Исторический очерк 3

Развитие архитектуры машин 2-го и 3-го поколений 4

Машины 2-го поколения 4

Машины 3-го поколения 4

Основы машинной арифметики 5

Представление чисел в ЭВМ 5

Прямой, дополнительный и обратный коды 6

Выполнение операций над числами с фиксированной точкой 6

Выполнение операций над числами с плавающей точкой 6

Машина фон Неймана 7

Архитектура ЭВМ фон Неймановского типа 8

Элементы ЭВМ 9

Представление информации физическими сигналами 9

Системы элементов 9

Запоминающие элементы 9

Узлы ЭВМ 11

Арифметико-логическое устройство 13

Запоминающие устройства 13

Электронные запоминающие устройства 13

ЗУ с произвольным доступом (RAM) 14

Динамические RAM 14

ЗУ с ограниченным доступом 14

Flash-память 15

Агрегирование ЗУ 15

Ассоциативные ЗУ 15

Внешние запоминающие устройства 16

Устройства с вращательным движением носителя 16

Накопители с линейным движением 17

Формирование управляющих сигналов 17

Жесткая логика 17

Микропрограммирование 18

Компактное представление микрокоманд 19

Устройства ввода-вывода 19

Классификация устройств ввода/вывода 19

Интерфейсы ввода/вывода 19

RS232 20

Centronics 21

SCSI 22

USB 22

Интерфейс ввода/вывода ЕС ЭВМ 22

Системы обмена 23

Обмен по опросу 23

Обмен по прерываниям 24

Прямой доступ к памяти 25

Процессоры ввода/вывода 25

Система прерывания программ 26

Виртуальная память 27

Cтраничная виртуальная память 27

Сегментная виртуальная память 29

Сегментно-страничная виртуальная память 29

Архитектура процессоров 30

Классификация 30

По способу запоминания промежуточных результатов вычислений: 30

По архитектурным средствам адресной арифметики 30

По форматам данных 31

Особенности архитектуры семейства ЕС ЭВМ 31

Особенности архитектуры PDP-11 32

Особенности архитектуры Intel 80x86 32

Особенности архитектуры RISC-процессоров 33

Режимы работы ЭВМ 34

Системы контроля 35

Общие принципы 35

Аппаратурный контроль 36

Программный контроль 36

Структурные методы повышения производительности 36

Повышение быстродействия основной памяти 36

Секционирование памяти 36

Включение в состав процессора сверхоперативной памяти 37

Повышение быстродействия процессора 37

Конвейерная схема 38

Схема асинхронного конвейера на примере БЭСМ-6 38

Типовая структура векторной супер-ЭВМ 38

Многопроцессорные и многомашинные системы 39

Многопроцессорные системы 39

Многомашинные системы 40

Сети 40

Классификация сетей 40

Стандарты IEEE 802 40

Метод доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (Ethernet) 40

Маркерная шина (Token bus, ArcNet) 41

Маркерное кольцо (Token Ring) 41

Аппаратная поддержка 41

Ethernet 41

ArcNet 42

Коммуникация в сетях 42

Уровневые протоколы 42

Адресация в сетях TCP/IP 43

Маршрутизация в сетях TCP/IP 43

Исторический очерк

1-й конструктор вычислительных машин – Чарльз Бэббидж.

1-й программист-женщина – Ада Байрон.

Машина Бэббиджа – чисто механическая. До конца не была построена.

Реальная история вычислительной техники насчитывает чуть более 50 лет. 1-е машины введены в строй после войны. Стимул – военные нужды – задачи ПВО и разработки ядерного оружия.

1-я вычислительная машина введена в строй в 1949 г в Кембридже (Англия) – ЭДСАК. Она разрабатывалась именно в университете, хотя и по заказу и на деньги военных.

Параллельно через несколько месяцев в США запущена вычислетельная машина ЭДВАК в Принстоне. Здесь был впервые сформулированы и четко изложены принципы конструирования вычислительных машин (фон Нейманом).

Серийное производство началось в 1951 г. Доминировали 2 фирмы – Унивак и ИБМ.

В СССР разработка 1-й ЭВМ началась в 1947 г, завершилась в 1952 г. Руководил этим академик Лебедев. Была введена 1-й машина: МЭСМ.

1953 г. – вычислительная машина Стрела (конструкторское бюро Базилевского)

1953 г. – БЭСМ-1 (Лебедев)

1952 г. – М-2 (ЛЭВМ) – компактная и более надежная, чем предыдущие

Это ЭВМ 1-го поколения – ламповые ЭВМ. Основной элемент – электронная лампа.

В больших машинах было порядка 10000 ламп. Размеры, вес и потребляемая мощность были огромными.

Одно из требований к построению – мощное средство нахождения неисправностей, т.к. среднее время работы без поломки – 20-30 мин.

Эра таких машин закончилась в конце 50-х годов. Самая мощная ламповая машина – М-20.

Разрядность: команды 45 разрядов, числа 45-разрядов, емкость оперативной памяти 4096 45-разрядных слов, быстродействие 20000 операций в секунду. Единственное используемое здесь средство – библиотеки стандартных подпрограмм.

К концу этой эры появились первые средства автоматизации программ – ассемблеры и трансляторы программ на ассемблере в машинный код.

К концу 60-х годов появился первый компилятор Fortran.

2-е поколение – транзисторные вычислительные машины. Основной элемент – транзистор. Переход от ламп к транзистору позволил уменьшить размер элементов, потребляемую мощность и увеличить надежность.

Супер-ЭВМ 2-го поколения ИБМ 7030 Стретч – одна из самых мощных вычислительных машин середины 60-х годов. Быстродействие – 1 млн. оп. в сек., емкость памяти 128000 32-разрядных слов.

Можно было иметь и ОС и компилятор и т.д. Это время бурного развития архитектуры вычислительных машин.

Англия – Атлас (впервые реализована виртуальная память)

Франция – Гамма-60 разработана для коммерческого и делового применения, характерно наличие большого потока данных – параллельная вычислительная машина. Для нее был создан специальный яхык параллельного программирования.

СССР – БЭСМ-4 – трансисторный аналог М-20; Урал-1, -4, -11, -14, -16 – серия управляющих вычислительных машин. Впервые здесь реализована агрегатная идея построения вычислительных машин; Раздан (Ереван), Минск, Мир (Киев) – для нее программа создавалась на языке высокого уровня и компилировалась без перевода в машинный код.

Верх совершенства машин 2-го поколения – БЭСМ-6 (Лебедев).

3-е поколение: микросхемы. Транзисторы резко уменшились в размерах, на кристалле

крепятся десятки транзисторов.

Микросхемы малой интеграции: 20-30 транзисторов.
Для таких машин характерно то, что они внедрялись во многие сферы деятельности. На этом этапе впервые затраты на разработку программ превышали затраты на разработку аппаратуры.

1-й путь – семейтсв ЭВМ – ряд машин с одинаковым машинным ядром, но разной мощности (IBM system 360, от 10 оп-ций в сек до 1 млн., единая операционная система ОС360).

Но они не везде были пригодны и оставшуюся нишу заняли фирмы Hewlett Packard и DEC (PDP-11).

Появилась супер-ЭВМ Cray (разработчик Сеймур Крей)

В СССР была создана система ЕС ЭВМ – полная копия IBM360 и СМ ЭВМ (PDP-11 и HP)

4-е поколение: сверх-большие интегральные схемы (СБИС)

Появились микропроцессоры.

1-й микропроцессор – 1971 г. – Intel 4004. Intel 8008, 8086 (8088), 8087, 8089.

Это эра персональных ЭВМ. ЭВМ стали элементом быта и культуры.

Развитие архитектуры машин 2-го и 3-го поколений

Машины 2-го поколения

В качестве основного элемента стал использоваться транзистор. Стал применяться печатный монтаж. В результате этого повысилась надежность машин, снизилась потребляемая мощность и уменьшились размеры. Появилась возможность создания небольших дешевых ЭВМ.

Машины насчитывают сотни тысяч транзисторов. Быстродействие возросло до сотен тысяч операций в секунду. Самые быстрые машины способны были выполнять миллион операций в секунду.

Характерная особенность машин – дифференциация по применени.

Стали появляться мультипрограммные системы, первые суперкомпьютеры и миникомпьютеры. Появилась пакетная обработка данных.

Особенности процессоров:

• появление стековой архитектуры

• применение шин

• начало применения параллельной обработки команд, конвейера, параллельной работы нескольких программ

• встраивание в АЛУ сверхбыстрых транзисторных регистров

• появление новых команд для работы с регистрами

• появление дополнительных местных устройств управления

• появление микропрограммное управление

Появились запоминающие устройства на магнитных сердечниках, магнитных барабанах, магнитных картах и магнитных лентах. ОЗУ начали делать на феррит-диодных ячейках. Удешевление ОЗУ и системы управления памятью, рост объема оперативной памяти.

Впервые стала применяться виртульная память, ПЗУ и иерархическая система памяти.

Расширяется количество устройств ввода/вывода. Кроме устройств считывания и записи на перфоленты появляются УВВ на алфавитно-цифровые печатающие устройства, вывод на телетайп, прием и передача данных по телеграфу. Появились специализированные процессоры ввода/вывода.

Машины 3-го поколения

Производится переход от транзисторов к интегральным схемам. Использовались схемы малой, средней и большой интеграции.

Стали появляться семейства совместимых компьютеров, универсальные компьютеры (мэйнфреймы), сверхбыстродействующие компьютеры. Получили распространение малые и мини- компьютеры.

Быстродействие возросло до нескольких миллионов операций в секунду. Самая быстрая машина была способна выполнить 200 млн оп/с.

Широко стали использоваться параллельная и конвейерная обработка данных, многопрограммный режим. Стали появляться векторные процессоры. В процессорах стала использоваться гибкая система прерываний. Развивается мультипроцессорная архитектура, появляются компьютеры с матричной архитектурой.

Объем памяти существенно возрос: объем ОЗУ до сотен тысяч слов, ВЗУ до миллиардов. Это эпоха развития электромеханичесих устройств. Появляются устройства внешней памяти на магнитных дисках. Применяется секционирование памяти, развивается иерархия памяти, появляется кэш-память.

Значительно расширилась номенклатура внешних устройств. Появилась возможность отображения инфморации на экранах. Появились терминальные устройства с клавиатурой и дисплеем, устройства ввода графической информации с чертежа, оптические читающие устройства, графопостроители.

Основы машинной арифметики

Представление чисел в ЭВМ

Система счисления – способ представления (записи) чисел в некотором алфавите. Символы этого алфавита – цифры.

Позиционная система счисления – система счисления, в которой позиция цифры в записи определяет ее вес.

При выборе системы счисления должны учитываться следующие факторы: наглядность представления чисел, их естественность и понятность, простота выполнения операций. Сложность представления цифры пропорциональна основанию системы счисления.

В вычислительных машинах применяют двоичную систему счисления с цифрами 0 и 1.

Известно, что любое число можно представить в виде: , где x_i  {0, 1} – двоичные разряды числа, m зависит от x и x_m=1. В машинах числа представлены конечным набором старших разрядов.

Для представления знака числа используется 1 разряд. Если он установлен, то число считается отрицательным, иначе – положительным.

Представление целых чисел

Если под число отводится n+1 разряд, то 1 разряд (старший) является знаковым, а остальные n разрядов отводятся для двоичных разрядов числа. В таком случае все числа лежат в диапазоне –2ⁿ+1  x  2ⁿ–1.

Представление чисел с фиксированной запятой

Пусть под число отводится n+1 разряд. 1 разряд знаковый, r разрядов отводится под целую часть числа (r < n), остальные n-r разрядов отводятся под дробную часть. Диапазон представимых чисел: –2^r < x < 2^r.

Представление чисел с плавающей запятой

Вещественные числа представляются в виде x = m2^p, где m – мантисса, 0.5  |m| < 1, p – порядок.

Пусть под число отводится n+2 разрядов. 2 разряда – знаки мантиссы и порядка, r разрядов отводится под порядок (r < n), n-r под мантиссу. Диапазон представимых чисел: . Число называется машинным нулем, - машинной бесконечностью.

Прямой, дополнительный и обратный коды

Выше рассматривался прямой код.

Отрицательные числа в ЭВМ удобно представлять в обратном и дополнительном кодах, поскольку суммировать числа с в прямых кодах неудобно. Например, рассмотрим сумму чисел разного знака в прямом коде: необходимо определить большее по модулю число, произвести вычитание модулей чисел и разности присвоить знак большего по модулю числа.