ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 13.01.2021
Просмотров: 95
Скачиваний: 1
Лекция 2
1.3. Развитие многоуровневых ЭВМ
1.3.1. Аппаратное и программное обеспечение
Электронные схемы компьютера вместе с памятью и средствами ввода-вывода образуют аппаратное обеспечение. Оно состоит из осязаемых объектов - интегральных схем, печатных плат, кабелей, источников электропитания, запоминающих устройств и принтеров. Программное обеспечение, напротив, состоит из абстрактных алгоритмов (подробных последовательностей команд, которые описывают, как решить задачу) и их компьютерных представлений, то есть программ. Программы могут храниться на жестком, гибком, компакт-диске или других носителях, но программное обеспечение - это набор команд, составляющих программы, а не физические носители, на которых эти программы записаны.
В ранних компьютерах граница между функциями аппаратного и программного обеспечения была очевидна. Со временем произошло размывание этой границы, в первую очередь благодаря тому, что в процессе развития компьютеров уровни добавлялись, убирались и сливались. В настоящее время сложно отделить эти два понятия друг от друга. Можно сказать, что аппаратное и программное обеспечение логически эквивалентны. Любая операция, выполняемая программным обеспечением, может быть встроена в аппаратуру. Верно и обратное: каждая команда, выполняемая аппаратным обеспечением, может быть смоделирована программой. Решение разделить функции аппаратного и программного обеспечения основывается на таких факторах, как стоимость, скорость, надежность, а также частота ожидаемых изменений. Эти решения изменяются в зависимости от тенденций в развитии компьютерных технологий.
1.3.2. Микропрограммирование
У первых цифровых компьютеров в 1940-х годах было только 2 уровня: уровень архитектуры набора команд, на котором осуществлялось программирование, и цифровой логический уровень, который выполнял состоящие из команд программы. Схемы цифрового логического уровня были сложны для производства и ненадежны.
В 1951 году исследователь Кембриджского университета Морис Уилкс предложил идею трехуровневого компьютера. Эта ЭВМ имела встроенный неизменяемый интерпретатор (микропрограмму), выполняющий команды верхнего уровня. Аппаратное же обеспечение теперь вместо программ уровня архитектуры команд выполняло только микропрограммы с ограниченным набором более мелких команд. В связи с этим требовалось меньшее количество электронных схем, в то время - электронных ламп. Такое упрощение сокращало количество ламп и, следовательно, увеличивало надежность. Эта идея была реализована и постепенно к 70-м годам стала преобладающей.
С 1970 года, когда микропрограммирование стало обычным, у производителей появилась возможность вводить машинные команды путем расширения микропрограммы. Другими словами, новые машинные команды создавались с помощью (микро) программирования. Эти команды не представляли принципиальной ценности, поскольку аналогичные задачи можно было решить не расширяя систему команд. Их преимущество в том, что они работали немного быстрее. Примером может служить команда INC (INCrement), прибавляющая к числу единицу. Вместо нее можно использовать ADD, но INC работает быстрее, часто используется, поэтому ее также включили в набор команд. На уровне микропрограммы вводились также такие новые технические характеристики как ускорение работы с массивами, системы прерывания, переключение процесса.
Микропрограммы разрастались, работали все медленнее, требовали большого объема памяти. В конце концов началась обратная тенденция. Исследователи осознали, что на современном этапе развития электроники с устранением микропрограммы резко сократится количество команд и компьютеры станут работать быстрее. Таким образом, в архитектуре некоторых современных компьютеров уровень микропрограммирования не используется.
1.3.3. Операционные системы
В ранние годы ЭВМ были большими и дорогостоящими; одним компьютером в порядке предварительной записи пользовалось большое количество людей. С другой стороны, процесс эксплуатации программ был довольно сложным, состоял из нескольких этапов и соответственно требовал специальной квалификации. Каждый запуск пользовательской программы предварялся загрузкой в память ассемблера или компилятора (этот уровень уже появился) и других системных программ. Непосредственная работа на компьютере осуществлялась специально подготовленным персоналом - операторами ЭВМ. Их работа была малоэффективной, терялось много времени.
Начались попытки сократить количество потерянного времени, автоматизировав работу оператора. Первым шагом была программа под названием “операционная система”, которая содержалась в компьютере все время, обрабатывая последовательно вводимые оператором пользовательские пакеты. Тем не менее, чтобы получить результат, пользователю нужно было ждать несколько часов.
В начале 60-х годов исследователи Массачусетского технологического института разработали операционную систему, которая давала возможность непосредственно работать с компьютером сразу нескольким программистам. В этой системе к центральному компьютеру через телефонные линии подсоединялись отдаленные терминалы. Таким образом, центральный процессор разделялся между большим количеством пользователей. Программист мог напечатать свою программу и получить результаты почти сразу прямо в офисе. Эти системы были названы системами с разделением времени. В определенном виде они используются и сейчас.
1.4. Развитие компьютерной архитектуры
1.4.1. Поколения ЭВМ
За время развития компьютерных технологий были сконструированы сотни или даже тысячи различных ЭВМ. Мы кратко рассмотрим лишь ключевые этапы, повлиявшие на историю создания современных компьютеров. В этом плане обычно выделяют несколько поколений ЭВМ.
Нулевое поколение - механические компьютеры (1642-1945). Эти машины работали на основе шестеренок и ручного привода. Они выполняли небольшое количество арифметических операций. К их создателям относятся: французский ученый Блез Паскаль (в его честь назван язык программирования), великий немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц, профессор математики Кембриджского университета Чарльз Бэббидж. Последний разработал аналитическую машину. Она содержала 4 компонента: запоминающее устройство (память), вычислительное устройство, устройство ввода (для считывания перфокарт), устройство вывода (перфоратор и печатающее устройство). Главное преимущество аналитической машины заключалось в том, что она могла выполнять не одну и ту же, а разные задачи. Она считывала команды с перфокарт и выполняла их. Поскольку эта аналитическая машина программировалась на ассемблере, ей было необходимо программное обеспечение. Чтобы его создать, Бэббидж нанял Аду Августу Ловлейс, дочь знаменитого поэта Байрона. Ада Ловлейс была первым в мире программистом. В ее честь назван современный язык программирования Ada.
Первое поколение - компьютеры на электронных лампах (1945-1955). Наиболее известным их создателем является один из самых знаменитых математиков Джон фон Нейман. Его проект известен сейчас как фон-неймановская вычислительная машина. Ее архитектура в значительной мере используется и сейчас. Она содержит 4 основные части: память, арифметико-логическое устройство, устройство управления, устройства ввода-вывода. К 1953 году относится начало деятельности фирмы IBM в области создания ЭВМ.
Второе поколение - ЭВМ на транзисторах (1955-1965). Транзистор был изобретен сотрудниками Bell Laboratories Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли, которые получили за это в 1956 г. Нобелевскую премию в области физики. В этот период в качестве создателей компьютеров фигурируют уже в основном фирмы. Наиболее известными стали: DEC (Digital Equipment Corporation) - миникомпьютер PDP-8; IBM (International Business Machines) - IBM-7094; CDC (Control Data Corporation) - машина 6600 с высокой степенью параллелизма, разработчиком которой является Сеймур Крей, который впоследствии занимался созданием суперкомпьютеров. Следует также упомянуть компьютер Burroughs B5000, который был создан с аппаратной поддержкой компилятора Algol 60 – предшественника Pascal.
Третье поколение - ЭВМ на интегральных схемах (1965-1980). Изобретение кремниевой интегральной схемы в 1958 году (Роберт Нойс) позволило помещать десятки транзисторов на одной небольшой микросхеме. Такие компьютеры были меньшего размера, работали быстрее и стоили дешевле своих предшественников. В этот период лидировала IBM с серией System/360, основными достижениями которой являлась совместимость (единый язык ассемблера) и мультизадачность. В области миникомпьютеров наиболее известна марка PDP-11 фирмы DEC.
Четвертое поколение – компьютеры на сверхбольших интегральных схемах – СБИС (1980 - …). Появление таких схем дало возможность размещать на одной плате сначала десятки тысяч, затем – сотни тысяч, и, наконец, миллионы транзисторов. Цены и размеры компьютеров уменьшились до такой степени, что их приобретение стало доступным не только фирмам, но и частным лицам. Наступила эра персональных компьютеров.
Одним из первых и самых известных ПК был Apple, разработанный Стивом Джобсом и Стивом Возняком (сейчас – серия Macintosh). Фирма Apple одно время была серьезным конкурентом IBM, которая поначалу несколько задержалась с разработкой ПК. В дальнейшем персональные компьютеры IBM PC стали самыми покупаемыми. Они были созданы не с нуля, а на основе уже производимых компонентов, в частности, процессоров фирмы Intel. В отличие от Apple, IBM опубликовала свои проекты, что привело к появлению клонов IBM PC, производимых другими фирмами. Это способствовало массовому производству и распространению IBM – совместимых ПК.
Первый IBM PC (1981г.) был укомплектован операционной системой MS-DOS, разработанной тогда еще мелкой фирмой Microsoft. Затем IBM и Microsoft совместно разработали OS/2 с графическим интерфейсом, аналогичным Apple Macintosh. Далее Microsoft занялась разработкой собственной системы Windows, что и привело ее к сегодняшнему успеху.
Одной из важнейших тенденций, связанных с разработкой ЭВМ 4 поколения, является специализация, т.е. создание различных уровней архитектуры компьютера разными производителями.
1.4.2. Типы компьютеров
В настоящее время наиболее известны персональные компьютеры, однако существуют и другие типы машин. Главная тенденция их развития – способность производителей помещать все больше транзисторов на микросхему. Компьютерные технологии эволюционируют двумя путями – уменьшение размеров и цен при более или менее постоянной мощности или увеличение мощности при относительно постоянных цене и размерах. В результате можно привести следующую приблизительную классификацию современных ЭВМ.
Тип |
Порядок цен ($) |
Сфера применения |
|
“Одноразовые компьютеры” |
1 |
Поздравительные открытки |
|
Встроенные компьютеры |
10 |
Часы, автомобили, приборы |
|
Игровые компьютеры |
100 |
Домашние компьютерные игры |
|
Персональные компьютеры |
1000 |
Настольные компьютеры |
|
Серверы |
10000 |
Сетевые серверы |
|
Рабочие станции |
100000 |
Мини-суперкомпьютеры |
|
Большие ЭВМ |
1000000 |
Обр-ка пакетных данных в банках |
|
Суперкомпьютеры |
10000000 |
Предсказание погоды на длит. срок |
Очевидно, в одном курсе невозможно охватить архитектуру всех приведенных типов ЭВМ. Мы будем рассматривать лишь 3 семейства компьютеров, наиболее распространенные в настоящее время. Главная составляющая каждого компьютера – его процессор. Поэтому часто семейство компьютеров ассоциируется с их процессором.
1.4.2.1. Pentium
Эта линия производится фирмой IBM на основе процессоров фирмы Intel. Основные этапы таковы.
В 1978 году появился Intel 8086 – 16-битный процессор на одной микросхеме. Фирма IBM выбрала его для IBM PC, и эта микросхема стала эталоном в производстве ПК. Этот процессор не мог обращаться к более чем 1Mb памяти. К началу 80-х годов это стало серьезной проблемой, поэтому Intel разработала совместимую модель 80286, которая использовалась в IBM PC/AT и в PS/2. Следующим шагом был 32-битный процессор 80386, выпущенный в 1985 г. Далее через 4 года появился 80486, который быстрее работал, мог выполнять операции с плавающей точкой (без сопроцессора) и имел 8 Kb кэш-памяти. Он содержал также встроенные средства поддержки многопроцессорного режима и внутренний конвейер. Следующим появился Pentium, имевший 2 конвейера, что позволяло ему работать почти в 2 раза быстрее.
Качественные изменения содержал новый процессор - Pentium Pro, у которого была другая внутренняя организация. Он мог выполнять до 5 команд одновременно. Одно из нововведений – двухуровневая кэш-память – 8 Kb для команд и 8 Kb – для данных. В корпусе PC рядом с процессором находилась еще внешняя кэш-память в 256 Kb.
Следующим появился Pentium II с дополнительной системой команд для мультимедиа-задач – MMX (multimedia extentions). Она предназначена для ускорения вычислений, необходимых при воспроизведении изображений и звука.
В начале 1998 г. Intel запустила новую линию процессоров под названием Celeron. Он имел несколько меньшую производительность, но стоил почти в 2 раза дешевле. Существует еще Xeon – некоторая модификация Pentium II с большей кэш-памятью, более быстрой внутренней шиной, большей поддержкой многопроцессорного режима.
В дальнейшем были выпущены еще 2 модели - Pentium III и Pentium IV. Мы в качестве представителя этого семейства будем рассматривать Pentium II.
Все микросхемы Intel теоретически совместимы со своими предшественниками вплоть до процессора 8086, т.е. Pentium II может выполнять программы, написанные для процессора 8086. Совместимость всегда была одним из главных требований при разработке новых компьютеров IBM, чтобы покупатели могли продолжать работать со старым программным обеспечением и не тратить деньги на новое. Обратная сторона этой тенденции состоит в существенном усложнении архитектуры. Новые процессоры значительно сложнее, чем если бы они создавались заново без требования совместимости.
1.4.2.2. UltraSPARC
Первая ЭВМ этой архитектуры была создана в 1981 г. аспирантом Стэнфордского университета Энди Бехтольсхаймом с целью переноса популярной тогда операционной системы UNIX с PDP-11 и VAX на персональные компьютеры. Он самостоятельно построил персональную рабочую станцию UNIX из стандартных частей, имеющихся в продаже, и назвал ее SUN-1 (Stanford University Network - сеть Стэнфордского университета).
В 1982 г. при его участии была основана компания Sun Microsystems, которая занялась производством рабочих станций Sun и ПО для них. В этом также принимал участие Билл Джой - главный создатель системы UNIX. Первые компьютеры компании, Sun-1, 2, 3 использовали процессор Motorola 68020 и имели большой успех. Эти машины были гораздо мощнее других ПК того времени (отсюда название «рабочая станция»), и изначально были предназначены для работы в сети. Каждая рабочая станция Sun была оснащена сетевым адаптером Ethernet и программным обеспечением TCP/IP для связи с сетью ARPANET, предшественницей Интернета.
С 1987 года Sun начала разработку собственных процессоров, основанных на новом революционном проекте калифорнийского университета в Беркли (RISC II). Этот процессор назывался SPARC (Scalable Processor ARCitecture — наращиваемая архитектура процессора). Он был использован при производстве рабочей станции Sun-4 и всех последующих рабочих станций Sun. В дальнейшем Sun предоставила патент на изготовление процессоров нескольким предприятиям, рассчитывая, что конкуренция между ними повлечет повышение качества продукции и снижение цен. Эти предприятия выпустили несколько разных совместимых между собой микросхем, работающих с разной скоростью и отличающихся друг от друга по стоимости. Микросхемы назывались MicroSPARC, HyperSPARC, SuperSPARC, TurboSPARC.
Далее Sun создала промышленный консорциум SPARC International для руководства развитием будущих версий архитектуры SPARC. Первый SPARC был 32-битным, работал с частотой 36 МГц и не отличался качеством. Перелом в развитии SPARC произошел в 1995 году, когда была разработана 64-битная версия (версия 9) с адресами и регистрами по 64 бит. Первой рабочей станцией с такой архитектурой стал UltraSPARC I, вышедший в свет в 1995 году. Он был полностью совместим с 32-битными версиями SPARC, хотя сам был 64-битным.