Главная » Лекции » Информатика и программирование » Архитектура компьютеров » 1 История развития вычислительной техники

1 История развития вычислительной техники

2021-03-09 СтудИзба

Лекция 1    История развития  вычислительной техники.                                      Архитектура ЦЭВМ

 

1.1  История развития вычислительной техники

1.2  Закон Мура

1.3  Основные компоненты PC 

1.4   Современные многоуровневые машины

1.1  История развития вычислительной техники

Механические калькуляторы

Одним из самых первых вычислительных устройств является абак, используемый уже более 2000 лет. Абак представляет собой деревянную раму, содержащую ряд параллельных прутьев с камешками или костяшками. Существует ряд правил, согласно которым костяшки перемещают­ся в правую или левую сторону, таким образом позволяя выполнять различные арифметические операции. (Бухгалтерские счеты, например, являются дальним родственником абака.)

Рекомендуемые файлы

Первая европейская машина была создана Непером (создателем логарифмов) в начале XVII века. Она могла выполнять операцию умножения двух чисел.

В 1642 году Блез Паскаль создал прообраз цифровой вычислительной машины, позво­ляющей проводить операции сложения чисел. Машина предназначалась отцу Паскаля, кото­рый работал сборщиком налогов. Позднее, в 1671 году, Готфрид Вильгельм фон Лейбниц разработал вычислительную машину, построив ее только в 1694 году. Она позволяла выпол­нять операции сложения и умножения чисел.

Первый коммерческий механический калькулятор был создан Чарльзом Ксавьером Тома­сом в 1820 году. Это была “совершенная” машина — она выполняла операции сложения, вы­читания, умножения и деления.

Первый механический компьютер

Отцом этого компьютера можно по праву назвать Чарльза Баббаджа, профессора матема­тики Кембриджского университета. Эта машина, созданная в 1812 году, могла решать поли­номиальные уравнения различными методами. Создав в 1822 году небольшую рабочую мо­дель своего компьютера и продемонстрировав ее Британскому правительству, Баббадж полу­чил средства на дальнейшее развитие своей системы. Новая машина была создана в 1823 году. Она была паровой, полностью автоматической и даже распечатывала результаты в виде таблицы.

Работа над этим проектом продолжалась еще 10 лет, и в 1833 году был создан первый “многоцелевой” компьютер, названный аналитической машиной. Она могла оперировать числами с 50 десятичными знаками и сохраняла до 1 000 чисел. Впервые в этой машине было реализовано условное выполнение операций — прообраз современного оператора IF.

Аналитическая машина Баббаджа с полным основанием считается предшественником совре­менного компьютера, так как содержит все ключевые элементы, из которых состоит компьютер.

   Устройство ввода данных. В машине Баббаджа был применен принцип ввода данных с помощью перфокарт, когда-то используемый в ткацких станках на текстильных фабриках.

   Блок управления. Для управления, или программирования вычислительного устройства использовался барабан, содержащий множество пластин и штифтов.

   Процессор (или вычислительное устройство). Вычислительная машина высотой око­ло 10 футов, содержащая в себе сотни осей и несколько тысяч шестеренок.

   Запоминающее устройство. Блок, содержащий еще больше осей и шестеренок, по­зволяющий хранить в памяти до тысячи 50-разрядных чисел.

   Устройство вывода. Пластины, связанные с соответствующей печатной машиной, ис­пользовались для печати полученных результатов.

К сожалению, из-за недостаточной точности механической обработки шестеренок и меха­низмов первый потенциальный компьютер так и не был полностью построен. Технологиче­ский уровень производства того времени был слишком низок.

Интересно, что идея использования перфорационных карт, впервые предложенная Баббаджем, воплотилась только в 1890 году.

Электронные компьютеры

Физик Джон В. Атанасов вместе с Клиффордом Берри (Clifford Berry) с 1937 по 1942 год работали в университете штата Айова над созданием первой цифровой электронно-вычислительной машины.

Использование вычислительной техники во время второй мировой войны послужило серьезным толчком для развития компьютеров. В 1943 году англичанин Алан Тьюринг за­вершил работу над созданием военного компьютера “Колосс”, используемого для расшиф­ровки перехваченных немецких сообщений. В университете штата Пенсильвания создали первую комплексную электронно-вычислительную машину для военных целей. Эта система получила название ENIAC (Electrical Numerical Integrator and Calculator). Она работала с десятизначными числами и выполняла операции умножения со скоростью около 300 произведений в секунду, находя значения каждого произведения в таблице умножения, хранящейся в оперативной памяти. Производительность этой системы была примерно в 1 000 раз выше, чем у электромеханических релейных вычислительных машин предыдущего поколения.

В компьютере ENIAC использовалось около 18 тыс. вакуумных ламп, он занимал полезную площадь, равную примерно 167 квадратным метрам и потреблял приблизительно 180 тыс. ватт. Для ввода и вывода данных использовались перфорационные карты, регистры выполняли роль сумматоров, а также предоставляли доступ вида чтение/запись к хранилищу данных.

Немногим ранее, в 1945 году, математик Джон фон Нейман (John von Neumann) доказал, что компьютер представляет собой целостную физическую структуру и может ффективно выполнять любые вычисления с помощью соответствующего программного управления без изменения аппаратной части. Другими словами, программы можно изменять, не меняя аппаратного обеспечения. Этот принцип стал основным и общепринятым правилом для будущих поколений быстродействующих цифровых компьютеров.

После появления UNIVAC темпы эволюции компьютеров заметно ускорились. В первом поколении компьютеров использовались вакуумные лампы, на смену которым пришли меньшие по размерам и более эффективные транзисторы.

Интегральные схемы

В 1959 году сотрудники компании Texas Instruments изобрели интегральную схему — полупроводниковое устройство, в котором без проводов соединяется несколько расположенных на одном кристалле транзисторов. В первой интегральной схеме их было всего шесть. Для сравнения заметим, что микропроцессор Pentium Pro состоит из 5,5 млн транзисторов, а интегрированная кэш-память, встроенная в одну из микросхем, содержит еще 32 млн транзисторов. Сегодня во многих интегральных схемах используется несколько миллионов транзисторов.

Первый микропроцессор

В 1998 году компания Intel отпраздновала свое тридцатилетие. Она была основана 18 июля 1968 года Робертом Нойсом (Robert Noyce), Гордоном Муром (Gordon Moore) и Эн-дрю Гроувом (Andrew Grove).

В 1970 году Intel выпустила микросхему памяти емкостью 1 Кбит, намного превысив емкость существующих в то время микросхем. (1 Кбит равен 1024 битам, один байт состоит из 8 битов, т.е. эта микросхема могла хранить всего 128 байт информации..

Intel. В 1971 году разработала первый 4-разрядный микрокомпьютерный набор 4004 (термин микропроцессор появился значительно позднее). Микросхема размером с ноготь большого пальца содержала 2 300 транзисторов, стоила 200 долларов и по своим параметрам была сопоставима с первой электронно-вычислительной машиной ENIAC

В 1972 году был выпущен преемник 4004 — 8-разрядный микропроцессор 8008. А в 1981 году семейство процессоров Intel пополнилось новой 16-разрядной моделью 8086 и 8-разрядной 8088. Эти процессоры получили в течение всего лишь одного года около 2 500 наград за технологические новшества и достижения в сфере вычислительных систем. В число призеров вошла и одна из разработок компании IBM, ставшая впоследствии первым персональным компьютером.

В 1982 году Intel представила микропроцессор 286, содержащий 134 тыс. транзисторов. По эффективности он превосходил другие 16-разрядные процессоры того времени примерно в три раза. Благодаря концепции внутрикристальной памяти 286 стал первым микропроцессором, совместимым со своими предшественниками. Этот качественно новый микропроцессор был затем использован в эпохальном компьютере PC-AT компании IBM.

В 1985 году появился 32-разрядный процессор Intel 386. Он содержал 275 тыс. транзисторов и выполнял более 5 млн операций в секунду (Million Instruction Per SecondMIPS). Компьютер DESKPRO 386 компании Compaq был первым персональным компьютером, созданным на базе нового микропроцессора.

Следующим из семейства Intel стал процессор 486, появившийся в 1989 году. Он содержал уже 1,2 млн транзисторов и первый встроенный сопроцессор. Он работал в 50 раз быстрее процессора 4004, и его производительность была эквивалентна производительности мощных мэйнфреймов.

В 1993 году Intel представила первый процессор Pentium, производительность которого выросла в пять раз по сравнению с семейством Intel 486. Pentium содержал 3,1 млн транзисторов и выполнял до 90 млн операций в секунду, что примерно в 1 500 раз превышало быстродействие процессора 4004.

Процессор семейства P6, называемый Pentium Pro, появился на свет в 1995 году. Он содержал 5,5 млн транзисторов и являлся первым процессором, кэш-память второго уровня которого была размещена прямо на кристалле, что позволяло значительно повысить быстродействие. Даже в наше время процессор Pentium Pro, выполняющий до 300 млн команд в секунду, все еще используется для многопроцессорных серверов и высокоэффективных рабочих станций.

Компания Intel пересмотрела архитектуру P6 (Pentium Pro) и в мае 1997 года представила процессор Pentium II. Он содержит 7,5 млн транзисторов, упакованных, в отличие от традиционного процессора, в картридж, что позволило разместить кэш-память L2 непосредственно в модуле процессора. В апреле 1998 года семейство Pentium II пополнилось дешевым процессором Celeron, используемым в домашних ПК, и профессиональным процессором Pentium II Xeon, предназначенным для серверов и рабочих станций. В 1999 году Intel выпустила процессор Pentium III, который представлял собой, по сути, Pentium II, содержащий инструкции SSE (Streaming SIMD Extensions).

В то время как процессор Pentium стремительно занимал доминирующее положение на рынке, компания AMD приобрела компанию NexGen, работавшую над процессором Nx686. Результатом слияния компаний явился процессор AMD К6. Этот процессор как в аппаратном, так и программном отношении был совместим с процессором Pentium, т.е. устанавливался в гнездо Socket 7 и выполнял те же программы. Компания AMD продолжила разработку более быстрых версий процессора K6 и завоевала значительную часть рынка ПК среднего класса.

В 1999 году AMD представила процессор Athlon, который составил достойную конкуренцию процессорам Intel на рынке профессиональных компьютеров.

Следующий, 2000-й год ознаменовался появлением на рынке новых разработок этих компаний. Так, например, AMD впервые представила процессоры Athlon Thunderbird и Duron. Процессор Duron, разработанный для более дешевых систем, по существу, идентичен процессору Athlon и отличается от него только меньшим объемом кэш-памяти второго уровня; Thunderbird, в свою очередь, использует интегрированную кэш-память, что позволяет значительно повысить его быстродействие.

Компания Intel в 2000 году представила Pentium IV, новейший процессор из семейства IA-32. Компания также анонсировала процессор Itanium (кодовое имя Merced), который стал первым представителем 64-разрядных процессоров Intel (IA-64). Благодаря этому процессору в недалеком будущем появятся совершенно новые операционные системы и приложения, которые, тем не менее, будут совместимы с 32-разрядным программным обеспечением.

В 2000 году произошло еще одно знаменательное событие, имеющее историческое значение: компании Intel и AMD пересекли барьер в 1 ГГц, который до того времени многим казался непреодолимым.

12 августа 1981 года с рождением IBM PC в мире микрокомпьютерной индустрии появил­ся новый стандарт. С тех пор были проданы сотни миллионов PC-совместимых компьютеров, а на его основе выросло огромное семейство компьютеров и периферийных устройств. Про­граммного обеспечения для этого семейства создано больше, чем для любой другой системы.

1.2  Закон Мура

В 1965 г. Гордон Мур в ходе подготовки доклада о перспективах развития компьютерной памяти обнаружил интересную особенность: емкость каждой новой микросхемы памяти удваивается по сравнению с ее предшественницей, а сама новая микросхема появляется каждые 18-24 месяца. Построив линию тренда, Мóр отметил, что производительность компьютеров будет увеличиваться экспоненциально по времени. Эту зависимость стали называть законом Мура. Кстати, этот закон описывает не только рост емкости опера­тивной памяти, он часто используется для определения степени роста быстродействия процессоров и емкости жестких дисков. За 26 лет количество транзисторов процессора увеличилось в 3 200 раз: от 2,3 тыс. в про­цессоре 4004 до 7,5 млн в Pentium II.

Что нас ждет в будущем? Здесь логичнее было бы привести числовые данные (например, к 2011 году Intel выпустит процессор с 1 млрд транзисторов, тактовой частотой 10 ГГц, изготовленный по 0,07-микронной технологии и способный выполнять 100 млрд операций в секунду), но с уверенностью можно сказать лишь одно: компьютеры будут быстрее, меньше и дешевле.

1.3  Основные компоненты PC

 

Ниже перечислены все компоненты, которые должен содержать современный PC. Компоненты, необходимые для сборки современной системы PC:

   системная плата;

   процессор;

   память (оперативная память);

   корпус;

   блок питания;

   дисковод для гибких дисков;

   жесткий диск;

   накопитель CD-ROM, CD-R или DVD-ROM;

   клавиатура;

   мышь;

   видеоадаптер;

   монитор (дисплей);

   звуковая плата;

   акустические системы;

   модем.

Системная плата  является центральной частью        системы, к которой подключаются все аппаратные компоненты ПК;

Процессор -это “двигатель” компьютера. Его называют также центральным процессором или CPU (central processing unit).

Оперативная память системы часто называется оперативной или памятью с произвольным доступом (Random память     Access Memory - RAM). Это основная память, в которую записываются все программы и данные, используемые процессором во время обработки.

Корпус это рама или шасси, внутри которой размещается системная плата, блок питания, дисководы, платы адаптеров и любые другие компоненты системы;

От источника питания электрическое напряжение подается к каждому отдельному компоненту PC;

Дисковод гибких  дисков   Прост, недорог и позволяет использовать сменный магнитный носитель;

Накопитель на жестких дисках - самый главный носитель информации в системе. На нем хранятся все программы и данные, которые в настоящий момент не находятся в оперативной памяти.

Накопители CD-ROM (Compact Disc - компакт-диск) и DVD-ROM (Digital Versatile Disc – цифровой CD-ROM/    универсальный диск) представляют собой запоминающие устройства относительно большой емкости со сменными носителями с оптической записью информации;

Клавиатура         .-Это основное устройство PC, которое с самого начала было создано для того, чтобы пользователь мог управлять системой

Мышь. С появлением операционных систем, в которых использовался графический интерфейс пользователя (Graphical User InterfaceGUI), возникла необходимость в устройстве, которое позволяло бы пользователю указывать или выбирать объекты, отображаемые на экране. Служит для управления отображением информации, которую вы видите на мониторе;

Монитор служит для отображения информации на экране.

 

1.4      Современные многоуровневые машины

 

Большинство современных компьютеров состоит из двух и более уровней. Суще­ствуют машины даже с шестью уровнями (рис. 1). Уровень 0 — аппаратное обес­печение машины. Его электронные схемы выполняют программы, написанные на языке уровня 1. Ради полноты нужно упомянуть о существовании еще одного уров­ня, расположенного ниже уровня 0.  Он называется уровнем физических устройств. На этом уровне находятся транзисторы, которые являются примитивами для разработчиков компьютеров. На самом нижнем уровне, цифровом логическом уровне, объекты называются логическими элементами (ЛЭ) или  вентилями. У каждого вентиля есть одно или несколько цифровых входных данных (сигналов, представ­ляющих 0 или 1). Вентиль вычисляет простые функции этих сигналов, такие как И или ИЛИ. Каждый вентиль формируется из нескольких транзисторов. Несколько вентилей, образующие триггер, формируют 1 бит памяти, который может содержать 0 или 1. Биты памя­ти, объединенные в группы, например, по 16, 32 или 64, формируют регистры. Каж­дый регистр может содержать одно двоичное число до определенного предела.

Следующий уровень — микроархитектурный уровень. На этом уровне можно видеть совокупности 8 или 32 регистров, которые формируют локальную память и схему, называемую АЛУ (арифметико-логическое устройство). АЛУ выполня­ет простые арифметические операции. Регистры вместе с АЛУ формируют тракт данных, по которому поступают данные. Основная операция тракта данных со­стоит в следующем. Выбирается один или два регистра, АЛУ производит над ними какую-либо операцию, например сложения, а результат помещается в один из этих регистров.

На некоторых машинах работа тракта данных контролируется особой програм­мой, которая называется микропрограммой. На других машинах тракт данных контролируется аппаратными средствами. В предыдущих изданиях книги мы на­звали этот уровень «уровнем микропрограммирования», потому что раньше он почти всегда был интерпретатором программного обеспечения. Поскольку сейчас тракт данных обычно контролируется аппаратным обеспечением, мы изменили название, чтобы точнее отразить смысл. На машинах, где тракт данных контролируется программным обеспечением, микропрограмма — это интерпретатор для команд на уровне 2. Микропрограмма вызывает команды из памяти и выполняет их одну за другой, используя при этом тракт данных. Например, для того чтобы выполнить команду ADD, эта команда вы­зывается из памяти, ее операнды помещаются в регистры, АЛУ вычисляет сумму, а затем результат переправляется обратно. На компьютере с аппаратным контро­лем тракта данных происходит такая же процедура, но при этом нет программы, которая контролирует интерпретацию команд уровня 2.

Второй уровень мы будем называть уровнем архитектуры системы команд.

Каждый производитель публикует руководство для компьютеров, которые он про­дает, под названием «Руководство по машинному языку» или «Принципы работы компьютера Western Wombat Model 100X» и т. п. Такие руководства содержат информацию именно об этом уровне. Когда они описывают набор машинных ко­манд, они в действительности описывают команды, которые выполняются микро­программой-интерпретатором или аппаратным обеспечением. Если производитель поставляет два интерпретатора для одной машины, он должен издать два руковод­ства по машинному языку, отдельно для каждого интерпретатора.

Третий  уровень операционной системы обычно гибридный. Большинство команд в его языке есть также и на уровне архитектуры системы команд (команды, имеющиеся на одном из уровней, вполне могут находиться на других уровнях). У этого уровня есть не­которые дополнительные особенности: набор новых команд, другая организация памяти, способность выполнять две и более программ одновременно и некоторые другие. При построении третьего уровня возможно больше вариантов, чем при построении первого и второго.

Новые средства, появившиеся на третьем уровне, выполняются интерпретато­ром, который работает на втором уровне. Этот интерпретатор был когда-то назван операционной системой. Команды третьего уровня, идентичные командам второ­го уровня, выполняются микропрограммой или аппаратным обеспечением, но не операционной системой. Иными словами, одна часть команд третьего уровня ин­терпретируется операционной системой, а другая часть — микропрограммой. Вот почему этот уровень считается гибридным. Мы будем называть этот уровень уров­нем операционной системы.

 

 

 

 


Рис. 1. Компьютер с шестью уровнями. Способ поддержки каждого уровня указан под ним. В скобках указывается название поддерживающей программы

 

Между третьим и четвертым уровнями есть существенная разница. Нижние три уровня конструируются не для того, чтобы с ними работал обычный программист. Они изначально предназначены для работы интерпретаторов и трансляторов, под­держивающих более высокие уровни. Эти трансляторы и интерпретаторы составля­ются так называемыми системными программистами, которые специализируются на разработке и построении новых виртуальных машин. Уровни с четвертого и выше предназначены для прикладных программистов, решающих конкретные задачи.

Еще одно изменение, появившееся на уровне 4, — способ, которым поддержи­ваются более высокие уровни. Уровни 2 и 3 обычно интерпретируются, а уровни 4, 5 и выше обычно, хотя и не всегда, поддерживаются транслятором.

Другое различие между уровнями 1,2,3 и уровнями 4,5 и выше — особенность языка. Машинные языки уровней 1,2 и 3 — цифровые. Программы, написанные на этих языках, состоят из длинных рядов цифр, которые удобны для компьютеров, но совершенно неудобны для людей. Начиная с четвертого уровня, языки содер­жат слова и сокращения, понятные человеку.

Четвертый уровень представляет собой символическую форму одного из язы­ков более низкого уровня. На этом уровне можно писать программы в приемлемой для человека форме. Эти программы сначала транслируются на язык уровня 1, 2 или 3, а затем интерпретируются соответствующей виртуальной или фактически существующей машиной. Программа, которая выполняет трансляцию, называет­ся ассемблером.

Пятый уровень обычно состоит из языков, разработанных для прикладных про­граммистов. Такие языки называются языками высокого уровня. Существуют сотни языков высокого уровня. Наиболее известные среди них — BASIC, С, C++, Java, LISP и Prolog. Программы, написанные на этих языках, обычно транслиру­ются на уровень 3 или 4. Трансляторы, которые обрабатывают эти программы, на­зываются компиляторами. Отметим, что иногда также используется метод интер­претации. Например, программы на языке Java обычно интерпретируются.

В некоторых случаях пятый уровень состоит из интерпретатора для такой сферы приложения, как символическая математика. Он обеспечивает данные и операции для решения задач в этой сфере в терминах, понятных людям, сведущим в симво­лической математике.

Вывод: компьютер проектируется как иерархическая структура уровней, каж­дый из которых надстраивается над предыдущим. Каждый уровень представляет собой определенную абстракцию с различными объектами и операциями. Рассмат­ривая компьютер подобным образом, мы можем не принимать во внимание не­нужные нам детали и свести сложный предмет к более простому для понимания.

Набор типов данных, операций и особенностей каждого уровня называется ар­хитектурой. Архитектура связана с аспектами, которые видны программисту. На­пример, сведения о том, сколько памяти можно использовать при написании про­граммы, — часть архитектуры. А аспекты разработки (например, какая технология используется при создании памяти) не являются частью архитектуры. Изучение того, как разрабатываются те части компьютерной системы, которые видны програм­мистам, называется изучением компьютерной архитектуры. Термины «компью­терная архитектура» и «компьютерная организация» означают в сущности одно и то же.

 

Контрольные вопросы

1       Когда появились первые механические машины?

2       Когда появился первый механический компьютер?

3       Когда появились первые электронные компьютеры?

4       Первый микропроцессор.

5       Первый  32-разрядный процессор.

6       Первый процессор Pentium.

7       Закон Мура.

8       Перечислите основные компоненты ПС.

9       Перечислите уровни современных вычислительных машин.

10  Опишите цифровой логический уровень.

11  Опишите микроархитектурный уровень.

12  Опишите уровень архитектуры команд.

Бесплатная лекция: "Управление памятью" также доступна.

13  Опишите уровень операционной системы.

14   пишите уровень языка ассемблера.

15  Опишите уровень языков высокого уровня.

 

 

 

Свежие статьи
Популярно сейчас