Принцип условного перехода

Принцип последовательного программного управления.

Принцип адресуемости памяти.

Принцип однородности памяти.

Принцип программного управления.

Принцип двоичности.

Архитектура фон Неймана

В 1946 году трое учёных— Артур Бёркс, Герман Голдстайн и Джон фон Нейман опубликовали статью «Предварительное рассмотрение логического конструирования электронного вычислительного устройства». В статье обосновывалось использование двоичной системы для представления данных в ЭВМ, выдвигалась идея использования общей памяти для программы и данных. Имя фон Неймана было достаточно широко известно в науке того времени, что отодвинуло на второй план его соавторов, и данные идеи получили название «принципы фон Неймана».

Для представления данных и команд используется двоичная система счисления.

Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определённой последовательности.

Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой.

Команды из программы не всегда выполняются одна за другой. Возможно присутствие в программе команд условного перехода, которые изменяют последовательность выполнения команд в зависимости от значений данных.

Второе поколение (1954–1962)

Второе поколение характеризуется рядом достижений в элементной базе, структуре и программном обеспечении.

Принято считать, что поводом для выделения нового поколения ВМ стали технологические изменения, и, главным образом, переход от электронных ламп к полупроводниковым диодам и транзисторам со временем переключения порядка 0,3 мс.

В 1947 году два физика Джон Бардин и Уолтер Браттейн собрали усилитель сигналов, состоящий из германиевой пластины и полоски золотой фольги. Это был первый транзисторный прибор, который порой называют самым важным изобретением 20 века. В 1956 году авторы изобретения были удостоены Нобелевской премии по физике.

Первые транзисторные компьютеры появились в 1956 г. и через несколько лет полностью вытеснили проекты ламповых компьютеров

Первой ВМ, выполненной полностью на полупроводниковых диодах и транзисторах, стала TRADIC (TRAnisitor DIgital Computer), построенная в Bell Labs по заказу военно-воздушных сил США как прототип бортовой ВМ. Машина состояла из 700 транзисторов и 10 000 германиевых диодов.

За два года эксплуатации TRADIC отказали только 17 полупроводниковых элементов, что говорит о прорыве в области надежности, по сравнению с машинами на электронных лампах.

Другой достойной упоминания полностью полупроводниковой ВМ стала TX-0, созданная в 1957 году в Массачусетсском технологическом институте.

Технологический прогресс дополняют важные изменения в архитектуре ВМ. Прежде всего, это касается появления в составе процессора ВМ индексных регистров, что позволило упростить доступ к элементам массивов.

С использованием индексных регистров адрес элемента массива вычисляется как сумма адресной части команды и содержимого индексного регистра. Это позволяет обратиться к любому элементу массива, не затрагивая код команды, а лишь модифицируя содержимое индексного регистра.

Вторым принципиальным измене нием в структуре ВМ стало добавление аппаратного блока обработки чисел в формате с плавающей запятой. До этого обработка вещественных чисел производилась с помощью подпрограмм, каждая из которых имитировала выполнение какой-то одной операции с плавающей запятой (сложение, умножение и т. п.), используя для этой цели обычное целочисленное арифметико-логическое устройство.

Третье значимое нововведение в архитектуре ВМ — появление в составе вычислительной машины процессоров ввода/вывода, позволяющих освободить центральный процессор от рутинных операций по управлению вводом/выводом и обеспечивающих более высокую пропускную способность тракта «память — устройства ввода/вывода» (УВВ).

Наконец, нельзя не отметить значительные события в сфере программного обеспечения, а именно создание языков программирования высокого уровня: Фортрана (1956), Алгола (1958) и Кобола (1959).

Третье поколение (1963–1972)

Третье поколение ознаменовалось резким увеличением вычислительной мощности ВМ, ставшим следствием больших успехов в области архитектуры, технологии и программного обеспечения.

Британский физик Джеффри Даммет высказал идею создать электронное устройство в виде сплошного твердого тела, лишенное соединительных проводов. Это тело может состоять из слоев изолирующих, проводящих, фильтрующих и усиливающих веществ, в которых электрические функции выполняются за счет придания этим слоям определенной формы.

В этом направлении работали и другие физики. В 1957 г. Джек Килби высказал мысль о возможности изготовления нескольких транзисторов, резисторов и других деталей из единого куска кремния. В 1959 г. Роберт Нойс запатентовал изобретение интегральной схемы.

В 1965г. Гордон Мур высказал мысль, которая считается законом Мура, что с 1959 г. число транзисторов в одной интегральной схеме удваивается каждый год

Основные технологические достижения связаны с переходом от дискретных полупроводниковых элементов к интегральным микросхемам и началом применения полупроводниковых запоминающих устройств, начинающих вытеснять ЗУ на магнитных сердечниках.

Существенные изменения произошли и в архитектуре ВМ. Это, прежде всего, микропрограммирование как эффективная техника построения устройств управления сложных процессоров, а также наступление эры конвейеризации и параллельной обработки.

В области программного обеспечения определяющими вехами стали первые операционные системы и реализация режима разделения времени.

В первых ВМ третьего поколения использовались интегральные схемы с малой степенью интеграции (small-scale integrated circuits, SSI), где на одном кристалле размещается порядка 10 транзисторов.

Ближе к концу рассматриваемого периода на смену SSI стали приходить интегральные схемы средней степени интеграции (medium-scale integrated circuits, MSI), в которых число транзисторов на кристалле увеличилось на порядок. К этому же времени относится повсеместное применение многослойных печатных плат.

В 1964 году Сеймур Крей (Seymour Cray, 1925–1996) построил вычислительную систему CDC 6600, в архитектуру которой впервые был заложен функциональный параллелизм.

Благодаря наличию 10 независимых функциональных блоков, способных работать параллельно, и 32 независимых модулей памяти удалось достичь быстродействия в 1 MFLOPS (миллион операций с плавающей запятой в секунду).

Пятью годами позже Крей создал CDC 7600 с ыстродействием 10 MFLOPS. CDC 7600 называют первой конвейерной вычислительной системой (конвейерным процессором).

Революционной вехой в истории ВТ стало создание семейства вычислительных машин IBM 360, архитектура и программное обеспечение которых на долгие годы служили эталоном для последующих больших универсальных ВМ (mainframes).

В машинах этого семейства нашли воплощение многие новые для того периода идеи, в частности:

· предварительная выборка команд,

· отдельные блоки для операций с фиксированной и плавающей запятой,

· конвейеризация команд,

· кэш-память.

Конвейер при функционировании использует разбиение выполнения команды на 5 этапов:

§ выборка команды из кэш – памяти или ОЗУ,

§ декодирование команды,

§ генерация адресов операндов в памяти,

§ выполнение операции с помощью АЛУ,

§ запись результата.

Очередная команда после выборки попадает в блок декодирования, освобождая блок для записи следующей команды. В результате на конвейере могут находиться в различных стадиях выполнения до 5 команд:

5к 4к 3к 2к 1к

1с 2с 3с 4с 5с  

к – команда

с – стадия

К третьему поколению ВС относятся также первые параллельные вычислительные системы: SOLOMON корпорации Westinghause и ILLIAC IV — совместная разработка Иллинойского университета и компании Burroughs.

Четвертое поколение (1972–1984)

Отсчет четвертого поколения обычно ведут с перехода на интегральные микросхемы большой (large-scale integration, LSI) и сверхбольшой (very large-scale integration, VLSI) степени интеграции.

К первым относят схемы, содержащие около 1000 транзисторов на кристалле, в то время как число транзисторов на одном кристалле VLSI имеет порядок 100 000.

При таких уровнях интеграции стало возможным уместить в одну микросхему не только центральный процессор, но и вычислительную машину (ЦП, основную память и систему ввода/вывода).

Конец 70-х и начало 80-х годов — это время становления и последующего победного шествия микропроцессоров и микроЭВМ, что, однако, не снижает важности изменений, произошедших в архитектуре других типов вычислительных машин и систем.

Дата добавления: 2014-01-13