; СПб., 2003; Полунов Ю. Л. От абака до компьютера: судьбы людей и машин. М., 2004-2005. Т. 1-2.
Источник: knowledge.su
Лекция 5. Концепция машины с хранимой в памяти программой
В процессорах с использованием этой технологии каждый физический процессор может хранить состояние сразу двух потоков, что для операционной системы выглядит как наличие двух логических процессоров (англ. Logical processor). Физически у каждого из логических процессоров есть свой набор регистров и контроллер прерываний (APIC), а остальные элементы процессора являются общими. Когда при исполнении потока одним из логических процессоров возникает пауза (в результате кэш-промаха, ошибки предсказания ветвлений, ожидания результата предыдущей инструкции), то управление передаётся потоку в другом логическом процессоре. Таким образом, пока один процесс ждёт, например, данные из памяти, вычислительные ресурсы физического процессора используются для обработки другого процесса. [1]
Были представлены следующие преимущества Hyper-threading: улучшенная поддержка многопоточного кода, позволяющая запускать потоки одновременно; улучшенная реакция и время отклика; увеличенное количество пользователей, которое может поддерживать сервер.
По словам Intel, первая реализация потребовала всего 5-процентного увеличения площади кристалла, но позволяла увеличить производительность на 15—30 %.
Intel утверждает, что прибавка к скорости составляет 30 % по сравнению с идентичным процессорами Pentium 4 без технологии «Simultaneous multithreading». Однако прибавка к производительности изменяется от приложения к приложению: некоторые программы вообще несколько замедляются при включённой технологии Hyper-threading. Это, в первую очередь, связано с «системой повторения» (англ. replay) процессоров Pentium 4, занимающей необходимые вычислительные ресурсы, отчего и начинают «голодать» другие потоки [2][3] .
Рассмотрим наиболее распространенные определения основных терминов в области ЭВМ и вычислительных систем (ВС).
Согласно ГОСТ 15971-90 введем следующие понятия:
Вычислительная машина (ВМ) — совокупность технических средств, создающая возможность проведения обработки информации (данных) и получение результата в необходимой форме.
Под техническими средствами понимают все оборудование, предназначенное для автоматизированной обработки данных. Как правило, в состав ВМ входит и системное программное обеспечение (ПО).
Электронной вычислительной машиной (ЭВМ)называютвычислительную машину (ВМ), основные функциональные устройства которой выполнены на электронных компонентах.
Вычислительную систему (ВС) стандарт ISO/IEC 2382/1-93 определяет как одну или несколько вычислительных машин, периферийное оборудование и программное обеспечение, которые выполняют обработку данных.
ISO — Международная организация стандартов.
Электронно-вычислительная машина (ЭВМ, Electronic Computer)— программируемое функциональное устройство, состоящее из одного или нескольких взаимосвязанных центральных процессоров, периферийных устройств, управление которыми осуществляется посредством программ, располагающихся в оперативной памяти. Эта машина может производить большой объем вычислений, содержащих большое количество арифметических, логических и других операций без вмешательства пользователя в течение периода выполнения (стандарт ISO 2382/1-84).
Многопроцессорная вычислительная система (Multiprocessor computer system) — система, в состав которой входят два или несколько процессоров.
Рассмотрим определения, касающиеся понятия «архитектура».
Термин «архитектурасистемы» часто употребляется как в узком, так и в широком смысле этого слова.
В узком смысле под архитектурой понимается архитектура набора команд. Архитектура набора команд служит границей между аппаратурой и программным обеспечением (ПО) и представляет ту часть системы, которая видна программисту или разработчику компиляторов. Следует отметить, что это наиболее частое употребление термина.
В широком смысле архитектура охватывает понятие организации системы, включающее такие высокоуровневые аспекты разработки компьютера, как систему памяти, структуру системной шины, организацию ввода-вывода и т. п.
По ГОСТ 15971-90 под архитектурой вычислительной машины (ВМ)понимается концептуальная структура ВМ, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.
Архитектура ЭВМ— абстрактное представление ЭВМ, которое отражает ее структурную, схемотехническую и логическую организацию. Понятие «архитектура ЭВМ» является комплексным и включает в себя целый ряд элементов, основные из них следующие:
1. структурная схема ЭВМ;
2. средства и способы доступа к элементам структурной схемы, включая обмен с внешней средой;
3. организация и разрядность интерфейсов в ЭВМ;
4. набор и доступность регистров;
5. организация и способы адресации памяти;
6. способы представления и форматы данных ЭВМ;
7. набор машинных команд;
8. форматы машинных команд;
9. обработка нештатных ситуаций (прерывания, особые ситуации, ловушки и т. д.);
10. топология связи отдельных устройств и модулей.
Таким образом, при разработке архитектуры ЭВМ условно можно выделить вопросы:
· общей структуры, организации вычислительного процесса и общения с машиной;
· логической организации представления, хранения и преобразования информации;
· логической организации совместной работы различных устройств;
· связанные с аппаратными и программными средствами машин.
К настоящему времени среди ЭВМ последовательного типа наибольшее распространение получили два типа архитектур:
Концепция вычислительной машины, изложенная в статье фон Неймана, предполагает единую память для хранения команд и данных. Такой подход был принят в вычислительных машинах, создававшихся в Принстонском университете, из-за чего и получил название принстонской архитектуры.
Практически одновременно в Гарвардском университете предложили иную модель, в которой ВМ имела отдельную память команд и отдельную память данных. Этот вид архитектуры называют гарвардской архитектурой.
Долгие годы преобладающей была и остается принстонская архитектура, хотя она порождает проблемы пропускной способности тракта «процессор-память». В последнее время, в связи с широким использованием кэш-памяти, разработчики ВМ все чаще обращаются к гарвардской архитектуре.
Вычислительная сеть (илисеть ЭВМ, от англ.Computer Network) — территориально рассредоточенная многомашинная система, состоящая из взаимодействующих ЭВМ, связанных между собой каналами передачи данных.
Система взаимодействует с внешним миром через набор интерфейсов.
Интерфейс (Interface) — совокупность средств и правил, обеспечивающих взаимодействие устройств ЭВМ или ВС, программ, а также пользователей (ГОСТ 15971-90).
Примечание: Интерфейсы могут разграничивать определенные уровни внутри программного обеспечения. Например, уровень управления логическими ресурсами может включать реализацию таких функций, как управление базой данных, файлами, виртуальной памятью, сетевой телеобработкой.
К уровню управления физическими ресурсами относятся функции управления внешней и оперативной памятью, управления процессами, выполняющимися в системе.
Следующий уровень отражает основную линию разграничения системы, а именно границу между системным программным обеспечением и аппаратурой. Эту идею можно развить и дальше и говорить о распределении функций между отдельными частями физической системы.
Например, некоторый интерфейс определяет, какие функции реализуют центральные процессоры, а какие — контроллеры системных шин и магистралей передачи данных.
Интерфейс следующего уровня определяет разграничение функции между контроллерами системных шин и контроллерами внешних устройств.
В свою очередь, можно разграничить функции, реализуемые контроллерами и самими устройствами ввода-вывода (терминалами, модемами, накопителями на магнитных и оптических дисках, сетевыми адаптерами). Архитектура таких уровней часто называется архитектурой физического ввода-вывода.
В соответствии с ГОСТ 15971-84 под архитектурой ВС (Computing Architecture)понимается логическая организация цифровой вычислительной системы, определяющая процесс обработки данных в конкретной ВС и включающая методы кодирования данных, состав, назначение, принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения. В повседневной практике под архитектурой ВС понимают ее состав и схему функциональных и управляющих связей между ее элементами.
Введем определение термина «вычислительная машина», исходя из целей данного параграфа.
Вычислительная машина представляет собой совокупности технических средств, служащих для автоматизированной обработки дискретных данных по заданному алгоритму.
Алгоритм — одно из фундаментальных понятий математики и вычислительной техники.
Согласно ISO 2382/1-93 алгоритм — это конечный упорядоченный набор четко определенных правил для решения проблемы.
Помимо этой стандартизированной формулировки существуют и другие определения. Приведем наиболее распространенные из них. Алгоритм — это:
· способ преобразования информации, задаваемый с помощью конечной системы правил;
· совокупность правил, определяющих эффективную процедуру решения любой задачи из некоторого заданного класса задач;
· точно определенное правило действий, для которого задано указание, как и в какой последовательности это правило необходимо применять к исходным данным задачи, чтобы получить ее решение;
Основными свойствами алгоритма являются:
Дискретность выражается в том, что алгоритм описывает действия над дискретной информацией (например, числовой или символьной), причем сами эти действия также дискретны.
Свойство определенности означает, что в алгоритме указано все, что должно быть сделано, причем ни одно из действий не должно трактоваться двояко.
Массовость алгоритма подразумевает его применимость к множеству значений исходных данных, а не только к каким-то уникальным значениям.
Результативность алгоритма заключается в возможности получения результата за конечное число шагов.
Рассмотренные свойства алгоритмов предопределяют возможность их реализации на ВМ, при этом процесс, порождаемый алгоритмом, называют вычислительным процессом.
В основе архитектуры современных ВМ лежит представление алгоритма решения задачи в виде программы. Согласно стандарту ISO 2382/1-93, программа для ВМ состоит из команд, необходимых для выполнения функций, задач. Причем эти команды соответствуют правилам конкретного языка программирования.
Вычислительная машина(ВМ), где определенным образом закодированные команды программы хранятся в памяти, известна под названием вычислительной машины с хранимой в памяти программой.
Этаидея принадлежит создателям вычислителя ENIAC Эккерту, Мочлиифон Нейману. Еще до завершения работ над ENIAC они приступили к новому проекту — EDVAC, главной особенностью которого стала концепция хранимой в памяти программы, на долгие годы определившая базовые принципы построения последующих поколений вычислительных машин.
Относительно авторства существует несколько версий, но поскольку в законченном виде идея впервые была изложена в 1945 году в статье фон Неймана, именно его фамилия фигурирует в обозначении архитектуры подобных машин, составляющих подавляющую часть современного парка ВМ и ВС.
Сущность фон-неймановской концепции вычислительной машины можно свести к четырем принципам:
Рассмотрим эти принципы подробнее.
ü Принцип двоичного кодирования
Согласно этому принципу, вся информация, как данные, так и команды, кодируется двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется в двоичном виде и имеет свой формат.
Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем.
В формате числа обычно выделяют поле знака и поле значащих разрядов.
В формате команды можно выделить два поля (рис. 1):
· поле кода операции (КОП);
· поле адресов (адресную часть — АЧ).
Рис. 1. Структура команды
Код операции представляет собой указание, какая операция должна быть выполнена, и задается с помощью r-разрядной двоичной комбинации.
Вид адресной части и число составляющих ее адресов зависят от типа команды: в командах преобразования данных АЧ содержит адреса объектов обработки (операндов) и результата; в командах изменения порядка вычислений — адрес следующей команды программы; в командах ввода/вывода — номер устройства ввода/ вывода. Адресная часть также представляется двоичным кодом, длину которого обозначим через р. Таким образом, команда в вычислительной машине имеет вид (r + р) — разрядной двоичной комбинации.
ü Принцип программного управления
Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов — команд.
Каждая команда предписывает некоторую операцию из набора операций, реализуемых вычислительной машиной.
Команды программы хранятся в последовательности смежных ячеек памяти вычислительной машины и выполняются в естественном порядке, то есть в порядке их расположения в программе. При необходимости, с помощью специальных команд, естественный порядок выполнения может быть изменен. Решение об изменении порядка выполнения команд программы принимается либо на основании анализа результатов предшествующих вычислений, либо безусловно.
ü Принцип однородности памяти
Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы. Распознать их можно только по способу использования. Это позволяет производить над командами те же операции, что и над числами, и, соответственно, открывает ряд возможностей.
Так, циклически изменяя адресную часть команды, можно обеспечить обращение к последовательности смежных элементов массива данных. Такой прием носит название модификации команд и с позиций современного программирования не приветствуется. Более полезным является другое следствие принципа однородности, когда команды одной программы могут быть получены как результат исполнения другой программы. Эта возможность лежит в основе трансляции — перевода текста программы с языка высокого уровня на машинный язык конкретной ВМ.
ü Принцип адресуемости памяти
Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, причем процессору в произвольный момент доступна любая ячейка. Двоичные коды команд и данных разделяются на единицы информации, называемые словами, и хранятся в ячейках памяти, а для доступа к ним используются номера соответствующих ячеек -адреса.
Источник: 5rik.ru
В компьютерах первого поколения была реализована концепция хранимой программы. В компьютерах была реализована концепция хранимой программы. Компьютеры. — презентация
Презентация на тему: » В компьютерах первого поколения была реализована концепция хранимой программы. В компьютерах была реализована концепция хранимой программы. Компьютеры.» — Транскрипт:
2 В компьютерах первого поколения была реализована концепция хранимой программы. В компьютерах была реализована концепция хранимой программы. Компьютеры данного поколения сумели зарекомендовать себя в прогнозировании погоды, энергетических задач, задач военного характера и других сложнейших операций. Американские инженер- электронщик Д.П.
Эккерт и физик Д.У.Моучли сконструировали в Пенсильванском университете первую ЭВМ «ЭНИАК»(Electronic Numerical Integrator and Computer), которая предназначалась для решения задач баллистики. ЭНИАК представляла собой 27- тонное чудовище, содержащее в себе ламп и занимавшее зал площадью 200 м. За 1 с. она производила 300 операций умножения или 5000 операций сложения многоразрядных чисел, потребляя мощность до 150 кВт. Это поколение машин, построенных на лампах и электронно-лучевых трубках. Надежность работы ламповых устройств была низкой, потребляли много энергии и выделяли большое количество тепла. Для ввода-вывода данных использовались перфоленты и перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства.
3 П О К О Л Е Н И Я Э В М ХАРАКТЕРИСТИКИIIIIIIIV Годы применения гг гг гг гг Основной элемент Эл. лампаТранзисторИСБИС Количество ЭВМ в мире (шт.) СотниТысячиДесятки тысяч Миллионы Размеры ЭВМБольшиеЗначитель но меньше Мини-ЭВМмикроЭВМ Быстродействие (усл.) 10 тыс. /сек100 тыс. /сек тыс./ сек тыс./сек Носитель информации Перфокарта, Перфолента Магнитная лента ДискГибкий диск
4 ПоколениеОсобенности Быстродействие (операций в секунду) Программное обеспечение Примеры Первое поколение, после 1946 года Применение вакумно- ламповой технологии, использование систем памяти на ртутных линиях задержки, магнитных барабанах, электронно-лучевых трубках (трубках Вильямса). Для ввода-вывода данных использовались перфоленты и перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. Была реализована концепция хранимой программы тыс. Машинные языки ENIAC (США) МЭСМ (СССР)
5 1946 год В 1946 году Джон фон Нейман на основе критического анализа конструкции ENIAC предложил ряд новых идей организации ЭВМ, в том числе концепцию хранимой программы, т.е. хранения программы в запоминающем устройстве. В результате реализации идей фон Неймана была создана архитектура ЭВМ, во многих чертах сохранившаяся до настоящего времени год Норберт Винер вводит в обращение термин «кибернетика».23 декабря сотрудники Bell Telephone Laboratories Джон Бардин и Уолтер Бремен впервые продемонстрировали свое изобретение, получившее название транзистор.
Это устройство спустя десять лет открыло совершенно новые возможности год В 1948 году Сергеем Александровичем Лебедевым ( ) и Б. И. Рамеевым был предложен первый проект отечественной цифровой электронно — вычислительной машины. Под руководством академика Лебедева С.А. и Глушкова В.М. разрабатываются отечественные ЭВМ: сначала МЭСМ — малая электронная счетная машина (1951 год, Киев), затем БЭСМ — быстродействующая электронная счетная машина (1952 год, Москва).
Параллельно с ними создавались Стрела, Урал, Минск, Раздан, Наири. Американский математик Ноберт Винер выпустил в свет книгу «Кибернетика, или Управление и связь у животных и машин», которая положила начало развитию теории автоматов и становлению кибернетики — науки об управлении и передаче информации.
Также Клод Шеннон (Claude Shannon) выпускает книгу «Математическая теория передачи информации». В 1948 году введен в действие первый в мире компьютер с хранимой программой «Манчестерский Марк-1», созданный английскими учеными Том Килбурном (Tom Kilburn) и Фредди Вильямсом (Freddie Williams) из Манчестерскрго университета год Введена в эксплуатацию английская машина с хранимой программой — EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Computer) -конструктор Морис Уилкис (Maurice Wilkes) из Кембриджского университета. ЭВМ EDSAC содержала 3000 электронных ламп и в шесть раз производительнее своих предшественниц. Морис Уилкс ввел систему мнемонических обозначений для машинных команд, названную языком ассемблера.
6 1951 год В 1951 году была закончена работа по созданию UNIVAC (Universal Automatic Computer). Первый образец машины UNIVAC-1 был построен для бюро переписи США. Синхронная, последовательного действия вычислительная машина UNIVAC-1 создана была на базе ЭВМ ENIAC и EDVAC.Работала она с тактовой частотой 2,25 МГц и содержала около 5000 электронных ламп.
Внутреннее запоминающее устройство емкость разрядных десятичных чисел было выполнено на 100 ртутных линиях задержки. Этот компьютер интересен тем, что он был нацелен на сравнительно массовое производство без изменения архитектуры и особое внимание было уделено периферийной части (средствам ввода-вывода). В 1951 году в Англии появились первые серийные компьютеры Ferranti Mark-1 и LEO-1.
А через 5 лет фирма Ferranti выпустила ЭВМ Pegasus, в которой впервые нашла воплощение концепция регистров общего назначения. Офицер ВМФ США и руководитель группы программистов, в то время капитан (в дальнейшем единственная женщина в ВМФ — адмирал) Грейс Хоппер (Grace Hopper) разработала первую транслирующую программу, которую она назвала компилятором (фирма Remington Rand).
Эта программа производила трансляцию на машинный язык всей программы, записанной в удобной для обработки алгебраической форме. Джей Форрестер запатентовал память на магнитных сердечниках. Впервые такая память применена на машине Whirlwind-1.
Она представляла собой два куба с 32х32х17 сердечниками, которые обеспечивали хранение 2048 слов для 16-разрядных двоичных чисел с одним разрядом контроля четности. В этой машине была впервые использована универсальная неспециализированная шина (взаимосвязи между различными устройствами компьютера становятся гибкими) и в качестве систем ввода-вывода использовались два устройства: электронно-лучевая трубка Вильямса и пишущая машинка с перфолентой (флексорайтер). В Великобритании в июне 1951 года на конференции в Манчестерском университете Морис Уилкс представил доклад «наилучший метод конструирования автоматической машины», который стал пионерской работой по основам микропрограммирования. Свою идею микро программирования Морис Уилкс реализовал в 1957 году при создании машины EDSAC-II. М.Уилкс совместно с Д.Уиллером и С.Гиллом в 1951 году написали первый учебник по программированию «Составление программ для электронных счетных машин» (русский перевод год).
7 1952 год Началась опытная эксплуатация отечественного компьютера БЭСМ-1. В СССР в годах А.А.Ляпунов разработал операторный метод программирования (операторное программирование), а в годах Л.В.Канторович — концепцию крупноблочного программирования. Фирма Remington-Rang в 1952 году выпустила ЭВМ UNIVAC-1103, которая работала в 50 раз быстрее UNIVAC-1.
Позже в UNIVAC-1103 впервые были применены программные прерывания. Фирм IBM выпустила свой первый промышленный компьютер IBM 701, который представлял собой синхронную ЭВМ параллельного действия, содержащую 4000 электронных ламп и 1200 германиевых диодов год Выпущена первая серийная отечественная вычислительная машина Стрела.
Появился первый накопитель на магнитной ленте, устройство IBM 726.Плотность записи составляла 100 символов на дюйм, скорость 75 дюймов в секунду. В Массачусетском технологическом институте был разработан первый экспериментальный компьютер на транзисторах ТХ-0 (в 1955 году он введен в эксплуатацию) год Разработан первый быстродействующий принтер для компьютера UNIVAC-1, который в построчном режиме отпечатывал целую строку из 120 символов почти одновременно ( идея построчного принтера стала осуществимой благодаря использованию вращающегося барабана со шрифтовым набором символов). Данные с магнитной ленты он считывал и печатал со скоростью 600 строк в минуту. Фирма IBM подала заявку на изобретение » канала » ввода — вывода, специализированного процессора, в котором реализованы средства пересылки данных и схемы управления операциями ввода-вывода.
8 1955 год » Традис » — первый транзисторный компьютер фирмы «Белл телефон лабораторис» — содержал 800 транзисторов, каждый из которых был заключен в отдельный корпус. В 1955 году увидел свет первый алгоритмический язык FORTRAN (FORmule TRANslator — переводчик формул).
Он использовался для решения научно-технических и инженерных задач и разработан сотрудниками фирмы IBM под руководством Джон Бэкуса (John Bakus) год Фирма IBM выпустила усовершенствованный вариант машины IBM 701. IBM 704 отличалась высокой скоростью работы, в ней использовались индексные регистры и данные представлялись в форме с плавающей запятой.
После ЭВМ IBM 704 была выпущена машина IBM 709, которая в архитектурном плане приближалась к машине второго и третьего поколений. В этой машине впервые была применена косвенная адресация и впервые появились каналы ввода — вывода. Фирмой IBM были разработаны плавающие магнитные головки на воздушной подушке.
Изобретение позволило создать новый тип памяти — дисковые запоминающие устройства. Это — первый жесткий диск. Он был 24″, вмещал 5 Мбайт данных и стоил более миллиона долларов. Первые ЗУ на дисках появились в машинах IBM 305 и RAMAC-650. Последняя имела пакет, состоящий из 50 металлических дисков с магнитным покрытием, которые вращались со скоростью 1200 об/мин.
На поверхности диска размещалось 100 дорожек для записи данных, по знаков каждая год В модели IBM 350 RAMAC впервые появилась память на дисках (алюминиевые намагниченные диски диаметром 61 см). Г.Саймон, А.Ньюэлл, Дж.Шоу создали GPS — универсальный решатель задач.
9 1958 год Джек Килби из Texas Instruments и Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor независимо друг от друга изобретают интегральную схему. Появилась первая версия языка программирования ALGOL 58. Японская корпорация NEC разработала первый японский компьютер NEC-1101 и Bell Labs создала устройство (некое подобие модема) для передачи данных по телефонным линиям год Дуглас Росс разработал язык АПТ для программирования станков с ЧПУ. Дж.Маккарти и К.Стрейчи предложили концепцию разделения времени работы компьютера. Выпущена отечественная вычислительная машина Сетунь, работающая в троичной системе счисления.
Источник: www.myshared.ru