ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 31.03.2021
Просмотров: 6837
Скачиваний: 51
396
мобиля или другого устройства (в том числе и военного назначения), будучи его малой частью.
Эти встроенные устройства (их часто называют контроллерами) выполняются в виде небольших
плат, не имеющих рядом привычных для пользователя компьютера внешних устройств.
Термин «рабочая станция» используется в нескольких, порой несовпадающих, смыслах.
Так, рабочей станцией может быть мощная микро-ЭВМ, ориентированная на специализированные
работы высокого профессионального уровня, которую нельзя отнести к персональным компьюте-
рам хотя бы в силу очень высокой стоимости. Например, это графические рабочие станции для
выполнения работ по автоматизированному проектированию или для высокоуровневой издатель-
ской деятельности. Рабочей станцией могут называть и компьютер, выполняющий роль хост-
машины в подузле глобальной вычислительной сети. Компьютеры фирм «Sun Microsystems»,
«Hewlett-Packard», стоимостью в десятки раз большей, чем персональные компьютеры, являются
одно- или многопроцессорными машинами с огромным (по меркам ПК) ОЗУ, мультипроцессор-
ной версией операционной системы, несколькими CD ROM- накопителями и т.д.
Нельзя, наконец, не сказать несколько слов об устройствах, приносящих большую пользу и
также являющихся ЭВМ (поскольку они чаще всего и электронные, и вычислительные),-
аналоговых вычислительных машинах (АВМ). Они уже полвека хотя и находятся на обочине раз-
вития современной вычислительной техники, но неизменно выживают. Известны системы, в кото-
рых АВМ сопрягаются с цифровыми, значительно увеличивая эффективность решения задач в це-
лом. Основное в АВМ - они не цифровые, обрабатывают информацию, представленную не в дис-
кретной, а в непрерывной форме (чаще всего в форме электрических токов). Их главное достоин-
ство - способность к математическому моделированию процессов, описываемых дифференциаль-
ными уравнениями (порой очень сложных) в реальном масштабе времени. Недостаток - относи-
тельно низкая точность получаемых решений и неуниверсальность.
1.6. ЧТО ВПЕРЕДИ?
В 90-х годах микроэлектроника подошла к пределу, разрешенному физическими законами.
Фантастически высока плотность упаковки компонентов в интегральных схемах и почти предель-
но велика возможная скорость их работы.
В совершенствовании будущих ЭВМ видны два пути. На физическом уровне это переход к
использованию иных физических принципов построения узлов ЭВМ - на основе оптоэлектроники,
использующей оптические свойства материалов, на базе которых создаются процессор и опера-
тивная память, и криогенной электроники, использующей сверхпроводящне материалы при очень
низких температурах. На уровне совершенствования интеллектуальных способностей машин, от-
нюдь не всегда определяемых физическими принципами их конструкций, постоянно возникают
новые результаты, опирающиеся на принципиально новые подходы к программированию. Уже
сегодня ЭВМ выигрывает шахматные партии у чемпиона мира. а ведь совсем недавно это казалось
совершенно невозможным. Создание новейших информационных технологий, систем искусствен-
ного интеллекта,
баз
знаний, экспертных систем продолжатся в XXI веке.
Наконец, уже сегодня огромную роль играют сети ЭВМ, позволяющие разделить решение
задачи между несколькими компьютерами. В недалеком будущем и сетевые технологии обработки
информации станут, по-видимому, доминировать, существенно потеснив персональные компью-
теры (точнее говоря, интегрировав их в себя).
В данном параграфе приведены лишь ключевые события, имена и даты в истории развития
одного из наиболее замечательных технических средств, созданных человеком. Более подробную
информацию можно найти в указанной в конце главы литературе.
Контрольные вопросы
1. Каковы были побудительные мотивы конструкторов первых вычислительных машин?
2. Какие ключевые события из истории развития вычислительной техники в XVII - XIX ве-
ках вам известны из дополнительной литературы?
3. Какие принципы Ч.Бэббидж заложил в основу идеи об автоматических цифровых вычис-
лительных машинах?
4. Почему электронная техника оказалась
более подходящей для создания
АЦВМ, чем ме-
397
ханическая и электромеханическая?
5. Каковы годы создания и названия первых ЭВМ конца 40-х - начала 50-х годов XX века?
6. Что вы знаете об истории развития отечественной вычислительной техники?
7. По каким показателям ЭВМ относят к тому или иному поколению?
8. Каковы совокупные признаки ЭВМ I-, 2-, 3-, 4-го поколений?
9. Что такое интегральная схема? большая интегральная схема?
10. Что имеют в виду, говоря о быстродействии ЭВМ? О каких операциях идет речь?
11. В чем состоят принципы пакетной обработки? разделения времени? реального времени?
12. В чем главное отличие процедурных языков высокого уровня от непроцедурных?
13. В чем состоит идея параллелизма в исполнении программ и процессов?
14. Как эволюционировало программное обеспечение общего назначения?
Что
входит в не-
го сегодня?
15. В чем состоит принцип унификации линий ЭВМ?
16. В чем причины роста компьютерного парка
после появления персональных ЭВМ?
17. Какие характеристики позволяют отнести компьютер к категории «персональный»?
18. Какие категории компьютеров существуют в настоящее время?
19. Что может значить термин «рабочая станция»?
§2. АРХИТЕКТУРА ЭВМ
2.1. О ПОНЯТИИ «АРХИТЕКТУРА ЭВМ»
Термин «архитектура» используется в популярной литературе по вычислительной технике
достаточно часто, однако определение этого понятия и его содержание могут у разных авторов
достаточно различаться. Разберемся в этом вопросе более тщательно.
Начать целесообразно с происхождения термина. Слово «архитектура» в изначальном сво-
ем смысле используется в градостроении. Будучи достаточно сложной структурой, современный
город состоит из районов, площадей, улиц, домов и т.п., расположенных определенным образом.
Жителей города обычно мало интересует, как выглядит конкретный дом и из каких материалов он
построен. Зато очень важно знать район, где этот дом расположен, улицы, ведущие к нему, и
транспорт, пользуясь которым можно сократить время в пути.
Для того, чтобы ориентироваться в хитросплетении улиц и площадей, в любом городе су-
ществует исторически сложившаяся система названий, а также определенная нумерация домов.
Наличие общепринятой адресации позволяет однозначно определить положение любого строения
и в случае необходимости быстро отыскать его. Именно на существовании такой адресной систе-
мы построена работа почты. Во многих случаях расположение улиц и присвоение им имен носит
беспорядочный характер. В то же время бывает, что эта деятельность тщательно продумана и яв-
ляется продолжением общей планировки города, т.е. фактически частью его архитектуры. Класси-
ческим примером может служить известная система взаимно-перпендикулярных улиц (авеню и
стриты) города Нью-Йорка. Помимо чисто практической, архитектура города может иметь еще и
художественную ценность (что обычно больше интересует приезжих). Но этот аспект понятия
«архитектура» вряд ли переносим на вычислительную технику.
Используя аналогию с градостроительством, естественно понимать под архитектурой ЭВМ
ту совокупность их характеристик, которая необходима почьзователю. Это, прежде всего, основ-
ные устройства и блоки ЭВМ, а также структура связей между ними. И действительно, если загля-
нуть, например, в «Толковый словарь по вычислительным системам», мы прочтем там. что термин
«архитектура ЭВМ используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного со-
единения основных логических узлов ЭВМ (вследствие чего термин «архитектура» оказывается
ближе к обыденному значению этого слова)».
Однако описание внутренней структуры ЭВМ вовсе не является самоцелью: с точки зрения
архитектуры представляют интерес лишь те связи и принципы, которые являются наиболее общи-
ми, присущими многим конкретным реализацням вычислительных машин. Часто говорят даже о
семействах ЭВМ. т.е. группах моделей, совместимых между собой. В пределах одного семейства
основные принципы устройства и функционирования машин одинаковы, хотя отдельные модели
могут существенно различаться по производительности, стоимости и другим параметрам. Ярким
398
примером могут служить различные модификации компьютеров PDP фирмы DEC (более извест-
ные нашим пользователям по отечественным аналогам - серии ДВК), семейство MSX-машин. к
которому принадлежит широко распространенная YAMAHA, а также заполонившие мир IBM-
совместимые персональные компьютеры.
Именно то общее, что есть в строении ЭВМ, и относят к понятию архитектуры. Важно от-
метить, что целью такой общности в конечном счете служит вполне понятное стремление: все ма-
шины одного семейства, независимо от их конкретного устройства и фирмы-производителя,
должны быть способны выполнять одну и ту же программу (на практике из-за постоянного роста
вычислительной мощности техники чаще используется менее жесткий принцип совместимости
снизу вверх: все программы данной модели выполнимы на более старших). Отсюда неизбежно
следует вывод, что с точки зрения архитектуры важны не все сведения о построении ЭВМ, а толь-
ко те, которые могут как-то использоваться при программировании и «пользовательской» работе с
ЭВМ. Равно как максимально подробная архитектура города не нуждается в описании марок кир-
пичей, из которых построены дома, и растворов, которыми эти кирпичи скреплены, так и архитек-
тура ЭВМ не содержит описания электронных схем, других деталей реализации, «невидимых» для
пользователя (например, внутреннего ускорителя доступа к памяти).
Ниже приводится перечень тех наиболее общих принципов построения ЭВМ, которые от-
носятся к архитектуре:
• структура памяти ЭВМ;
• способы доступа к памяти и внешним устройствам;
• возможность изменения конфигурации компьютера;
• система команд;
• форматы данных;
• организация интерфейса.
Суммируя все вышеизложенное, получаем следующее определение архитектуры:
«Архитектура - это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие
программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных
узлов».
1.2. КЛАССИЧЕСКАЯ АРХИТЕКТУРА ЭВМ II ПРИНЦИПЫ ФОН НЕЙМАНА
Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американ-
ский математик Джон фон Нейман. Он подключился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ
ENIAC в 1944 г., когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы во время многочис-
ленных дискуссий со своими коллегами Г.Голдстайном и А.Берксом фон Нейман высказал идею
принципиально новой ЭВМ. В 1946 г. ученые изложили свои принципы построения вычислитель-
ных машин в ставшей классической статье «Предварительное рассмотрение логической конструк-
ции электронно-вычислительного устройства». С тех пор прошло полвека, но выдвинутые в ней
положения сохраняют актуальность и сегодня.
В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления
чисел (нелишне напомнить, что ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые чис-
ла в десятичном виде). Авторы убедительно продемонстрировали преимущества двоичной систе-
мы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логи-
ческих операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации - тек-
стовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему состав-
ляет информационную основу любого современного компьютера.
Еще одной поистине революционной идеей, значение которой трудно переоценить, являет-
ся предложенный Нейманом принцип «хранимой программы». Первоначально программа задава-
лась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма тру-
доемким занятием: например, для изменения программы машины ENIAC требовалось несколько
дней (в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут - выходили
из строя лампы). Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора
нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие
принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формиро-
вать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.
399
Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства
ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений
ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-
логическое устройство (АЛУ) (обычно объединяемые в центральный процессор), память, внешняя
память, устройства ввода и вывода. Схема устройства такой ЭВМ представлена на рис. 4.10. Сле-
дует отметить, что внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее
заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного
Рис. 4.10.
Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана. Сплошные линии со
стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные-управляющих сигналов от
процессора к остальными узлам ЭВМ
восприятия человеком. Так, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти,
а клавиатура - устройство ввода, дисплей и печать - устройства вывода.
Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах
объединены в один блок - процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей
из памяти и внешних устройств (сюда относятся выборка команд из памяти, кодирование и деко-
дирование, выполнение различных, в том числе и арифметических, операций, согласование рабо-
ты узлов компьютера). Более детально функции процессора будут обсуждаться ниже.
Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее устройство у со-
временных компьютеров «многоярусно» и включает оперативное запоминающее устройство
(ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время
(исполняемая программа, часть необходимых для нее данных, некоторые управляющие програм-
мы), и внешние запоминающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ. но с суще-
ственно более медленным доступом (и значительно меньшей стоимостью в расчете на 1 байт хра-
нимой информации). На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не заканчивается - опреде-
ленные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоминающее устройство), и ПЗУ (по-
стоянное запоминающее устройство), и другие подвиды компьютерной памяти.
В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд
из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти. из которой будет извлечена
следующая команда программы, указывается специальным устройством - счетчиком команд в УУ.
Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.
Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались
настолько фундаментальными, что получили в литературе название «фон-неймановской архитек-
туры». Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день - фон-
неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для па-
раллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая
концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классиче-
ской модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).
По-видимому, значительное отклонение от фон-неймановской архитектуры произойдет в
400
результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых
лежат не вычисления, а логические выводы.
2.3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ ЭВМ
В предыдущем разделе была описана классическая структура ЭВМ, соответствующая вы-
числительным машинам первого и второго поколений. Естественно, что в результате бурного раз-
вития технологии производства средств вычислительной техники такая структура не могла не пре-
терпеть определенных прогрессивных изменений.
Как отмечалось выше, появление третьего поколения ЭВМ было обусловлено переходом от
транзисторов к интегральным микросхемам. Значительные успехи в миниатюризации электрон-
ных схем не просто способствовали уменьшению размеров базовых функциональных узлов ЭВМ,
но и создали предпосылки для существенного роста быстродействия процессора. Возникло суще-
ственное противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри машины и мед-
ленной работой устройств ввода-вывода, в большинстве своем содержащих механически движу-
щиеся части. Процессор, руководивший работой внешних устройств, значительную часть времени
был бы вынужден простаивать в ожидании
информации «из
внешнего мира», что существенно
снижало бы эффективность работы всей ЭВМ в целом. Для решения этой проблемы возникла тен-
денция к освобождению центрального процессора от функций обмена и к передаче их специаль-
ным электронным схемам управления работой внешних устройств.
Такие схемы имели различные
названия: каналы обмена, процессоры ввода-вывода, периферийные процессоры. Последнее время
все чаще используется термин «контроллер внешнего устройства» (или просто контроллер).
Наличие интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной
чертой машин третьего и четвертого поколений.
Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий рабо-
той «вверенного ему» внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Та-
кой процессор имеет собственную систему команд. Например, контроллер накопителя на гибких
магнитных дисках (дисковода) умеет позиционировать головку на нужную дорожку диска, читать
или записывать сектор, форматировать дорожку и т.п. Результаты выполнения каждой операции
заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть в дальнейшем прочитаны
центральным процессором.
Таким образом, наличие интеллектуальных внешних устройств может существенно изме-
нять идеологию обмена. Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает
задание на его осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать
под руководством контроллера без участия центрального процессора. Последний получает воз-
можность «заниматься своим делом», т.е. выполнять программу дальше (если по данной задаче до
завершения обмена ничего сделать нельзя, то можно в это время решать другую).
Перейдем теперь к обсуждению вопроса о внутренней структуре ЭВМ, содержащей интел-
лектуальные контроллеры, изображенной на рис. 4.11. Из рисунка видно, что для связи между от-
дельными функциональными узлами ЭВМ используется общая шина (часто ее называют магист-
ралью). Шина состоит из трех частей:
• шина данных, по которой передается информация;
• шина адреса, определяющая, куда передаются данные;
• шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.
Отметим, что существуют модели компьютеров, у которых шины данных и адреса для эко-
номии объединены. У таких машин сначала на шину выставляется адрес, а затем через некоторое
время данные; для какой именно цели используется шина в данный момент, определяется сигна-
лами на шине управления.
Описанную схему легко пополнять новыми устройствами - это свойство называют откры-
тостью архитектуры. Для пользователя открытая архитектура означает возможность свободно вы-
бирать состав внешних устройств для своего компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости
от круга решаемых задач.
На рис. 4.11 представлен новый по сравнению с рис. 4.10 вид памяти - видео-ОЗУ (видео-
память). Его появление связано с разработкой особого устройства вывода - дисплея. Основной ча-
стью дисплея служит электронно-лучевая трубка, которая отображает информацию примерно так