Поколение ЭВМ и их классификация.

Первое поколение ЭВМ (1945-1955)(в СССР: 1948-1958).

Основные характеристики:Элементная база: Электронно-вакуумные лампы.Быстродействие процессора: 20 тыс.оп.в сек.Объем ОЗУ: 2Кбайта или 2048 машинных слов длинной в 48 двоичных знаков. Внешние устр-ва памяти: перфокарты, перфоленты, магнитные ленты.

ПО:создавалось на языке машинных команд, сущ.библиотеки стандартных команд. Режим работы: Однопрограмный. Первая ЭВМ: Эниак(США), МЭМС(СССР).

Архитектура Фон Неймана:

Принципы: 1) Двоичное кодирование; 2)Программное управление работой ЭВМ; 3) Однородность памяти(одна память); 4) Адресность памяти; 5) Параллельная организация вычислит. Процесса во всех разрядах магнитного слова.

Основные структуры: 1) Арифметико – логическое устройство; 2) Память для хранения программ и данных; 3) Устройство управления, организующее процесс выполнения программ; 4) Устройство ввода-вывода инфо.

Второе поколение ЭВМ: (1955-1967)(В СССР:1959-1967).

Предпосылки возникновения:

1926 г.-Ждулиус Эдгар Лили Экстрилд получил патент;

1945 г.-Компания Boll Laboratories начали изучение полупроводниковых материалов;

1948 г.- Дж. Бардин, У. Браттейн и У. Шокли создали точечный транзистор.

Достоинства: один транзистор заменял 40 эл. ламп, большая скорость работы, срок службы больше в 1000 раз, малое потребление электроэнергии, появились печатные платы.

Основные характеристики:

Элементная база: транзисторы;

Быстродействие процессора: сотни тыс.оп.в сек.

Объем ОЗУ: несколько десятков тыс. слов.

Внешние устр-ва памяти: магнитные ленты, магнитные барабаны, первые магнитные диски.

ПО:развитие языков программирования высокого уровня.

Режим работы: пакетная обработка.

Примеры: IBM 701 (США), БЭСМ-6, БЭСМ-4, Минск-22, Минск-32(СССР).

Третье поколение ЭВМ: Зарождение компьютеров на интегральных схемах. (1964-1973)(В СССР:1968-1976)

1952 г.-Дж. Даммер-идея создания монолитной полупроводниковой интегральной схемы(ИС).

1958 г.- Джон Килби – опытная ИС;

1962 г.-промышленное производство ИС;

1961 г.-фирма «Texas instruments»-первый экспериментальный компьютер на ИС.(Характеристики: 587 ИС, вес 585г,объем 100см.куб.,15 команд, емкость ЗУ-30 чисел по 11 разрядов).

Основные принципы разработки:

1) Любая новая машина должна быть универсальной;

2)Компьютеры должны быть совместимы друг с другом.

Впервые использованы: 8 битные символы и 8 битный байт, как минимально адресуемая ячейка памяти, рахзрядность-32, 16-ричная сист. счисл.,виртуальная память, микрокод для реализации отдельных команд процессора.

Основные характеристики:

Элементная база: интегральные схемы малой(10-100 компонентов на кристалле) и средней(100-1000) степени интеграции. Интегральные схемы вставляются в специальные гнезда на печатной плате;

Быстродействие процессора:от сотни тыс. до миллионов оп.в сек.

Объем ОЗУ: от 16 до 8192 Кб.

Внешние устр-ва памяти: магнитные диски.

ПО:появились ОС и прикладные программы.

Режим работы: многопрограммный режим работы.

Примеры: IBM 360 (США),ЕС 1030, 1060 (СССР).

Четвертое поколение ЭВМ: годы:конец 70-х – наше время.

Микропроцессор-это интегральная микросхема, на которой размещено обрабатывающее устройство с собственной системой команд.

Термин ЭВМ вытесняется термином компьютер.

Основные характеристики:

Элементная база: большие интегральные схемы(БИС) и сверхбольшие ИС(СБИС);

Быстродействие процессора:2,5 МГц у первых моделей, сотни млн.оп.в сек.

Объем ОЗУ: Более 2Гб.

Внешние устр-ва памяти: магнитные диски.

ПО: Базы данных.

Режим работы: многопрограммный режим работы.

Примеры: Супер-компьютеры (многопроцессорная архитектура и использование принципа параллелизма), ПЭВМ

Суперкомпьютеры – это компьютеры с максимальной на время их выпуска производительностью.

Персональные компьютеры – компьютеры для личного пользования.

Пятое поколение ЭВМ.

Главный упор при создании компьютеров сделан на их "интеллектуальность", внимание акцентируется не столько на элементной базе, сколько на переходе от архитектуры, ориентированной на обработку данных, к архитектуре, ориентированной на обработку знаний.

Обработка знаний - использование и обработка компьютером знаний, которыми владеет человек для решения проблем и принятия решений.

Оптоэлектроника, криоэлектроника, реализованный искусственный интеллект.

Архитектурные особенности современных компьютеров:

Гарвардская и принстонская архитектура.

Принстонский университет разработал компьютер, который имел общую память для хранения программ и данных. Такая архитектура компьютеров больше известна как архитектура Фон-Неймана по имени научного руководителя этой разработки.

В этой архитектуре блок интерфейса с памятью выполняет арбитраж запросов к памяти, обеспечивая выборку команд, чтение и запись данных, размещаемых в памяти или внутренних регистрах.

Может показаться, что блок интерфейса является наиболее узким местом между процессором и памятью, так как одновременно с данными требуется выбирать из памяти очередную команду. Однако во многих процессорах с Принстонской архитектурой эта проблема решается путем выборки следующей команды во время выполнения предыдущей. Такая операция называется предварительной выборкой (предвыборка), и она реализуется в большинстве процессоров с такой архитектурой.

Основным преимуществом архитектуры Фон Неймана является то, что она упрощает устройство микропроцессора, так как реализует обращение только к одной общей памяти. Для микропроцессоров самым важным является то, что содержимое ОЗУ может быть использовано как для хранения данных, так и для хранения программ. В некоторых приложениях программе необходимо иметь доступ к содержимому стека.

Гарвардский университет представил разработку компьютера, в котором для хранения программ, данных и стека использовались отдельные банки памяти.

Гарвардская архитектура выполняет команды за меньшее количество тактов, чем архитектура Фон Неймана. Это обусловлено тем, что в Гарвардской архитектуре больше возможностей для реализации параллельных операций. Выборка следующей команды может происходить одновременно с выполнением предыдущей команды, и нет необходимости останавливать процессор на время выборки команды.

RISC (Reduced Instruct Set Computers) – это класс процессоров который имеет меньший и более простой набор инструкций. Сложная инструкция создаётся из значительно более простых. Для эффективной работы RISC-процессора на его кристалле располагается большое количество регистров, что сокращает число обращений к внешней памяти. RISC-процессор отличается простотой, которая в сочетании с высокой тактовой частотой и более эффективным выполнением инструкций позволяет создавать на основе RISC-процессора компьютеры с очень большим быстродействием.

CISC (Complex Instruction Set Computers) – это класс процессоров который предполагает широкий набор инструкций. Некоторые инструкции (например, умножение) требуют для своего выполнения большое количество тактов. Увеличение производительности таких процессоров связано с повышением тактовой частоты. Так как процессоры типа CISC работают со сложными инструкциями, требующими много тактов, это их выполнение характеризуется относительно невысокой скоростью, хотя в них используется конвейерная обработка инструкций.

VLIW (Very long instruction word «очень длинная машинная команда») – это класс процессоров с несколькими вычислительными устройствами, которые характеризуется тем, что одна инструкция процессора содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно.

Процессоры VLIW можно считать логическим продолжением идеологии RISC, расширяющей её с несколькими вычислительными модулями. Так же, как в RISC, в инструкции явно указывается, что именно должен делать каждый модуль процессора. Из-за этого длина инструкции может достигать 128 или даже 256 бит.

В то же время, код для VLIW-процессоров обладает невысокой плотностью. Из-за большого количества пустых инструкций для простаивающих устройств программы могут быть гораздо длиннее, чем аналогичные программы для традиционных процессоров. Из-за сложных внутренних зависимостей кода, программирование на уровне машинных кодов для VLIW- процессоров практически невозможно вручную.

Процессорная архитектура SPARC. Масштабируемая процессорная архитектура SPARC (Scalable Processor Architecture) компании Sun Microsystems является наиболее широко распространенным RISC- процессором.

Дальнейшее увеличение производительности процессоров с архитектурой SPARC было достигнуто за счет реализации в кристаллах принципов суперскалярной обработки. В дальнейшем были разработаны микропроцессоры с архитектурой HyperSPARC, MicroSPARC и UltraSPARC.

UltraSPARC является первым универсальным процессором с 64-битовой архитектурой, обеспечивающий высокую пропускную способность, необходимую для реализации высокоскоростной графики и обработки видеоизображений в реальном масштабе времени, используется для разнообразных видеоприложений и обработки неподвижных изображений, включая MPEG-1, MPEG-2 и JPEG.

Процессорная архитектура POWER. Процессорная архитектура POWER во многих отношениях представляет собой традиционный RISC-процессор, но имеются отличия. В данной архитектуре набор команд был основан на идее суперскалярной обработки. Команды могут направляться в каждое из этих устройств одновременно, где они могут выполняться одновременно и заканчиваться не в порядке поступления. Архитектура POWER расширена несколькими «смешанными» командами для сокращения времени выполнения. И следующий фактор, который отли-чает архитектуру POWER от многих других RISC-архитектур, является отсутствие механизма «задержанных переходов».

Методика реализации условных переходов, используемая в архитектуре POWER, является уникальным свойством по сравнению с другими RISC-процессорами.

2.2. Логические основы компьютера. Базовые логические элементы. Сумматор двоичных чисел. Триггер. Методика.

Логические основы компьютера В ЭВМ используются различные устройства, работу которых прекрасно описывает алгебра логики. К таким устройствам относятся группы переключателей, триггеры, сумматоры.Кроме того, связь между булевой алгеброй и компьютерами лежит и в используемой в ЭВМ системе счисления. Как известно она двоичная. Поэтому в устройствах компьютера можно хранить и преобразовывать как числа, так и значения логических переменных.

Переключательные схемы

В ЭВМ применяются электрические схемы, состоящие из множества переключателей. Переключатель может находиться только в двух состояниях: замкнутом и разомкнутом. В первом случае – ток проходит, во втором – нет. Описывать работу таких схем очень удобно с помощью алгебры логики. В зависимости от положения переключателей можно получить или не получить сигналы на выходах.