Логические основы ЭВМ, элементы и узлы

 

При построении основных узлов ЭВМ (регистра, сумматора, шифратора и т.д.) используется алгебра логики. Создателем алгебры логики по праву считают английского математика XIX века Дж. Буля, по имени которого логические функции получили название булевых функций. Основу математической логики составляет алгебра высказываний. Это освобождает матлогику от неопределенности в толковании логических выражений, показывающих связь между отдельными суждениями и понятиями.

Алгебра логики оперирует с высказываниями. Под высказыванием понимают повествовательное предложение, относительно которого можно утверждать, истинно оно или ложно. Например, выражение «Москва - столица России» истинно, а выражение «7 кг. < 300 гр.» - ложно. Высказывания принято обозначать заглавными буквами латинского алфавита: А, В, С,..., X, У и т.д. Если высказывание А истинно, то пишут А= true (A = 1 или A= t), а если оно ложно, то A = false (A=0 или А=f).

В алгебре высказываний над высказываниями можно производить определенные логические операции, в результате которых получаются новые высказывания. Истинность полученных высказываний зависит от истинности исходных высказываний и использованных для их преобразования логических операций. Для образования новых высказываний наиболее часто используются логические операции, выражаемые словами «не», «и», «или».

Логический элемент компьютера - это часть электронной схемы, которая реализует элементарную логическую функцию.

Логическими элементами компьютеров являются электронные схемы «И», «ИЛИ», «НЕ», «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ» и другие (называемые обычно вентилями), а также триггер.

Может быть доказано, что с помощью этих схем можно реализовать любую логическую функцию, описывающую работу устройств компьютера. Обычно у вентилей бывает от двух до восьми входов и один или два выхода.

На структурных схемах ЭВМ каждый логический элемент имеет свое условное обозначение, которое выражает его логическую функцию, но не указывает на то, какая именно электронная схема в нем реализована. Работу логических элементов описывают с помощью таблиц истинности.

Логические операции. Рассмотрим логические операции и соответствующие им элементы логических схем.

Конъюнкция. Соединение двух (или нескольких) высказываний в одно с помощью союза «И» (AND) называется операцией логического умножения, или конъюнкцией. Эту операцию принято обозначать знаками «Ù», «&» или знаком умножения «х». Сложное высказывание А&В (AÙB) истинно только в том случае, когда истинны оба входящих в него высказывания. Истинность такого высказывания задается табл. 3.1. Таблица, описывающая связь между входными и выходными значениями функции, называется таблицей истинности.

Таблица 3.1

Таблица истинности конъюнкции

 

А	В	A&B
false	false	false
false	true	false
true	false	false
true	true	true

 

Логическая схема «И» реализует конъюнкцию двух или более логических значений. Условное обозначение на структурных диаграммах схемы «И» с двумя входами представлено на рис. 3.1, а.

Единица на выходе схемы «И» будет тогда и только тогда, когда на всех входах будут единицы. Когда хотя бы на одном входе будет ноль, на выходе также будет ноль.

Рис. 3.1. Схемные логические элементы вычислительных машин

 

Связь между выходом z этой схемы и входами х и у описывается соотношением: z = x & у (читается как «х И у»). Операция конъюнкции на структурных схемах обозначается знаком «&».

Дизъюнкция. Объединение двух (или нескольких) высказываний с помощью союза «ИЛИ» (OR) называется операцией логического сложения, или дизъюнкцией. Эту операцию обозначают знаками «Ú» или знаком сложения «+». Сложное высказывание AÚВ истинно, если истинно хотя бы одно из входящих в него высказываний (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Таблица истинности для логической суммы высказываний

А	В	AÚB	A XOR B
false	false	false	false
false	true	true	true
true	false	true	true
true	true	true	false

 

В последнем столбце табл. 3.2 размещены результаты модифицированной операции «ИЛИ» - «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» (XOR - «сложению по модулю два»). Отличается от обычного «ИЛИ» последней строкой (см. также рис. 3.1, е).

Схема «ИЛИ» реализует дизъюнкцию двух или более логических значений. Когда хотя бы на одном входе схемы «ИЛИ» будет единица, на ее выходе также будет единица.

Условное обозначение на структурных схемах схемы «ИЛИ» с двумя входами представлено на рис. 3.1, б. Связь между выходом z этой схемы и входами х и у описывается соотношением: z = x Ú у (читается как
«х ИЛИ у»).

Инверсия. Присоединение частицы «НЕ» (NOT) к некоторому высказыванию называется операцией отрицания (инверсии) и обозначается (или ØА). Если высказывание А истинно, то ложно, и наоборот (см. табл. 3.3).

Таблица 3.3

Таблица истинности отрицания

 

А
false	true
true	false

 

Схема «НЕ» (инвертор) реализует операцию отрицания. Связь между входом х этой схемы и выходом z можно записать соотношением , где читается как «НЕ х» или «ИНВЕРСИЯ х».

Если на входе схемы «0», то на выходе «1», и наоборот. Условное обозначение на структурных схемах инвертора - на рис. 3.1, в.

Вентили. Кроме схемных элементов, соответствующих перечисленным логическим операторам, в состав логических схем входят комбинированные связки, именуемые вентилями, например следующие.

Схема «И-НЕ» состоит из элемента «И» и инвертора - осуществляет отрицание результата схемы «И» (табл. 3.4). Связь между выходом Z и входами х и у схемы записывают как , или «ИНВЕРСИЯ х И у». Условное обозначение на структурных схемах схемы «И-НЕ» с двумя входами представлено на рис. 3.1, г.

Таблица 3.4

Таблица истинности схемы «И-НЕ»

 

x	y
false	false	true
false	true	true
true	false	true
true	true	false

 

Схема «ИЛИ-НЕ» состоит из элемента «ИЛИ» и инвертора и осуществляет отрицание результата схемы «ИЛИ» (табл. 3.5). Связь между выходом z и входами х и у схемы записывают как , или
«ИНВЕРСИЯ х ИЛИ у». Условное обозначение на структурных схемах схемы «ИЛИ-НЕ» с двумя входами представлено на рис. 3.1, д.

Несколько слов о практической реализации схемных элементов в электронных цепях. Входные и выходные сигналы «1» представляются высоким уровнем напряжения на коллекторе транзистора (практически равным напряжению питания). Сигналу «0», наоборот, соответствует низкий уровень выходного напряжения.

Таблица 3.5

Таблица истинности схемы «ИЛИ-НЕ»

 

x	y
false	false	true
false	true	false
true	false	false
true	true	false

 

Следует отметить, что помимо операций «И», «ИЛИ», «НЕ» в алгебре высказываний существует ряд других операций. Например, операция эквиваленции (эквивалентности) А ~ В (или А º В, A EQV В) (табл. 3.6).

 

Таблица 3.6

Таблица истинности операции эквивалентности

 

А	В	A~B
false	false	true
false	true	false
true	false	false
true	true	true

 

Другим примером может служить логическая операция импликации или логического следования (А ®В, A IMP В), иначе говоря,
«ЕСЛИ А, то В» (табл. 3.7).

Таблица 3.7

Таблица истинности импликации

 

А	В	A®B
false	false	true
false	true	true
true	false	false
true	true	true

С помощью логических операций из простых высказываний (логических переменных и констант) можно построить логические выражения, которые также называются булевскими функциями. Например, С = ((Ā Ú В) → В) Ú А.

Чтобы избежать большого количества скобок в булевских функциях, принято следующее соглашение о старшинстве операций.

Первыми выполняются операции в скобках, затем операции в следующем порядке: отрицание, конъюнкция, дизъюнкция, импликация и эквиваленция слева направо.

Высказывания, образованные с помощью логических операций, называются сложными. Истинность сложных высказываний можно установить, используя таблицы истинности. Например, истинность сложного высказывания определяется табл. 3.8.

Таблица 3.8

Таблица истинности высказывания

 

А	В		В
false	false	true	true	true
false	true	true	false	false
true	false	false	true	false
true	true	false	false	false

 

В алгебре высказываний можно проводить тождественные преобразования, заменяя одни высказывания равносильными им другими высказываниями[3]. Например, A®B равносильно , или А~В равносильно .

Элементы и узлы ЭВМ. Основойлюбого компьютера является ячейка памяти, которая может хранить данные или команды. Основой любой ячейки памяти является функциональное устройство, которое может по команде принять или выдать один двоичный бит, а, главное, сохранять его сколь угодно долго. Такое устройство называется триггер, или защелка. Триггер - это устройство, имеющее два устойчивых состояния и способное скачком переходить из одного устойчивого состояния в другое при поступлении управляющих сигналов.

Триггер строится на основе базового набора логических схем
(рис. 3.2). Он собран на четырех логических элементах: два элемента «логическое НЕ» (схемы 1 и 2) и два элемента «логическое И-НЕ» (схемы 3 и 4). Триггер имеет два выхода Q и . Сигнал на выходе Q соответствует значению, хранящемуся в триггере.

Выход используется при необходимости получить инверсное значение сигнала. Входы S и R предназначены для записи в триггер одного бита со значением ноль или единица.

Рассмотрим состояние триггера во время хранения бита. Пусть в триггер записан ноль (на выходе Q низкий уровень сигнала). Единица на выходе схемы 4 и единица на выходе схемы 1 поддерживают состояние выхода схемы 3 в состоянии нуля ( =0). В свою очередь, ноль на выходе схемы 3 поддерживает единицу на выходе схемы 4 ( =1). Такое состояние может поддерживаться триггером бесконечно долго.

 

Рис. 3.2. Схема триггера в состоянии хранения бита информации

 

Для записи в триггер единицы подадим на вход S единицу. На выходе схемы 1 получится ноль, который обеспечит на выходе схемы 3 единицу. С выхода схемы 3 единица поступит на вход схемы 4, на выходе которой значение изменится на ноль ( =0). Этот ноль на входе схемы 3 будет поддерживать сигнал на ее выходе в состоянии единицы. Теперь можно снять единичный сигнал на входе S, на выходе схемы 3 все равно будет высокий уровень. Т.е. триггер сохраняет записанную в него единицу. Единичный сигнал на входе S необходимо удерживать некоторое время, пока на выходе схемы 4 не появится нулевой сигнал. Затем вновь на входе S устанавливается нулевой сигнал, но триггер поддерживает единичный сигнал на выходе Q, т.е. сохраняет записанную в него единицу.

Точно так же, подав единичный сигнал на вход R, можно записать в триггер ноль. Условное обозначение триггера показано на рис. 3.3.

 

 

Рис. 3.3. Условное обозначение триггера

Регистры. Триггер служит основой для построения функциональных узлов, способных хранить двоичные числа, осуществлять их синхронную параллельную передачу и запись, а также выполнять с ними некоторые специальные операции. Такие функциональные узлы называются регистрами.

Регистр представляет собой набор триггеров, число которых определяет разрядность регистра. Разрядность регистра кратна восьми битам: 8-, 16-, 32-, 64-разрядные регистры. Кроме этого в состав регистра входят схемы управления его работой. На рис. 3.4 приведена схема параллельного регистра хранения. Регистр содержит n триггеров, образующих n разрядов. Перед записью информации регистр обнуляется подачей единичного сигнала на вход «Сброс». Запись информации в регистр производится синхронно подачей единичного сигнала «Запись». Этот сигнал открывает входные вентили (схемы «логическое И»), и на тех входах X₁... X_n, где присутствует единичный сигнал, произойдет запись единицы. Чтение информации из регистра также производится синхронно, подачей сигнала «Чтение» на выходные вентили. Обычно регистры содержат дополнительные схемы, позволяющие организовать такие операции, как сдвиг информации - регистры сдвига (рис. 3.5) и подсчет поступающих единичных сигналов - регистры счетчики.

 

 

Рис. 3.4. n-разрядный параллельный регистр хранения с синхронной записью и чтением

 

Рис. 3.5. 3-разрядный последовательный регистр

 

Сдвигающий регистр. Если на вход последовательного регистра (рис. 3.5), в который ранее было записано число, постоянно подавать ноль (записывать в него цифру 0), то с каждым тактом (импульсом на входе С) в него будет вводиться уровень нуля и хранившееся в нем число будет передвигаться по регистру, при этом крайняя от входа цифра будет из него выдвигаться.

Так как при этом происходит сдвиг хранившегося в регистре числа, то рассматриваемый регистр носит название сдвигающего. Сдвигающий регистр отличается от последовательного режимом работы и совпадает по схеме (рис. 3.5).

Работа сдвигающего вправо регистра, схема которого приведена на рис. 3.5 описывается таблицей 3.9. Цифры хранившегося в регистре числа выходят из него в той же последовательности, как и вводились. По окончании полного цикла работы сдвигающего регистра все ранее записанные в него цифры окажутся выведенными из регистра, и во всех его разрядах будут записаны нули.

Таблица 3.9

Цифра	Входы	Выходы
S	R	Q1	Q2	Q3
исходное состояние

 

Работа сдвигающего влево регистра, схема которого приведена на рис. 3.5 происходит аналогично. Разница лишь в направлении перемещения записанных ранее в регистр цифр табл. 3.10.

Таблица 3.10

	Выходы	Входы	Цифра
	Q1	Q2	Q3	S	R
				исходное состояние

При циклическом сдвиге выход триггера старшего разряда регистра соединяется со входом триггера младшего разряда, т.о. цифра, записанная в старшем разряде с каждым тактом записи перемещается в младший разряд, а цифра младшего разряда перемещается вправо в следующий разряд регистра.

Для обработки информации компьютер должен иметь устройство, выполняющее основные арифметические и логические операции над числовыми данными. Такие устройства называются а рифметико-логическими устройствами (АЛУ). В основе АЛУ лежит устройство, реализующее арифметическую операцию сложения двух целых чисел (сумматор). Остальные арифметические операции реализуются с помощью представления чисел в специальном дополнительном коде. Сумматор АЛУ представляет собой многоразрядное устройство, каждый разряд которого представляет собой схему на логических элементах, выполняющих суммирование двух одноразрядных двоичных чисел с учетом переноса из предыдущего младшего разряда. Результатом является сумма входных величин и перенос в следующий старший разряд. Такое функциональное устройство называется одноразрядным, полным сумматором. Его условное обозначение показано на рис. 3.6.

 

 

Рис. 3.6. Условное обозначение полного одноразрядного сумматора

 

Многоразрядный сумматор состоит из полных одноразрядных сумматоров. На каждый разряд ставится одноразрядный сумматор, причем выход (перенос) сумматора младшего разряда подключен ко входу сумматора старшего разряда.

Рассмотренные выше функциональные элементы являются основными при построении схем компьютерных систем.

 

Принципы Дж. фон Неймана

 

Архитектурой компьютера считается его представление на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ, ОП), внешних ЗУ и периферийных устройств.

Компонентами архитектуры компьютера являются: вычислительные и логические возможности, аппаратные средства и программное обеспечение.

Структура компьютера - это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые типичные устройства - от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать его описание на любом уровне детализации.

Архитектуру компьютера следует отличать от его структуры. Структура определяет конкретный набор устройств, блоков, узлов, входящих в состав компьютера, тогда как архитектура определяет правила взаимодействия составных частей компьютера.

Принципы (архитектура) фон Неймана. В основу построения большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.

1. Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.

Структура отдельной команды имеет вид:

<код операции> <операнды>,

где <код операции> определяет, какая операция должна выполняться;

<операнды> - список (возможно, одноэлементный) тех констант, адресов или имен переменных, над которыми выполняется данная операция.

В зависимости от числа операндов различают одно-, двух- и трехадресные машинные команды. Каждая команда имеет определенный объем, измеряемый байтами.

2. Принцип условного перехода. Если после выполнения команды следует перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов (ветвления), которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп».

Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

3. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции - перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

4. Принцип размещения программы в памяти. Программа, требуемая для работы ЭВМ, предварительно размещается в памяти компьютера, а не вводится команда за командой.

5. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

6. Принцип иерархии памяти. Память ЭВМ неоднородна. Для часто используемых данных выделяется память меньшего объема, но большего быстродействия; для редко используемых данных выделяется память большего объема, но меньшего быстродействия.

7. Принцип двоичной системы счисления. Для внутреннего представления данных и программ в памяти ЭВМ применяется двоичная система счисления, которую можно проще реализовать технически.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Существуют и другие классы компьютеров, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Здесь, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без счетчика (регистра адреса) команд, указывающего на выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

Машина фон Неймана состояла из памяти, представлявшей собой набор регистров, АЛУ, устройства ввода-вывода и устройства управления (рис. 3.7).

Устройство ввода передавало команды и данные в АЛУ, откуда они записывались в память. Все команды, совокупность которых называется программой, записываются в память в соседние ячейки по возрастанию их адресов, а данные, которые требуют обработки, - в ячейки с произвольными адресами. Последняя команда программы - это обязательно команда остановки работы. Каждая команда содержит код операции, которую необходимо выполнить, и адреса ячеек, в которых находятся данные, обрабатываемые этой командой. Устройство управления содержит специальный регистр, который называется «Счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. После чего вычислительная машина переходит в режим автоматического выполнения программы.

Рис. 3.7. Машина фон Неймана

 

Устройство управления считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство - «Регистр команд». Регистр команд хранит команду во время ее исполнения. Устройство управления расшифровывает тип операции команды, считывает из памяти данные, адреса которых указаны в команде, и приступает к ее выполнению. Для каждой команды устройство управления имеет свой алгоритм обработки, который заключается в выработке управляющих сигналов для всех остальных устройств машины. Этот алгоритм мог быть реализован на основе комбинационных логических схем или с помощью специальной внутренней памяти, куда эти алгоритмы были записаны в виде микрокоманд, объединенных в микропрограммы. Выполнение микропрограммы происходит по тому же принципу, что и программы в основной памяти, т.е. по принципу фон Неймана. Каждая микрокоманда содержит набор управляющих сигналов для устройств машины. Отметим, что устройства управления выполнением команд процессоров в современных компьютерных системах также строятся по принципу комбинационных схем или микропрограммных автоматов, в соответствии с чем делятся на RISC и CISC процессоры, о которых будет рассказано ниже.

Микропрограмма выполнения любой команды обязательно содержит сигналы, изменяющие содержимого счетчика команд на единицу. Таким образом, после завершения выполнения очередной команды, счетчик команд указывал на следующую ячейку памяти, в которой находилась следующая команда программы. Устройство управления читает команду, адрес которой находится в счетчике команд, помещает ее в регистр команд и т.д. Этот процесс продолжается до тех пор, пока очередная исполняемая команда не оказывается командой останова исполнения программы. Интересно отметить, что и команды, и данные, находящиеся в памяти, представляют собой целочисленные двоичные наборы. Отличить команду от данных устройство управления не может, поэтому, если программист забыл закончить программу командой останова, устройство управления читает следующие ячейки памяти, в которых уже нет команд программы, и пытается интерпретировать их как команды.

Особым случаем можно считать команды безусловного или условного перехода, когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов. В этом случае команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление. Этот адрес записывается устройством управления непосредственно в счетчик команд и происходит переход на соответствующую команду программы.

 

Поколения ЭВМ

 

Принципы Дж. Фон Неймана были реализованы в английских компьютерах «Марк-1» (1948 г.) и EDSAC (1949 г.). ЭВМ, созданные в середине XX века, имели две важные особенности, которыми не обладали ранее созданные машины: возможность программирования и способность хранения информации. С этого времени начинается счет поколений ЭВМ, к настоящему моменту их сменилось уже четыре.

Первое поколение (1946-1960) - это время становления архитектуры машин фон-неймановского типа, построенных на электронных лампах с быстродействием 10-20 тысяч арифметических операций в секунду. В Советском Союзе к первому поколению относились первая отечественная вычислительная машина МЭСМ (Малая Электронная Счетная Машина), созданная в 1951 г. в г. Киеве под руководством академика С.А. Лебедева, БЭСМ (Большая Электронная Счетная Машина), Урал-1, Урал-4 и др. ЭВМ первого поколения были громоздкими, ненадежными и нуждались во вспомогательных холодильных установках. Использовались они для решения вычислительных задач научного характера. Процесс программирования на этих машинах требовал очень хорошего знания устройства машины и того, как она реагирует на ту или иную ситуацию.

Второе поколение (1960-1964) - машины, построенные на транзисторах, с быстродействием до сотен тысяч операций в секунду. Стала использоваться библиотека стандартных программ, а процесс программирования стал более легким. Первой полупроводниковой машиной была появившаяся в 1959 г. модель RCA-501. В Советском Союзе к этому поколению относятся машины Минск-2, Минск-22,
Минск-32, БЭСМ-2, БЭСМ-4 и БЭСМ-6, быстродействие которой составляло миллион операций в секунду.

Третье поколение (1964-1970) характеризуется тем, что вместо транзисторов стали использоваться интегральные схемы (ИС) и полупроводниковая память. Для повышения эффективности использования возникла необходимость в системной программе, управляющей устройствами ЭВМ. Так была создана операционная система. Вычислительные машины третьего поколения, как правило, образуют серии (семейства) машин, совместимых программно. Такая серия состоит из ЭВМ, производительность и объем памяти которых возрастают от одной машины серии к другой. Программа, отлаженная на одной из машин серии, может быть сразу запущена на другой машине этой серии (на машинах большей мощности). Первым таким семейством машин третьего поколения была выпущенная в 1965 г. серия IBM/360. Она имела свыше семи моделей. В Советском Союзе такую серию составляли машины семейства ЕС ЭВМ (Единая Система ЭВМ), совместимые с IBM/360 (фактически они являлись копиями американских ЭВМ).

Четвертое поколение (1970-1980-е) - это машины, построенные на больших интегральных схемах (БИС). Такие схемы содержат до нескольких десятков тысяч элементов на одном кристалле. ЭВМ этого поколения способны выполнять десятки и сотни миллионов операций в секунду. Появляются микропроцессоры, способные обрабатывать числа длинной в 16 и 32 разряда, статическая память емкостью 256 Кбайт и динамическая память емкостью в 1 Мбайт. ЭВМ по своим характеристикам стали так разнообразны, что их начинают классифицировать на сверхбольшие ЭВМ, большие (универсальные), мини -ЭВМ, микро -ЭВМ и персональные компьютеры.

Пятое поколение (c 1980) находится в стадии разработки. В 1979 г. японскими специалистами, объединившими свои усилия под эгидой научно-исследовательского центра по обработке информации - JIPDEC, была впервые поставлена задача разработки принципиально новых компьютеров. В 1981 г. JIPDEC опубликовал предварительный отчет, содержащий детальный многостадийный план развертывания научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ с целью создания к 1991 г. прототипа ЭВМ нового поколения (рис. 3.8). Этот отчет лег в основу японской национальной программы создания ЭВМ пятого поколения.

Отличительными чертами ЭВМ этого поколения являются:

· новая технология производства, не на кремнии, а на базе других материалов;

· отказ от архитектуры фон Неймана, переход на новые архитектуры (например, на архитектуру потока данных), и, как следствие этого, превращение ЭВМ в многопроцессорную систему (матричный процессор, процессор глобальных связей, процессор локальных связей, машины базы данных, процессор операционной системы и т.п.);

 

Рис. 3.8. Компьютер пятого поколения PIM/m-1

 

· новые способы ввода-вывода информации, удобные для пользователя (например, распознавание речи и образов, синтез речи, обработка сообщений на естественном языке);

· искусственный интеллект, т.е. автоматизация процессов решения задач, получения выводов, манипулирования знаниями.

Переход к ЭВМ пятого поколения означает резкий рост «интеллектуальных» способностей компьютера, в результате чего машина сможет непосредственно «понимать» задачу, поставленную перед ней человеком. Следовательно, отпадает необходимость в составлении программы как средства «общения» с ЭВМ при решении той или иной задачи.

Предполагается, что компьютеры пятого поколения будут вести диалог с непрофессиональными пользователями на естественном языке, в том числе в речевой форме или путем обмена графической информацией - с помощью чертежей, схем, графиков, рисунков. В состав ЭВМ пятого поколения также должна войти система решения задач и логического мышления, обеспечивающая способность машины к самообучению, ассоциативной обработке информации и получению логических выводов.

 

Архитектура ЭВМ

 

В настоящее время для компьютера наиболее распространены следующие архитектурные решения:

· классическая архитектура - одно АЛУ, через которое проходит поток данных, и одно УУ, через которое проходит поток команд – программа (это однопроцессорный компьютер или компьютер с общей шиной). Все функциональные блоки в ней связаны между собой общей шиной (или системной магистралью). Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры - устройства управления периферийными устройствами (рис. 3.9).

Контроллер - устройство, связывающее периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования;

· многопроцессорная архитектура – предполагает наличие в компьютере нескольких процессоров, что обеспечивает параллельно много потоков данных и команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи;

· многомашинная вычислительная система – включает несколько процессоров, имеющих свою локальную память. Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко;

· архитектура с параллельными процессорами - несколько АЛУ работают под управлением одного УУ (множество данных может обрабатываться по одной программе - то есть по одному потоку команд).

Рис. 3.9. Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использовании общей шины

 

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип (рис. 3.10).

Магистраль (системная шина) - это набор электронных линий, связывающих центральный процессор, основную память и периферийные устройства воедино относительно передачи данных, служебных сигналов и адресации памяти. Благодаря модульному принципу построения потребитель сам может комплектовать компьютер нужной ему конфигурации и производить при необходимости ее модернизацию.

Рис. 3.10. Магистрально-модульный принцип строения ЭВМ

 

Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией. Процессор выполняет арифметические и логические операции, взаимодействует с памятью, управляет и согласует работу периферийных устройств.

Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производится по образующим магистраль трем многоразрядным шинам (многопроводным линиям связи), соединяющим все модули, - шине данных, шине адресов, шине управления. Разрядность шины определяется количеством бит информации, передаваемых