Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

ЭВМ четвертого поколения /1972-1977 гг/ базируются на "больших интегральных схемах" (БИС) и "микропроцессорах". Отечественные - проект "Эльбрус", ПК. Программирование: диалоговые режимы, сетевая архитектура, экспертные системы.

ЭВМ пятого поколения /начиная с 1978 г/ используют "сверхбольшие интегральные схемы" (СБИС). Выполненные по такой технологии процессорные элементы на одном кристалле могут быть основным компонентом различных платформ - серверов: от супер-ЭВМ (вычислительных серверов), до интеллектуальных коммутаторов в файл-серверах.

На этом поколении технологические новации приостанавливаются и в восьмидесятые годы в ряде стран появляются проекты создания новых вычислительных систем на новых архитектурных принципах. Так, в 1982 году японские разработчики приступили к проекту "компьютерные системы пятого поколения", ориентируясь на принципы искусственного интеллекта. Этот проект получил название “великий вызов”, он оказал большое влияние на развитие всей вычислительной техники. В СССР под руководством А.Н. Мямлина /15/ в рамках такого проекта велась разработка вычислительной системы, состоящей из специализированных процессоров: процессора ввода/вывода, вычислительного, символьного и архивного процессоров. В 1991 году японское министерство труда и промышленности принимает решение о прекращении работ по компьютерам пятого поколения; вместо этого запланировано приступить к разработке компьютеров шестого поколения на основе нейронных сетей.

В настоящее время в России создаются мультисистемы на базе зарубежных микропроцессоров: вычислительные кластеры (НИИЦЭВТ), супер-ЭВМ МВС-1000 (В.К. Левин, А.В. Забродин). Под руководством Б.А.Бабаяна проектируется микропроцессор Мерсед-архитектектуры. В.С. Бурцев разрабатывал проект супер-ЭВМ на принципах потоковых машин.

Эволюция отечественного программного обеспечения непосредственно связана с эволюцией архитектуры ЭВМ. Первая Программирующая Программа - ПП, Интерпретирующая Система - ИС создавались для М-20 (ИПМ, школа М.Р. Шуры-Буры). Для ЭВМ этого семейства были реализованы компиляторы с Алгола: ТА-1 (С.С. Лавров), ТА-2 (М.Р. Шура-Бура), Альфа (А.П. Ершов).

Для БЭСМ-6 создан ряд операционные системы: от Д-68 до ОС ИПМ (Л.Н. Королев, В.П. Иванников, А.Н. Томилин, В.Ф.Тюрин, Н.Н. Говорун, Э.З. Любимский).

Под руководством С.С. Камынина и Э.З. Любимского был реализован проект Алмо: создание машинно-ориентированного языка и на его базе системы мобильных трансляторов.

В.Ф. Турчин предложил функциональный язык Рефал. Системы программирования на базе этого языка используются для описания алгоритмов текстовых преобразований при реализации трансляторов, конверторов, а также в исследованиях в области мета - вычислений.

1. Глава 2

Принципы фон-Неймана

2.1. Классическая ЭВМ

Принято считать, что основные архитектурные принципы построения электронных цифровых (дискретных) вычислительных систем (ЭЦВМ) были впервые опубликованы в 1946 г в отчете А. Беркса (A. W. Burks) , Г. Голдстейна (H. H. Goldstein), Дж. Неймана (John Louis von Neumann): "Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства". Классическая (Von Neumann architecture) ЭВМ имеет следующую структуру:

АЛУ + УУ <кд...кд.....кд > ОЗУ, где

- ОЗУ (Оперативное Запоминающего Устройства, MM – Main Memory) - память для хранения программ и данных. Можно представлять эту память как таблицу, каждая строка которой имеет свой порядковый номер и может содержать команду или число в двоичной системе счисления.

- АЛУ (Арифметико - Логическое Устройство, ALU – Arithmetic and Logic Unit) - устройство, которое выполняет операции над числами или битовыми данными. Аргументы и результаты операции считываются и записываются из (в) ОЗУ.

- УУ (Устройства Управления, CU – Control Unit) - устройство, которое последовательно выбирает команды из ОЗУ, дешифрирует их и организует выполнение заданных операций в АЛУ.

- <кд........кд.....кд > на схеме обозначают коммуникационную среду – шины для пересылки последовательности команд и данных. Данные как читаются из ОЗУ, так и туда же записываются. В большинстве ЭВМ команды только считываются из ОЗУ.

В приведенной схеме не отражены устройства ввода/вывода информации, блоки массовой памяти для постоянного хранения информации.

Совокупность АЛУ и УУ принято называть процессором (ЦПУ, CPU – Central Processing Unit). Для обозначения полного вычислительного комплекса используется слова ЭВМ, ПЭ. (По словарю А. Синклера "processor" - блок компьютера, выполняющий вычислительные действия). В современных микропроцессорах, процессор размещается на одном кристалле (чипе), это: УУ + АЛУ + набор регистров + кэш память.

Принципы построения ЭВМ данной архитектуры признаны классикой и получили название фон-неймановских принципов. В работе /7/ эти принципы перечисляются в порядке, описываемом далее.

1. Принцип программного управления вычислениями

Первый и основной принцип фон-Неймана заключается в том, что ЭВМ выполняет вычислительные директивы последовательно в соответствии с заданной программой.

Программа ЭВМ состоит из команд, хранимых в Оперативном Запоминающем Устройстве. Каждая команда задает единичный акт преобразования информации. Устройство Управления поочередно выбирает команды программы и выполняет предписанные в них дискретные вычисления. В любой момент времени работы ЭВМ выполняется только одна команда программы. Пусть принятый уровень абстракции предполагает считать единичными актами преобразования информации, команды ЭВМ, исполняющие арифметические операции. Тогда алгоритм вычисления площади трапеции с основаниями А и В, высотой Н {S=0.5*(А+В)*Н} можно представить в виде последовательности элементарных вычислений - арифметических команд ЭВМ (трехадресных).

Команды Комментарий

+, A, B,P1; Р1=А+В

*, P1,H,P1; Р1=Р1*Н

*,P1,’’0.5’’,S; S=Р1*0.5.

Но, в общем случае, элементарным шагом вычислений можно считать вычисления вида: Р = f(A), где А – число, а f - функция вида sin или sqrt (корень квадратный) и т.д. В качестве функции f можно выбрать функцию редукции (например, нахождение суммы элементов вектора), тогда аргумент функции А – вектор. Если в качестве аргументов арифметических операций допустить использование векторов, то единичным актом преобразования информации может быть поэлементная операция сложения (или умножения) векторов.

Итак, при обсуждении архитектуры дискретных вычислителей всегда необходимо уточнять семантику элементарных актов преобразования информации, команд (инструкций) ЭВМ.

2.1.2. Принцип условного перехода.

Принцип условного перехода заключается в обеспечении возможности перехода в процессе вычислений на тот или иной участок программы в зависимости от про­межуточных, получаемых в ходе вычислений, результатов.

Команды условного перехода могут нарушать последовательный порядок выборки команд программы и указывать команду для последующего выполнения в случае выполнения условий заданного соотношения. Так, определение максимального числа может быть выполнено программой:

MАХ = B

IF (A<B) GOTO L

MAX =A

L ..............

Команды перехода позволяет реализовывать в программах ЭВМ циклы с автоматическим выходом из них.

2.1.3. Принцип хранимой программы

Принцип заключается в том, что команды представляются в битовой форме и хранятся в том же Оперативном Запоминающем Устройстве, что и обрабатываемые данные.

ОЗУ можно представить состоящим из последовательно пронумерованных слов – ячеек памяти. Пусть каждая команда или обрабатываемое число занимает ровно одну ячейку памяти ЭВМ. Над программой можно производить арифметические действия, изменяя ее динамически. Пусть в ОЗУ по адресу А размещен первый элемент вектора а, по адресу В – первый элемент вектора в; для размещения первого элемента вектора с – результата поэлементного суммирования векторов а+в отведено место в памяти, начиная с адреса С. Тогда, программа суммирования n элементных векторов может иметь вид:

Команды Комментарий

i = 0;

L: +, A, B, C; Суммирование первых (очередных) элементов векторов

^ , L, K, L; Модификация команды L для сложения очередных элементов

+, i, “1”, i; Коррекция счетчика

IF (i < n) GOTO L; Проверка на завершения цикла

L = M; Восстановление команды L для повторной работы цикла

...................................

K: 0, 1, 1, 1; Поле констант

M: +, A, B, C;

В данном примере ^ обозначает операцию целочисленного сложения кодов.

2.1.4. Принцип использования двоичной системы счисления

Этот принцип заключается в использовании двоичной системы счисления для представления чисел и команд и реализации аппаратного оборудования ЭВМ на элементах бинарной логики.

Элементарной единицей кодирования информации является бит, принимающий одно из двух значений 0 или 1. В двоичной системе счисления представляются целые и вещественные числа, над которыми ЭВМ производит вычисления, команды программ. Технические параметры ЭВМ, такие, как размер ОЗУ и величина строки ОЗУ, число банков расслоенной памяти и т. д., измеряются обычно в единицах, кратных степени двойки: 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, ... 2ⁿ , причем нумерация параметров производится, обычно, начиная от нуля.

Программа, хранимая в памяти ЭВМ, задает последовательность выполнения команд, причем в каждый данный момент времени в машине обрабатывается одна команда. Это свойство и есть главная особенность ЭВМ фон-неймановской архитектуры.

Единичный шаг преобразования информации можно трактовать как двуместную арифметическую или логическую операцию, процедуру извлечение корня, а также векторную операцию, например, операцию сложения векторов. Последняя трактовка единичного акта шага работы ЭВМ вносит дополнительную сумятицу в классификатор ЭВМ по Флинну при идентификации векторных машин.

Возможность динамической модификации программ, допустимая в силу третьего принципа, противоречит философии структурного программирования. Более того, в некоторых ЭВМ (Эльбрус) ОЗУ содержит теги: разряды, уточняющие тип хранимой информации, что позволяет предотвратить попытки передачи управления на данные в случае ошибки - использования текстов программ в качестве данных. М.Р.Шура-Бура до сих пор гордится экономией одной ячейки памяти, которую он произвел, используя код некой команды программы в качестве константы, при составлении для системы ИС-2 одной из первой в СССР стандартной программы перевода чисел из десятичной системы в двоичную систему. Исключением могут считаться функциональные языки Лисп, Рефал, для которых концепция единства данных и программ поддержана принципом хранимой программой. Архитектура памяти современных микропроцессоров, определяющая размещение в памяти кода программ и данных и стиль работы с этими элементами, реализуется одним их двух вариантов. Традиционная, фон-неймановская архитектура, без учета семантики хранимых данных, получила название Принстонской архитектурой памяти. В ней правила хранения данных и кода одинаковы. Раздельное размещение кодов программ и данных используется в Гарвардском варианте архитектуры. В современных ЭВМ используются совместно оба варианта памяти. Так, процессорная кэш-память первого уровня разделены на память данных и память инструкций, но запросы к ОЗУ уже обезличены.

Принцип использования двоичной системы счисления для представления информации нарушен при проектировании ЭВМ Сетунь, в которой использована троичная система счисления. Эта система так же, как и десятичная, шестнадцатеричная, признаны нецелесообразными для реализации ЭВМ.

Все современные микропроцессоры имеют фон-неймановскую архитектуру, ключевым параметром которых является производительность, скорость вычислений, которую грубо можно определить как число команд, выполняемых за единицу времени, обычно за секунду.

2.2. Принципы фон Неймана и проблемы программирования

Архитектура вычислителя фон Неймана допускает простую и универсальную аппаратную интерпретацию. Усложнения оборудования при реализации классических вычислителей относятся, главным образом, к необходимости учитывать и преодолевать ограничения объемов и быстродействия оперативной памяти.

Производительность ЭВМ повышается также за счет реализации параллельной и конвейерной схем обработки данных. Так как архитектурные схемы ЭВМ давно отработаны, то технология проектирования микропроцессоров реализуется на уровне индустриального производства. Рост производительности вычислителей в соответствии с законом Мура (G.Moore) - удвоение производительности вычислителей каждые полтора года - обеспечивается, главным образом, технологическим прогрессом: увеличением плотности размещения транзисторов на кристалле, снижением толщины слоев монтажа. В 1953 г. Х.Грош (H.R.J.Grosch) предложил формулу оценки роста стоимости вычислительной системы - С в зависимости от роста производительности системы - Р: Р = Const * С². Это означает, что за удвоенную цену можно купить вычислительную систему с учетверёнными возможностями.

Характеристики

Список файлов книги