Использование специального запоминающего устройства для хранения данных

Тема: Обзор развития вычислительной техники.

Учебныевопросы:

1. История вычислительной техники.

2. Архитектура и принципы работы первых ЭВМ.

3. Архитектура персонального компьютера.

1.

История вычислительной техники началась с идеи создать устройство для счёта. Появление простейшего вычислительного приспособления в Азии, называемого в древности «абак», учёные относят к четвёртому тысячелетию до нашей эры. Это приспособление представляло собой пластинку (позднее дощечку) с вертикальными желобками, в которых раскладывались камешки, обозначающие числа. Столбцы соответствовали разрядам числа.

В России на рубеже XVI – XVII веков было разработано аналогичное приспособление называемое русские счёты.

Исторически «механизация» началась в Европе начала XVI века с цифровых вычислений в десятичной системе счисления.

В начале XVI века шотландский математик Джон Непер ввёл понятие логарифма (позволяет свести более трудоёмкие операции умножения и деления к сложению и вычитанию) от таблиц логарифмов к логарифмической линейке. [Идея замены умножения и деления – сложением и вычитанием].

Первая счетная машина была построена в 1642 году французским математиком и физиком Блезом Паскалем («Паскалина»). Машина представляла собой ящик с набором колёс (разрядов), на которые были нанесены числа от 0 до 9. Восьмиразрядная суммирующая машина.

В 1673 году немецкий математик Готфрид Лейбниц создал механический калькулятор, который мог выполнять операции умножения и деления путём многократного сложения и вычитания.

Принцип программного управления устройством был изобретен французским механиком Жозефом М. Жаккаром. Для управления работой автоматического ткацкого станка он использовал картонные карточки с пробитыми в них отверстиями – перфокарты.

Следующим этапом развития вычислительной техники стало создание считающего автомата. Его автором стал английский математик, профессор Кембриджского университета Чарльз Бэббидж. В период между 1820 и 1856 годами им была спроектирована и совершенствовалась вычислительная машина, вначале названная «разностной», а затем, после многочисленных усовершенствований проекта «аналитической».

В аналитическую машину были заложены принципы, ставшие впоследствии фундаментальными для вычислительной техники:

Автоматическое выполнение операций. (Ликвидирует расход времени на ввод новых команд).

Работает по вводимой «на ходу» программе (скорость ввода команд должна соответствовать скорости выполняемых операций). Бэббидж использовал перфокарты.

Использование специального запоминающего устройства для хранения данных.

Эти революционные идеи натолкнулись на сложность их реализации на основе механической техники. Они настолько опередили своё время, что были в значительном мере забыты и переоткрыты в следующем столетии.

Автоматически действующие вычислительные устройства появились в середине ХХ века. Это стало возможным благодаря использованию наряду с механическими конструкциями электромеханических реле. Одним из первых разработчиков вычислительных машин, использующих электрические реле, был немецкий инженер Конрад Цузе, построивший в 1941 году на основе двоичной системы счисления машину (ZUSE1) для германского Вермахта.

В 1944 году под руководством американского математика и физика Говарда Айкина на фирме IBM (International Business Machines) была создана более мощная машина «Марк-1» (длина 17 метров, высота более 25, 750 тысяч деталей).

Подлинная революция в вычислительной технике произошла в связи с применением электронных устройств. Работы над ними начались с конца 30^х годов ХХ века одновременно в США, Германии, Великобритании и СССР.

Первыми электронными элементами вычислительных машин стали электронные лампы.

2.

Общие принципы построения ЭВМ в 1945 году впервые были опубликованы американским математиком Джоном фон Нейманом.

В 1946 году в совместной статье американских учёных Г. Голдстайка, А. Берксома и Д. фон Неймана «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства» были изложены принципы построения ЭВМ, которые актуальны до настоящего времени.

В этой работе излагались принципы, которые впоследствии получили название – принципы фон Неймана:

I. Обосновывалось использование двоичной системы для предоставления чисел в ЭВМ, её преимущества в технической реализации, удобство и простота выполнения в ней арифметических и логических операций.

II. Выдвигался принцип программного управления работой ЭВМ. Таким образом, реализована автоматизация управления работой машины. Исчезает необходимость вводить команды после выполнения каждой операции с данными.

III. Поистине революционной идеей явился предложенный принцип «хранимой программы» позже названной принципом однородности памяти. Суть принципа в том, что программа может также как данные храниться в виде двоичного кода в памяти компьютера.

IV. Предлагался принцип адресности. Состоит в том, что в памяти ЭВМ данные и программы хранятся в так называемом адресном пространстве, состоящем из множества ячеек памяти имеющих собственные адреса. При работе ЭВМ обращается к соответствующим моменту ячейкам памяти по адресам.

На основе приведенных принципов построения фон Нейман предложил и общую структуру ЭВМ, которая применялась в первых двух их поколениях.

В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание из памяти команд и их выполнение. Номер ячейки, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ.

Благодаря счетчику в ЭВМ реализуется основной цикл исполнения последовательно расположенных команд программы. Он всегда указывает на ячейку памяти, в которой хранится следующая команда программы. При включении питания в счетчик заносится стартовый адрес, находящийся в памяти программы инициализации всех устройств и начальной загрузки. Дальнейшее функционирование ЭВМ определяется программой. Таким образом, вся деятельность ЭВМ – это непрерывное выполнение тех или иных программ, способных загружать новые программы и т.д.

Первой действующей ЭВМ стал ENIAC (США 1945-1946гг.), сокращенная аббревиатура от английского названия «электронно-числовой интегратор и вычислитель». Руководили её созданием Джон Моучли и Проспер Эккерт.

ENIACсодержала 18 тысяч электронных ламп и потребовала мощность 150 КВт (как небольшой завод). Программа не хранилась в памяти машины, а набиралась с помощью внешних коммутирующих устройств. Десятичная система счисления.

Следующая модель ЭВМ, созданная под руководством этих учёных, EDVAK имела вместительную внутреннюю память. Применялась двоичная система счисления.

С самого начала исследований по созданию ЭВМ эти работы были засекречены. До 1970 года с СССР ЭВМ разрабатывались совершенно самостоятельно группой учёных под руководством академика Сергея Алексеевича Лебедева. В последующий период времени в СССР началась политика копирования зарубежных образцов ЭВМ.

Поколение ЭВМ:

Первое: Строили на электронных лампах, установленных в металлических рамках (шасси), вставляемых в шкафы. Соединение осуществлялось проводами. Большой объём. Производительность 10 тысяч операций в секунду. Оперативная память – 8 килобайт (быстродействие).

Второе: На основе изобретенных в 1948 году транзисторов, закрепленных не печатных (без проводов) платах. В результате уменьшились размеры ЭВМ, сократилась потребляемая ими энергия. Производительность 100 тысяч операций в секунду. Оперативная память достигла 32 килобайт. Для разработки программ стали применяться алгоритмические языки программирования – Алгол, Фортран и другие.

Третье: Основывалось на интегральных схемах (ИС) – миниатюрных электронных схемах на кремниевой подложке (пластине), содержащих сотни электронных элементов. Значительно уменьшились габариты, повысилась надежность, сократилось потребление энергии, уменьшилась стоимость.

Появилась реализация многопользовательского режима. Качественно изменилась связь пользователя и ЭВМ. Появились дисплеи. Внешняя память. [IBM360, EC-1020]

Четвертое: Создавались на больших интегральных схемах (БИС). Количество элементов в них исчисляется сотнями тысяч. Увеличение многих характеристик. Производительность – несколько миллионов операций в секунду. Оперативная память до десятков мегабайт.

На одном кристалле кремния объединяются арифметико-логическое устройство и устройство управления – микропроцессор. Появились мини- и микро-ЭВМ. Системы сетей ЭВМ.

Пятое: Создавались на основе сверхбольших интегральных систем (СБИС) стремительное распространение ПК. Миниатюризация повысила технические возможности. Процесс идёт.

Термин «архитектура» ЭВМ используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов машины. С точки зрения архитектуры представляют интерес лишь те связи и принципы, которые являются наиболее общими. К ним относятся:

· структура памяти ЭВМ;

· способы доступа к памяти к внешним устройствам;

· возможность изменения конфигурации компьютера;

· системы команд;

· форматы данных;

· организация интерфейса.

3.

В настоящее время наибольшее распространение получили персональные компьютеры, построенные по принципу, предложенному американской фирмой IBM, так называемые IBM PC – совместимые компьютеры, которые и будут предметом дальнейшего рассмотрения.

Важнейшую роль в распространении этих ПК сыграл заложенный в них принцип открытой архитектуры или как ещё называют магистрально-модульный принцип построения.

Разработчики IBM предложили сделать ПК не единым (неразъёмным) устройством, а состоящим из независимо изготовленных узлов (частей). ПК может состоять из разного количества узлов. Кроме того, узлы можно заменять на аналогичные или более совершенные. Это делает достаточно простыми операции по модернизации ПК и по расширению его функциональных возможностей.

Базовой конфигурацией ПК считается наличие в нем четырёх устройств:

· системного блока

· монитора

· клавиатуры

· и манипулятора «мышь».

Причем системный блок объединяет в общем корпусе устройства или узлы называемые внутренними. Подключаемые к системному блоку клавиатура, «мышь» и другие устройства называют внешними.

Появление третьего поколения ЭВМ (ИС) создало предпосылки существенного роста быстродействия процессора. Возникло противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри ЭВМ и медленной работой устройств ввода-вывода. Процессор, руководивший работой внешних устройств, значительную часть времени был вынужден простаивать в ожидании информации, что существенно снижало производительность ЭВМ в целом.

Появилось решение освободить процессор от функций обмена информацией в целом и передать их специальным электронными схемами управления работой внешних устройств. Позже такие схемы получили название «контроллеры внешних устройств».

Наличие интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой ЭВМ третьего и четвертого поколений (ИС, БИС).

Архитектура ЭВМ в результате претерпела изменения. Для связи между отдельными функциональными узами ЭВМ стала применяться общая шина (часть её называется магистралью), состоящая из трёх частей:

· шины данных, по которой передается информация;

· шины адреса, определяющая, куда передаются данные;

· шины управления, регулирующей процессы обработки информации.

и т.д.

Такую схему легко пополнить новыми устройствами – такое свойство назвали открытостью архитектуры.