Этапы развития ЭВМ. - Лекция, раздел Электроника, Курс лекций по дисциплине ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ Идея Использования Программного Управления Для Построения Устройства, Автомат...
Идея использования программного управления для построения устройства, автоматически выполняющего арифметические вычисления, была впервые высказана английским математиком Ч.Бэббиджем еще в 1833г. Однако его попытки построить механическое вычислительное устройство с программным управлением не увенчались успехом. Первой программисткой для ЭВМ Бэббиджа была леди Байрон.
Первая аналоговая ЭВМ появилась в 1939г. в приборе ПУАЗО
Первой цифровой универсальной автоматически управляемой ВМ считается расчетно-механическая машина "Марк - 1" ( США, 1944г. ).
Проект первой ЭВМ ЭНИАК был разработан (США, 1942г.); в 1946г машина вступила в строй. В этой машине 18.000 электрических ламп, 1500 электромеханических реле. Применение ламп повысило скорость выполнения операций в 1000 раз по сравнению с устройством "Марк - 1".
За точку отсчета эры ЭВМ принимают сеансы опытной эксплуатации машины ЭНИАК, которые начались в Пенсильванском университете в 1946г.
Приведем еще некоторые технические характеристики этой ЭВМ : общий вес – 30т, производительность - 5000 операций в секунду.
Электронные лампы стали элементной базой ВМ первого поколения. Основная схема – симметричный триггер был создан в 1918г. советским ученым Бонч-Бруевичем М.А.
Первые проекты отечественных ЭВМ были предложены С.А. Лебедевым, Б.И. Рамеевым в 1948г. В 1949-51гг. по проекту С.А. Лебедева была построена МЭСМ ( малая электронно-счетная машина ). К ЭВМ 1-го поколения относится и БЭСМ-1 (большая электронно-счетная машина ), разработка которой под руководством С.А. Лебедева была закончена в 1952г., она содержала 5 тыс. ламп, работала без сбоев в течение 10 часов. Быстродействие достигало 10 тыс. операций в секунду.
С появлением транзисторов в середине 50-х годов на смену первого поколения ЭВМ пришли ЭВМ 2-го поколения, построенные на полупроводниковых приборах.
В нашей стране были созданы полупроводниковые ЭВМ разных назначений: малые ЭВМ серий "Наири" и "Мир", средние ЭВМ со скоростью работы 5-30 тыс. операций/с – "Минск - 22" и "Минск – 32, "Раздан – 2", "Раздан – 3", БЭСМ – 4, М – 220 и лучшая из машин второго поколения – БЭСМ – 6 со скоростью работы до 1 млн. опер/с.
В начале 60-х годов возникло новое направление в электронике – интегральная электроника. Использование интегральных схем для построения ЭВМ стало революцией в ВТ и способствовало появлению машин 3-го поколения.
С 1972г. начался выпуск моделей первой очереди ЕС ЭВМ (совместно с социалистическими странами). Ряд – 1 : ЕС – 1010, 1020, 1022, 1030, 1033,
1040, 1050, 1052. Вторая очередь (Ряд - 2 ) : ЕС – 1015, 1025, 1035, 1045, 1055, 1060, 1065 имела более современную схемотехническую, конструкторско-технологическую базу, за счет чего у них увеличилась производительность, и расширились функциональные возможности.
Одна из характерных особенностей ЭВМ 4-го поколения - переход от интегральных функциональных схем к интегральным подсистемам ЭВМ. Подсчитано, что внедрение БИС увеличивает надежность не менее чем в 10 раз. Из отечественных ЭВМ к машинам 4-го поколения, прежде всего, относятся машины семейства "Эльбрус".
1.2.Три этапа информационной технологии: эволюция критериев.
В 1953г. создатель теории информации американский математик Клод Шеннон писал: "Наши ВМ выглядят как ученые-схоласты. При вычислении длинной цепи арифметических операций ЦВМ значительно обгоняют человека. Когда же пытаются приспособить ЦВМ для выполнения неарифметических операций, они оказываются неуклюжими и неприспособленными для такой работы."
1.2.1. Этап: машинные ресурсы. Отмеченные Шенноном функциональные ограничения, а также устрашающая стоимость первых ЭВМ полностью определяли основную задачу информационной технологии 50-х – начала 60-х гг. - повышение эффективности обработки данных по уже формализованным или легко формализуемым алгоритмам.
Основной целью тогда было – уменьшить общее число машинных тактов, которых требовала для своего решения та или иная программа, а также объем занимаемой ею ОЗУ. Основные затраты на обработку данных находились тогда почти в прямой зависимости от затраченного на них машинного времени.
1.2.2. Этап: программирование. В середине 60-х годов начался 2-й этап развития информационной технологии, который продолжался до начала 80-х годов. От технологии эффективного исполнения программ к технологии эффективного программирования – так можно было определить общее направление смены критериев эффективности в течение этого этапа. Наиболее известным результатом этого первого радикального пересмотра критериев технологии программирования стала созданная в начале 70-х годов ОС UNIX. Операционную систему UNIX, нацеленную, прежде всего, на повышение эффективности труда программистов, разработали сотрудники "Белл Лэбс" К. Томпсон и Д. Ритчи, которых совершенно не удовлетворяли имеющиеся примитивные средства проектирования программ, ориентированные на пакетный режим. На рубеже 80-х годов UNIX рассматривалась как классический образец ОС – она начала триумфальное шествие на мини-ЭВМ серии PDP – 11 в середине 70-х годов.
1.2.3. Этап: формализация знаний. Персональный компьютер, как правило, имеет развитые средства самообучения пользователя-новичка работе за пультом, гибкие средства защиты от его ошибок и, самое главное, все аппаратно-программные средства такой ЭВМ подчинены одной "сверхзадаче" - обеспечить "дружественную реакцию" машины на любые, в том числе неадекватные, действия пользователя. Основная задача персональных вычислений - формализация профессиональных знаний – выполняемая, как правило, самостоятельно непрограммирующим пользователем или при минимальной технической поддержке программиста.
Все темы данного раздела:
Принципы работы ЭВМ
Любая форма человеческой деятельности, любой процесс функционирования технического объекта связаны с передачей и преобразованием информации. Информацией называются сведения о тех или иных явлениях
Система счисления.
Способ представления изображения произвольных чисел с помощью некоторого конечного множества символов назовем системой счисления.
В повседневной практике мы пользуе
Позиционные системы счисления.
Само название этих систем указывает на связь значимости числа и его изображения от позиции.
Позиция - некоторое место, в котором может быть представлен лишь один символ.
Пр
Выбор системы счисления.
Возникает естественный вопрос, является ли общепринятая система счисления с основанием 10 оптимальной? Если да, то с каких позиций? Вопрос заслуживает внимания, т.к. одна из первых ВМ
Перевод чисел из одной системы счисления в другую.
Всякий раз, когда используется для вычислений система счисления, отличная от фактической, необходимо выполнить перевод 10 => p, p => 10.
Этот перевод может быть
Перевод чисел из одной системы счисления в другую, когда одно основание является целой степенью другого.
Как мы уже знаем, в ЭВМ наибольшее применение находит система с основаниями 2, 4, 8, 16, т.е. системы которые кратны степени 2. Поэтому целесообразно рассмотреть лишь правила перевода чисел в этих
Фиксированная запятая
Оговоримся, что разрядная сетка машины имеет постоянное число разрядов - n.
При представлении чисел с фиксированной запятой считают, что запятая всегда находится перед старшим разря
Плавающая запятая
В ЭВМ с плавающей запятой число представляется в виде:
X = ± Mx * q±p,
где: Mx - мантисса числа;
q - основание системы счисления;
p - порядок.
Разрядная
Дополнительный код
Дополнительным называется код, в котором для положительного числа в знаковом разряде пишется "0", в цифровых - модуль числа, а для отрицательного в знаковом разряде пишется "1",
Обратный код
Обратным называется код, для которого в знаковом разряде положительного числа пишется "0", в цифровых - модуль числа, а для отрицательного - в знаковом разряде пишется единица, в цифровых
Логические функции и их свойства
Существенная часть ЭВМ состоит из электронных элементов, реализующих функции алгебры логики – Булевой алгебры.
Студентам кафедры информационных технологий МГУТУ читают курс дискретной мате
Сложение по mod 2
1 х = x0 x = xx x = 1 x x x ... x = х – при нечетном числе членов, 0 - при четном числе членов
Правило де Моргана
x1 x2 ...
Базовые элементы цифровой электротехники
Изучение базовых элементов цифровой электроники мы начнем с наиболее простых, а затем будем рассматривать все более сложные. Примеры применения каждого следующего элемента будут опираться на все эл
Инверторы
Самый простой логический элемент — это инвертор (логический элемент НЕ, "inverter") выполняет простейшую логическую функцию — инвертирование, то есть изменение уровня входного сигнала на
Элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ
Следующий шаг на пути усложнения компонентов цифровой электроники — это элементы, выполняющие простейшие логические функции. Объединяет все эти элементы то, что у них есть несколько равноправных вх
Дешифраторы
Функции дешифраторов и шифраторов понятны из их названий. Дешифратор преобразует входной двоичный код в номер выходного сигнала (дешифрирует код), а шифратор преобразует номер входного сигнала в вы
Шифратор
Шифратор – схема, имеющая 2n входов и n выходов, функции которой во многом противоположны функции дешифратора (рис. 5.5). Эта комбинационная схема в соответствии с унитарным кодом
Сумматоры
Сумматор (английское Adder), является простейшим цифровым устройством. Это узел ЭВМ, выполняющий арифметическое суммирование кодов чисел, т.е. он предназначен для сложения двух чисел, заданных в дв
ЛЕКЦИЯ 6.ПОСЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ УЗЛЫ ЭВМ.
Последовательскими называются цифровые микросхемы, имеющие внутреннюю память. Простейшими из них являются триггеры, регистры и счетчики. Если выходные сигналы логических элементов и комбинационных
Триггеры
В основе любого триггера (англ. — "тrigger" или "flip-flop") лежит схема из двух логических элементов, которые охвачены положительными обратными связями (то есть сигналы
RS триггеры.
Основу одноступенчатого триггера составляет рассмотренная выше запоминающая ячейка. Комбинационная схема преобразует управляющие сигналы триггера,Таблица переходов RSтриггера приведена в таблице 6.
D-триггеры
D-триггер (D от англ. delay — задержка, либо от data- данные) — запоминает состояние входа и выдаёт его на выход. D-триггеры имеют, как минимум, два входа: информационный D
Т-триггеры
Его называют также триггером со счетным входом. Он имеет один управляющий вход Т и два выхода Q и -Q. Информация на выходе такого триггера меняет свой знак на противоположный при каждом положительн
Регистр сдвига
Регистр сдвига – регистр, обеспечивающий помимо хранения информации, сдвиг влево или вправо всех разрядов одновременно на одинаковое число позиций. При этом выдвигаемые за пределы
Счетчики
Счетчиком называется электронная схема, предназначенная для подсчета числа сигналов, поступающих на его счетный вход. Счетчики используются в устройстве управления ко
Описание АЛУ
Арифме́тико - логи́ческое устро́йство (АЛУ) (англ. arithmetic and logic unit, ALU) — блок центрального процессора, который под управлением устройства управления (УУ) сл
Работа АЛУ.
Предполагается, что операнды хранятся в оперативной памяти.
1. По управляющему сигналу Y1 первое слагаемое (или уменьшаемое при вычитании)поступает из оперативной памяти по B
ЛЕКЦИЯ 8.УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ.
Компьютер условно можно разделить на два основных блока: операционный и управляющий. Для реализации любой команды необходимо на соответствующие управляющие входы любого устройства компьютера подать
Схемное устройство управления
Устройство управления схемного типа (рис. 8.1) состоит из:
· датчика сигналов, вырабатывающего последовательность импульсов, равномерно распределенную во времени по своим шин
Датчик сигналов на сдвиговом регистре
Проектирование датчика сигналов на сдвиговом регистре требует лишь его "закольцовывания", то есть соединения выхода последнего разряда с входом, через который в регистр заносится и
ЛЕКЦИЯ 9. ПАМЯТЬ.
Памятью ЭВМ называется совокупность устройств, служащих для запоминания, хранения и выдачи информации.
Отдельные устройства, входящие в эту совокупность, называются запоминающим
Оперативная память
Операти́вная па́мять(ОП), Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) (англ. Random Access Memory, часть системы компьютерной памяти, в которой временно хранятся данные и команды, не
Форматы команд
Запись любой команды определяется ее форматом.
Формат команды – это структура команды, позволяющая распознать назначение отдельных ее полей.
Исходя из определения
Способы адресации
Решить проблему сокращения разрядности команды только за счет сокращения количества указываемых в команде операндов и применения регистровой памяти невозможно. Этой же цели служит использование раз
Прямая адресация.
Физический адрес операнда совпадает с кодом в адресной части команды (рис. 10.4). Формальное обозначение:
Операндi = (Аi),
где Аi – код, со
Косвенная адресация
Адресная часть команды указывает адрес ячейки памяти (рис. 10.6,а) или номер регистра (рис. 10.6,б), в которых содержится адрес операнда:
Операндi = ((Аi
Относительная адресация.
Этот способ используется тогда, когда память логически разбивается на блоки, называемые сегментами. В этом случае адрес ячейки памяти содержит две составляющих: адрес начала сегмента (базовый адрес
ЛЕКЦИЯ 11. ВЫПОЛНЕНИЕ ОДНОЙ КОМАНДЫ ЭВМ.
Для улучшения понимания вопросов взаимодействия узлов и устройств ЭВМ рассмотрим автоматическое выполнение команды в трехадресной ЭВМ с классической архитектурой. Структурная схема такой ЭВМ показа
Назначение, область применения многопроцессорных вычислительных систем
Многопроцессорные вычислительные системы могут существовать в различных конфигурациях. Наиболее распространенными типами МВС являются:
· системы высокой надежности ;
SMP-архитектура
SMP (symmetric multiprocessing) – симметричная многопроцессорная архитектура. Главной особенностью систем с архитектурой SMP является наличие общей физической памяти,
MPP-архитектура
MPP (massive parallel processing) – массивно-параллельная архитектура. Главная особенность такой архитектуры состоит в том, что память физически разделена. В этом случае сис
Гибридная архитектура NUMA
Главная особенность гибридной архитектуры NUMA (nonuniform memory access) – неоднородный доступ к памяти .
Гибридная архитектура совмещает достоинства
Архитектура Многопоточных систем
используются для обеспечения единого интерфейса к ряду ресурсов, которые могут со временем произвольно наращиваться (или сокращаться). Типичным примером может служить группа web-серверов.
Конвейерные процессоры
Процессоры современных компьютеров используют особенную технологию – конвейеры, которые позволяют обрабатывать более одной команды одновременно.
Обработка команды м
Матричные процессоры
Наиболее распространенными из систем класса один поток команд – множество потоков данных (SIMD) являются матричные системы, которые лучше всего приспособлены для решения задач, характеризующихся
Прерывания
Весьма важной частью ВС, обеспечивающей многопрограммность ее работы, является система прерывания программы. Система прерываний реализуется программно и аппаратно. Ее программные блоки в основном в
ЛЕКЦИЯ 13. КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ.
Компьютерная сеть (вычислительная сеть, сеть передачи данных) — система связи компьютеров и/или компьютерного оборудования
Компьютерные сети делятся на
персональн
Топология локальных сетей
Под топологией (компоновкой, конфигурацией, структурой) компьютерной сети обычно понимается физическое расположение компьютеров сети друг относительно друга и способ соединения их линиями
Топология шина
· Шина (bus) — все компьютеры параллельно подключаются к одной линии связи. Информация от каждого компьютера одновременно передается всем остальным компьютерам (рис. 13.1).
Топология звезда
· Звезда (star) — к одному центральному компьютеру присоединяются остальные периферийные компьютеры, причем каждый из них использует отдельную линию связи (рис. 13.2.). Инфор
Топология кольцо
· Кольцо (ring) — компьютеры последовательно объединены в кольцо. Передача информации в кольце всегда производится только в одном направлении. Каждый из компьютеров передает информацию только одном
Другие топологии
Кроме трех рассмотренных базовых топологий нередко применяется также сетевая топология дерево (tree), которую можно рассматривать как комбинацию нескольких звезд. Причем, как и в случае звезды, дер
Новости и инфо для студентов