Электронные вычислительные машины

Ее создателями были Джон Атанософф (D.V. Atanasoff) и Клиффорд Бэрри (Clifford E. Berry). По именам создателей и была названа ЭВМ (Atanasoff-Berry Computer, то есть ABC). Это была сравнительно небольшая вычислительная машина, в которой для управления и арифметических вычислений использовались около 300 электронных ламп. В ней была использована двоичная система счисления.

ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator – электронный числовой интегратор и компьютер) выполняла операции более чем в 1000 раз быстрее в сравнении с ее предшественниками. Ее основу составляли около 1,5 тыс. реле и 17468 тыс. электронных ламп, она занимала огромную площадь (200 м²), была высотой 6 м, весом 30 т, потребляла большое количество электроэнергии (150 кВт) при производительности около 5 тыс. сложений в секунду и 3,5 тыс. умножений в секунду. Исходные данные вводились с помощью перфокарт, а программа набиралась вручную с помощью многочисленных переключателей и штепсельных разъемов. Хранение программы в оперативной памяти не предполагалось. Эта ЭВМ работала в десятичной системе счисления.

Скорость вычислений в механических машинах и электрических машинах, выполненных на базе реле, была крайне малой. В 1942 г. в колледже штата Айова (США) была создана первая электронная вычислительная машина (ЭВМ) ABC. Существенное продвижение в развитии ЭВМ было достигнуто в октябре 1945 г., когда Джоном Моучли (JohnMouchly) и Джоном Эккертом (JohnEckert) в Школе электротехники университета штата Пенсильвания (США) была создана универсальная ЭВМ ENIAC. Впоследствии ЭВМ, создаваемые на основе электронных ламп и реле, были названы ЭВМ первого поколения. Уже с середины 50-х годов ХХ в. в качестве элементной базы для ЭВМ начинают использовать полупроводники, что резко снизило энергопотребление и габариты ЭВМ и повысило их надежность и быстродействие (до одного млн операций в секунду). Эти ЭВМ получили название ЭВМ второго поколения.

Интегральные схемы устанавливались на печатные платы – пластины из изоляционного материала. При этом уменьшались размеры, повышалась надежность, а быстродействие достигало нескольких млн операций в сек.

Основатели компании Intel – Роберт Нойс и Гордон Мур. В течение первого года компания называлась NM Electronics Inc. Затем основатели решили перейти к более благозвучному имени Intel (INTegratedElectronics). А поскольку это название уже было зарегистрировано торговой маркой сети отелей, его пришлось выкупить. Начинала как производитель блоков памяти ЭВМ.

Создателями первого микропроцессора Intel-4004 (4-разрядный) были Тед Хофф, Федерико Фэджин и Стэн Мейзор. Концепция была предложена Т. Хоффом, он же разработал архитектуру. С. Мейзор разработал систему команд, а Ф. Фэджин спроектировал. Авторы первого микропроцессора признаны выдающимися изобретателями, а их изобретение – величайшим достижением ХХ века. Через год (в 1972 г.) фирма Intel выпустила более совершенный микропроцессор Intel-8008 (8-разрядный), который широко использовался в производстве калькуляторов.

В 1965 г. в США была создана первая ЭВМ (IBM-360), элементную базу которой составляли интегральные схемы(интегральные схемы устанавливались на печатные платы – пластины из изоляционного материала. При этом уменьшались размеры, повышалась надежность, а быстродействие достигало нескольких млн операций в сек.) Настоящая революция в производстве средств вычислительной техники была вызвана созданием в фирме Intel (США) в 1971 г. так называемой большой интегральной схемы (БИС), получившей название “микропроцессор”. Уже в 1973 г. во Франции ТроунгТронгТи создал первую персональную ЭВМ. С тех пор производство и внедрение персональных ЭВМ (ПЭВМ) является наиболее бурно развивающейся отраслью. В 1981 г. впервые был выпущен коммерчески реализуемый ноутбук Osborne-1. Он был создан изобретателем Адамом Осборном (AdamOsborne). Автором идеи ноутбука был американский ученый Алан Кэй. ЭВМ, использующие в качестве элементной базы интегральные схемы и БИС, получили название ЭВМ третьего поколения.

В 1974 г. фирма Intel выпустила микропроцессор Intel-8080 (8-разрядный), и уже через год фирма MITS INc начала выпуск первой серийной персональной ЭВМ Altair 8800. К концу 70-х годов на базе новых микропроцессоров Intel-8086 (16-разрядный) и его более поздних модификаций Intel-80286 (16-разрядный), Intel-80386 и Intel-80486 (32-разрядные) фирмы быстро наладили массовое производство персональных ЭВМ. Особенно популярными стали компьютеры, разработанные и выпущенные фирмой IBM в начале 80-х годов.

Главной отличительной чертой персонального компьютера является возможность для пользователей работать с ним непосредственно, без помощи оператора, то есть персонально. При небольших размерах, стоимости и энергопотреблении персональные компьютеры предоставляют пользователям значительно большие ресурсы, чем ЭВМ 60–70 годов.

Дальнейшее развитие ЭВМ связано с созданием в 1985 г. так называемых сверхбольших интегральных схем (СБИС), содержащих в одном кристалле свыше 100 тыс. элементов. ЭВМ, выполненные на базе СБИС, называются ЭВМ четвертого поколения.

Алан Кэй – американский ученый в области информатики. Разработал язык Smalltalk, в котором впервые был использован объектно-ориентированный подход. После выхода на рынок в 1983 г. язык приобрел широкую популярность. В 2003 г. за работу над объектно-ориентированным программированием стал лауреатом премии Тьюринга. Он изобретатель первой в мире клиент-серверной системы, технологии Ethernet, лазерного принтера и графического многооконного интерфейса.

                                     1.1.2. Архитектура ЭВМ

Часто говорят о семействах ЭВМ, то есть группах моделей, совместимых между собой. В пределах одного семейства основные принципы устройства и функционирования машин одинаковы, хотя отдельные модели могут существенно различаться по производительности, стоимости и другим параметрам.

Все машины одного семейства, независимо от их конкретного устройства и фирмы-производителя, должны быть способны выполнять одну и ту же программу (на практике чаще используется другой принцип совместимости снизу вверх: все программы данной модели выполнимы на последующих).

Термин архитектура используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных узлов ЭВМ. К понятию архитектура относят то общее, что есть в строении ЭВМ. При этом учитывают не все сведения о построении ЭВМ, а только те, которые могут как-то использоваться при программировании и работе пользователя с ЭВМ.

К архитектуре, то есть наиболее общим принципам построения ЭВМ, относятся:

– структура памяти ЭВМ;

– способы доступа к памяти и внешним устройствам;

– возможность изменения конфигурации компьютера;

– система команд;

– форматы данных;

– организация интерфейса.

Схема устройства такой ЭВМ представлена на рисунке

 

 

Таким образом, архитектура – это наиболее общие принципы построения ЭВМ,реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов.

Фон Нейман предложил хранить программу в двоичном виде (как и данные), причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Он подключился к созданию ЭВМ ENIAC в 1944 г., когда ее конструкция была уже определена. В 1946 г. фон Нейман сформулировал идеи принципиально новой ЭВМ:использование двоичной системы для представления чисел и выполнения арифметических и логических операций, принцип хранимой программы(Фон Нейман предложил хранить программу в двоичном виде (как и данные), причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа), структура ЭВМ. Совокупность принципов, предложенных фон Нейманом, были названы фон неймановской архитектурой.

Фон Нейман предложил включить в структуру ЭВМ:

– устройство управления (УУ),

– арифметико-логическое устройство (АЛУ);

– оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);

– внешнее запоминающее устройство (ВЗУ);

– устройство ввода;

– устройство вывода

В современных компьютерах устройство управления и арифметико-логическое устройство объединяются в одном устройстве – процессоре.

В ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие тоже является одним из принципов архитектуры фон Неймана.

Позднее в связи с появлением многопроцессорных вычислительных систем были разработаны различные виды архитектур (например, фон неймановская архитектура предполагает общую память как для данных, так и для команд. В так называемой гарвардской архитектуре предусматривается разделение памяти между командами и данными, что позволяет распараллелить выборку данных из памяти), позволяющие выполнять операции параллельно разными процессорами.В частности, М. Флинном (M. Flynn) в начале 60-х годов ХХ в. была предложена классификация архитектур многопроцессорных вычислительных систем, основанная на обработке потоков данных потоками команд. В ее основу заложено два возможных вида параллелизма:

– независимость потоков заданий (команд, инструкций), существующих в системе, и

– независимость (несвязанность) данных, обрабатываемых в каждом потоке.

Относят то общее: Часто говорят о семействах ЭВМ (все машины одного семейства, независимо от их конкретного устройства и фирмы-производителя, должны быть способны выполнять одну и ту же программу (на практике чаще используется другой принцип совместимости снизу вверх: все программы данной модели выполнимы на последующих)), то есть группах моделей, совместимых между собой. В пределах одного семейства основные принципы устройства и функционирования машин одинаковы, хотя отдельные модели могут существенно различаться по производительности, стоимости и другим параметрам.

Наиб.общ.при.постр.ЭВМ: К архитектуре, то есть наиболее общим принципам построения ЭВМ, относятся:

– структура памяти ЭВМ;

– способы доступа к памяти и внешним устройствам;

– возможность изменения конфигурации компьютера;

– система команд;

– форматы данных;

– организация интерфейса.

Структура ЭВМ:

Фон Нейман предложил включить в структуру ЭВМ:

– устройство управления (УУ) В ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие тоже является одним из принципов архитектуры фон Неймана.

– арифметико-логическое устройство (АЛУ);

– оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);

– внешнее запоминающее устройство (ВЗУ);

– устройство ввода;

– устройство вывода

В современных компьютерах устройство управления и арифметико-логическое устройство объединяются в одном устройстве – процессоре.

Фон Неймановская арх.:

Схема устройства такой ЭВМ представлена на рисунке

 

Классификация архитектур:

Согласно данной классификации существуют четыре основные архитектуры вычислительных систем:

1) одиночный поток команд – одиночный поток данных (ОКОД)

Ванглийскойаббревиатуре – SISD (Single Instruction Single Data). В этот класс попадают все ЭВМ классической структуры.

2) одиночный поток команд – множественный поток данных (ОКМД)

Ванглийскойаббревиатуре – SIMD (Single Instruction Multiple Data). Предполагает многопроцессорную систему, в которой процессорные элементы, входящие в систему, идентичны и управляются одной и той же последовательностью команд, но каждый процессор обрабатывает свой поток данных.

3) множественный поток команд – одиночный поток данных (МКОД)

Ванглийскойаббревиатуре – MISD (Multiple Instruction Single Data). Предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке.

4) множественный поток команд – множественный поток данных (МКМД).

Ванглийскойаббревиатуре – MIMD (Multiple histruction Multiple Data). Предполагает, что все процессоры работают по своим программам с собственным потоком команд; в простейшем случае они могут быть автономны и независимы.

Например, фон неймановская архитектура предполагает общую память как для данных, так и для команд. В так называемой гарвардской архитектуре предусматривается разделение памяти между командами и данными, что позволяет распараллелить выборку данных из памяти.

Согласно данной классификации существуют четыре основные архитектуры вычислительных систем:

1) одиночный поток команд – одиночный поток данных (ОКОД),

2) одиночный поток команд – множественный поток данных (ОКМД),

3) множественный поток команд – одиночный поток данных (МКОД),

4) множественный поток команд – множественный поток данных (МКМД).

В английской аббревиатуре – SISD (Single Instruction Single Data). В этот класс попадают все ЭВМ классической структуры.

В английской аббревиатуре – SIMD (Single Instruction Multiple Data). Предполагает многопроцессорную систему, в которой процессорные элементы, входящие в систему, идентичны и управляются одной и той же последовательностью команд, но каждый процессор обрабатывает свой поток данных.

В английской аббревиатуре – MISD (Multiple Instruction Single Data). Предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке.

В английской аббревиатуре – MIMD (Multiple histruction Multiple Data). Предполагает, что все процессоры работают по своим программам с собственным потоком команд; в простейшем случае они могут быть автономны и независимы.