Файл: История развития средств вычислительной техники ( АРХИТЕКТУРА).pdf

ВВЕДЕНИЕ

Текущий этап человеческого развития определяется переходом от индустриального общества к информационному, где центральным элементом собственности является информация. Основной предпосылкой этого перехода является постоянно растущая доля информационной составляющей во всех предоставляемых товарах и услугах. Кроме того, также стремительно растет количество информационных товаров и услуг, куда относятся базы данных, программные продукты, сотовая связь и т.п. Информационное общество характеризуется высокой степенью не только информационной, но и экономической общемировой интеграцией. Для полноценного функционирования такой интеграции необходима единая общемировая информационная среда, которой на сегодняшний день является Интернет [1].

Однако использование описанных достижений было бы невозможно без развития информатики и вычислительной техники. На сегодняшний день компьютер является универсальным многофункциональным электронным автоматическим устройством, предназначенным для хранения и обработки информации [7].

Для того чтобы компьютер мог решить какую-либо задачу, в него должна быть заложена определенная программа – последовательность действий, описывающих решение. Все электронные схемы компьютера способны выполнять лишь ограниченный набор команд, куда входят арифметические и логические операции. Эти примитивные команды составляют язык взаимодействия человека с компьютером [11].

Актуальность выбранной темы очевидна – мы живем в эпоху информационных технологий, ежедневно сталкиваясь в своей деятельности с различными достижениями информатики и вычислительной техники. Чтобы грамотно пользоваться имеющимися достижениями, необходимо знать их историю развития и внутреннее устройство.

1. ЭВОЛЮЦИЯ ЭВМ

1.1. Основные понятия

Центральными понятиями при рассмотрении данной темы являются вычислительная машина (ВМ) и вычислительная система (ВС). Вычислительной машиной называется комплекс технических и программных средств, целью которого является автоматизация подготовки и решения пользовательских задач. Вычислительная система – совокупность взаимодействующих взаимосвязанных процессоров или ВМ, а также программного обеспечения (ПО) и периферийного оборудования, предназначенная для подготовки и решения пользовательских задач.

Архитектура ВМ – это ее логическое построение. Впервые данный термин был употреблен корпорацией IBM во время разработки машин семейства IBM 360. Данный термин применялся для описания тех средств, которыми мог пользоваться программист для создания программы на уровне машинных команд.

В зависимости от компетенции системного архитектора выделяют четыре уровня детализации ВМ:

• уровень «черного ящика» - ВМ рассматривается как устройство для хранения, обработки и обмена информацией;
• уровень общей архитектуры – ВМ представляется в виде ЦП, основной памяти, системы шин и устройств ввода/вывода;
• уровень архитектуры ЦП – каждое устройство второго уровня подвергается детализации. Так, простейший вариант ЦП содержит арифметико-логическое устройство, устройство управления (УУ) и внутренние шины;
• уровень архитектуры устройства управления – детализация элементов третьего уровня. УУ содержит в себе блок памяти, логику программной последовательности, логику формирования управления, а также дешифраторы и регистры управления.

Существует два подхода для описания эволюции ВМ:

• хронологический – опирающийся на хронологию событий, оказавших влияние на становление ВМ;
• технологический – рассматривающий развитие ВМ с точки зрения технологий и архитектурных решений.

В данной работе описание эволюции будет производиться с точки зрения технологического подхода.

1.2. Поколения ЭВМ

1.2.1. Нулевое поколение (1492-1945 гг.)

Нулевое поколение компьютеров называется механической эрой. Основным элементом вычислительных устройств данной эпохи является зубчатое колесо. В начале XX века оно уступило место электромеханическому реле. Фактически, вычислительные устройства данного периода не имели ничего общего с современными машинами.

Наиболее значимые события данного периода:

• 1642г. – представлено первое механическое вычислительное устройство, созданное Блезом Паскалем. Устройство могло складывать и вычитать пятиразрядные десятичные числа;
• 1673 г. – Готфрид Лейбниц представил «пошаговый вычислитель», выполняющий четыре основных арифметических операции над 12-разрядными десятичными числами. Кроме обычных зубчатых колес устройство содержало в себе ступенчатый валик;
• 1836 г. – Чарльз Бэббидж описывает проект «аналитической машины», способной считывать данные с перфокарт и хранить их в памяти на пятьдесят чисел. Данная машина основывалась на концепции условного перехода. Кроме того, именно здесь впервые нашла себя идея микропрограммирования – инструкции для машины задавались путем позиционирования металлических штырей в цилиндре с отверстиями. Сложение на такое машине выполнялось за 3 секунды, а умножение за 2-4 минуты;
• 1937 г. – Джордж Стибитц представил первый однобитный двоичный вычислитель на базе электромеханических реле;
• 1939 г. – Сэмюэль Вильямс и Джордж Стибитц представили калькулятор, основанный на релейной логике – Model I. Управление данной машиной реализовывалось при помощи модифицированного телетайпа, позволяя по телефонной линии подключаться к калькулятору;
• 1943 г. – группа гарвардских ученых под управлением Говарда Айкена представила вычислитель Mark I. Это был первый программно управляемый вычислитель, который получил популярность. Mark I состоял из целого множества отдельных вычислителей, которые обрабатывали свои части в решении задачи и контролировались единым устройством управления. Команды в эту машину вводились при помощи перфокарт. На операцию сложения требовалось 0,3 секунды, умножения – 4 секунды, деления – 10 секунд;
• 1945 г. – Конрад Цузе представляет вычислитель Z4, который схож с современными ВМ: он содержал в себе отдельные устройства процессора и памяти. Кроме того, процессор Z4 мог обрабатывать числа с плавающей запятой и извлекать квадратный корень. Программа для Z4 хранилась на перфоленте и считывалась последовательно.

Важнейшим моментом эпохи нулевого поколения является разработка аналитической машины Бэббиджа.

1.2.2. Первое поколение (1937 – 1953 гг.)

Основная идея ВМ первого поколения – использование электронно-вакуумных ламп, которые пришли на смену электромеханическим реле. Предполагалось, что электронные лампы будут надежнее, однако эта идея не была оправданной. Преимущество электронных ламп заключалось в скорости переключения – ключи, построенные на базе ламп, переключались примерно в тысячу раз быстрее, чем электромеханические аналоги.

Первой ЭВМ считается калькулятор ABC, разработанный Джоном Атанасовым и Клиффордом Берри в период 1939-1942 гг. Основная задача данного калькулятора – решение систем линейных уравнений, содержащих до 29 уравнений и неизвестных. ABC строился на базе конденсаторов и цепей регенерации.

Соперником ABC является ENIAC, разработанный Джоном Мочли и Преспером Эккертом в 1946 г. Первоначально ENIAC использовался в процессах разработки водородной бомбы. Программа в данной машине задавалась при помощи схемы коммутации триггеров на 40 наборных полях. Структура ENIAC состояла из 10 триггеров, объединенных в кольцо, образуя таким образом десятичный счетчик. Десять таких колец представляли собой запоминающий регистр. Всего ENIAC содержал 20 регистров.

Главным достижение данного периода является проект EDVAC с участием Джона фон Неймана. Отличительной особенностью EDVAC была хранимая в памяти программа.

В целом, машины первого поколения были очень примитивны, однако они нашли свое применение в прикладных и инженерных науках.

К этому же периоду относится разработка малой электронной счетной машины (МЭСМ) под управлением С.А. Лебедева. Именно данная машина стала первой ЭВМ, получившей серийное производство в СССР и континентальной Европе.

1.2.3. Второе поколение (1954-1962 гг.)

Предпосылкой перехода ко второму поколению ЭВМ стала замена электронных ламп полупроводниковыми диодами и транзисторами.

Первой такой ВМ является TRADIC, разработанная компанией Bell Labs. TRADIC включал в себя 10000 германиевых диодов и 700 транзисторов.

Кроме изменения структуры элементов, изменились и устройства памяти – произошел переход от устройств, базирующихся на ртутных линиях задержки к устройствам на магнитных сердечниках. Главное преимущество памяти на магнитных сердечниках – произвольный доступ к данным.

Еще одной отличительной чертой ЭВМ второго поколения стало появления индексных регистров в составе процессора. Это позволило реализовывать обработку массивов данных. Кроме того, добавился аппаратный блок обработки чисел с плавающей запятой. Ранее обработкой таких чисел занимались отдельные подпрограммы, имитирующие одну операцию.

Еще одним элементов ЭВМ, дошедшим до нашего времени и появившимся в эпоху второго поколения является процессор ввода/вывода данных. Основная его задача – освобождение ЦП от операций по управлению вводом/выводом.

Яркими представителями ЭВМ второго поколения являются LARC, IBM 7030 и M20. В СССР также велись успешные разработки, которые привели к серийному производству таких машин как «Урал», «Минск», «Днепр».

Вместе с появлением ЭВМ второго поколения появились и первые шаги в развитии ПО – были созданы первые языки программирования высокого уровня – FORTRAN, ALGOL и COBOL.

1.2.4. Третье поколение (1963-1972 гг.)

Третье поколение характеризуется резким ростом вычислительной мощности ВМ, что стало возможным благодаря переходу от дискретных полупроводниковых элементов к интегральным микросхемам. Кроме того, также была изменена технология запоминающих устройств – на смену магнитным сердечникам пришли полупроводниковые устройства.

Серьезные изменения коснулись и архитектуры ВМ. Началась эпоха параллельной обработки и конвейеризации вычислений. Область ПО ознаменовалась разработкой операционных систем, а также режима разделения времени.

Первые ВМ третьего поколения были построены на интегральных схемах (ИС) малой степени интеграции. Один кристалл такой ИС содержал 10 транзисторов. В конце периода третьего поколения появились ИС средней степени интеграции, число транзисторов в них стало на порядок выше. Тогда же получила распространение идея создания многослойных печатных плат.

В 1964 г. Сеймуром Креем была разработана ВС CDC 6600, которая впервые в истории ЭВМ реализовала параллелизм архитектуры. CDC 6600 состояла из 10 независимых функциональных блоков, которые могли работать параллельно. Кроме того, в ее состав входили 32 независимых модуля памяти. Все это обеспечивало быстродействие системы в 1 миллион операций в секунду над числами с плавающей запятой.

Модификацией данной машины стала CDC 7600 – это первая конвейерная вычислительная система. Ее быстродействие в 10 раз превосходило быстродействие CDC 6600.

К третьему поколению ЭВМ также относят семейство ВМ IBM 360, ставшее эталоном архитектуры. IBM 360 обладала следующими характерными чертами, сохранившимися и в современных ЭВМ:

• предварительная выборка команд;
• кэш память;
• конвейеризация команд;
• отдельны блоки для операций с фиксированной и плавающей запятой.

К данной эпохе относятся и первые параллельные ВС – SOLOMON и ILLIAC IV.

В СССР также велись разработки ЭВМ, построенных на ИС. Примером является быстродействующая электронно-счетная машина БЭСМ-6, разработанная под управлением С.А. Лебедева.

Сфера ПО также не стояла на месте – в 1970 г. Кен Томпсон разработал язык B, ставший предшественником языка C. Кроме того, именно к этому периоду относится создание ранней версии ОС Unix.

1.2.5. Четвертое поколение (1972-1984 гг.)

Предпосылкой появления четвертого поколения ЭВМ стал переход к ИС большой (1000 транзисторов на кристалле) и сверхбольшой (100000 транзисторов на кристалле) степени интеграции. Это позволило на одном кристалле размещать не только ЦП, но и вычислительные устройства.

Архитектура данных машин также претерпела изменения. Появилась идея создания ВМ с сокращенным набором команд – RISC (Redused Instruction Set Computer). Данная концепция заключается в сведении набора команд машины к наиболее употребительным простейшим командам, что упрощает схемотехнику ЦП, а также сокращает время исполнения команд.

В это же время широкое применение получили векторные ВС, называемые суперЭВМ. Появляются рабочие станции и персональные микроЭВМ.

В области ПО появились языки сверхвысокого уровня, ориентированные на декларативный стиль программирования. Данные языки запрашивают у программиста математическое описание задачи.

1.2.6. Пятое поколение (1984-1990 гг.)

ЭВМ пятого поколения опираются на параллельные вычисления, реализованные при помощи нескольких процессоров, работающих одновременно.

• В этот период сформировались два взгляда на архитектуру ЭВМ:
  архитектура с совместно используемой памятью – примером такой машины является Sequent Balance 8000. Основная память здесь делится между 20 процессорами, каждый из которых оснащен своей кэш-памятью. Любой процессор может выполнять пользовательские задачи. Кроме того, при помощи специальных функций можно задействовать более одного процессора. Свое применение данная машина получила при исследованиях параллельных алгоритмов, а также техники программирования;
• архитектура с распределенной памятью – каждый процессор в такой ЭВМ обладает своим блоком памяти. Связь между процессорами реализована при помощи сети взаимосвязей. Такой подход позволяет устранить ограничения пропускной способности тракта «процессор-память».