Главная страница
Навигация по странице:

  • Нулевое поколение (1492 – 1945)

  • 1492 год.

  • 1834 год.

  • 1843 год.

  • 1885 год.

  • 1937 год.

  • 1938 год.

  • 1940 год.

  • Первое поколение (1937-1953)

  • Второе поколение (1954 - 1962)

  • Лекции Организация ЭВМ Вершинин. 1. История развития архитектуры ЭВМ


    Скачать 4,51 Mb.
    Название1. История развития архитектуры ЭВМ
    АнкорЛекции Организация ЭВМ Вершинин.doc
    Дата01.11.2019
    Размер4,51 Mb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлаЛекции Организация ЭВМ Вершинин.doc
    ТипДокументы
    #14157
    страница1 из 28

    Подборка по базе: 5. Специальное олимпийское движение как ведущее нетрадиционное н, 3 особ формир и развития врме дет кол.docx, Реферат история.docx, История развития лекарственных форм экстемпорального изготовлени, Министерство образования и наук РК история.docx, экономическая история вопросы к экзамену.docx, Нетрадиционное родительское собрание круглый стол на темуВозраст, Всекубанский классный час для 3 класса по теме Краснодарскому кр, Собрание лекций. Курс. Лекция история фтизиатрии и кафедры.doc, Глазкова В.В. История и онтология науки_ПЗ1.docx.docx.
      1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   28


    1. История развития архитектуры ЭВМ
    Архитектура ЭВМ – это то, что представляется пользователю, когда он работает с ЭВМ. Это структура ЭВМ с точки зрения USER’а. Структура ЭВМ – физическое понятие.
    Нулевое поколение (1492 – 1945)
    Для полноты картины упомянем два события, произошедшие до нашей эры: первые счеты – абак, изобретенные в древнем Вавилоне за 3000 лет до н.э., и их более «современный» вариант с косточками на проволоке, появившийся в Китае примерно за 500 лет также до н.э.

    «Механическая» эра (нулевое поколение) в эволюции ВТ связана с механическими, а позже – электромеханическими вычислительными устройствами. Основным элементом механических устройств было зубчатое колесо. Начиная с ХХ века роль базового элемента переходит к электромеханическому реле. Не умаляя значения многих идей «механической» эры, необходимо отметить, что ни одно из созданных устройств нельзя с полным основанием назвать вычислительной машиной в современном понимании. Чтобы подчеркнуть это, вместо термина «вычислительная машина» будем использовать такие слова, как «вычислитель», «калькулятор» и т.п.

    Хронология основных событий «механической» эры выглядит следующим образом.

    1492 год. В одном из своих дневников Леонардо да Винчи приводит рисунок тринадцатиразрядного десятичного суммирующего устройства на основе зубчатых колес.

    1623 год. Вильгельм Шиккард (Wilhelm Schickard, 1592 -1635), профессор университета Тюбингена, разрабатывает устройство на основе зубчатых колес («считающие часы») для сложения и вычитания шестнадцатиразрядных десятичных чисел. Было ли устройство реализовано при жизни изобретателя, достоверно неизвестно, но в 1960 году оно было воссоздано и проявило себя вполне работоспособным.

    1642 год. Блез Паскаль (Blaise Pascal, 1623-1663) представляет « Паскалин» -первое реально осуществленное и получившее известность механическое цифровое вычислительное устройство. Прототип устройства суммировал и вычитал пятиразрядные десятичные числа. Паскаль изготовил более десяти таких вычислителей, причем последние модели оперировали числами длиной в восемь цифр.

    1673 год. Готфрид Вильгельм Лейбниц (Gottfried Wilhelm Leibniz, 1646-1716) создает «пошаговый вычислитель» - десятичное устройство для выполнения всех четырех арифметических операций над 12-разрядными десятичными числами. Результат умножения представлялся 16 цифрами. Помимо зубчатых колес в устройстве использовался новый элемент – ступенчатый валик.

    1786 год. Немецкий военный инженер Иоганн Мюллер (Johann Mueller,1746-1830) выдвигает свою идею «разностной машины» - специализированного калькулятора для табулирования логарифмов, вычисляемых разностным методом. Калькулятор, построенный на ступенчатых валиках Лейбница, получился достаточно небольшим (13 см в высоту и 30 см в диаметре), но при этом мог выполнять все четыре арифметических действия над 14-разрядными числами.

    1801 год. Жозеф Мария Жаккард (Joseph-Marie lacquard, 1752-1834) строит ткацкий станок с программным управлением, программа работы которого задается с помощью комплекта перфокарт.

    1832 год. Английский математик Чарльз Бэббидж (Charles Babbage, 1792-1871) создает сегмент разностной машины, оперирующий 16-разрядными числами и разностями второго порядка. Разностная машина Бэббиджа по идее аналогична калькулятору Мюллера.

    1834 год. Пер Георг Шутц (Per George Scheutz,1785-1873) из Стокгольма, используя краткое описание проекта Бэббиджа, создает из дерева небольшую разностную машину.

    1836 год. Бэббидж разрабатывает проект «аналитической машины». Проект предусматривает три считывателя с перфокарт для ввода программ и ввода данных, память (по Бэббиджу – «склад») на пятьдесят 40-разрядных чисел, два аккумулятора для хранения промежуточных результатов. В программирования машины предусмотрено концепция условного перехода. В проект заложен также и прообраз микропрограммирования – содержание инструкций предполагалось создавать путем позиционирования металлических штырей в цилиндре с отверстиями. По оценкам автора, суммирование должно было занимать 3 с, а умножение и деление - 2-4 мин.

    1843 год. Георг Шутц совместно с сыном Эдвардом (Edvard Scheutz,1821-1881) строят разностную машину с принтером для работы с разностями третьего порядка.

    1871 год. Бэббидж создает прототип одного из устройств своей аналитической машины – «мельницу» (так он окрестил то, что сейчас принято называть центральным процессором), а также принтер.

    1885 год. Дорр Фельт (Dorr E. Felt,1862-1930) из Чикаго строит свой «комптометр» - первый калькулятор, где числа вводятся нажатием клаувиш.

    1890 год. Результаты переписи населения в США обрабатываются с помощью перфокарточного табулятора, созданного Германом Холлеритом (Herman Hollerith) из Массачусетского технологического института.

    1892 год. Вильям Барроуз (William S. Burroughs,1857-1898) предлагает устройство, схожее с калькулятором Фельта, но более надежное, и от этого события берет старт индустрия офисных калькуляторов.

    1937 год. Джорж Стибитц (George Stibitz, 1904-1995) из Bell Telephone Laboratories демонстрирует первый однобитовый двоичный вычислитель на базе электромеханических реле.

    1937 год. Алан Тьюринг (Alan M. Turing, 1912-1954) из Кембриджского университета публикует статью, в которой излагает концепцию теоретической упрощенной вычислительной машины, в дальнейшем получившей название машины Тьюринга.

    1938 год. Клод Шеннон (Claude E. Shannon, 1916-2001) публикует статью о реализации символической логики на базе реле.

    1938 год. Немецкий инженер Конрад Цузе (Konrad Zuse,1910-1995) строит механический программируемый вычислитель Z1 с памятью на 1000 бит. В последнее время Z1 все чаще называют первым в мире компьютером.

    1939 год. Джордж Стибитц и Сэмюэль Вильямс (Samuel Williams,1911-1977) представили Model I – калькулятор на базе релейной логики, управляемый с помощью модифицированного телетайпа, что позволило подключаться к калькулятору по телефонной линии. Более поздние модификации допускали также определенную степень программирования.

    1940 год. Следующая работа Цузе – электромеханическая машина Z2, основу которой составляла релейная логика, хотя память, как и в Z1, была механической.

    1941 год. Цузе создает электромеханический программируемый вычислитель Z3. Вычислитель содержит 2600 электромеханических реле. Z3 – это первая попытка реализации принципа программного управления, хотя и не в полном объеме (в общепринятом понимании этот принцип еще не был сформулирован). В частности, не предусматривалась возможность условного перехода. Программа хранилась на перфоленте. Емкость памяти составляла 64 22-битовых слова. Операция умножения занимала 3-5 с.

    1943 год. Группа ученых Гарвардского университета во главе с Говардом Айкеном (Howard Aiken,1900-1973) разрабатывает вычислитель ASCC Mark I – первый программно-управляемый вычислитель, получивший широкую известность. Длина устройства составила 18 м., а весило оно 5т. Машина состояла из множества вычислителей, обрабатывающих свои части общей задачи под управлением единого устройства управления. Команды считывались с бумажной перфоленты и выполнялись в порядке считывания. Данные считывались с перфокарт. Вычислитель обрабатывал 23-разрядные числа, при этом сложение занимало 0,3 с., умножение – 4с., а деление - 10с.

    1945 год. Цузе завершает Z4 –улучшенную версию вычислителя Z3. По архитектуре у Z4 очень много общих черт с современными ВМ: память и процессор представлены отдельными устройствами, процессор может обрабатывать числа с плавающей запятой и, в дополнении к четырем основным арифметическим операциям, способен извлекать квадратный корень. Программа хранится на перфоленте и считывается последовательно.

    Не умаляя важности каждого из перечисленных фактов, в качестве важнейшего момента «механической» эпохи все-таки выделим аналитическую машину Чарльза Бэббиджа и связанные с ней идеи.
    Первое поколение (1937-1953)
    На роль первой в истории электронной вычислительной машины в разные периоды претендовало несколько разработок. Общим у них было использование схем на базе электронно- вакуумных ламп вместо электромеханических реле. Предполагалось, что электронные ключи будут значительно надежнее, поскольку в них отсутствуют движущиеся части, однако технология того времени была на столько несовершенной, что по надежности электронные лампы оказались не намного лучше, чем реле. Однако у электронных компонентов имелось одно важное преимущество: выполненные на них ключи могли переключаться примерно в тысячу раз быстрее своих электромеханических аналогов.

    Первой электронной вычислительной машиной чаще называют специализированный калькулятор АВС (Atanasoff-Berry Computer). разработан он был в период с 1939 по 1942 год профессором Джоном Атанасовым (John V. Atanasoff,1903-1995) совместно с аспирантом Клиффордом Бери(Clifford Berry, 1918-1963) и предназначался для решения системы линейных уравнений (до 29 уравнений с 29 переменными). АВС обладал памятью на 50 слов длиной 50 бит, а запоминающими элементами служили конденсаторы с цепями регенерации. В качестве вторичной памяти использовались перфокарты, где отверстия не перфорировались, а прожигались. АВС стал считаться первой электронной ВМ, после того как судебным решением были аннулированы патенты создателей другого электронного калькулятора –ENIAC. Необходимо все же отметить, что не АВС, ни ENIAC не являются вычислительными машинами в современном понимании этого термина и их правильней классифицировать как калькуляторы.

    Вторым претендентом на первенство считается вычислитель Colossus, построенный в 1943 году в Англии в местечке Bletchley Park близ Кембриджа. Изобретателем машины был профессор Макс Ньюмен (Max Newman,1987-1984), а изготовил его Томми Флауэрс (Tommy Flowers, 1905-1998). Colossus был создан для расшифровки кодов немецкой шифровальной машины «Лоренц Шлюссель – цузат-40». В состав команды разработчиков входил также Алан Тьюринг. Машина была выполнена в виде восьми стоек высотой 2,3 м. , а общая ее длина составляла 5,5 м. в логических схемах машины и в системе оптического считывания информации использовалось 2400 электронных ламп, главным образом тиратронов. Информация считывалась с 5 вращающихся длинных бумажных колец со скоростью 5000 символов/сек.

    Наконец, третий кандидат на роль первой электронной ВМ – уже упоминавшийся программируемый электронный калькулятор общего назначения ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer – электронный цифровой интегратор и вычислитель). Идея калькулятора, выдвинутая в 1942 году Джоном Мочли (John J. Mauchly,1907-1980) из университета Пенсильвании, была реализована им совместно с Преспером Эккертом (J. Presper Eckert,1919-1995) в 1946 году. С самого начала ENIAC активно использовался в программе разработки водородной бомбы. Машина эксплуатировалась до 1955 года и применялась для генерирования случайных чисел, предсказания погоды и проектирования аэродинамических труб. ENIAC весил 30 тонн, содержал 18000 радиоламп, имел размеры 2,5 × 30 м. и обеспечивал выполнение 5000 сложений и 360 умножений в секунду. Использовалась десятичная система счисления. Программа задавалась схемой коммутации триггеров на 40 наборных полях. Когда все лампы работали, инженерный персонал мог настроить ENIAC на новую задачу, вручную изменив подключение 6000 проводов. При пробной эксплуатации выяснилось, что надежность машины чрезвычайно низка – поиск неисправностей занимал от нескольких часов до нескольких суток. По своей структуре ENIAC напоминал механические вычислительные машины. 10 триггеров соединялось в кольцо, образуя десятичный счетчик, который исполнял роль счетного колеса механической машины. Десять таких колец плюс два триггера для представления знака числа представляли запоминающий регистр. Всего в ENIAC было 20 таких регистров. Система переноса десятков в накопителях была аналогична предварительному переносу в машине Бэббиджа.

    При всей важности каждой из трех рассмотренных разработок основное событие, произошедшее в этот период, связано с именем Джона фон Неймана. Американский математик Джон фон Нейман (John von Neumann,1903-1957) принял участие в проекте ENIAC в качестве консультанта. Еще до завершения ENIAC Эккерт, Мочли и фон Нейман приступили к новому проекту – EDVAC, главнгой особенностью которого стала идея хранимой в памяти программы.

    Технология программирования в рассматриваемый период была еще на зачаточном уроне. Первые программы составлялись в машинных кодах – числах, непосредственно записываемых в память ВМ. Лишь в 50-х годах началось использование языка ассемблера, позволявшего вместо числовой записи команд использовать символьную их нотацию, после чего специальной программой, также называемой ассемблером, эти символьные обозначения транслировались в соответствующие коды.

    Несмотря на свою примитивность, машины первого поколения оказались весьма полезными для инженерных целей и в прикладных науках. Так, Атанасофф подсчитал, что решение системы из восьми уравнений с восьмью переменными с помощью популярного тогда электромеханического калькулятора Маршана заняло бы восемь часов. В случае же 29 уравнений 29 переменными, с которыми калькулятор АВС справлялся менее чем за час, устройство с калькулятором Маршана затратило бы 381 час. С первой задачей в рамках проекта водородной бомбы ENIAC справился за 20 с., в противовес 40 часам, которые понадобились бы при использовании механических калькуляторов.

    В 1947 году под руководством С.А. Лебедева начаты работы по созданию малой электронной счетной машины (МЭСМ). Эта ВМ была запущена в эксплуатацию в 1951 году и стала первой электронной ВМ в СССЗ и континентальной Европе.

    В 1952 году Эккерт и Мочли создали первую коммерчески успешную машину UNIVAC. Именно с помощью этой ВМ было предсказано, что Эйзенхауэр в результате президентских выборов победит Стивенсона с разрывом в 438 голосов (фактический разрыв составил 442 голоса).

    Также в 1952 году в опытную эксплуатацию была запущена вычислительная машина М-1 (И.С. Брук, Н.Я.Матюхин, А.Б. Залкинд). М-1 содержала 730 электронных ламп, оперативную память емкостью 256 25-разрядных слов, рулонный телетайп и обладала производительностью 15-20 операций/с. Впервые была применена двухадресная система команд. Чуть позже группой выпускников МЭИ под руководством И.С. Брука создана машина М-2 с емкостью оперативной памяти 512 34-разрядных слов и быстродействием 2000 операций/ с.

    В апреле 1953 года в эксплуатацию поступила самая быстродействующая в Европе ВМ БЭСМ (С.А. Лебедев). Ее быстродействие составило 8000-10000 операций/с. Примерно в то же время выпущена ламповая ВМ «Стрела» (Ю.А. Базилевский, Б.И. Рамееев) с быстродействием 2000 операций/с.

    Второе поколение (1954 - 1962)
    Второе поколение характеризуется рядом достижений в элементной базе, структуре и программном обеспечении. Принято считать, что поводом для выделения нового поколения ВМ стали технологические изменения, и, главным образом, переход от электронных ламп к полупроводниковым диодам и транзисторам со временем переключения порядка 0,3 мс.

    Первой ВМ, выполненной полностью на полупроводниковых диодах и транзисторах, стала TRADIC (TRAnistor Digital Computer), построенная в Bell Labs по заказу военно-воздушных сил США как прототип бортовой ВМ. Машина состояла из 700 транзисторов и 10000 германиевых диодов. За два года эксплуатации TRADIC отказали только 17 полупроводниковых элементов, чо говорит о прорыве в области надежности, по сравнению с машинами на электронных лампах. Другой достойной упоминания полностью полупроводниковой ВМ стала ТХ-0,созданная в 1957 году в Массачусетском технологическом институте.

    Со вторым поколением ВМ ассоциируют еще одно принципиальное технологическое усовершенствование – переход от устройств памяти на базе ртутных линий задержки к устройствам на магнитных сердечниках. В запоминающих устройствах (ЗУ) на линиях задержки данные хранились в виде акустической волны, непрерывно циркулирующей по кольцу из линий задержки, а доступ к элементу данных становился возможным лишь в момент прохождения соответствующего участка волны вблизи устройства считывания /записи. Главным преимуществом ЗУ на магнитных сердечниках стал произвольный доступ к данным, когда в любой момент доступен любой элемент данных, причем время доступа не зависит от того, какой это элемент.

    Технологический прогресс дополняют важные изменения в архитектуре ВМ. Прежде всего, это касается появления в составе процессора ВМ индексных регистров, что позволило упростить доступ к элементам массивов. Прежде, при циклической обработке элементов массива, необходимо было модифицировать код команды, в частности хранящийся в нем адрес элемента массива. Как следствие, в ходе вычислений коды некоторых команд постоянно изменялись, что затрудняло отладку программы. С использованием индексных регистров адрес элемента массива вычисляется как сумма адресной части команды и содержимого индексного регистра. Это позволяет обратиться к любому элементу массива, не затрагивая код команды, а лишь модифицируя содержимое индексного регистра.

    Вторым принципиальным изменением в структуре ВМ стало добавление аппаратного блока обработки чисел в формате с плавающей запятой. До этого обработка вещественных чисел производилась с помощью подпрограмм, каждая из которых имитировала выполнение какой-то одной операции с плавающей запятой (сложение, умножение и т.п.), используя для этой цели обычное целочисленное арифметико-логическое устройство.

    Третье значимое нововведение в архитектуре ВМ – появление в составе вычислительной машины процессоров ввода/вывода, позволяющих освободить центральный процессор от рутинных операций по управлению вводом/выводом и обеспечивающих более высокую пропускную способность тракта «память – устройство ввода/вывода» (УВВ).

    Ко второму поколению относятся и две первые суперЭВМ, разработанные для ускорения численных вычислений в научных приложениях. Термин «суперЭВМ» первоначально применялся по отношению к ВМ, производительность которых на один или более порядков превосходила таковую для прочих вычислительных машин того же поколения. Во втором поколении этому определению отвечали две ВМ (правильнее сказать системы): LARC (Livermore Atomic Research Computer) и IBM 7030. Помимо прочего, в этих ВМ нашли воплощение еще две новинки: совмещение операций процессора с обращением к памяти и простейшие формы параллельной обработки данных.

    Заметным событием данного периода стало появление в 1958 году машины М-20. в этой ВМ, в частности, были реализованы: частичное совмещение операций, аппаратные средства поддержки программных циклов, возможность параллельной работы процессора и устройства вывода. Оперативная память емкостью 4096 45-разрядных слов была выполнена на магнитных сердечниках.

    Шестидесятые годы ХХ века стали периодом бурного развития вычислительной техники в СССР. За этот период разработаны и запущены в производство вычислительные машины «Урал-1», «Урал-4», «Урал-11», «Урал-14», БЭСМ-2, М-40, «Минск-1», «Минск-2», «Минск-22», «Минск-32». В 1960 году под руководством В.М. Глушакова и Б.Н. Малиновского разработана первая полупроводниковая управляющая машина «Днепр».

    Наконец, нельзя не отметить значительные события в сфере программного обеспечения, а именно создание языков программирования высокого уровня: Фортрана(1956), Алгола(1958) и Кобола(1959).

    Структурные схемы для 1 и 2-го поколений были схожи.

    Рассмотрим типичную схему таких ЭВМ.

    Основными устройствами являлись:

    - управления (УУ);

    - арифметико-логические устройства (АЛУ);

    - оперативные запоминающие устройства (ОЗУ);

    - периферийные устройства (ПУ);

    - пульт оператора.


    УУ и АЛУ – это Процессор. Каждое ПУ подключается непосредственно к ОЗУ и Процессору через нестандартные кабели связи. Управление работой этих ПУ осуществлялось специальными командами Процессора. Процессор принимал участие при выполнении всех операций ввода-вывода на всех ПУ. Такая организация ввода-вывода неэффективна, поскольку при выполнении операции ввода-вывода Процессор не может производить вычисления, т.е. выполнять свою программу.
      1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   28


    написать администратору сайта