Тема 1 Класичні основи побудови еом. Покоління комп’ютерів



Скачати 336.74 Kb.
Дата конвертації30.12.2016
Розмір336.74 Kb.
ТЕМА 1 Класичні основи побудови ЕОМ. Покоління комп’ютерів.

Основи побудови електронних обчислювальних машин в їх сучасному розумінні були закладені в 30-і - 40-і роки минулого століття видними ученими: англійським математиком Аланом Т’юрінгом і американцем угорського походження Джоном (Яношем) Нейманом.


Машина Тюрінга

У 1936 році А. Тьюрінг сформулював поняття абстрактної обчислювальної машини. Одночасно з ним, хоча і не в такій явній формі, це ж зробив Е. Пост (США). Хоча машина Тюрінга (МТ) не стала пристроєм, що реально діяв, вона до теперішнього часу постійно використовується як основна модель для з'ясування суті таких понять, як "обчислювальний процес", "алгоритм", а також для з'ясування зв'язку між алгоритмом і обчислювальними машинами.



Основні положення машини Т’юрінга

  1. Машина Т’юрінга (рис.1) має кінцеве число знаків si, які створюючих зовнішній алфавіт, в котрому кодується інформація, яка подавається МТ, а також що виробляються в ній. Серед знаків є порожній знак (s1), посилка якого в яку-небудь комірку стирає знак, що знаходився в ній, і залишає її порожньою.


Рис. 1. Структура машини Т’юринга

Залежно від поданої початкової інформації α (що містяться на стрічці зовнішньої пам'яті знаків) можливі два випадки:



    • після кінцевого числа тактів машина зупиняється (маючи інформацію β), подаючи сигнал про зупинку. В цьому випадку МТ застосовується до інформації α і переробляє її в інформацію β;

    • зупинка ніколи не наступає. В цьому випадку МТ не може бути застосовна до початкової інформації α.

  1. У кожен момент спостерігається лише одна комірка стрічки (пам'яті). Перехід може здійснюватися лише до сусідньої комірки ( r - вправо, l-вліво, n- немає переходу (залишитися)). Перехід до довільної комірки проводиться шляхом послідовного перебору всіх комірок, що розділяють поточну і необхідну комірку. На кожному окремому такті t команда виконує тільки заміну єдиного знаку si, що зберігається в комірці, яким-небудь іншим знаком sj.

  2. Логічний блок МТ має кінцеве число станів {qi} i=1..m.

Знаки r, l, n, q1..,qm утворюють внутрішній алфавіт машини.

Важлива особливість машини Тюрінга - перетворення інформації на кожному такті відбувається лише в одній комірці, останні чекають відвідин головки.

Просте рішення - використання декількох машин Тюрінга із загальною для них зовнішньою пам'яттю (стрічкою) - не завжди допустимо із-за можливих конфліктів при зверненні до однієї і тієї ж комірки пам'яті.

Архітектура класичної ЕОМ. Принципи фон Неймана

В 1945 році відомий американський математик Дж. фон Нейман сформулював основні принципи побудови програмно-керованих ЕОМ, котрі в подальшому доповнювалися та уточнювались:

- програмного керування, який полягає в тому, що ЕОМ може автоматично проводити перетворення вихідних даних у відповідністю із заданою програмою;

- умовного переходу, що придає гнучкість та універсальність програмам за рахунок забезпечення можливості переходу в процесі вирішення задачі на ту чи іншу ділянку програми в залежності від результатів проміжних обчислень або вхідних даних;

- збереженої програми, котрий полягає в тому, що її розміщують в запам’ятовуючий пристрій ЕОМ;

- довільного доступу до елементів пам’яті;

- використання двійкової системи числення;

- багаторівневої ієрархічної пам’яті.

Ці принципи актуальні і для сучасних ЕОМ, але створення нових поколінь та сімейств машин доповнює та уточнює їх.

В ЕОМ, починаючи з третього покоління (див. далі покоління комп’ютерів), додатково застосовуються наступні принципи:

- мультипрограмування – сумісного виконання різних команд однієї і тієї ж або різних, незалежних одна від одної, програм, котрі зберігаються в оперативній пам’яті;

- інформаційної та програмної сумісності, що дозволяє виконувати наявні програми на різних моделях сімейства;

- високого рівня технічної стандартизації, що виявляється в єдиній для всіх машин номенклатурі зовнішніх та інших пристроїв;

- можливості організації багато етапної роботи зі створенням та удосконаленням ЕОМ.

Машини четвертого покоління будуються за принципами:

- багатопроцесорності, що передбачає комутацію декількох процесорів при роботі на загальну пам’ять;

- організації віртуальної пам’яті, що забезпечує практично не обмежений об’єм адресного простору ОЗП;

- широкого використання ВІС та НВІС і макромодульної структури, основою якої складає ідея побудови з великим стандартизованих блоків (макромодулів) функціонального гнучких обчислювальних систем;

- використання внутрішніх мов високого рівня.

Машини п’ятого покоління відрізняються:

- значним підвищенням інтелектуального рівня процесорів;

подальшим розвитком функції вводу-виводу графіки, зображень, документів, мови;

- можливості діалогової обробки інформації за допомогою природної мови;

навченістю, здібністю до асоціативних побудов та отримання висновків.

Мови програмування в процесі формування програм можуть реалізувати безпосередній інтерфейс між людиною і машиною. Це мови надвисокого рівня, котрі забезпечують цю можливість:

- підтримання засобів верифікації та підвищення загальної надійності програм;

- забезпеченням розумної взаємодії користувачів з обчислювальною системою на різному рівні доступу до бази даних для вибірки потрібної інформації та до бази для отримання нових представлень, необхідних для вирішення незнайомих задач;

- використання існуючих програмних фондів, орієнтованих на традиційну архітектуру ЕОМ.

Спеціалізовані комп’ютери призначені для різкого підвищення продуктивності при вирішенні окремих видів задач. Цього досягли на перших етапах за рахунок застосування паралельних обчислень. Пізніше з’явились машини, котрі базувалися на паралельному виконані різноманітних функцій, чи на дублюванні арифметичних пристроїв, зокрема процесорних матриць.
Структура комп’ютера запропонована фон Нейманом.

Перш за все, комп’ютер повинен мати наступні пристрої:



  • арифметично-логічний пристрій, який виконує арифметичні і логічні операції;

  • пристрій керування, який організує процес виконання програм;

  • запам’ятовуючий пристрій, чи пам’ять для зберігання програм і даних;

  • зовнішні пристрої для введення-виведення інформації.

Пам’ять комп’ютера повинна складатися із деякої кількості пронумерованих комірок, в кожній із яких можуть знаходитися чи дані, які обробляються, чи інструкції програм. Всі комірки пам’яті повинні бути однаково легко доступні для інших пристроїв комп’ютера.

Зв’язки між пристроями комп’ютера наведені нижче (одинарні лінії показують управляючі зв’язки, штрихові - інформаційні):

Рис. 1

Принципи роботи комп’ютера. Спочатку за допомогою, якого-небудь зовнішнього пристрою в пам’ять комп’ютера вводиться програма. Пристрій керування зчитує вміст комірки пам’яті, де знаходиться перша інструкція (команда) програми, і організовує її виконання. Ця команда може задавати виконання арифметичних і логічних операцій, читання із пам’яті даних для виконання арифметичних чи логічних операцій чи запис їх результатів в пам’ять, введення даних із зовнішнього пристрою в пам’ять чи виведення даних із пам’яті на зовнішній пристрій.

Як правило, після виконання однієї команди пристрій керування починає виконувати команду із комірки пам’яті, яка знаходиться безпосередньо за тільки що виконаною командою. Але цей порядок може бути змінений за допомогою команд передачі керування (переходу). Ці команди вказують пристрою керування, що йому слідує продовжити виконання програми, починаючи з команди, яка розміщена в деякій іншій комірці пам’яті. Такий “стрибок”, чи перехід, в програмі може виконуватися не завжди, а тільки при виконанні деяких умов. Це дозволяє використовувати одну і ту послідовність команд в програмі багато разів (тобто організовувати цикли), виконувати різні послідовності команд в залежності від виконання певних умов і т. ін..

Універсальні комп’ютери мають традиційну “фон Неймановську” архітектуру. Таку архітектуру ще по-іншому називають скалярною.

Особливості сучасних комп’ютерів. Схема устрою сучасних комп’ютерів дещо відрізняється від наведеної вище. А саме, арифметично-логічний пристрій і пристрій керування, як правило, об’єднанні в один пристрій – центральний процесор. Крім того, процес виконання програм може перериватися для виконання невідкладних дій, пов’язаних з сигналами від зовнішніх пристроїв комп’ютера – переривань. Також використовується обробка даних на декількох процесорах. Але, більшість сучасних комп’ютерів в головних рисах відповідають принципам, які в свій час виклав фон Нейман.

Крім машин фон Неймана існують потокові і редукційні ЕОМ. Дж. Денніс в 1967 р. сформулював принципи побудови потокових ЕОМ - повинні виконуватися всі команди, для яких є дані, незалежно від їх місця в програмі; керування обчислювальним процесом переходить від програми до даних.

У 1971-1974 рр.. досліджені принципи створення машин, керованих завданнями, в яких виконання операцій визначається потребою в результаті, і одноманітно зберігаються будь-які об'єкти: дані, програми, файли, масиви - редукційні ЕОМ.
Критеріями за яким класифікують комп'ютери
Існують різні класифікації комп'ютерної техніки:


  • по етапах розвитку (за поколіннями);

  • за архітектурою;

  • по продуктивності;

  • за умовами експлуатації;

  • за кількістю процесорів;

  • за споживчими властивостями і т.д.

Чітких кордонів між класами комп'ютерів не існує. У міру вдосконалення структур і технології виробництва, з'являються нові класи комп'ютерів, межі існуючих класів істотно змінюються.
Коротка історична довідка

Історія лічильних пристроїв налічує багато століть. Нижче в хронологічному порядку наводяться деякі найбільш значущі події цієї історії, їх дати та імена учасників.



Близько 500 р. н.е. Винахід лічильного пристрої (абака), що складався з набору кісточок, нанизаних на стрижні.

XV ст.. Перший в світі єскізній малюнок тринадцятирозрядного десяткового пристрою, який виконує операцію додавання на основі коліс з десяттю зубціями належить Леонардо Давінчі. Він був зроблений в одномуу із його щоденників.

1614 р. Шотландець Джон Непер винайшов логарифми. Незабаром після цього Р. Біссакар створив логарифмічну лінійку.

1623 р Уільгельм Шикард запропонував своє рішення на базі шестирозрядного десяткового обчислювача, який складався також із зубчатих коліс, розрахованого на виконання додавання, віднімання, а також табличного множення і ділення. Обидва винаходи залишилися на папері і були знайдені вже в наш час.

1642 р. Французький учений Блез Паскаль приступив до створення арифметичної машини - механічного пристрою з шестернями, колесами, зубчастими рейками і т.п. Вона вміла "запам'ятовувати" числа і виконувати елементарні арифметичні операції.

1673 р Готфрід Вільгельм Лейбніц сконструював арифмометр, який механічно виконував чотири арифметичні дії. Дванадцятирозрядний десяткового пристрій для виконання арифметичних операцій, включаючи множення і ділення. В додаток до зубчатих коліс для виконання двох останніх операцій використовувалися ступічаті валики.

1804 р. Французький інженер Жаккар винайшов перфокарти для керування автоматичним ткацьким верстатом.

1834 р.. Англійський вчений Чарльз Беббідж склав проект "аналітичної" машини, в яку входили: пристрої введення і виведення інформації, запам'ятовуючий пристрій для зберігання чисел, пристрій, здатний виконувати арифметичні операції, і пристрій, що управляє послідовністю дій машини. Команди вводилися за допомогою перфокарт. Проект не був реалізований.

(1815-1852) Ада Байрон, Графиня Лавлейс - дочка Байрона складала програми для рішення завдань на машині Беббіджа. Вона також склала опис принципів її роботи.

1876 р. Англійська інженер Александер Белл винайшов телефон.

1890 р. Американський інженер Герман Холлеріт створив статистичний табулятор, в якому інформація, нанесена на перфокарти, розшифровувалася електричним струмом. Табулятор використовувався для обробки результатів перепису населення в США.

1892 р. Американський інженер У. Барроуз випустив перший комерційний суматор.

1897 р. Англійська фізик Дж. Томсон сконструював електронно-променеву трубку.

1901 р. Італійський фізик Гульельмо Марконі встановив радіозв'язок між Європою та Америкою.

1904-1906 рр.. Сконструйовані електронні діод і тріод.

1934 р Німецький студент Конрад Цузе, працюючи над дипломним проектом, вирішив зробити цифрову обчислювальну машину з програмним управлінням. Машина мала працювати з двійковими числами (вперше в світі).

1936 р. Алан Тьюрінг і незалежно від нього Е. Пост висунули і розробили концепцію абстрактної обчислювальної машини. Вони довели принципову можливість вирішення автоматами будь-якої проблеми за умови можливості її алгоритмізації.

1938 р. Німецький інженер Конрад Цузе побудував перший чисто механічний комп'ютер. Машина Z1 (Цузе 1) запрацювала. Вона могла опрацьовувати 22-х розрядні двійкові числа з плаваючою комою, з пам’яттю на 64 числа. Працювала повністю на механічній (ричажній) основі.

1938 р. Американський математик та інженер Клод Шеннон показав можливість застосування апарату математичної логіки для синтезу і аналізу релейно-контактних схем перемикання.

1939 р. Американець болгарського походження Джон Атанасофф створив машину на базі двійкових елементів, застосував електронні лампи в кількості 300 штук

1941 р. Конрад Цузе сконструював перший універсальний комп'ютер на електромеханічних елементах. Він працював з двійковими числами і використовував подання чисел з плаваючою комою.

1942-43 рр.. У Англії за участю Алана Тюрінга була створена обчислювальна машина "Колос". У ній було вже 2000 електронних ламп.

1944 р. Під керівництвом американського математика Говарда Айкена створена автоматична обчислювальна машина "Марк-1" з програмним управлінням. Вона була побудована на електро-механічних реле, а програма обробки даних запроваджувалася з перфострічки.

1945 р. Джон фон Нейман у звіті "Попередній доповідь про машину ЕДВАК" Сформулював основні принципи роботи та компоненти сучасних комп'ютерів.

1946 р. Американці Дж. Еккерт і Дж. Моучлі сконструювали перший електронний цифровий комп'ютер "ЕНІАК"(Electronic Numerical Integrator and Computer). Машина мала 20 тисяч електронних ламп і 1,5 тисячі реле. Вона працювала в тисячу разів швидше, ніж "Марк-1", виконуючи за одну секунду 300 множень або 5000 додавань.

1948 р. У американській фірмі Bell Laboratories фізики Вільям Шоклі, Уолтер Браттейн і Джон Бардін створили транзистор. За це досягнення їм була присуджена Нобелівська премія.

1949 р. В Англії під керівництвом Моріса Уїлкса побудований перший в світі комп'ютер з програмою, яка зберігається в пам’ять EDSAC. У якому були використані принципи фон Наймана.

1951 р. У Києві побудовано першу в континентальній Європі комп'ютер МЕРМ (мала електронна рахункова машина – МЕСМ (рос.) ), що має 600 електронних ламп. Створив С.А. Лебедєв.

1952 р. Під керівництвом С.А. Лебедєва у Москві побудований комп'ютер ВЕРМ-1 (велика електронна рахункова машина БЕСМ (рос.)) - на той час найпродуктивніша машина в Європі і одна з найкращих у світі.

1957 р. Американської фірмою NCR створено перший комп'ютер на транзисторах.

1958 р. Джек Кілбі з фірми Texas Instruments створив першу інтегральну схему.

1957 р. Перше повідомленийие о язике Фортран (Джон Бекуса).

1959 р. Під керівництвом С.А. Лебедєва створена машина БЕСМ-2 продуктивністю 10 тис. опер./с. З її застосуванням пов'язані розрахунки запусків космічних ракет і перший в світі штучних супутників Землі.

1959 р. Створена машина М-20, головний конструктор С.А. Лебедєв. Для свого часу один із самих швидкодіючих в світі (20 тис. опер./с.). На цій машині було вирішено більшість теоретичних і прикладних задач, пов'язаних з розвитком самих передових галузей науки і техніки того часу. На основі М-20 була створена унікальна багатопроцесорна М-40 - сама швидкодіюча ЕОМ того часу в світі (40 тис. опер./с.). На зміну М-20 прийшли напівпровідникові БЕСМ-4 і М-220 (200 тис. опер./с.).

1959 р. Перше повідомленийие о язике Алгол, що надовго став стандартом в області мов програмування.

1961 р. Фірма IBM Deutschland реалізувала підключення комп'ютера до телефонної лінії за допомогою модему.

1964 р. Розпочато випуск сімейства машин третього покоління - IBM/360.

1965 р. Дж. Кемені і Т. Курц в дортмундської коледжі (США) розробили мову програмування Бейсік.

1967 р. Під керівництвом С.А. Лебедєва організований крупно-серійний випуск шедевра вітчизняної обчислювальної техніки -- мільйонника БЕСМ-6, самої швидкодіючої машини в світі. За ним пішов "Ельбрус" - ЕОМ нового типу, продуктивністю 10 млн. опер./с.

1968 р. Заснована фірма Intel, Згодом стала визнаним лідером у галузі виробництва мікропроцесорів і інших комп'ютерних інтегральних схем.

1970 р. Швейцарець Ніклаус Вірт розробив мову Паскаль.

1971 р. Фірма Intel розробила мікропроцесор 4004, що складається з 2250 транзисторів, розміщених в кристалі розміром не більше капелюшка цвяха.

1971 р. Французький вчений Алан Колмар розробив мову логічного програмування Пролог (PROgramming in LOGic).

1972 р. Денніс Рітчі з Bell Laboratories розробив мова Сі.

1973 р. Кен Томпсон і Денніс Рітчі створили операційну систему UNIX.

1973 р. Фірма IBM (International Business Machines Corporation) Сконструювала перший жорсткий диск типу "вінчестер".

1974 р.. Фірма Intel розробила перший універсальний восьмизарядний мікропроцесор 8080 з 4500 транзисторами.

1974 р.. Едвард Робертс, Молодий офіцер ВПС США, інженер-електронік, побудував на базі процесора 8080 мікрокомп'ютер Альтаїр, який мав величезний комерційний успіх, який продавався поштою і широко використовувався для домашнього застосування.

1975 р. Молодий програміст Пол Аллен і студент Гарвардського університету Білл Гейтс реалізували для Альтаїр мова Бейсік. Згодом вони заснували фірму Майкрософт (Microsoft), Яка є сьогодні найбільшим виробником програмного забезпечення.

1975 р. Фірма IBM почала продаж лазерних принтерів.

1976 р. Студенти Стів Возняк і Стів Джобс, влаштувавши майстерню в гаражі, реалізували комп'ютер Apple-1, започаткувавши корпорації Apple.

1978 р. Фірма Intel випустила мікропроцесор 8086.

1979 р. Фірма Intel випустила мікропроцесор 8088.

1979 р. Фірма SoftWare Arts розробила перший пакет ділових програм VisiCalc (Visible Calculator) Для персональних комп'ютерів.

1980 р. Японські компанії Sharp, Sanyo, Panasonic, Casio і американська фірма Tandy винесли на ринок перший кишеньковий комп'ютер, що володіє всіма основними властивостями великих комп'ютерів.

1981 р. Фірма IBM випустила перший персональний комп'ютер IBM PC на базі мікропроцесора 8088.

1982 р. Фірма Intel випустила мікропроцесор 80286.

1983 р. Корпорація Apple Computers побудувала персональний комп'ютер "Lisa"- Перший офісний комп'ютер, керований маніпулятором "миша.

1983 р. Гнучкі диски набули поширення в якості стандартних носіїв інформації.

1984 р. Створено перший комп'ютер типу Laptop (наколінного), в якому системний блок об'єднаний з дисплеєм і клавіатурою в єдиний блок.

1984 р. Фірми Sony і Phillips розробили стандарт запису компакт-дисків CD-ROM.

1985 р. Фірма Intel випустила мікропроцесор 80386.

1989 р. Американська фірма Poquet Computers Corporation представила новий комп'ютер класу Subnotebook -- Pocket PC.

1993 р. Фірма Intel випустила мікропроцесор Pentium.

1994 р. Початок випуску фірмою Power Mac серії фірми Apple Computers -- Power PC.

1995 р. Вийшла у світ операційна система Windows 95.
Етапи еволюції розвитку комп’ютерів

Розподіл комп'ютерної техніки на покоління - дуже умовний, нестрога класифікація обчислювальних систем по ступеню розвитку апаратних і програмних засобів, а також способів спілкування з комп'ютером.

Ідея ділити машини на покоління існує тому, що за час короткої історії свого розвитку комп'ютерна техніка виконала велику еволюцію як в сенсі елементної бази (лампи, транзистори, мікросхеми тощо), так і в сенсі зміни її структури, появи нових можливостей, розширення областей застосування і характеру використання.

Прийнятно еволюцію розвитку комп’ютерів поділяти на покоління. Кожне покоління характеризується такими показниками, як рівень елементної бази, зміна архітектури і, відповідно, функціональних можливостей, а також рівень розвитку програмних засобів.


Особливості комп’ютерів першого покоління

До першого покоління зазвичай відносять машини, створені на рубежі 50-х років. У їх схемах використовувалися електронні лампи. Ці комп'ютери були величезними, незручними і дуже дорогими машинами, які могли придбати тільки крупні корпорації і уряду. Лампи споживали величезну кількість електроенергії і виділяли багато тепла.

Набір команд був невеликим, схема арифметико-логічного пристрою і пристрою управління достатньо проста, програмне забезпечення практично було відсутнє. Показники об'єму оперативної пам'яті і швидкодії були низькими. Для вводу-виводу використовувалися перфострічки, перфокарти, магнітні стрічки та друкувальні пристрої.

Швидкодія порядку 10-20 тисяч операцій в секунду. Але це тільки технічна сторона. Дуже важлива й інша - способи використання комп'ютерів, стиль програмування, особливості математичного забезпечення.

Програми для цих машин писалися на мові конкретної машини. Математик, що склав програму, сідав за пульт керування машини, вводив і налагоджував програми і виробляв по ним рахунок. Процес налагодження був найбільш тривалим за часом.

Незважаючи на обмеженість можливостей, ці машини дозволили виконати найскладніші розрахунки, необхідні для прогнозування погоди, рішення задач атомної енергетики та ін

Досвід використання машин першого покоління показав, що існує величезний розрив між часом, що витрачається на розробку програм, і часом рахунку.

Ці проблеми почали долати шляхом інтенсивної розробки засобів автоматизації програмування, створення систем обслуговуючих програм, що спрощують роботу на машині і збільшують ефективність її використання. Це, у свою чергу, зажадало значних змін у структурі комп'ютерів, спрямованих на те, щоб наблизити її до вимог, що виникли з досвіду експлуатації комп'ютерів.


Характеристики комп’ютерів другого покоління

Дослідження в області фізики напівпровідників призвело до створення напівпровідникових транзисторів в 1949 р.

Друге покоління комп'ютерної техніки - машини, сконструйовані приблизно в 1955-65 рр.. Характеризуються використанням в них як електронних ламп, так і дискретних транзисторних логічних елементів. Їх оперативна пам'ять була побудована на магнітних осердях. У цей час став розширюватися діапазон вживаного обладнання вводу-виводу, з'явилися високопродуктивні пристрої для роботи з магнітними стрічками, магнітні барабани і перші магнітні диски.

Швидкодія - до сотень тисяч операцій у секунду, ємність пам'яті - до декількох десятків тисяч слів.

З'явилися так звані мови високого рівня, засоби яких допускають опис всієї необхідної послідовності обчислювальних дій в наочному, легкому для сприйняття вигляді.

Програма, написана на алгоритмічній мові, незрозуміла комп'ютеру, що сприймає тільки мову своїх власних команд. Тому спеціальні програми, які називаються трансляторами, переводять програму з мови високого рівня на машинну мову.

З'явився широкий набір бібліотечних програм для вирішення різноманітних математичних задач. З'явилися системи моніторингу, що керують режимом трансляції і виконання програм. З систем моніторингу надалі виросли сучасні операційні системи.

Операційна система - найважливіша частина програмного забезпечення комп'ютера, призначена для автоматизації планування та організації процесу обробки програм, введення-виведення та управління даними, розподілу ресурсів, підготовки і налагодження програм, інших допоміжних операцій обслуговування.

Таким чином, операційна система є програмним розширенням пристроїв комп'ютера.

Для деяких машин другого покоління вже були створені операційні системи з обмеженими можливостями.

Машинам другого покоління була властива програмна несумісність, яка ускладнювала організацію великих інформаційних систем. Тому в середині 60-х років намітився перехід до створення комп'ютерів, програмно сумісних і побудованих на мікроелектронної технологічній базі.

З погляду архітектури в комп’ютерах другого покоління з’явилися такі особливості:



  • введення спеціальної апаратури перетворення адрес;

  • початковий етап переходу до ієрархічної структури пам’яті;

  • децентралізація управління процедурами вводу-виводу, що призвело до необхідності включення до складу пристроїв управління систем переривання програм.

Надалі пристрій управління, арифметично-логічний пристрій і пульт управління комп’ютера були виділені окремим блоком, що отримав назву центрального процесора. У свою чергу, зовнішня пам’ять, мультиплексний і селекторний канали разом з пристроями вводу-виводу були названі периферійною частиною комп’ютера.

З відокремленням управління вводом-виводом пов’язана остання архітектурна особливість комп’ютерів другого покоління – наявність системи переривання програм. За допомогою системи переривання канал повідомляє процесору про закінчення заданої роботи, або про виникнення ситуації, що потребує негайної реакції з боку центрального процесора.

Крім відзначених архітектурних особливостей, комп’ютери другого покоління відрізнялися від машин попереднього покоління режимом використання. Як основний метод, що знайшов застосування в машинах другого покоління, був метод пакетного опрацювання. Організація пакетного опрацювання потребувала наявності в складі комп’ютера операційної системи (ОС). Програма супервізор, що представляє собою частину операційної системи, здійснює розподіл ресурсів комп’ютера при виконанні пакета програм. В операційну систему була включена програма завантажник, що дозволяє переміщати програми і дані пам’яті. До складу ОС ввійшли й інші програми, які дозволяли більш ефективно використовувати весь склад устаткування, що входить у комп’ютер. У ці роки з’явилися перші алгоритмічні мови, а, отже , перші системні програми – компілятори.
Особливості архітектури комп’ютерів третього покоління

Наступний важливий період в розвитку обчислювальних машини належить до 1965-1980 років. Поява нової елементної бази обчислювальної техніки у вигляді інтегральних мікросхем, на основі яких створені комп’ютери третього покоління.

Машини третього покоління створені приблизно після 60-x років. Оскільки процес створення комп'ютерної техніки йшов безперервно, і в ньому брало участь багато людей з різних країн, які мають справу з рішенням різних проблем, важко і марно намагатися встановити, коли "покоління" починалося і закінчувалося. Можливо, найбільш важливим критерієм відмінності машин другого і третього поколінь є критерій, заснований на понятті архітектури.

З епохою комп’ютерів третього покоління пов’язане важливе поняття, як сімейство програмно-сумісних машин. З’явилися сімейства комп’ютерів, які мали однакові системи команд, однакові типи даних, уніфіковані зовнішні пристрої, до деякої міри уніфіковане програмне забезпечення. Машини третього покоління - це сімейства машин з єдиною архітектурою, тобто програмно сумісних. В якості елементної бази в них використовуються інтегральні схеми, які також називаються мікросхемами.

Машини третього покоління мають розвинені операційні системи. Найважливішим досягненням ОС даного покоління стала реалізація мультипрограмування. Мультипрограмування – це засіб організації обчислювального процесу, при якому на одному процесорі поперемінно виконується декілька програм. Багато завдань управління пам'яттю, пристроями і ресурсами стала брати на себе операційна система або ж безпосередньо сама машина.

Інше нововведення – спулінг (spooling). Спулінг у той час визначався як засіб організації обчислювального процесу, відповідно до котрого завдання зчитувалися з перфокарт на диск у тому темпі, у якому вони з’являлися в обчислювальному центрі, а потім, коли чергове завдання завершувалося, нове завдання з диска завантажувалося в розділ, що звільнився.

Також у комп’ютерах 3-го покоління подальший розвиток знайшла тенденція ускладнення структури ієрархічної пам’яті. Поряд із надоперативною, головною оперативною і зовнішньою пам’яттю своє місце в архітектурі запам’ятовуючих пристроїв зайняла так звана велика пам’ять (mass-memory). Сруктурно у велику пам’ять входить оперативна пам’ять і частина зовнішньої (дискової) пам’яті. Операційна система організує обмін інформацією між оперативною пам’яттю і великою з таким розрахунком, щоб ті розділи програми і ті дані, що потрібні для виконання найближчих операцій, пересилалися з великої пам’яті в оперативну, а дані і розділи, що найближчим часом не будуть потрібні, - з оперативної пам’яті у велику. Пам’ять такого типу одержала назву віртуальної.

З машинами третього покоління пов’язана ще одна значна подія комп’ютерної технології – це розробка і упровадження візуальних пристроїв вводу–виводу алфавітно-цифрової і графічної інформації за допомогою дисплеїв, використання яких дозволило достатньо просто реалізуватии можливості варіантного аналізу.

Подальший розвиток у машинах 3-го покоління одержала периферійна частина комп’ютера. У залежності від принципу дії і технічних характеристик кожний периферійний пристрій підключався до одного з каналів: мультиплексного або селекторного. Мультиплексний канал призначений для одночасного обслуговування декількох паралельно працюючих ПП, селекторний призначений для монопольного обслуговування одного периферійного пристрою.

У комп’ютерах 3-го покоління була вперше реалізована архітектура віртуальної машини, основною концепцією якої є спільне використання ресурсів машини багатьма незалежними користувачами.

Приклади машин третього покоління - сімейства IBM-360, IBM-370, ЄС ЕОМ (Єдина система ЕОМ), СМ ЕОМ (Сімейство малих ЕОМ) і ін

Швидкодія машин усередині сімейства змінюється від декількох десятків тисяч до мільйонів операцій в секунду. Ємність оперативної пам'яті досягає декількох сотень тисяч слів.



Особливості архітектури комп’ютерів 4-го покоління

Четверте покоління - це теперішнє покоління комп'ютерної техніки, розроблене після 1970 року.

Найбільш важливий в концептуальному відношенні критерій, за яким ці комп'ютери можна відокремити від машин третього покоління, полягає в тому, що машини четвертого покоління проектувалися в розрахунку на ефективне використання сучасних високорівневих мов і спрощення процесу програмування для кінцевого користувача.

Конструктивно-технологічною базою комп’ютерів 4-го покоління є інтегральні мікросхеми з великою (ВІС) і надвеликими (НВІС) ступенями інтеграції. Такі схеми містять десятки і сотні тисяч транзисторів в одному кристалі. У апаратурно відношенні окрім широкого використання інтегральних схем в якості елементної бази комп’ютери 4-го покоління отримали швидкодіючі запам'ятовуючі пристрої з довільною вибірковою ємністю в десятки і сотні мегабайт.

C точки зору структури машини цього покоління є багатопроцесорні і багатомашинні комплекси, що працюють на загальну пам'ять і спільне поле зовнішніх пристроїв. Швидкодія складає до декількох десятків мільйонів операцій у секунду.

Для них характерні:



  • застосування персональних комп'ютерів;

  • телекомунікаційна обробка даних;

  • комп'ютерні мережі;

  • широке застосування систем управління базами даних;

  • елементи інтелектуальної поведінки систем обробки даних і пристроїв.

Для мейнфреймів четвертого покоління характерним є наявність декількох процесорів, орієнтованих на виконання визначених операцій, процедур або на рішення деяких класів задач. У рамках машин цього покоління були створені багатопроцесорні обчислювальні системи зі швидкодією в декілька сотень мільйонів операцій у секунду і багатопроцесорні кластерні структури підвищеної надійності. У зв’язку з цим архітектура мейнфреймів перетерпіла значні зміни і уже відрізнялася від класичної моделі фон Неймана.

Комп’ютери четвертого покоління мають архітектуру об’єктної машини. Об’єкт розглядається як деякий функціональний перетворювач, на вхід якого подається запит на обслуговування, а на виході формується відповідь. Характер перетворення визначається типом об’єкта й змістом запиту.


Особливості архітектуру комп’ютерів п’ятого покоління

Розробка подальших поколінь комп'ютерів проводиться на основі великих інтегральних схем підвищеного ступеня інтеграції, використання оптоелектронних принципів (лазери, голографія).

Розвиток йде також по дорозі "інтелектуалізації" комп'ютерів, усунення бар'єру між людиною і комп'ютером. Комп'ютери будуть здатні сприймати інформацію з рукописного або друкованого тексту, з бланків, з людського голосу, дізнаватися користувача по голосу, здійснювати переклад з однієї мови на іншу.

Для задоволення вимог користувачів різноманітних професій і різної кваліфікації комп’ютери п’ятого покоління повинні мати такі можливості:



  • інтелектуальний інтерфейс, що забезпечує доступ до комп’ютера на мові проблемної області;

  • розвинуті інструментальні системи програмування, які забезпечують створення користувачем прикладних програмних систем і їх настроювання на конкретну галузь знань;

  • базу різноманітну у семантичному і синтаксичному відношенні знань, із розвинутими механізмами створення, упорядкуванні і пошуку інформації;

  • засоби організації розподільного доступу користувача до засобів збереження й опрацювання інформації у вигляді мережі інтелектуальних персональних комп’ютерів, що працюють як робочі станції мереж Internet/Intranet.

Практична реалізація проекту комп’ютерів п’ятого покоління призвела, по-перше, до створення апаратних платформ, що володіють високою пропускною спроможністю, по-друге, розробки високорівневих операційних систем, а також проблемно-орієнтованих і об’єктних мов програмування. При цьому намітилася тенденція в області створення апаратних платформ, спрямована на уніфікацію технічних засобів, що використовуються як при створенні потужних мейнфреймів, так і робочих станцій.

Основним методом експлуатації комп’ютерів п’ятого покоління є режим колективного користування, що дозволяє найбільш ефективно використовувати загальні ресурси систем такі, як бази даних, бази знань та ін.

Доступ до комп’ютера і безпосередня взаємодія користувача з машиною забезпечується підсистемою спілкування, що являє собою інтелектуальний інтерфейс. Підсистема спілкування реалізується як шляхом розвитку традиційних засобів вводу-виводу в напрямку підвищення рівня їхнього інтелекту, так і шляхом переносу частини функцій опрацювання на спеціалізовані процесори.

Буде також вирішуватися проблема децентралізації обчислень за допомогою комп'ютерних мереж, як великих, що знаходяться на значній відстані один від одного, так і мініатюрних комп'ютерів, розміщених на одному кристалі напівпровідника.


Покоління ЕОМ


В основі виділення поколінь ЕОМ лежить елементна база процесора. Ця та інші характеристики ЕОМ різних поколінь наведені в таблиці 1.

Таблиця 1. Покоління ЕОМ

Характеристики

Перше

1951-1954 рр..

Друге

1958-1960 рр..

Третє

1965-1966 рр..

Четверте

П'яте

1976 - 1979 рр..

1985

1. Елементна база ЦП

Електронні лампи

Транзистори

Інтегральні схеми

ВІС

НВІС

НВІС + опто і кріо - електроніка

2. Елементна база ОЗП

Електронно-променеві трубки

Ферритові сердечники

Ферритові сердечники

ВІС

НВІС

НВІС

3. Maксімальная ємність ОП в байтах

102

103

104

105

107

108

4. Максимальна швидкодія ЦП в ОС

104

106

107

108

109 + Багатопроцесорності

1012 + Багатопроц

5. Мови програмування

Машинний код

+ Асемблер

+ Процедурні мови високого рівня (МВР)

+ Нові процедурні ЯВУ

+ Непроцедурні МВР

+ Нові непроцедурні МВР

6. Засоби зв'язку користувача з ЕОМ

Пульт управління, перфокарти

Перфокарти, перфострічки

Алфавітно-цифровий термінал

Монохромний графічний дисплей, клавіатура

Кольоровий графічний дисплей, клавіатура, "миша" і т.д.

+ Пристрої голосового зв'язку з ЕОМ


Типи електронно обчислювальних машин

Електронні обчислювальні машини (ЕОМ) є перетворювачами інформації. Початкова інформація, що надходить на вхід ЕОМ і представлена у вигляді електричних сигналів, опрацьовується в ній відповідно до алгоритму рішення задачі і перетворюється в сукупність результатів на виході. Відповідно до форми електричних сигналів представлення інформації в машинах останні діляться на два основних класи: аналогові або машини неперервної дії і дискретні – цифрові машини. Крім зазначених класів ЕОМ, були зроблені спроби створення гібридних обчислювальних машин, що використовують як аналоговий. Так і дискретний спосіб представлення інформації одночасно.

Аналогові обчислювальні машини (АОМ) оперують із математичними змінними, що подані у вигляді неперервно змінюваних фізичних величин. В основу АОМ покладено моделювання, сутність якого складається в зміні досліджуваного фізичного процесу електричною моделлю, що має такі ж властивості. Це дозволяє істотно спростити процес дослідження, зробити його більш зручним і економічним. Серед існуючих методів моделювання найбільше застосування знайшли фізичне і математичне моделювання.

Аналогові машини володіють рядом переваг, до числа яких можна віднести миттєвість одержуваного розв’язання задачі, простота і наочність процесів моделювання. Проте вони мають порівняно невисоку точність одержуваного результату і малу універсальність.

Аналогові обчислювальні машини знайшли застосування при розв’язанні звичайних диференційних рівнянь у частинних похідних, для роз’язання алгебраїчних і трансцендентних рівнянь, як спеціалізовані пристрої управління технологічними процесами, управління приводом поворотних пристроїв антен і т. ін..

У цифрових обчислювальних машинах (ЦОМ) вся інформація подається у вигляді дискретних значень. Для дискретних повідомлень характерна наявність фіксованого набору елементів, із яких у деякі моменти часу формуються різноманітні послідовності. Елементи, із яких складається дискретне повідомлення, називаються буквами або символами. При цьому під буквами розуміють будь-які знаки – звичайні букви, цифри, розділові знаки, математичні та інші знаки, що використовуються для представлення дискретних повідомлень. Будь-який символ у ЦОМ реалізується комбінацією станів окремих елементів, кожний із яких володіє двома стійкими станами.

До переваг ЦОМ варто віднести їхню універсальність, високу точність одержуваних рішень, можливість вирішувати математичні завдання будь-якої складності і виконувати логічні операції.

Незважаючи на високі швидкості роботи, машини цього класу мають обмежену швидкодію, тому що час розв’язання завдання звичайно складається з витрат часу на введення вхідної інформації, виконання послідовності операцій розв’язання завдання, управління обчислювальним процесом і вивід результатів із машини. Проте цей недолік ЦОМ не є настільки істотним по значимості в порівнянні з їхніми перевагами, що послужило повсемісному використанню машин цього класу в усіх сферах людської діяльності.

Гібридні обчислювальні машини являють собою сукупність аналогової і цифрової систем. При створенні таких машин була зроблена спроба об’єднати переваги аналогових і цифрових машин: висока швидкодія перших і універсальність других. Проте перед розробниками гібридних машин виникли складні технічні проблеми, що не дозволило створити вироби, що серійно випускаються.

У силу універсальності числової форми представлення інформації в сучасному світі найбільшого поширення одержали ЦОМ надалі іменованими електронними обчислювальними машинами або комп’ютерами. Еволюційний розвиток ЕОМ дозволив створити ряд машин, які відрізняються архітектурою, складом устаткування, вартістю, продуктивністю, надійністю, сферами застосування й іншими характеристиками, що призвело до необхідності виконати класифікацію в цьому класі комп’ютерів.

По сферам застосування ЦОМ діляться на персональні комп’ютери, робочі станції, Х-термінали, сервери, мейнфрейми і комп’ютери з кластерною архітектурою.

Персональні комп’ютери (ПК) з’явилися в результаті еволюції мінікомп’ютерів при переході елементної бази машин із малим і середнім степенем інтеграції на великі і надвеликі інтегральні схеми. ПК, завдяки своїй низькій вартості, дуже швидко завоювали гарні позиції на комп’ютерному ринку і створили передумови для розробки нових програмних засобів, орієнтованих на кінцевого користувача.

Створення RISC-процесорів і мікросхем пам’яті ємністю більш 1 Мбайт призвело до остаточного оформлення настільних систем високої продуктивності, що сьогодні відомі як робочі станції. Початкова орієнтація робочих станцій на фахових користувачів призвела до того, що робочі станції перевтілилися в добре збалансовані системи, в яких висока швидкодія сполучається з великим обсягом оперативної і зовнішньої пам’яті, високопродуктивними внутрішніми магістралями, високоякісною і швидкодіючою графічною підсистемою і різноманітними пристроями вводу-виводу. Ця властивість вигідно відрізняє робочі станції середнього і високого класу від ПК й сьогодні.

Наступне місце в класифікаційній структурі комп’ютерів займають Х-термінали. Типовий Х-термінал включає такі елементи:


  • екран високої дозволяючої здатності;

  • мікропроцесор на базі RISC-процесора;

  • окремий графічний співпроцесор у додаток до основного процесора;

  • базові системні програми, на яких працює система X-Windows і виконуються мережеві протоколи;

  • змінний обсяг локальної пам’яті для дисплея, мереженого інтерфейсу, що підтримує локальні мережеві протоколи та Internet.

У залежності від функціональних можливостей виробу оперативна пам’ять може розширюватися. Х-термінал звичайно укомплектовується стандартною системою X-Windows і може відображати на одному екрані безліч програмних додатків одночасно.

Сервери застосовуються в комерційних і бізнес системах, у системах управління базами даних і опрацювання транзакцій, у значних видавничих системах, у розподілених системах розробки програмного забезпечення й опрацювання зображень. В корпоративних і глобальних мережах сервери знайшли застосування для надійного збереження баз даних і захисту їх від несанкціонованого доступу, для керування доступу, для керування процесом обміну даними між користувачами, а також організації моделі обчислень “клієн-сервер”.

Існує декілька типів серверів, орієнтованих на різні застосування: файл-сервер, обчислювальний сервер, сервер баз даних, сервер додатків, принт-сервер, Web-сервер. Іншими словами, тип серверу визначається ресурсом, яким він володіє: файлова система, база даних, принтери або прикладні пакети програм. Потужні багатопроцесорні сервери з можливостями нарощування оперативної пам’яті до декількох гігабайт, дисководу постором до сотень гігабайт, швидкими інтерфейсами дискового обміну одержали назву суперсерверів.



Мейнфрейми – це синонім поняття “велика універсальна ЕОМ ”. Мейнфрейми і до сьогоднішнього дня залишаються найбільш потужними, не рахуючи суперком’ютерів, обчислювальними системами загального призначення, що забезпечують безупинний цілодобовий режим експлуатації. У структуру мейнфреймів включають один або декілька процесорів, кожний з яких, у свою чергу, може комплектуватися векторними сопроцесорами.

У архітектурному плані мейнфрейми являють собою мультипроцесорні системи, що містять один або декілька центральних процесорів із загальною пам’яттю, пов’язаних між собою високошвидкісними магістралями передачі даних. Крім того, у структуру мейнфреймів входять периферійні процесори, що виконують функції селекторних, блок-мультиплексних каналів, і процесори телеобробки, що забезпечують роботу із широкою номенклатурою периферійних пристроїв.

У зв’язку з тим, що у світі існує величезна інсталяційна база мейнфреймів, на якій працюють десятки тисяч прикладних програмних систем, очікується ріст застосування мейнфреймів. Ці системи, по-перше, дозволяють модернізувати існуючі системи, забезпечивши скорочення експлуатаційних витрат, і, по-друге, створять базу для нових додатків.

Основною характеристикою ЕОМ та систем із кластерною архітектурою є висока функціональна готовність. Такі системи застосовуються для критично важливих додатків, пов’язаних з опрацюванням трансакцій, керуванням бази даних, обслуговуванням телекомунікацій у системах керування технологічними, космічними і військовими об’єктами. Забезпечення заданого рівня продуктивності і тривалого функціонування систем досягається застосуванням паралельних масштабованих архітектур. Задача забезпечення тривалого функціонування системи має три складові: надійність, готовність і зручність обслуговування.

Підвищення надійності засноване на принципі запобігання несправностей шляхом зниження інтенсивності відмов і збоїв за рахунок застосування електронних схем і компонентів із високим і надвисоким ступенем інтеграції, зниження рівня перешкод, полегшених режимів роботи схем, забезпечення теплових режимів їхньої роботи, а також за рахунок удосконалення методів складання апаратури.

Підвищення рівня готовності припускає стримування у визначених межах впливу відмов і збоїв на роботу системи за допомогою засобів контролю і корекції помилок, а також засобів автоматичного відновлення обчислювального процесу після появи несправності, включаючи апаратну і програмну надмірність, на основі якої реалізуються різноманітні варіанти відмовостійких архітектур. Підвищення готовності є засіб боротьби за зниження часу простою системи.

Кластерні системи при відмові одного процесора можуть дуже швидко перерозподілити роботу на інші процесори усередині кластера. Це найбільш важлива мета створення систем високої готовності.

Вперше концепцію кластерної системи запропонувала компанія DEC, що визначила її як групу об’єднаних між собою обчислювальних машин, які представляють собою єдиний вузол (VAX-кластер) опрацювання інформації. По суті VAX-кластер це слабозв’язана багатомашинна система з загальною зовнішньою пам’яттю, що забезпечує єдиний механізм управління й адміністрування.


Номенклатура видів ЕОМ

Номенклатура видів ЕОМ на сьогодні величезна: машини розрізняються за призначенням, потужністю, розмірами, елементною базою, стійкістю до впливу несприятливих умов і т.д.. Тому класифікуютья ЕОМ за різними ознаками. При виборі комп’ютерної техніки для розв’язання економічних і ділових задач найважливішими є продуктивність та габаритні характеристики (розміри, маса). Прийняту на сьогодні класифікацію ЕОМ за масогабаритними даними наведено в таблиці 2.


Таблиця 2Класифікація ЕОМ за габаритними даними

Клас ЕОМ

Основне призначення

Основні технічні дані

Супер-ЕОМ

Складні наукові розрахунки

Інтегральна швидкодія до десятків мільярді операцій за секунду; кількість паралельно працюючих процесорів до 100

Великі ЕОМ (мейнфрейми)

Оброблення великих обсягів інформації в банках, на великих підприємствах

Мультипроцесорна архітектура; підключення до 200 робочих місць

Суперміні ЕОМ

Системи управління підприємствами; багатопультові обчислювальні системи

Мультипроцесорна архітектура, підключення до 200терміналів; дискові запам’ятовуючі пристрої, що нарощуються до десятків гігабайтів

Міні-ЕОМ

Системи управління підприємствами середнього розміру; багатопультові обчислювальні системи

Однопроцесорна архітектура, розгалужена периферія

Робочі станції

САПР, системи автоматизації експериментів

Одно-двопроцесорна архітектура, висока швидкодія процесора, часто-також графічна підсистема; спеціалізована периферія

Мікро-ЕОМ

Індивідуальне обслуговування користувача; робота влокальних автоматизованих системах управління

Однопроцесорна архітектура, гнучкість конфігурації, можливість підулючення різноманітних зовнішніх пристроїв





База даних захищена авторським правом ©lecture.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка