Лекции по эвм. Лекции - Архитектура ЭВМ - файл Архитектура ЭВМ Лекции.doc. Совместимость и мобильность программного обеспечения

Лекция 1 Дата проведения _____________

Тема занятия: История развития ЭВМ.

Классы ЭВМ по сферам применения и методам использования

Цели: сформировать представление о понятии электронно-вычислительная машина (ЭВМ); познакомить с историей развития вычислительной техники; познакомить с различными поколениями ЭВМ; рассмотреть классификацию ЭВМ по сферам применения.

План занятия:

1. Организационный момент.
2. Лекция 1 по темам:

1. История развития ЭВМ.
2. Классы ЭВМ по сферам применения и методам использования.

1. Подведение итогов.

Вид урока: урок лекция.

Ход занятия:

1. Организационный момент.

Поприветствовать учащихся. Учет посещаемости (отметить отсутствующих). Подготовить компьютер, проектор, экран, презентацию.

1. Лекция:

ЛЕКЦИЯ 1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭВМ. КЛАССЫ ЭВМ ПО СФЕРАМ ПРИМЕНЕНИЕ И МЕТОДАМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ.

Электронная вычислительная машина (ЭВМ) или компьютер (англ. computer - «вычислитель»), комплекс технических (аппаратных) и программных средств для обработки информации, вычислений, автоматического управления.

Термин «компьютер» и аббревиатура «ЭВМ», принятая в СССР , являются синонимами. В настоящее время словосочетание «электронная вычислительная машина» вытеснено из бытового употребления. Аббревиатуру «ЭВМ» в основном используют как правовой термин в юридических документах, инженеры цифровой электроники, а также в историческом смысле - для обозначения компьютерной техники 1940-1980-х годов.

При помощи вычислений компьютер способен обрабатывать информацию по определённому алгоритму . Любая задача для компьютера является последовательностью вычислений.

История компьютера тесным образом связана с попытками облегчить и автоматизировать большие объемы вычислений. Даже простые арифметические операции с большими числами затруднительны для человеческого мозга. Поэтому уже в древности появилось простейшее счетное устройство - абак. Вычисления на ней производились перемещением камешков или костей в углубления досок из бронзы, камня или слоновой кости. Со временем эти доски стали расчерчивать на несколько полос и колонок. В Греции абак существовал уже в V веке до н. э. В семнадцатом веке была изобретена логарифмическая линейка, облегчающая сложные математические расчеты.

В 1642 (XVIII в.) Блез Паскаль

сконструировал устройство (восьмиразрядный суммирующий механизм), которое впервые действительно можно было назвать счетной машинкой (умела складывать). Эта машина была усовершенствована Лейбницем, добавившим функцию умножения. В 1673 г. Лейбниц придумал алгоритмы для выполнения всех четырёх арифметических операций. Два столетия спустя в 1820 француз Шарль де Кольмар создал арифмометр, способный производить умножение и деление. Этот прибор прочно занял свое место на бухгалтерских столах.

Все основные идеи, которые лежат в основе работы компьютеров, были изложены еще в 1833 английским математиком Чарльзом Бэббиджем.

Он разработал проект машины для выполнения научных и технических расчетов, где предугадал основные устройства современного компьютера, а также его задачи. Для ввода и вывода данных Бэббидж предлагал использовать перфокарты - листы из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий. В то время перфокарты уже использовались в текстильной промышленности. Управление такой машиной должно было осуществляться программным путем.

Идеи Бэббиджа стали реально воплощаться в жизнь в конце 19 века. В 1888 американский инженер Герман Холлерит сконструировал первую электромеханическую счетную машину. Эта машина, названная табулятором, могла считывать и сортировать статистические записи, закодированные на перфокартах. В 1890 изобретение Холлерита было впервые использовано в 11-й американской переписи населения. Работа, которую пятьсот сотрудников выполняли в течение семи лет, Холлерит сделал с 43 помощниками на 43 табуляторах за один месяц.

В 1896 Герман Холлерит основал фирму Computing Tabulating Recording Company, которая стала основой для будущей Интернэшнл Бизнес Мэшинс (International Business Machines Corporation, IBM) - компании, внесшей гигантский вклад в развитие мировой компьютерной техники.

Дальнейшее развитие науки и техники позволили в 1940-х годах построить первые вычислительные машины. Сразу несколько групп исследователей повторили попытку Бэббиджа, на основе техники 20 века. В 1941 г. немецкий студент Конрад Цузе создал механическую цифровую вычислительную машину с программным управлением и с использованием - впервые в мире - двоичной системы счисления. Однако из – за войны его результаты так и не были опубликованы.

В феврале 1943 на одном из предприятий Ай-Би-Эм (IBM) в сотрудничестве с учеными Гарвардского университета по заказу ВМС США была создана машина «Марк-1». Это был монстр весом около 35 тонн. «Марк-1» был основан на использовании электромеханических реле и оперировал десятичными числами, закодированными на перфоленте. Машина могла манипулировать числами длиной до 23 разрядов. Для перемножения двух 23-разрядных чисел ей было необходимо четыре секунды. Данная машина использовалась для военных расчетов. Но электромеханические реле работали недостаточно быстро.

Начала первого поколения ЭВМ принято считать с 1943, когда американцы начали разработку альтернативного варианта - вычислительной машины на основе электронных ламп. В 1946 была построена первая электронная вычислительная машина ENIAC (Эниак). Ее вес составлял 30 тонн, она требовала для размещения 170 квадратных метров площади. Вместо тысяч электромеханических деталей ENIAC содержал 18 тысяч электронных ламп. Считала машина в двоичной системе и производила пять тысяч операций сложения или триста операций умножения в секунду.

Машина на электронных лампах работала существенно быстрее, но сами электронные лампы часто выходили из строя. Для их замены в 1947 американцы Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Брэдфорд Шокли предложили использовать изобретенные ими стабильные переключающие полупроводниковые элементы - транзисторы, что послужило рождению второго поколения компьютеров.

Совершенствование первых образцов вычислительных машин привело в 1951 к созданию компьютера UNIVAC, предназначенного для коммерческого использования. UNIVAC стал первым серийно выпускавшимся компьютером, а его первый экземпляр был передан в Бюро переписи населения США.

Один транзистор был способен заменить 40 электронных ламп. В результате быстродействие машин возросло в 10 раз при существенном уменьшении веса и размеров. В компьютерах стали применять запоминающие устройства из магнитных сердечников, способные хранить большой объем информации.

Третье поколение : в 1959 были изобретены интегральные микросхемы (чипы), в которых все электронные компоненты вместе с проводниками помещались внутри кремниевой пластинки. Применение чипов в компьютерах позволяет сократить пути прохождения тока при переключениях, и скорость вычислений повышается в десятки раз. Существенно уменьшаются и габариты машин.

К началу 1960-х годов компьютеры нашли широкое применение для обработки большого количества статистических данных, производства научных расчетов, решения оборонных задач, создания автоматизированных систем управления. Высокая цена, сложность и дороговизна обслуживания больших вычислительных машин ограничивали их использование во многих сферах. Однако процесс миниатюризации компьютера позволил в 1965 американской фирме Digital Equipment выпустить миникомпьютер PDP-8 ценой в 20 тысяч долларов, что сделало компьютер доступным для средних и мелких коммерческих компаний.

В 1970 сотрудник компании Intel Эдвард Хофф создал первый микропроцессор, разместив несколько интегральных микросхем на одном кремниевом кристалле. Это революционное изобретение кардинально перевернуло представление о компьютерах как о громоздких, тяжеловесных монстрах. С микропроцессом появляются микрокомпьютеры - компьютеры четвертого поколения , способные разместиться на письменном столе пользователя.

В середине 1970-х годов начинают предприниматься попытки создания персонального компьютера - вычислительной машины, предназначенной для частного пользователя. Во второй половине 1970-х годов появляются наиболее удачные образцы микрокомпьютеров американской фирмы Эпл (Apple), но широкое распространение персональные компьютеры получили с созданием в августе 1981 фирмой Ай-Би-Эм (IBM) модели микрокомпьютера IBM PC. Применение принципа открытой архитектуры, стандартизация основных компьютерных устройств и способов их соединения привели к массовому производству клонов IBM PC, широкому распространению микрокомпьютеров во всем мире.

За последние десятилетия 20 века микрокомпьютеры проделали значительный эволюционный путь, многократно увеличили свое быстродействие и объемы перерабатываемой информации, но окончательно вытеснить миникомпьютеры и большие вычислительные системы - мейнфреймы они не смогли. Более того, развитие больших вычислительных систем привело к созданию суперкомпьютера - суперпроизводительной и супердорогой машины, способной просчитывать модель ядерного взрыва или крупного землетрясения. В конце 20 века человечество вступило в стадию формирования глобальной информационной сети, которая способна объединить возможности различных компьютерных систем, что в свою очередь знаменует собой пятое поколение .

Таким образом, из выше казанного можно сделать вывод, что под поколением понимают все типы и модели ЭВМ, разработанные различными конструкторско-техническими коллективами, но построенных на одних и тех же научных и технических принципах.

Появление каждого нового поколения определялось тем, что появлялись новые базовые элементы, технология изготовления которых принципиально отличалась от предыдущего поколения.

Электронно-вычислительные машины (ЭВМ) классифицируются по различным признакам, в частности, по способам организации вычислительного процесса, функциональным возможностям, способности к параллельному выполнению программ и др. Однако чтобы определить место персональных электронных вычислительных машин (ПЭВМ) в широком разнообразии средств вычислительной техники (СВТ), следует рассмотреть классификацию вычислительных машин по таким показателям, как габариты и производительность.

Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции. В настоящее время применяются большие ЭВМ четвертого поколения и ведутся интенсивные работы по созданию ЭВМ пятого поколения. ЭВМ этого класса, как правило, используются в режиме разделения времени, одновременно обслуживая многих пользователей.

Производительность больших ЭВМ оказалась недостаточной для ряда приложений – таких, как прогнозирование метеообстановки, моделирование и др., что явилось стимулом для создания супер-ЭВМ. Появляются все новые и новые области их применения, а поэтому потребность в машинах данного класса непрерывно растет. Производительность современных ЭВМ не соответствует многим из таких областей, что обуславливает улучшение показателей супер-ЭВМ.

В 70-е гг. появился еще один класс ЭВМ – мини-ЭВМ, что обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области элементной базы, а с другой – избыточностью ресурсов больших ЭВМ – для ряда приложений.

Дальнейшие успехи в области элементной базы и архитектурных решений привели к возникновению супер-миниЭВМ.

Изобретение в 1969 г. микропроцессора (МП) привело к появлению в 70-х гг. еще одного класса ЭВМ – микроЭВМ. Именно наличие МП служит определяющим признаком микроЭВМ.

1. Супер ЭВМ (сверхбольшие) .

Под супер-ЭВМ понимают вычислительную систему, относящуюся к классу самых мощных систем в данное время, зародившиеся в 60 – х годах. Они имеют большие габариты, требуют для своего размещения специальных помещений и весьма сложны в обслуживании. Одной из основных проблем проектирования и эксплуатации является эффективный отвод тепла. Производительность супер-ЭВМ в настоящее время составляет десятки и сотни млн. команда/с. Две наиболее известные серии супер-ЭВМ – это Cray (Cray-1, Cray-2 и Cray-3) корпорации Cray Research и Cyber 205 фирмы Control Data Corp (CDC). Cray-3 способна выполнять 16000 млн. команд с плавающей точкой в секунду. Стоимость отдельных супер-ЭВМ достигает десятков млн. долл. Из отечественных ЭВМ к данному классу можно отнести машину с динамической архитектурой (МДА) В.А. Торгашева.

Используются для решения задач, которые требуют сложных вычислений больших объемов (например, изучение космоса, составления прогноза погоды).

Основное назначение: предназначены для высокоскоростного выполнения прикладных процессов.

Основные технические данные:

Имеет скалярные и векторные процессоры. Совместная работа процессоров основывается на различных архитектурах.

1. Супер-мини ЭВМ.

Супер-миниЭВМ – это вычислительная машина, относящаяся по архитектуре, размерам и стоимости к классу мини-ЭВМ, но по производительности сопоставимая с большой ЭВМ. Супер-миниЭВМ используются, как правило, в режиме разделения времени. Наиболее яркими их представителями являются ЭВМ семейства VAX-11 фирмы DEC. Это семейство послужило прототипом отечественной ЭВМ СМ 1700. Кроме того, выпускались следующие супер-мини ЭВМ: «Электроника-82» (СНГ), К1840 (Восточная Германия), СМ52/12 (Чехословакия), ИЗОТ 1055С (Болгария) и др. Все ЭВМ данного класса являются 32-разрядными.

Основные технические данные: мультипроцессорная архитектура, позволяющая подключение до нескольких сот терминалов (наличие наращиваемых запоминающих устройств).

1. Большие ЭВМ (мэйнфреймы).

Мэйнфреймы конструктивно выполнены в виде нескольких стоек, включая устройства ввода-вывода, а также внешние запоминающие устройства на магнитных дисках и лентах. Для установки машин требуется достаточно большое помещение (с комнату), оборудованное средствами обеспечения заданного температурного режима. Обслуживание больших ЭВМ трудоемко, зато их производительность лежит в пределах от нескольких сот тысяч до миллионов команд в секунду.

Они производят централизованную обработку данных больших объемов. Пользователь получает доступ через терминалы (клавиатура + монитор) и/или ПК, в основном предназначенные для ввода и вывода информации. Количество подключаемых терминалов обычно составляет несколько сотен. Они характеризуются высокой надежностью. Обладают высокой скоростью процессов ввода-вывода и увеличенный размер постоянной памяти.

1. Мини ЭВМ.

Мини-ЭВМ используются как в режиме разделения времени, так и для управления технологическими процессами. Они конструктивно выполнены в виде одной или нескольких малогабаритных стоек (без учета устройств ввода-вывода) и имеют более низкие по сравнению с большими ЭВМ быстродействие и стоимость. ЭВМ данного класса не требуют специально оборудованных помещений.

Основное назначение: Системы управления предприятиями.

Основные технические данные: Однопроцессорная архитектура, разветвленная система периферийных устройств (ограниченные возможности, обработка слов меньшей длины и т.д.)

1. МикроЭВМ (ПК).

Персональной называется универсальная однопользовательская микроЭВМ.

Различают стационарные и портативные (ноутбуки). Обязательно наличие монитора и ряда других периферийных устройств. Хорошо расширяемы. К ним легко подключаются различные дополнительные устройства. Можно устанавливать широкий спектр различного программного обеспечения.

Основное назначение: Индивидуальное обслуживание пользователей.

Основные технические данные: Центральный блок с одним или несколькими процессорами, монитор, акустическая система, клавиатура, электронное перо с планшетом, устройство ввода информации, принтеры, жесткие диски, гибкие диски, магнитные ленты, оптические диски и пр.

Эти ЭВМ, в свою очередь, делятся на многопользовательские микроЭВМ, автоматизированные рабочие места (АРМ), встроенные ЭВМ и ПЭВМ

Многопользовательские микроЭВМ – это микроЭВМ, оборудованные несколькими видеотерминалами и работающие в режиме разделения времени. Они выполняются, как правило, в одной малогабаритной стойке и изредка – в настольном варианте.

Рабочие станции или АРМ представляет собой ЭВМ, оборудованную всеми средствами, необходимыми для выполнения работ определенного типа. Различают технические (инженерные) АРМ, графические АРМ, АРМ для автоматизированного проектирования, АРМ для издательской деятельности (настольные издательские системы) и др., как и персональные компьютеры, предназначены для одного пользователя, однако, более мощные могут выполнять более сложные операции.

Основное назначение: Системы автоматизированного проектирования, системы автоматизации эксперимента, индустриальные процессы и др.

Основные технические данные: Высокое быстродействие процессора, емкость оперативного запоминающего устройства 32-64 Мбайт, специализированная система периферийных устройств.

В классе микроЭВМ АРМ наряду с многопользовательскими микроЭВМ имеют самое высокое быстродействие. Существуют как настольные АРМ, так и АРМ, выполненные в виде малогабаритной стойки.

Термин АРМ (рабочая станция) неоднозначен и часто употребляется в других смыслах, а именно:

1. для именования ПЭВМ, снабженной специальным ПО, необходимым для решения задач определенного класса;

2. для именования терминальных узлов вычислительных сетей.

Встроенные ЭВМ представляют собой вычислители, используемые для управления (например, станком или боевым средством) и обработки измерений. Конструктивно они выполняются в виде одной или нескольких плат и не обеспечивают реализацию широкого спектра вычислительных функций, а также стандартного взаимодействия с пользователем.

1. Переносной ПК «наколенник» .

Основное назначение: Индивидуальное обслуживание пользователей. Основные технические данные: Малогабаритный книжного размера портативный вариант стационарного персонального компьютера.

1. Блокнотный ПК, ноутбук.

Основное назначение: Индивидуальное обслуживание пользователей. Основные технические данные: Модели могут иметь процессор, оперативную память до 96 Мбайт, жесткий диск до 9 Гбайт, встроенный компакт-диск и факс-модем, дисплей жидкокристаллический, время работы от собственного источника питания от 2 до 8 ч.

1. Карманный компьютер «наладонник».

Карманные компьютеры похожи на персональные компьютеры, но намного меньше их по размеру. Обычно используются как электронные ежедневники или для чтения электронных книг.

Основное назначение: индивидуальное обслуживание пользователей.

Основные технические данные: Оперативная память выполняет функцию долговременной памяти, размером в несколько Мбайт. Жесткий диск отсутствует. Работает под управлением Windows CE, имеет интерфейс с другими компьютерами, встроенные интегрированные системы, жидкокристаллический дисплей.

1. Подведение итогов.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

Профессионального образования

Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса

Семенихин И.Н.

(конспект лекций)

ШАХТЫ 2006

1 ВВЕДЕНИЕ 4

1.1 Архитектура, организация и конфигурация ЭВМ 4

1.2 Общие требования к современным компьютерам 5

1.3 Классификация компьютеров по областям применения 8

1.4 Оценка производительности вычислительных систем 16

2 Архитектура системы команд 26

2.1 Классификация архитектур системы команд 27

2.2 Классификация по месту хранения операндов 29

2.3 CISC и RISC архитектуры 35

2.4 Типы и форматы операндов 37

2.5 Символьная информация 49

2.6 Логические данные и строки 51

2.7 Прочие виды информации 52

2.8 Типы и форматы команд 54

2.9 Способы адресации операндов 63

2.10 Система операций 71

^ 3 ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЭВМ 73

3.1 Основные понятия 73

3.2 Информационная модель ЭВМ 73

3.3 Принципы Джона фон Неймана. 77

3.4 Основные компоненты ЭВМ 79

4 ЭВМ фон НЕЙМАНА 83

4.1 ЭВМ с шинной организацией 83

4.2 ЭВМ с канальной организацией 87

5 ОРГАНИЗАЦИЯ памяти ЭВМ 92

5.1 Иерархия памяти 92

5.2 Организация кэш-памяти 93

5.3 Организация основной памяти 98

^

1 ВВЕДЕНИЕ

1.1 Архитектура, организация и конфигурация ЭВМ

Термин организация ЭВМ определяет описание того, как реализованы возможности ЭВМ.

Весьма часто употребляется термин конфигурация ЭВМ, под которым понимается компоновка вычислительного устройства с четким определением характера, количества, взаимосвязей и основных характеристик его функциональных элементов.

Таким образом, по цепочке архитектура → организация → конфигурация мы переходим от абстрактного определения к описанию конкретной ЭВМ.

Термин «архитектура системы» часто употребляется как в узком, так и в широком смысле этого слова. В узком смысле под архитектурой понимается архитектура набора команд. Архитектура набора команд служит границей между аппаратурой и программным обеспечением и представляет ту часть системы, которая видна программисту или разработчику компиляторов. Следует отметить, что это наиболее частое употребление этого термина. В широком смысле архитектура охватывает понятие организации системы, включающее такие высокоуровневые аспекты разработки компьютера как систему памяти, структуру системной шины, организацию ввода/вывода и т.п.

Применительно к вычислительным системам термин «архитектура» может быть определен как распределение функций, реализуемых системой, между ее уровнями , точнее как определение границ между этими уровнями. Таким образом, архитектура вычислительной системы предполагает многоуровневую организацию .

Архитектура первого уровня определяет, какие функции по обработке данных выполняются системой в целом, а какие возлагаются на внешний мир (пользователей, операторов, администраторов баз данных и т.д.). Система взаимодействует с внешним миром через набор интерфейсов : языки (язык оператора, языки программирования, языки описания и манипулирования базой данных, язык управления заданиями) и системные программы (программы-утилиты, программы редактирования, сортировки, сохранения и восстановления информации).

Интерфейсы следующих уровней могут разграничивать определенные уровни внутри программного обеспечения. Например, уровень управления логическими ресурсами может включать реализацию таких функций, как управление базой данных, файлами, виртуальной памятью, сетевой телеобработкой. К уровню управления физическими ресурсами относятся функции управления внешней и оперативной памятью, управления процессами, выполняющимися в системе.

Следующий уровень отражает основную линию разграничения системы, а именно границу между системным программным обеспечением и аппаратурой . Эту идею можно развить и дальше и говорить о распределении функций между отдельными частями физической системы. Например, некоторый интерфейс определяет, какие функции реализуют центральные процессоры, а какие - процессоры ввода/вывода.

Архитектура следующего уровня определяет разграничение функций между процессорами ввода/вывода и контроллерами внешних устройств. В свою очередь можно разграничить функции, реализуемые контроллерами и самими устройствами ввода/вывода (терминалами, модемами, накопителями на магнитных дисках и лентах). Архитектура таких уровней часто называется архитектурой физического ввода/вывода .
^

1.2 Общие требования к современным компьютерам

1.2.1 Отношение стоимость/производительность

Другим крайним примером может служить низкостоимостная конструкция, где производительность принесена в жертву для достижения низкой стоимости. К этому направлению относятся персональные компьютеры различных клонов IBM PC.

Между этими двумя крайними направлениями находятся конструкции, основанные на отношении стоимость/производительность , в которых разработчики находят баланс между стоимостными параметрами и производительностью. Типичными примерами такого рода компьютеров являются миникомпьютеры и рабочие станции.

Для сравнения различных компьютеров между собой обычно используются стандартные методики измерения производительности. Эти методики позволяют разработчикам и пользователям использовать полученные в результате испытаний количественные показатели для оценки тех или иных технических решений, и в конце концов именно производительность и стоимость дают пользователю рациональную основу для решения вопроса, какой компьютер выбрать.
^

1.2.2 Надежность и отказоустойчивость

Отказоустойчивость - это такое свойство вычислительной системы, которое обеспечивает ей, как логической машине, возможность продолжения действий, заданных программой, после возникновения неисправностей.

Введение отказоустойчивости требует избыточного аппаратного и программного обеспечения . Направления, связанные с предотвращением неисправностей и с отказоустойчивостью, - основные в проблеме надежности. Концепции параллельности и отказоустойчивости вычислительных систем естественным образом связаны между собой, поскольку в обоих случаях требуются дополнительные функциональные компоненты. Поэтому, собственно, на параллельных вычислительных системах достигается как наиболее высокая производительность, так и очень высокая надежность. Имеющиеся ресурсы избыточности в параллельных системах могут гибко использоваться как для повышения производительности, так и для повышения надежности. Структура многопроцессорных и многомашинных систем приспособлена к автоматической реконфигурации и обеспечивает возможность продолжения работы системы после возникновения неисправностей.

Следует помнить, что понятие надежности включает не только аппаратные средства, но и программное обеспечение. Главной целью повышения надежности систем является целостность хранимых в них данных.

1.2.3 Масштабируемость

Масштабируемость должна обеспечиваться архитектурой и конструкцией компьютера, а также соответствующими средствами программного обеспечения . Добавление каждого нового процессора в действительно масштабируемой системе должно давать прогнозируемое увеличение производительности и пропускной способности при приемлемых затратах.

Одной из основных задач при построении масштабируемых систем является минимизация стоимости расширения компьютера и упрощение планирования. В идеале добавление процессоров к системе должно приводить к линейному росту ее производительности. Однако это не всегда так. Потери производительности могут возникать, например, при недостаточной пропускной способности шин из-за возрастания трафика между процессорами и основной памятью, а также между памятью и устройствами ввода/вывода. В действительности реальное увеличение производительности трудно оценить заранее, поскольку оно в значительной степени зависит от динамики поведения прикладных задач.

Масштабируемость программного обеспечения затрагивает все его уровни от простых механизмов передачи сообщений до работы с такими сложными объектами как мониторы транзакций и вся среда прикладной системы. В частности, программное обеспечение должно минимизировать трафик межпроцессорного обмена, который может препятствовать линейному росту производительности системы.

Аппаратные средства (процессоры, шины и устройства ввода/вывода) являются только частью масштабируемой архитектуры, на которой программное обеспечение может обеспечить предсказуемый рост производительности. Важно понимать, что простой переход, например, на более мощный процессор может привести к перегрузке других компонентов системы. Это означает, что действительно масштабируемая система должна быть сбалансирована по всем параметрам .
^

1.2.4 Совместимость и мобильность программного обеспечения

Совместимость позволяет сохранять существующий задел программного обеспечения при переходе на новые (как правило, более производительные) модели. Следует заметить однако, что со временем даже самая передовая архитектура неизбежно устаревает и возникает потребность внесения радикальных изменений архитектуру и способы организации вычислительных систем.

В настоящее время одним из наиболее важных факторов, определяющих современные тенденции в развитии информационных технологий, является ориентация компаний-поставщиков компьютерного оборудования на рынок прикладных программных средств. Это объясняется прежде всего тем, что для конечного пользователя в конце концов важно программное обеспечение, позволяющее решить его задачи, а не выбор той или иной аппаратной платформы.

Этот переход выдвинул ряд новых требований. Прежде всего такая вычислительная среда должна позволять гибко менять количество и состав аппаратных средств и программного обеспечения в соответствии с меняющимися требованиями решаемых задач. Во-вторых, она должна обеспечивать возможность запуска одних и тех же программных систем на различных аппаратных платформах, т.е. обеспечивать мобильность программного обеспечения. В третьих, эта среда должна гарантировать возможность применения одних и тех же человеко-машинных интерфейсов на всех компьютерах, входящих в неоднородную сеть.

В условиях жесткой конкуренции производителей аппаратных платформ и программного обеспечения сформировалась концепция открытых систем , представляющая собой совокупность стандартов на различные компоненты вычислительной среды, предназначенных для обеспечения мобильности программных средств в рамках неоднородной, распределенной вычислительной системы.

Одним из вариантов моделей открытой среды является модель OSE (Open System Environment), предложенная комитетом IEEE POSIX. На основе этой модели национальный институт стандартов и технологии США выпустил документ "Application Portability Profile (APP). The U.S. Government"s Open System Environment Profile OSE/1 Version 2.0", который определяет рекомендуемые для федеральных учреждений США спецификации в области информационных технологий, обеспечивающие мобильность системного и прикладного программного обеспечения. Все ведущие производители компьютеров и программного обеспечения в США в настоящее время придерживаются требований этого документа.

(Документ)

n1.doc

Классификацию вычислительных машин по таким показателям, как габариты и производительность, можно представить следующим образом:

• 
  сверхпроизводительные ЭВМ и системы (супер-ЭВМ);
• 
  большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения);
• 
  средние ЭВМ;
• 
  малые или мини-ЭВМ;
• 
  микро-ЭВМ;
• 
  персональные компьютеры;
• 
  микропроцессоры.

Отметим, что понятия «большие», «средние» и «малые» для отечественных ЭВМ весьма условны и не соответствуют подобным категориям зарубежных ЭВМ.
Исторически первыми появились большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения), элементная база которых прошла путь от электронных ламп до схем со сверхвысокой степенью интеграции. В процессе эволюционного развития больших ЭВМ можно выделить отдельные периоды, связываемые с пятью поколениями ЭВМ. Поколение ЭВМ определяется элементной базой (лампы, полупроводники, микросхемы различной степени интеграции), архитектурой и вычислительными возможностями.
Основное назначение больших ЭВМ - выполнение работ, связанных с обработкой и хранением больших объемов информации, проведением сложных расчетов и исследований в ходе решения вычислительных и информационно-логических задач. Такими машинами, как правило, оснащаются вычислительные центры, используемые совместно несколькими организациями. Большие машины составляли основу парка вычислительной техники до середины 70-х годов. К ним относятся большинство моделей фирмы IBM (семейства 360, 370, 390) и их отечественные аналоги ЕС ЭВМ.
Производительность больших ЭВМ оказывалась недостаточной для ряда приложений, например, таких как прогнозирование метеообстаиовки, ядерная энергетика, оборона и т. д. Эти обстоятельства стимулировали создание сверхбольших или суперЭВМ. Стоимость отдельной ЭВМ такого класса достигала десятков миллионов долларов. Представители этого класса ЭВМ - компьютеры фирм Cray Research, Control Data Corporation (CDC) и отечественные супер-ЭВМ семейства Эльбрус.
Средние ЭВМ. Вычислительные машины этого класса обладают несколько меньшими возможностями, чем большие ЭВМ, но зато им присуща и более низкая стоимость. Они предназначены для использования всюду, где приходится постоянно обрабатывать достаточно большие объемы информации с приемлемыми временными затратами. В настоящее время трудно определить четкую грань между средними ЭВМ и большими с одной стороны и малыми - с другой. К средним могут быть отнесены некоторые модели ЕС ЭВМ, например: ЕС-1036, ЕС-1130, ЕС-1120. За рубежом средние ЭВМ выпускают фирмы IBM (International Business Machinery), DEC (Digital Equipment Corporation), Hewlett Packard, СОМРАРЕХ и др.
Малые ЭВМ составляли самый многочисленный класс ЭВМ. Их популярность объяснялась малыми размерами, низкой стоимостью (по сравнению с большими и средними ЭВМ) и универсальными возможностями.
Класс мини-ЭВМ появился в 60-е годы (12-разрядная ЭВМ PD5-5 фирмы DEC). Их появление было обусловлено развитием элементной базы и избыточностью ресурсов больших и средних ЭВМ для ряда приложений. Для мини-ЭВМ характерно представление данных с узким диапазоном значений (машинное слово - 2 байта), использование принципа магистральности в архитектуре и более простое взаимодействие человека и ЭВМ. Такие машины широко применялись для управления сложными видами оборудования, создания систем автоматизированного проектирования и гибких производственных систем. К мини-ЭВМ относятся машины серии PDP (затем VAX) фирмы DEC и их отечественные аналоги - модели семейства малых ЭВМ (СМ ЭВМ).
При переходе от схем с малой и средней степенями интеграции к интегральным микросхемам с большой и сверхбольшой степенями интеграции оказалось возможным создание на одной БИС или СБИС функционально законченного устройства обработки информации, выполняющего функции процессора. Такое устройство принято называть микропроцессором. Изобретение микропроцессора привело к появлению еще одного класса ЭВМ - микро-ЭВМ. Определяющим признаком микро-ЭВМ является наличие одного или нескольких микропроцессоров. Создание микропроцессора не только изменило центральную часть ЭВМ, но и привело к необходимости разработки малогабаритных устройств ее периферийной части. Микро-ЭВМ, благодаря малым размерам, высокой производительности, повышенной надежности и небольшой стоимости нашли широкое pacnpocтpaнение во всех сферах народного хозяйства и оборонного комплекса. С появлением микропроцессоров и микро-ЭВМ становится возможным создание так называемых интеллектуальных терминалов, выполняющих сложные процедуры предварительной обработки информации.
Успехи в развитии микропроцессоров и микро-ЭВМ привели к появлению персональных ЭВМ (ПЭВМ), предназначенных для индивидуального обслуживания пользователя и ориентированных на решение различных задач неспециалистами в области вычислительной техники.
В начале 70-х годов фирмой Intel был выпущен микропроцессор (МП) i4004. И если до этого в мире вычислительной техники были только три направления (суперЭВМ, большие ЭВМ (мэйнфреймы) и мини-ЭВМ), то теперь к ним прибавилось еще одно - мик­ропроцессорное. В общем случае под процессором понимают функциональный блок ЭВМ, предназначенный для логической и арифметической обработки ин­формации на основе принципа микропрограммного управления. По аппаратной реа­лизации процессоры можно разделить на микропроцессоры (полностью интегри­рующие все функции процессора) и процессоры с малой и средней интеграцией. Конструктивно это выражается в том, что микропроцессоры реализуют все функ­ции процессора на одном кристалле, а процессоры других типов реализуют их путем соединения большого количества микросхем.
Итак, первый МП i4004 был создан фирмой Intel на рубеже 70-х годов. Он представлял собой 4-разрядное параллельное вычислительное устройство, и его возможности были сильно ограничены. 4004 мог производить четыре основные арифметические операции и применялся поначалу только в карманных калькуля­торах. Позднее сфера его применения была расширена за счет использования в различных системах управления (например, для управления светофорами). Фир­ма Intel, правильно предугадав перспективность микропроцессоров, продолжила интенсивные разработки, и один из ее проектов в конечном итоге привел к крупно­му успеху, предопределившему будущий путь развития вычислительной техники. Им стал проект по разработке 8-разрядного микропроцессора 8008 (1972 г.). Этот микропроцессор имел довольно развитую систему команд и умел делить числа. Именно он был использован при создании персонального компьютера Альтаир, для которого молодой Билл Гейтс написал один из своих первых интерпретаторов язы­ка Basic. Наверное, именно с этого момента следует вести отсчет 5-го поколения.
5-е поколение можно назвать микропроцессорным. Заметьте, что 4-е поколение за­кончилось только в начале 80-х, то есть «родители» в лице больших машин и их быстро взрослеющее и набирающее силы «чадо» в течение почти 10 лет относи­тельно мирно существовали вместе. Для них обоих это время пошло только на пользу. Проектировщики больших компьютеров накопили огромный теоретический и практический опыт, а программисты микропроцессоров сумели найти свою, пусть поначалу очень узкую, нишу на рынке. В 1976 году фирма Intel закончила разра­ботку 16-разрядного микропроцессора i8086. Он имел достаточно большую разряд­ность регистров (16 бит) и системной шины адреса (20 бит), за счет чего мог адре­совать до 1 Мбайт оперативной памяти. В 1982 году был создан i80286. Этот микропроцессор представлял собой улучшенный вариант i8086. Он поддерживал уже несколько режимов работы: реальный, когда формирование адреса производи­лось по правилам i8086, и защищенный, который аппаратно реализовывал многоза­дачность и управление виртуальной памятью, i80286 имел также большую разряд­ность шины адреса - 24 разряда против 20 у i8086, и поэтому он мог адресовать до 16 Мбайт оперативной памяти. Первые компьютеры на базе этого микропроцессо­ра появились в 1984 году. По своим вычислительным возможностям этот компью­тер стал сопоставим с IBM 370. Поэтому можно считать, что на этом 4-е поколение развития ЭВМ завершилось.

Этапы развития процессоров Intel Pentium.
Процессор Pentium
Родоначальником обширного семейства под общим названием Pentium (Pentium , Pentium MMX , Pentium II , Pentium HI , Pentium 4) стал процес­сор с индексом Р5, оснащенный интерфейсом Socket 4, чье производство началось в 1993 г. В том же году произошел переход на ядро Р54С с ин­терфейсом Socket 5, позднее - Socket 7. Линейка процессоров собственно Pentium включала модели с рабочими частотами 75-200 МГц. Процессоры производились с использованием различных технологических норм. Модели с частотами 75-120 МГц выполнены по 0,5-микронной техноло­гии, а процессоры с частотами 120-200 МГц - по 0,35-микронной. Ядро Р54С содержит 3,3 милли­она транзисторов, 16 Кбайт кэш-памяти перво­го уровня. Кэш-память второго уровня объемом до 1024 Кбайт размещалась на системной плате. Процессоры семейства Pentium имеют следую­щие основные особенности:

• 
  суперскалярная (два конвейера) архитектура;
• 
  динамическое предсказание ветвлений;
• 
  модуль конвейерной обработки операций с плавающей запятой; меньшее время исполнения инструкций;
• 
  раздельная кэш-память для данных и для инструкций (по 8 Кбайт); » протокол обратной записи в кэш данных;
• 
  64-битная шина данных;
• 
  конвейер циклов на шине;
• 
  контроль четности адресов;
• 
  внутренняя проверка четности;
• 
  контроль функциональной избыточности; » контроль исполнения;
• 
  мониторинг производительности;
• 
  режим управления системой (System Management Mode );
• 
  расширение виртуальных режимов;
• 
  интеллектуальное управление потреблением энергии (SL );
• 
  встроенный API (прикладной программный интерфейс).

Процессор Pentium MMX

Процессоры Pentium (ядро Р55С) с техно­логией MMX (Multi Media extension ) стали существенным шагом вперед в семействе Pentium . В основе технологии ММХ лежит метод SIMD (Single Instruction - Multiple Data ), который позволяет увеличить про­изводительность широкого набора муль­тимедийных приложений. Pentium MMX поддерживал 57 новых инструкций и че­тыре новых 64-разрядных типа данных. Производство Pentium MMX по технор-мам 280 нм развернулось в 1997 г. Кэш данных и кэш команд в Pentium MMX имеют объем по 16 Кбайт каждый. Разделение кэша увеличивает производительность, сокращая среднее время доступа к памяти и обеспечивая быстрый доступ к часто используемым инструкциям и данным. Кэш данных поддерживает два обращения одновременно, метод обратной записи (Write - back ) или по­строчной сквозной записи (Writethrough ). Динамическое предсказание ветвления использует буфер адреса перехода Branch Target Buffer (BTB ), который предсказывает наиболее вероятный набор инструкций для ис­полнения. Для повышения производительности была добавлена допол­нительная стадия конвейерной обработки. Запись в память происходит через область, состоящую из четырех буферов, которые используются совместно двумя конвейерами. Основные характеристики процессора:

• 
  4,5 миллиона транзисторов;
• 
  кэш-память L 2 объемом до 1024 Кбайт на системной плате; » 64-разрядная шина данных;
• 
  контроль целостности данных;
• 
  встроенный контроллер прерываний микропроцессора;
• 
  контроль производительности и отслеживание исполнения;
• 
  улучшение страничного обмена;

• 
  управление мощностью с помощью SL-технологии;
• 
  суперскалярная архитектура с возможностью параллельного ис­полнения двух целочисленных инструкций за один такт.

(FPU ) поддер­живает 32- и 64-битные форматы. Это дает возможность исполнения в одном такте двух инструкций с плавающей запятой. Многие инструкции, требовавшие микрокода в процессорах х86, теперь аппаратно встроены в процессор для обеспечения высокой производительности. Контрольные сигналы шины управляют согласованием кэш-памяти в мультипроцес­сорных системах.
Встроенный контроллер прерываний микропроцессора обеспечивает симметричную многопроцессорную обработку с минимальными затрата­ми. Впервые встроена аппаратная поддержка виртуальных прерываний. Проводится идентификация ядра процессора для получения информа­ции о семействе, модели и характеристиках процессора с помощью ко­манды CPUID . Определение ошибок внутренних устройств и интерфейса шины обеспечивает система защиты контроля четности и Machine Check Exception (MCE ). Также обеспечивается аппаратная поддержка для про­верки заверЩения цикла шины.
Процессор Pentium II

Процессор Pentium II на ядре Klamath начали выпускать в 1997 г. по тех­нологическим нормам 350 нм. Ядро размещалось в новом конструктиве - картридже с односторонним контактом (Single Edge Contact - SEC ), на­считывающим 242 контакта. Высокая интеграция данных и надежность обеспечивались шиной памяти и системной шиной с поддержкой ЕСС, механизмом анализа отказов, функцией восстановления и проверкой функциональной избыточности. Кэш-память второго уровня объемом 512 Кбайт располагалась на плате процессора и работала на половинной частоте.

В 1998 г. начался выпуск Pentium II на ядре Deschutes по технормам 250 нм. Семейство процессоров Intel Pentium II включало модели с так­товыми частотами 233-450 МГц. Существенное увеличение производи­тельности процессоров Pentium II по сравнению с предыдущими процес­сорами архитектуры Intel основано на сочетании технологии Pentium Pro с поддержкой новых инструкций ММХ. Укажем некоторые особенности архитектуры Pentium II :

• 
  число транзисторов 7,5 миллионов;
• 
  множественное предсказание ветвлений, предугадываются не­сколько направлений ветвлений программы;
• 
  анализ потока данных. В результате анализа зависимости инструк­ций друг от друга процессор разрабатывает оптимизированный график их выполнения;
• 
  спекулятивное исполнение. Процессор исполняет инструкции в со­ответствии с оптимизированным графиком загрузки блоков АЛУ;
• 
  полная поддержка технологии ММХ.

Архитектура двойной независимой шины (системная шина и шина кэша) обеспечивает повышение пропускной способности и производи­тельности, а также масштабируемость при использовании более одного процессора. Системная шина поддерживает множественные транзакции, что повышает пропускную способность. Производительность повышает­ся и за счет использования выделенной 64-разрядной шины кэш-памяти. Процессор имеет раздельный кэш первого уровня (16 + 16 Кбайт).
Конвейерный блок вычислений с плавающей запятой (FPU ) поддер­живает 32- и 64-разрядные форматы данных, а также формат 80 бит. Контроль четности сигналов адресации запроса и ответа системной шины с возможностью повторения обеспечивает высокую надежность и инте­грацию данных.
Технология ЕСС (Error Correction Code ) позволяет корректировать од­нобитные и выявлять двухбитные ошибки системной шины. Встроенный Self Test (BIST ) обеспечивает те же функции, что и в Pentium ММХ. Встроенные счетчики производительности обеспечивают управление производительностью и подсчет событий.
В результате целенаправленной политики Intel по разделению сек­торов рынка персональных компьютеров в 1998 г. появились процессоры Celeron , основанные на архитектуре Pentium П. Первые модификации (с ядром Covington ) не имели кэш-памяти второго уровня, поэтому от­ставали в производительности от Pentium II , но отличались прекрасной разгоняемостью. Процессоры Celeron с ядром Mendocino получили кэш­память второго уровня объемом 128 Кбайт. В 1999 г. на смену процессору Pentium II (Deschutes ) пришел Pentium III на новом ядре Katmai , которое получило блок SSE (Streaming SIMD Extensions ), расширенный набор команд ММХ и усовершенствованный механизм потокового доступа к памя­ти. Процессор насчитывал 9,5 миллионов транзисторов и выпускался по технормам 250 нм с интерфейсом Slot 1. Кэш второго уровня, размещен­ный в ядре, имел объем 512 Кбайт.
Интерфейс Socket 370
Celeron 233-533 МГц (апрель 1998 - январь 2000) Pentium III 500-1133 МГц (октябрь 1999 - июль 2001) Celeron II 533-1100 МГц (январь 2000 - июль 2001) Celeron/Pentium III 1000-1400 МГц (январь 2000 - июль 2001)
В 1998 г. для процессоров Pentium III был раз­работан интерфейс Socket 370, кристалл уста­навливался в пластиковый корпуса PPGA. Важным преимуществом Pentium III стала возможность исполнения расширенного на­бора инструкций SIMD , оперирующих со спе­циальными 128-битными регистрами. Каждый из них хранит четыре действительных числа одинарной точности. Таким образом, выполняя операцию над двумя регистрами, SSE факти­чески оперирует четырьмя парами чисел. То есть, благодаря этому процессор может выполнять до четырех операций одновременно. Однако разработчик программы должен использовать специальные команды, а также позаботиться о помещении и извлечении данных из четырех местных регистров, поэтому для использования всех вычислительных мощностей Pentium III необходима целенаправленная оптимизация кода. Таким образом, в Pentium III появился блок, подобный ММХ, но оперирующий действительными числами. Это решение способ­ствовало улучшению производительности процессора в следующих обла­стях:

• 
  трехмерная графика и моделирование, расчет освещенности с ис­пользованием вычислений с плавающей точкой;
• 
  обработка сигналов и моделирование процессов с широким диапа­зоном изменения параметров;
• 
  генерация трехмерных изображений в программах реального вре­мени, не использующих целочисленный код;
• 
  алгоритмы кодирования и декодирования видеосигнала, обрабаты­вающие данные блоками;
• 
  численные алгоритмы фильтрации, работающие с потоками данных.

С 2000 г. начался выпуск процессоров в корпусах FC-PGA. Последней модификацией Pentium III и Celeron стали процессоры на ядре Tualatin , изготавливаемом по технормам 130 нм. Модель Pentium III - S Tualatin имеет рабочую частоту до 1400 МГц, кэш-память второго уровня объе­мом 512 Кбайт. Ядро получило блок Data Prefetch , который стал одним из ключевых элементов будущей архитектуры Pentium 4. К сожалению, Pentium III - S потребовал новой модификации интерфейса Socket 370, что исключило возможность апгрейда действующих систем.
Интерфейс Socket 423

Процессор Pentium 4 на ядре Willamette имел новую архитектуру, основанную на техноло­гии NetBurst , ставшую логическим развитием архитектуры Pentium III - S на ядре Tualatin . Важным достоинством архитектуры Pentium 4 стал механизм термоконтроля, автоматиче­ски снижавший рабочую частоту, если темпе­ратура ядра превышала заданный порог. В ядро Willamette впервые внедрена поддерж­ка расширенного набора мультимедийных инструкций SSE 2. Вместе с тем, интерфейс

Socket 423 оказался не очень технологичным, и компания Intel была вы­нуждена отказаться от его использования.

Интерфейс Socket 478

Pentium 4 1300-2800 МГц (июль 2001 - март 2004) Celeron 1700-2930 МГц (июль 2001 - октябрь 2004) Pentium 4 ЕЕ 3200-3400 МГц (сентябрь 2003 - март 2004)

Интерфейс Socket 478 был внедрен одновремен­но с переходом процессоров Pentium 4 на ядро Northwood , оснащенное кэш-памятью второго уровня объемом 512 Кбайт. Платформа комплек­товалась чипсетами, поддерживающими один из трех видов оперативной памяти: Rambus DRAM (RDRAM ), SDRAM , DDR SDRAM . С упорством, достойным лучшего применения, Intel поддер­живала дорогую память RDRAM в ущерб более дешевой DDR SDRAM , что вызвало недовольство как производителей системных плат, так и пользователей. И только под давлением партнеров и потребителей был выпущен чипсет 845 D , поддерживающий DDR SDRAM.

Длинный конвейер Pentium 4 позволил постоянно наращивать рабо­чие частоты процессора и частоту системной шины. Частота процессора с ядром Northwood выросла до 3400 МГц, а частота системной шины - до 800 МГц. Модификация Celeron отличается от Pentium 4 урезанным вдвое объемом кэша L 2 и ограниченной 400 МГц частотой системной шины.
Интерфейс Socket 775

Pentium 4 2666-3800 МГц (с июня 2004) Celeron D 2533-3200 МГц (с июня 2004) Pentium 4 ЕЕ 3460-3730 МГц (с июня 2004)

Следующим крупным шагом компании Intel по совершенствованию тех­нологии стал перевод всех процессоров для настольных систем на интер­фейс Socket 775 LGA (Land Grid Array). Несколько ранее была внедрена усовершенствованная архитектура ядра Prescott (технормы 90 нм). Ядро отличается удлиненным исполнительным конвейером, увеличенным до 1024 Кбайт объемом кэша L2, поддержкой набора ин­струкций SSE 3. При этом тепловая мощ­ность процессора Pentium 4 на ядре Prescott с частотой 3,8 ГГц достигла 125 Вт.

Процессоры семейства Celeron D обяза­ны своим появлением внедрению технорм 90 нм. Соответственно политике компании Intel , бюджетная модификация получила вдвое урезанный кэш (то есть 256 Кбайт) и ограниченную до 533 МГц частоту системной шины.

Переход на новый интерфейс ознаменовался знаменательным событием: компания Intel отказалась от маркировки процессоров по рабочей частоте и по примеру компании AMD ввела маркировку по рейтингу (процессорному номеру).

Особое место в семействе Pentium 4 занимают процессоры с маркировкой Extreme Edition (ЕЕ). Они построены на совершенно ином ядре Gallatin (технормы 130 нм). Основное отличие Pentium 4 ЕЕ заключается в наличии кэш-памяти третьего уровня объемом 2 Мбайт и увеличенной до 1066 МГц частоте системной шины.

4.Тенденции развития вычислительной техники

По мнению специалистов, в первом десятилетии XXI в. будут повышаться значимость программного обеспечения, возрастание проблем его совместимости и обеспечения безопасности.

Среди операционных систем дальнейшее развитие получат системы Linux и Windows. С точки зрения конечного пользователя, уже в ближайшие годы должны произойти серьезные изменения в стиле его общения с компьютером. Во-первых, будет шире использоваться графический ввод данных, в том числе в режиме автоматического распознавания рукописного ввода. Во-вторых, будет использоваться голосовой ввод - сначала для управления командами, а потом будет осваиваться и автоматическая оцифровка речи. Для решения вышеуказанных задач будут разрабатываться соответствующие внешние устройства.

Огромное значение в будущем будут иметь работы в области интеллектуальной обработки неструктурированных данных, в первую очередь текстов, а затем графики, звука, видео.

Одним из наиболее перспективных направлений развития вычислительной техники является реализация концепции сетевых вычислений, использующая идею привлечения для вычислений свободных ресурсов компьютеров. Эта концепция получила название Grid и включает в себя пять ключевых пунктов:

Применение открытых стандартов;

Объединение разнородных систем;

Совместное использование данных;

Динамическое выделение ресурсов;

Объединение вычислительных сетей множества предприятий и организаций.

Развитие ЭВМ будет идти по пути создания оптоэлектронных ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой, представляющих собой распределенную сеть большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Дальнейшее развитие получат переносные персональные компьютеры с беспроводным подключением к глобальной сети Интернет.

Следует отметить, что развитие вычислительной техники всецело зависит от тенденций развития мировой экономической системы.

Лекция № 6 История развития вычислительной техники

Лекция № 3 Поколения и классификация ЭВМ

1.Поколения вычислительной техники

Выделяют пять поколений ЭВМ.

Первое поколение (1945-1954) характеризуется появлением техники на электронных лампах. Это эпоха становления вычислительной техники. Большинство машин первого поколения были экспериментальными устройствами и создавались с целью проверки тех или иных теоретических положений. Вес и размеры этих компьютеров были такими, что они нередко требовали отдельных зданий.

Основоположниками компьютерной науки по праву считаются Клод Шеннон - создатель теории информации, Алан Тьюринг - математик, разработавший теорию программ и алгоритмов, и Джон фон Нейман - автор конструкции вычислительных устройств, которая до настоящего времени лежит в основе большинства компьютеров. В те же годы возникла еще одна новая наука, связанная с информатикой, - кибернетика - наука об управлении как одном из основных информационных процессов. Основателем кибернетики является американский математик Норберт Винер.

Во втором поколении (1955-1964) вместо электронных ламп использовались транзисторы, а в качестве устройств памяти стали применяться магнитные сердечники и барабаны - прототипы современных жестких дисков. Все это позволило сократить габариты и стоимость компьютеров, которые тогда впервые стали производиться на продажу.

Но главные достижения этой эпохи относятся к области программ. Во втором поколении впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой. Тогда же были разработаны первые языки высокого уровня - Фортран, Алгол, Кобол. Два этих важных усовершенствования позволили значительно упростить и ускорить написание программ для компьютеров.

При этом расширялась сфера применения компьютеров. Теперь уже не только ученые могли рассчитывать на доступ к вычислительной технике, поскольку компьютеры нашли применение в планировании и управлении, а некоторые крупные фирмы даже начали компьютеризировать свою бухгалтерию, предвосхищая этот процесс на двадцать лет.

В третьем поколении (1965-1974) впервые стали использоваться интегральные схемы - целые устройства и узлы из десятков и сотен транзисторов, выполненные на одном кристалле полупроводника (микросхемы). В то же время появилась полупроводниковая память, которая и до настоящего времени используется в персональных компьютерах в качестве оперативной.

В те годы производство компьютеров приняло промышленный размах. Фирма IBM первой реализовала серию полностью совместимых друг с другом компьютеров от самых маленьких, размером с небольшой шкаф (меньше тогда еще не делали), до самых мощных и дорогих моделей. Наиболее распространенным в те годы было семейство System/360 фирмы IBM, на основе которого в СССР была разработана серия ЕС ЭВМ. Еще в начале 1960-х гг. появились первые миникомпьютеры - маломощные компьютеры, доступные по цене небольшим фирмам или лабораториям. Мини-компьютеры были первым шагом на пути к персональным компьютерам, пробные образцы которых были выпущены только в середине 1970-х гг.

Между тем количество элементов и соединений, умещающихся в одной микросхеме, постоянно росло, и в 1970-е гг. интегральные схемы содержали уже тысячи транзисторов.

В 1971 г. фирма Intel выпустила первый микропроцессор, который предназначался для только появившихся настольных калькуляторов. Это изобретение произвело в следующем десятилетии настоящую революцию. Микропроцессор является главной составляющей частью современного персонального компьютера.

На рубеже 1960 -70-х гг. (1969) появилась первая глобальная компьютерная сеть ARPA, прототип современной сети Интернет. В том же 1969 г. одновременно появились операционная система Unix и язык программирования С ("Си"), оказавшие огромное влияние на программный мир и до сих пор сохраняющие свое главенствующее положение.

Четвертое поколение (1975 -1985) характеризуется небольшим количеством принципиальных новаций в компьютерной науке. Прогресс шел в основном по пути развития того, что уже изобретено и придумано, прежде всего, за счет повышения мощности и миниатюризации элементной базы и самих компьютеров.

Самая главная новация четвертого поколения - это появление в начале 1980-х гг. персональных компьютеров. Благодаря им вычислительная техника становится по-настоящему массовой и общедоступной. Несмотря на то, что персональные и мини-компьютеры по-прежнему по вычислительной мощности отстают от солидных машин, большая часть новшеств, таких как графический пользовательский интерфейс, новые периферийные устройства, глобальные сети, связана с появлением и развитием именно этой техники.

Большие компьютеры и суперкомпьютеры, конечно же, продолжают развиваться. Но теперь они уже не доминируют в компьютерном мире, как было раньше.

Некоторые характеристики вычислительной техники четырех поколений приведены в

Пятое поколение (1986 г. до настоящего времени) в значительной мере определяется результатами работы японского Комитета научных исследований в области ЭВМ, опубликованными в 1981г. Согласно этому проекту ЭВМ и вычислительные системы пятого поколения кроме высокой производительности и надежности при более низкой стоимости с помощью новейших технологий должны удовлетворять следующим качественно новым функциональным требованиям:

обеспечить простоту применения ЭВМ путем реализации систем ввода/вывода информации голосом, а также диалоговой обработки информации с использованием естественных языков;

обеспечить возможность обучаемости, ассоциативных построений и логических выводов;

упростить процесс создания программных средств путем автоматизации синтеза программ по спецификациям исходных требований на естественных языках;

улучшить основные характеристики и эксплуатационные качества вычислительной техники для удовлетворения различных социальных задач, улучшить соотношения затрат и результатов, быстродействия, легкости, компактности ЭВМ;

обеспечить разнообразие вычислительной техники, высокую адаптируемость к приложениям и надежность в эксплуатации.

В настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию оптоэлектронных ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой, представляющих собой распределенную сеть большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

2.Классификация электронно-вычислительных машин

ЭВМ можно классифицировать по ряду признаков:

По принципу действия.

По назначению ЭВМ.

По размерам и функциональным возможностям.

По принципу действия ЭВМ :

АВМ – аналоговые вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения);

ЦВМ – цифровые вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной (цифровой) форме;

ГВМ – гибридные вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной как в цифровой, так и аналоговой форме. ГВМ совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. Их целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

По назначению ЭВМ :

универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и других, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных;

проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими процессами;

специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций.

По размерам и функциональным :

сверхмалые (микро ЭВМ ) обязаны своим появлением изобретению микропроцессора, наличие которого первоначально служило определяющим признаком микро ЭВМ, хотя сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ;

малые (мини-ЭВМ) используются чаще всего для управления технологическими процессами;

большие ЭВМ чаще всего называют мэйнфреймами (mainframe). Основные направления эффективного применения мэйнфреймов – это решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами;

сверхбольшие (суперЭВМ) – мощные многопроцессорные вычислительные машины быстродействием десятки миллиардов операций в секунду и объемом оперативной памяти десятки Гбайт.

3.Принципы строения и функционирования ЭВМ Джона фон Неймана

Большинство современных ЭВМ функционирует на основе принципов, сформулированных в 1945 г. американским ученым венгерского происхождения Джоном фон Нейманом.

1. Принцип двоичного кодирования . Согласно этому, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных символов (сигналов).

2. Принцип программного управления . Компьютерная программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

3. Принцип однородности памяти . Программы и данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

4. Принцип адресности . Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, любая из которых доступна процессору в любой момент времени.

Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков:

1) устройство ввода/вывода информации;

2) память ЭВМ;

3) процессор, включающее устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ).

В ходе работы ЭВМ информация через устройства ввода попадает в память. Процессор извлекает из памяти обрабатываемую информацию, работает с ней и помещает в нее результаты обработки. Полученные результаты через устройства вывода сообщаются человеку.

Память ЭВМ состоит из двух видов памяти: внутренней (оперативной ) и внешней (долговременной ).

Оперативная память – это электронное устройство, которое хранит информацию, пока питается электроэнергией. Внешняя память – это различные магнитные носители (ленты, диски), оптические диски.

За прошедшие десятилетия процесс совершенствования ЭВМ шел в рамках приведенной обобщенной структуры.

4.Классификация персональных компьютеров

Как указывалось выше, персональный компьютер (ПК) представляет собой универсальную однопользовательскую микро ЭВМ.

Персональный компьютер в первую очередь является общедоступной ЭВМ и обладает определенной универсальностью.

Для удовлетворения потребностей пользователя ПК должен обладать следующими свойствами:

иметь относительно небольшую стоимость, быть доступным для индивидуального покупателя;

обеспечивать автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;

обеспечивать гибкость архитектуры, делающей возможным ее перестройку для разнообразных применений в сфере управления, науки, образования, в быту;

операционная система и программное обеспечение должны быть достаточно простыми, чтобы с ПК мог работать пользователь без профессиональной специальной подготовки;

иметь высокую надежность работы (более 5000 ч наработки на отказ).

В соответствии с международным стандартом-спецификацией РС99 ПК по назначению делятся на следующие категории:

массовый ПК (Consumer);

деловой ПК (Office PC);

портативный ПК (Mobile PC);

рабочая станция (Workstation PC);

развлекательный ПК (Entertainment PC).

Большинство ПК, имеющихся в настоящее время на рынке, являются массовыми. Для деловых ПК минимизированы требования к средствам воспроизведения графики, а к средствам работы со звуковыми данными требования вообще не предъявляются. Для портативных ПК обязательным является наличие средств для создания соединений удаленного доступа, т.е. средств компьютерной связи. В категории рабочих станций повышены требования к устройствам хранения данных, а в категории развлекательных ПК – к средствам воспроизведения звука и видео.

По поколениям ПК делятся:

на ПК 1-го поколения, используют 8-битные микропроцессоры;

ПК 2-го поколения, используют 16-битные микропроцессоры;

ПК 3-го поколения, используют 32-битные микропроцессоры;

ПК 4-го поколения, используют 64-битные микропроцессоры.

ПК можно также разделить на две большие группы: стационарные и переносные. К переносным компьютерам относятся ноутбуки, электронные записные книжки, секретари и блокноты.