zaeto.ru

Принципы построения и архитектура ЭВМ история развития компьютеров – 2ч

Другое
Экономика
Финансы
Маркетинг
Астрономия
География
Туризм
Биология
История
Информатика
Культура
Математика
Физика
Философия
Химия
Банк
Право
Военное дело
Бухгалтерия
Журналистика
Спорт
Психология
Литература
Музыка
Медицина
добавить свой файл
 

 
страница 1 страница 2 страница 3 страница 4


Принцип открытой архитектуры IBM PC


До появления ПК IBM все модели микрокомпьютеров имели закрытую архитектуру. Это означало, что аппаратные средства компьютера оставались для конечного пользователя "вещью в себе": любая их модификация требовала достаточно высокой специальной квалификации в области электроники. Совершенствование микрокомпьютера оставалось уделом профессионалов-разработчиков, а пользователям приходилось довольствоваться тем, что они приобретали. С того момента, когда на корпусе микрокомпьютера при его сборке был завернут последний винт, система была обречена на необратимое старение. Безусловно, это не означало кризисного положения в производстве ПК, но спрос на них (и, соответственно, объем производства и сбыта) был весьма невелик, а производительность не могла быть даже сравнима с профессиональными мини-ЭВМ. Именно поэтому первоначально их чаще называли "домашними", а не "персональными". Вот как открытость архитектуры IBM PC повлияла на развитие персональных компьютеров:

  1. Перспективность и популярность IBM PC сделала весьма привлекательным производство различных комплектующих и дополнительных устройств для IBM PC. Конкуренция между производителями привела к удешевлению комплектующих и устройств.

  2. Очень скоро многие фирмы перестали довольствоваться ролью производителей комплектующих для IBM PC и начали сами собирать компьютеры, совместимые с IBM PC. Поскольку этим фирмам не требовалось нести огромные издержки фирмы IBM на исследования и поддержание структуры громадной фирмы, они смогли продавать свои компьютеры значительно дешевле (иногда в 2-3 раза) аналогичных компьютеров фирмы IBM. Совместимые с IBM PC компьютеры вначале стали презрительно называли “клонами”, но эта кличка не прижилась, так как многие фирмы-производители IBM PC-совместимых компьютеров стали реализовывать технические достижения быстрее, чем сама IBM.

  3. Пользователи получили возможность самостоятельно модернизировать свои компьютеры и оснащать их дополнительными устройствами сотен различных производителей. Все это привело к удешевлению IBM PC-совместимых компьютеров и стремительному улучшению их характеристик, а значит, к росту их популярности. Фирма 1ВМ произвела в этой области настоящий переворот. Так как еще до появления ее первого ПК IBM была фирмой-производителем больших вычислительных систем и мини-ЭВМ, она просто перенесла модульный принцип их построения в структуру ПК. Именно в этом смысле его открытая архитектура допускает замену дополнительных устройств на новые при старении прежних. Это качество поддерживается строго соблюдаемым правилом, выработанным производителями аппаратных и программных средств: все новые устройства и программы должны быть совместимыми по принципу "сверху - вниз", то есть последующие версии должны обслуживать все ранее существовавшее. Например: пользователь приобрел ПК IBM с монохромным (одноцветным) монитором и таким же видеоконтроллером (контроллером, который управляет монитором). Через 1-2 года на рынке появился цветной контроллер. Даже неспециалист в состоянии извлечь из системы устаревшее устройство и заменить его новым. Еще через 2 года появился улучшенный цветной графический контроллер. Пользователь вновь заменяет лишь один из компонентов ПК и так далее.

  4. Преимущества подобного подхода очевидны: во-первых, нет необходимости в замене системы в целом, если возможно ее обновление "по частям", во-вторых, совершенствование ПК становится уделом самого пользователя, который вследствие своей близости к конкретному применению ПК лучше представляет себе, что требуется от системы, а в-третьих, процесс ремонта сводится к замене не отдельного элемента, а устройства в целом, что можно делать намного быстрее. Именно вследствие удачного конструктивного решения через короткий срок после рождения IBM РС (IBM Реrsonal Соmputer) началось лавинообразное нарастание производства ПК, совместимых с оригинальной моделью. Достаточно сказать, что производитель прежде весьма популярных микрокомпьютеров TRS-80 - фирма Таndу Corporation достаточно быстро освоила производство IBM-совместимых ПК, эффективно переориентировав производство. Модели ПК выпускаются и другими фирмами. Как правило, они полностью совместимы с соответствующими моделями IBM, но стоят дешевле (иногда весьма значительно). Это семейство микрокомпьютеров получило название "клона" IBM. Так как сам по себе принцип открытой архитектуры не подлежит авторской и патентной защите, то вследствие "клонирования" ПК сторонними производителями фирма IBM начала быстро утрачивать монополию на контроль рынка ПК и терять доходы. Только тогда специалисты IBM поняли, насколько замечательное решение они предложили. Можно сказать, что в этом отношении фирма сработала частично против себя, но от этого выиграли потребители. Любая из моделей "клона" оказывалась в конечном счете лучше своего прототипа (по быстродействию, дизайну и т.д.), то есть IBM как бы инициировала процесс разработки очередного ПК, а затем другие производители всесторонне совершенствовали каждую из моделей. Неудивительно, что к настоящему моменту IBM, имея в руках весь арсенал сверхсовременных технологий, является хоть и самым крупным, но не самым популярным производителем ПК своей собственной архитектуры; и совсем не ее модели занимают первые места в рейтинге ПК.

Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной техники3. Инженеры-схемотехники проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы их сопряжения друг с другом. Системные программист создают программы управления техническими средствами, информационного взаимодействия между уровнями, организации вычислительного процесса. Программисты-прикладники разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и необходимый сервис при решении ими своих задач.

Самого же пользователя интересуют обычно более общие вопросы, касающиеся его взаимодействия с ЭВМ (человеко-машинного интерфейса), начиная со следующих групп характеристик ЭВМ, определяющих ее структуру:


  • технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, показатели надежности, достоверности, точности, емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и программных средств, особенности эксплуатации и др.);

  • характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; возможность расширения состава технических и программных средств; возможность изменения структуры;

  • состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).

Дополнительная литература

Гейтс Билл. Дорога в будущее / Ю.Е. Купцевич (пер.). М.: Изд. отд. "Рус. ред." ТОО "Channel Trading Ltd.", 1996. — 312 с. ISBN 0-670-77289-5 (англ.). — ISBN 5-7502-0019-1.


  • Путешествие в страну Персональных Компьютеров

(учебное пособие для 5 - 7 классов обшеобразовательных школ).
Н.Я.Сотникова, В.Б.Ильин, А.Ф.Холтыгин,
Издательство Норинт, СПб, 2000.

Максимович Г. Беседы с академиком В.Глушковым. - М.: Молодая гвардия,1976. - 208 с.



Структурная схема ЭВМ. Назначение основных блоков схемы. -1 ч


Электронная вычислительная машина - комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей. Первые годы существования ВТ существенно различались потребители вычислительных услуг и собственно пользователи ЭВМ. Под потребителем понимают человека, в ин­тере­сах которого проводится обработка данных на ЭВМ. В качестве пользователя выступает, как правило, персонал, имеющий непосредственный контакт со СВТ, т.е. программисты, операторы.

Требования потребителей и пользователей к выполнению вычислительных работ удовлетворяются специальным подбором и настройкой технических и программных средств. Обычно эти средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру – программно-технический комплекс (ПТК). Как правило, время подготовки задач во много раз превышает время их решения.

Появление терминальных рабочих мест и особенно распространение ПК привело к тому, что заказчики вычислительных работ (потребители) стали пользователями. Это наложило новые требования на ПТК.

Структура - совокупность элементов и их связей. Различают структуры технических, программных и аппаратно-программных средств. Выбирая ЭВМ для решения своих задач, пользователь интересуется функциональными возможностями технических и программных модулей (как быстро может быть решена задача, насколько ЭВМ подходит для решения данного круга задач, какой сервис программ имеется для данной ЭВМ, возможности диалогового режима, стоимость подготовки и решения задач и т.д.). При этом пользователь интересуется не конкретной технической и программной реализацией отдельных модулей, а более общими вопросами возможности организации вычислений. Последнее включается в понятие архитектуры ЭВМ, содержание которого достаточно обширно.

Архитектура ЭВМ (англ. Computer architecture) — концептуальная структура вычислительной машины4, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения. Т.о. архитектура определяет состав и принципы взаимодействия электронных устройств, из которых строится ЭВМ.

В настоящее время наибольшее распространение в ЭВМ получили 2 типа архитектуры: принстонская (фон Неймана) и гарвардская. Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.

В более подробное описание, определяющее конкретную архитектуру, также входят: структурная схема ЭВМ, средства и способы доступа к элементам этой структурной схемы, организация и разрядность интерфейсов ЭВМ, набор и доступность регистров, организация памяти и способы её адресации, набор и формат машинных команд процессора, способы представления и форматы данных, правила обработки прерываний.

По перечисленным признакам и их сочетаниям среди архитектур выделяют:



  • По разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-разрядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности);

  • По особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW;

CISC (англ. сomplex instruction set computing, или англ. complex instruction set computer — компьютер с полным набором команд) — концепция проектирования процессоров, которая характеризуется следующим набором свойств:

  • нефиксированное значение длины команды;

  • арифметические действия кодируются в одной команде;

  • небольшое число регистров, каждый из которых выполняет строго определённую функцию.

RISC (англ. Restricted (reduced) instruction set computer — компьютер с сокращённым набором команд) — архитектура процессора, в которой быстродействие увеличивается за счёт упрощения инструкций, чтобы их декодирование было более простым, а время выполнения — короче. Первые RISC-процессоры даже не имели инструкций умножения и деления. Это также облегчает повышение тактовой частоты и делает более эффективной суперскалярность (распараллеливание инструкций между несколькими исполнительными блоками).

VLIW (англ. very long instruction word — «очень длинная машинная команда») — архитектура процессоров с несколькими вычислительными устройствами. Характеризуется тем, что одна инструкция процессора содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно. Фактически это «видимое программисту» микропрограммное управление, когда машинный код представляет собой лишь немного свернутый микрокод) для непосредственного управления аппаратурой.

В суперскалярных процессорах также есть несколько вычислительных модулей, но задача распределения между ними работы решается аппаратно. Это сильно усложняет дизайн процессора, и может быть чревато ошибками. В процессорах VLIW задача распределения решается во время компиляции и в инструкциях явно указано, какое вычислительное устройство должно выполнять какую команду.

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


  • По количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные;

  • многопроцессорные по принципу взаимодействия с памятью: симметричные многопроцессорные (SMP), масcивно-параллельные (MPP), распределенные.

Джон фон Нейман – историческая справка




Принципы фон Неймана


Как я уже говорил, Джон фон Нейман обнародовал основные принципы построения компьютера, заложенные еще Бэббиджем, а впоследствии Эйкеном (MARK-1), Мочли и Экертом (ENIAC). Однако, как это часто бывает, именно под именем фон Неймана они вошли в историю развития ВТ.

В чем же они заключаются?



  1. Принцип двоичности: Для представления данных и команд используется двоичная система счисления.

  2. Принцип однородности памяти: компьютер должен содержать память и управляться с помощью программы, хранимой в памяти (Бэббидж, Лавлейс). Команды и данные хранятся в одной и той же памяти и кодируются в одной и той же системе счисления. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

  3. Принцип программного управления: компьютер должен содержать АЛУ (арифметико-логическое устройство), которое извлекает и выполняет команды, хранящиеся в ОП.

  4. Принцип взаимодействия с ВМ: компьютер должен содержать ВУ (внешние устройства) для ввода, вывода и долгосрочного хранения информации


прямоугольник 90
АЛУ

УУ

ВУ

прямая соединительная линия 85прямая соединительная линия 86


прямая соединительная линия 80прямая соединительная линия 81прямая соединительная линия 82прямая соединительная линия 83прямая соединительная линия 84


ОП

упрямая соединительная линия 78правляющие потоки

ипрямая соединительная линия 77нформационные потоки


УУ (устройство управления), обеспечивает взаимодействие между компонентами.

Эта схема практически не претерпела изменений с момента появления первых ЭВМ.

Произошедшие изменения больше связаны с технологическим исполнением отдельных узлов и перераспределением некоторых функций между основными компонентами ВМ.

Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. В основе его лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.



Алгоритм - конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций

Программа для ЭВМ - упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке (стандарт ISO 2382/1-84).

Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов - команд. Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, место нахождения (адреса) операндов и ряд служебных признаков.



Операнды - переменные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных. Совокупность всех переменных (входных данных, промежуточных значений и результатов вычислений) является еще одним неотъемлемым элементом любой программы.

Для доступа к программам, командам и операндам используются их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ, предназначенных для хранения объектов.

Минимальной единицей информации является бит – один двоичный разряд, принимающий значение 0 или 1.

Минимальной адресуемой единицей информации в ЭВМ является байт. Байт содержит 8 двоичных разрядов. Обычно все форматы данных, используемые в ЭВМ, кратны байту, т.е. состоят из целого числа байтов.

Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. Например, в каждой команде программы различают поле кода операций, поле адресов операндов. Применительно к числовой информации выделяют знаковые разряды, поле значащих разрядов чисел, старшие и младшие разряды.

Последовательность, состоящая из определенного принятого для данной ЭВМ числа байтов, называется словом. Для больших ЭВМ размер слова составляет четыре байта, для ПЭВМ - два байта. В качестве структурных элементов информации различают также полуслово, двойное слово и др.

Введенная информация полностью или частично сначала запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации, где преобразуется в специальный объект - файл - идентифицированная совокупность экземпляров полностью описанного в конкретной программе типа данных, находящихся вне программы во внешней памяти и доступных программе посредством специальных операций (ГОСТ 20866 - 85)”.

Гарвардская архитектура


Основной особенностью Гарвардской архитектуры является использование раздельных адресных пространств для хранения команд и данных. В Гарвардской архитектуре принципиально невозможно производить операцию записи в память программ, что исключает возможность случайного разрушения управляющей программы в случае неправильных действий над данными.

История


В 30-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру компьютера для военно-морской артиллерии. Победила разработка Принстонского университета (архитектура фон Неймана), так как она была проще в реализации. Гарвардская архитектура использовалась Китовым в М-100 (ВЦ-1 МО СССР, 1958)5..

Классическая гарвардская архитектура


Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие.

Модифицированная гарвардская архитектура


Соответствующая схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток — высокую стоимость. При разделении каналов передачи команд и данных на кристалле процессора последний должен иметь почти в два раза больше выводов (так как шины адреса и данных составляют основную часть выводов микропроцессора). Способом решения этой проблемы стала идея использовать общую шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой.

Такой подход применяется в современных сигнальных процессорах. Еще дальше по пути уменьшения стоимости пошли при создании однокристалльных ЭВМ — микроконтроллеров. В них одна шина команд и данных применяется и внутри кристалла.

Разделение шин в модифицированной Гарвардской структуре осуществляется при помощи раздельных управляющих сигналов: чтения, записи или выбора области памяти.

Расширенная гарвардская архитектура


Часто требуется выбрать три составляющие: два операнда и инструкцию (в алгоритмах цифровой обработки сигналов это наиболее распространенная задача в БПФ и КИХ, БИХ фильтрах). Для этого существует кэш-память. В ней может храниться инструкция — следовательно, обе шины остаются свободными и появляется возможность передать два операнда одновременно. Использование кэш-памяти вместе с разделёнными шинами получило название «Super Harvard Architecture» («SHARC») — расширенная Гарвардская архитектура.

Примером могут служить процессоры «Analog Devices»: ADSP-21xx — модифицированная Гарвардская Архитектура, ADSP-21xxx(SHARC) — расширенная Гарвардская Архитектура.


Гибридные модификации с архитектурой фон Неймана


Существуют гибридные модификации архитектур, сочетающие достоинства как Гарвардской, так и фон Неймановской архитектур. Современные CISC-процессоры обладают раздельной кэш-памятью 1-го уровня для инструкций и данных, что позволяет им за один такт получать одновременно как команду, так и данные для её выполнения, то есть процессорное ядро, формально, является гарвардским, но с программной точки зрения выглядит как фон Неймановское, что упрощает написание программ. Обычно в данных процессорах одна шина используется и для передачи команд, и для передачи данных, что упрощает конструкцию системы. Современные варианты таких процессоров могут иногда содержать встроенные контроллеры сразу нескольких разнотипных шин для работы с различными типами памяти — например, DDR RAM и Flash. Тем не менее, и в этом случае шины, как правило, используются и для передачи команд, и для передачи данных без разделения, что делает данные процессоры еще более близкими к фон Неймановской архитектуре при сохранении плюсов Гарвардской архитектуры.

страница 1 страница 2 страница 3 страница 4


Смотрите также:





<< предыдущая страница         следующая страница >>

скачать файл




 



 

 
 

 

 
   E-mail:
   © zaeto.ru, 2018