Принципы построения ЭВМ

Стория развития вычислительной техники

В эпоху всеобщей компьютеризации информационная подготовка становится насущной потребностью каждого человека. Тем более это важно для тех, кто выбрал информационные технологии своей специальностью. Постигать новое разумнее, основываясь на уже известном, хорошо опробованном и показавшем свои преимущества.

Историю развития информатики можно начинать с глубины веков, ведь информацией называют любые сведения о событиях, процессах или объектах, являющиеся предметом восприятия, передачи, преобразования и хранения.

Однако основы информационной теории и техники как таковой были заложены в XVII веке Шиккардом, Паскалем и Лейбницем. Вот они - этапы большого пути:

1623 г. - В. Шиккард, профессор Тюбингенского университета предложил агрегат, состоящий из суммирующего и множительного устройства.

1642 г. - Блез Паскаль продемонстрировал в Люксембургском дворце машину, которая могла складывать и вычитать.

1673 г. - немецкий математик и философ Г. Лейбниц представил в Парижской академии вычислитель, выполняющий все 4 арифметических действия.

1812 - 1823 гг. - профессор Кембриджского университета Чарльз Беббидж построил разностную машину, а в 1835 г. он же представил проект аналитической машины (прообраз ПК): склад, мельница, управляющий. Фрагмент такого вычислителя построил сын ученого, а программы для него готовила первый программист Ада Лавлейс (Байрон).

1880 г. - Г. Холлерит сконструировал электромеханический перфокарточный табулятор, который использовался при переписи населения в США и в России.

1911 г. - механик А.Н. Крылов построил уникальный аналоговый решатель дифференциальных уравнений.

1918 г. - М.А. Бонч-Бруевич изобрел триггер.

1919 г. - академик Н.Н. Павловский создал аналоговую вычислительную машину.

1928 г. - основана фирма Motorola для производства электронных узлов вычислителей.

1936 г. - английский математик А. Тьюринг опубликовал доказательство того, что любой алгоритм может быть реализован с помощью дискретного автомата.

1939 г. - американский инженер Дж. Стибниц создал релейную машину BELL.

1939 г. - У. Хьюлетт и Д. Паккард основали компанию для производства компонентов первых вычислителей.

1946 г. - Джон фон Нейман и Гольдстейн опубликовали статью "Предварительное обсуждение логической конструкции ЭВМ".

1947 г. - Шокли и др. изобрели транзистор.

1948 г. - в Массачусетском университете был построен первый компьютер с памятью EDVAC.

1949 г. - Морис Уилкс построил компьютер EDSAC в соответствии с принципами фон Неймана.

1957 г. - Б. Нойс и Г. Мур открыли первую в мире компанию по производству полупроводниковых приборов, спустя 10 лет ими была создана фирма "Intel Corporation".

1971 г. - сотрудник фирмы Intel Д. Хофф создает первый микропроцессор i4004.

1975 г. - рождение корпорации "Microsoft Corporation".

1977 г. - Стефен Возняк и Стивен Джобс собирают первый настольный компьютер "Apple".

1981 г. - IBM представляет свой первый персональный компьютер IBM PC.

История развития информатики в СССР

История развития информатики в СССР начинается в первые послевоенные годы.

В конце 1948 г. 12 научных сотрудников и 15 техников под руководством С.А. Лебедева начали работу над малой электронно-счетной машиной (МЭСМ). Машина, выполненная на базе 7500 ламп на площади в 64 м2, была собрана за два года и потребляла 25 кВт электроэнергии.

1952 г. - выпущена большая электронно-счетная машина (БЭСМ) на 4500 лампах, выполнявшая до 10000 операций в секунду.

1956 г. - доклад Лебедева на конференции в городе Дармштадте произвел настоящий фурор. БЭСМ (8 тыс. оп./с) была признана лучшей ЭВМ в Европе.

С 1958 г. начался промышленный выпуск ЭВМ в СССР.

1959 г. - ЭВМ М-20 (20 тыс. оп./с).

1967 г. - БЭСМ-6 (1 млн. оп./с). Впервые реализованы идеи параллелизма. Было выпущено 350 машин со сроком эксплуатации - 25 лет. Последние БЭСМ демонтированы в середине 90-х г.

30 декабря 1967 г. вышло постановление Совмина СССР о разработке ЕС ЭВМ.

1979 г. - "Эльбрус-1", 10 ЦП на БИС с общей памятью, производительность - 1,5 - 10 млн. оп./с.

1985 г. - "Эльбрус-2", производительность более 100 млн.оп./с.

1991 г. - "Эльбрус-3", для 16 ЦП производительность - 1 млрд. оп./с.

Принципы построения ЭВМ

Основные из традиционных принципов построения ЭВМ, сформулированные фон Нейманом, следующие:

• наличие единого вычислительного устройства, включающего процессор, средства передачи информации и память;
• линейная структура адресации памяти, состоящей из слов фиксированной длины;
• двоичная система исчисления;
• централизованное последовательное управление;
• хранимая программа;
• низкий уровень машинного языка;
• наличие команд условной и безусловной передачи управления;
• АЛУ с представлением чисел в форме с плавающей точкой.

Кроме машин фон Неймана существуют потоковые и редукционные ЭВМ. Дж. Деннис в 1967 г. сформулировал принципы построения потоковых ЭВМ - должны выполняться все команды, для которых есть данные, независимо от их места в программе; управление вычислительным процессом переходит от программы к данным.

В 1971-1974 гг. исследованы принципы создания машин, управляемых заданиями, в которых выполнение операций определяется потребностью в результате, и единообразно хранятся любые объекты: данные, программы, файлы, массивы - редукционные ЭВМ.

Поколения ЭВМ

В основе выделения поколений ЭВМ лежит элементная база процессора. Эта и другие характеристики ЭВМ разных поколений приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Поколения ЭВМ
Характеристики	Первое 1951-1954 гг.	Второе 1958-1960 гг.	Третье 1965-1966 гг.	Четвертое	Пятое
1976 - 1979 гг.	1985 г.
1. Элементная база ЦП	Электронные лампы	Транзисторы	Интегральные схемы	БИС	СБИС	СБИС + опто - и крио - электроника
2. Элементная база ОЗУ	Электронно-лучевые трубки	Ферритовые сердечники	Ферритовые сердечники	БИС	СБИС	СБИС
3. Maксимальная емкость ОП в байтах	102	103	104	105	107	108
4. Максимальное быстродействие ЦП в ОС	104	106	107	108	109 + многопроцессорность	1012 + многопроц
5. Языки программирования	Машинный код	+ ассемблер	+ процедурные языки высокого уровня (ЯВУ)	+ новые процедурные ЯВУ	+ непроцедурные ЯВУ	+ новые непроцедурные ЯВУ
6. Средства связи пользователя с ЭВМ	Пульт управления, перфокарты	Перфокарты, перфоленты	Алфавитно-цифровой терминал	Монохромный графический дисплей, клавиатура	Цветной графический дисплей, клавиатура, "мышь" и т.д.	+ устройства голосовой связи с ЭВМ

Классификация ЭВМ

Одна из общепринятых классификаций ЭВМ приведена Б.С. Богумирским. Нам она представляется приемлемой и на сегодняшний день.

1. Большие ЭВМ (mainframe) IBM 360/370, ЕС ЭВМ, ES/9000, IBM S/390.
2. Супер-ЭВМ (Cray J90, Convex C38XX, IBM SP2, SGI POWER CHALLENGE, системы MPP, Электроника СС-100, Эльбрус-3).
3. Мини-ЭВМ (PDP-11, VAX, СМ ЭВМ).
4. Микро-ЭВМ:
• АРМ;
• встроенные;
• ПЭВМ.

С точки зрения взаимодействия команд и данных, интересна классификация ЭВМ по Флинну:

1. ОКОД (SISD) - "одиночный поток команд, одиночный поток данных". Традиционная архитектура фон Неймана + КЭШ + память + конвейеризация.
2. ОКМД (SIMD) - "одиночный поток команд, множественный поток данных".
3. МКМД (MIMD) - "множественный поток команд, множественный поток данных", мультипроцессорные системы (несколько устройств управления и АЛУ).

Основные модели ПЭВМ

Основные модели ПЭВМ, представленные на рынке:

1. ЭВМ фирмы IBM и их аналоги. Характерен принцип открытости архитектуры.
2. ЭВМ фирмы Apple собираются на базе микропроцессоров фирмы Motorola, представлены двумя семействами: Apple и Macintosh. Основное отличие от ЭВМ фирмы Intel -замкнутость архитектуры.
3. ЭВМ независимых фирм производителей.

Вопросы

1. Сформулируйте традиционные принципы построения ЭВМ.
2. Какие еще принципы построения ЭВМ вы знаете?
3. По какому признаку выделяют поколения ЭВМ?
4. К какому поколению относятся первые мини-ЭВМ?
5. Какие выделяют классы ЭВМ?
6. Какие существуют типы ЭВМ с точки зрения взаимодействия команд и данных?
7. Какие модели ПЭВМ представлены сегодня на рынке?