Тема: Розвиток комп'ютерної архітектури

Лабораторна робота №1

Огляд ключових історичних моментів розвитку обчислювальної техніки підсумовано в табл. 1.1.

Таблиця 1.1. Основні етапи розвитку комп'ютерів

Рік випуску	Назва комп'ютера	Будівник	Примітки
	Аналітична машина	Бебідж	Перша спроба побудувати цифровий комп'ютер
	Z1	Зус	Перша релейна обчислювальна машина
	COLOSSUS	Британський уряд	Перший електронний комп'ютер
	MARK I	Айкен	Перший американський багатоцільовий комп'ютер
	ENIAC I	Екерт/Моушлі	Початок історії сучасних комп'ютерів
	EDSAC	Уілкс	Перший комп'ютер з програмами, що зберігаються у пам'яті
	Wirlwind I	MTI	Перший комп'ютер реального часу
	IAS	Фон Нейман	Цей проект використовується в більшості сучасних комп'ютерів
	PDP-1	DEC	Перший міні-комп'ютер (було продано 50 екземплярів)
		IBM	Дуже популярний маленький комп'ютер
		IBM	Дуже популярна невелика обчислювальна машина
	B5000	Burroughs	Перша машина, яку розробили для мови високого рівня
		IBM	Перше сімейство комп'ютерів
		CDC	Перший суперкомп'ютер для наукових розрахунків
	PDP-8	DEC	Перший міні-комп'ютер масового спожитку (було продано 50000 екземплярів)
	PDP-11	DEC	Домінуючий міні-комп'ютер на ринку 70-х років
		Intel	Перший універсальний 8-бітний комп'ютер на мікросхемі
	CRAY-1	Cray	Перший векторний суперкомп'ютер
	VAX	DEC	Перший 32-бітний супермінікомп'ютер
	IBM PC	IBM	Початок ери сучасних персональних комп'ютерів
	MIPS	MIPS	Перший комп'ютер RISC
	SPARC	Sun	Перша робоча станція RISC
	RS6000	IBM	Перший суперскалярний комп'ютер

Нульове покоління — механічні комп'ютери (1642-1945)

Перша обчислювальна машина розроблена Блезом Паскалем (1642) - механічна, із шестірнями і ручним приводом - могла виконувати тільки операції додавання і віднімання.

1673 - Готфрид Вільгельм Лейбніц побудував механічну машину, що крім додавання і віднімання могла виконувати операції множення і діління.

1822 - Чарльз Бебідж розробив і сконструював різницеву машину. Ця механічна машина, як і машина Паскаля, могла тільки складати і віднімати, підраховувала таблиці чисел для морської навігації. У машину був закладений тільки один алгоритм — метод кінцевих різниць з використанням поліномів. Результати видавлювалися сталевим штампом на мідній дощечці, що передбачило більш пізні засоби вводу-виводу — перфокарти і компакт-диски.

1849 - Бебідж удосконалив пристрій, розробивши аналітичну машину. В ній було 4 компоненти: запам'ятовуючий пристрій (пам'ять), обчислювальний пристрій, пристрій введення (для зчитування перфокарт), пристрій висновку (перфоратор і друкувальний пристрій). Пам'ять складалася з 1000 слів по 50 десяткових розрядів, кожне з яких містило змінні і результати. Обчислювальний пристрій приймав операнди з пам'яті, потім виконував операції додавання, віднімання, множення чи діління і повертав отриманий результат назад у пам'ять. Як і різницева машина, цей пристрій був механічним.

Оскільки ця аналітична машина програмувалася на асемблері, їй було необхідно програмне забезпечення. Щоб створити це програмне забезпечення, Бебідж найняв Аду Августу Ловлейс, дочку знаменитого британського поета Байрона. Ада Ловлейс була першим у світі програмістом. У її честь названа сучасна мова програмування Ada.

1944 - Говард Айкен створив релейний комп'ютер “Mark I”. Комп'ютер містив 72 слова по 23 десяткових розряда кожне і міг виконати будь-яку команду за 6 секунд. Для вводу-виводу використовувалася перфострічка.

Перше покоління — електронні лампи (1945-1955)

1943 - перший електронний комп'ютер (COLOSSUS, Велика Британія). У створенні цієї машини брав участь знаменитий математик Алан Тьюрінг.

1946 - перший електронний комп'ютер в США (ENIAC, Джон Моушлі). Він складався з 18 000 електровакуумних ламп і 1500 реле. ЕNІАС важив 30 тонн і споживав 140 кіловат електроенергії. У машини було 20 регістрів, кожний з який міг містити 10-розрядне десяткове число.

Коли закінчилася Друга Світова війна, першим робочим комп'ютером став EDSAC (Моріс Уілкс, Кембріджський університет, 1949). Далі - JОHNІАС — у корпорації Rand, ILLIAC — в Університеті Іллінойсу, MANIAC — у лабораторії Лос-Аламоса і WEIZAC — в Інституті Вайцмана в Ізраїлі.

У вересні 1944 року видатний математик Джон фон Нейман отримав дозвіл ознайомитися із проектом ENIAC. Результатом його співпраці у проекті став звіт, в якому він описав логічну організацію власної обчислювальної машини (1945). Основні положення цього звіту:

- закінчений пристрій повинен включати органи арифметики, пам'яті, керування та зв'язку з оператором;

- машина повинна запам'ятовувати не тільки цифрову інформацію, потрібну для обчислень, але й команди, які керують програмою обчислень;

- орган пам'яті можна використовувати не тільки для збереження чисел, а також і команд.

Він також відзначив, що десяткова арифметика, використовувана в ENIAC, де розряд був представлений 10 електронними лампами, повинна бути замінена бінарною арифметикою. Схема архітектури цієї машини дана на мал. 1.1.

Пам'ять включала 4096 слів, кожне слово містило 40 бітів. Кожне слово містило чи 2 команди по 20 бітів, чи ціле число зі знаком на 40 бітів. 8 бітів указували на тип команди, а інші 12 бітів визначали одне з 4096 слів. Усередині арифметико-логічного пристрою знаходився особливий внутрішній регістр у 40 бітів, так званий акумулятор. Типова команда додавала слово з пам'яті до акумулятора або зберігала вміст акумулятора в пам'яті.

Хоча фірма IBM частково фінансувала проект Айкена, вона тільки в 1953 році побудувала перший комп'ютер IBM-701. Він став першим комп'ютером, що лідирував на ринку протягом десяти років. Через три роки з'явився IBM-704, у якого було 4 К пам'яті на магнітних сердечниках, команди по 36 бітів і процесор із плаваючою крапкою.

Друге покоління — транзистори (1955-1965)

Транзистор був винайдений співробітниками лабораторії Bell Laboratories Джоном Бардіном, Уолтером Братейном і Вільямом Шоклі. Перший комп'ютер на транзисторах був побудований у лабораторії МТІ. Він містив слова з 16 бітів. Комп'ютер називався ТХ-0 (Transistorized eХperimental computer 0 — експериментальна транзисторна обчислювальна машина 0) і призначався для тестування машини ТХ-2.

Один з інженерів з цієї лабораторії, Кенет Ольсен, у 1957 році заснував компанію DEC (Digital Equipment Corporation — корпорація по виробництву цифрової апаратури), щоб розробити серійну машину, подібну до ТХ-0. Ця машина, PDP-1, з'явилася в 1961 році. У неї було 4 К слів по 18 бітів і вона мала час циклу 5 мікросекунд. Цей параметр був у два рази менше, ніж у IBM-7090, транзисторного аналога IBM-709. PDP-1 був самим швидким комп'ютером у світі на той час. PDP-1 коштував $120000, a IBM-7090 коштував мільйони. Одну з перших машин моделі PDP-1 віддали в МТІ, де вона відразу привернула увагу молодих дослідників. Одним з нововведень PDP-1 був дисплей з розміром 512 на 512 пікселів. Незабаром студенти МТІ склали спеціальну програму для PDP-1, щоб грати в “Війну світів” — першу у світі комп'ютерну гру.

Через кілька років DEC розробив модель PDP-8, 12-бітний комп'ютер. PDP-8 коштував $ 16000. Головне нововведення — одна шина (Omnibus) (мал. 1.2). Шина — це набір паралельно з'єднаних проводів для зв'язку компонентів комп'ютера. Це нововведення сильно відрізняло PDP-8 від фон-нейманівської машини. З тих пір така структура використовується у всіх комп'ютерах. Компанія DEC продала 50 000 комп'ютерів моделі PDP-8 і стала лідером на ринку міні-комп'ютерів.

Як уже було сказано, з винаходом транзисторів компанія IBM побудувала транзисторну версію ІВМ-709 — IBM-7090, а пізніше — IBM-7094. У неї час циклу складав 2 мікросекунди, а пам'ять складалася з 32К слів по 16 бітів. IBM-7090 і IBM-7094 були останніми комп'ютерами типу ENIAC, але вони широко використовувалися для наукових розрахунків у 60-х роках минулого століття. Компанія IBM також випускала комп'ютери IBM-1401 для комерційних розрахунків. Ця машина могла зчитувати і записувати магнітні стрічки і перфокарти і роздруковувати результат так само швидко, як і IBM-7094, але при цьому коштувала дешевше. Для наукових обчислень вона не підходила, але була дуже зручна для ведення ділових записів. У IBM-1401 не було регістрів і фіксованої довжини слова. Пам'ять містила 4 К слів по 8 бітів (4 Кбайт). Кожен байт містив символ у 6 бітів, адміністративний біт і біт для вказівки кінця слова.

У 1964 році компанія CDC (Control Data Corporation) випустила машину 6600, що працювала майже на порядок швидше, ніж IBM-7094. Секрет високої швидкості роботи полягав у тім, що усередині ЦП (центрального процесора) знаходилася машина з високим ступенем паралелізму. У неї було декілька функціональних пристроїв для додавання, множення і ділення, і усі вони могли працювати одночасно. Можна було скласти програму так, щоб машина виконувала 10 команд одночасно.

Третє покоління — інтегральні схеми (1965-1980)

Винахід кремнієвої інтегральної схеми в 1958 році (Роберт Нойс) дав можливість розміщувати десятки транзисторів на одній невеликій мікросхемі. Комп'ютери на інтегральних схемах були меншого розміру, працювали швидше і коштували дешевше, ніж їхні попередники на транзисторах.

Компанія IBM випустила серію комп'ютерів, System/360, що були призначені і для наукових, і для комерційних розрахунків. Це було ціле сімейство комп'ютерів з тією самою мовою (асемблером). В табл.1.2 наведені деякі параметри моделей сімейства ІВМ-360.

Таблиця 1.2. Перші моделі серії ІВМ-360

Параметри	Модель 30	Модель 40	Модель 50	Модель 60
Відносна продуктивність	1	3,5	10	21
Час циклу, мс
Максимальний об'єм пам'яті, Кбайт
Кількість байтів, яке можна викликати із пам'яті за 1 цикл
Максимальна кількість каналів даних

Ще одне нововведення в IBM-360 — мультипрограмування. У пам'яті комп'ютера могло знаходитися одночасно кілька програм, і поки одна програма чекала, коли закінчиться процес вводу-виводу, інша виконувалася.

IBM-360 удалося вирішити дилему між двійковою і десятковою системою: у цього комп'ютера було 16 регістрів по 32 біта для бінарної арифметики, але пам'ять складалася з байтів, як у IBM-1401.

Обсяг пам'яті в IBM-360 складав 2²⁴ байтів (16 Мбайт). У середині 80-х років 16 Мбайт пам'яті стало недостатньо, і компанії IBM довелося частково відмовитися від сумісності, щоб перейти на систему адрес у 32 біта, необхідну для пам'яті обсягом у 2³² байтів.

Компанія DEC випустила у третім поколінні серію міні-комп'ютерів PDP-11, послідовників PDP-8 зі словами по 16 бітів.

Четверте покоління — надвеликі інтегральні схеми (1980-?)

Поява надвеликих інтегральних схем (НБІС) у 80-х роках дозволило розміщувати на одній платі спочатку десятки тисяч, потім сотні тисяч і, нарешті, мільйони транзисторів. Ціни упали, так що можливість здобувати комп'ютери з'явилася не тільки в організацій, але й в окремих людей.

Перші персональні комп'ютери продавалися у вигляді комплектів. Кожен комплект містив друковану плату, набір інтегральних схем, що звичайно включав схему Intel 8080, кілька кабелів, джерело живлення й іноді 8-дюймовий дисковод. Скласти з цих частин комп'ютер покупець повинен був сам. Програмне забезпечення до комп'ютера не додавалося. Пізніше з'явилася операційна система СР/М, написана Гарі Килдалом для Intel 8080. Ця діюча операційна система містилася на дискеті, до її складу входила система керування файлами та інтерпретатор для виконання користувальницьких команд, що набиралися з клавіатури.

Персональний комп'ютер Apple був розроблений Стівом Джобсом і Стівом Возняком. Він став надзвичайно популярним серед покупців, а також широко використовувався в школах.

Працівник ІВМ Філіп Естрідж вибрав Intel 8088 як центральний процесор і створив персональний комп'ютер із серійних компонентів. Цей комп'ютер (IBM PC) з'явився в 1981 році і став комп'ютером, що найкраще купувався в історії.

Перша версія IBM PC була оснащена операційною системою MS-DOS, що випускала корпорація Microsoft. IBM і Microsoft спільно розробили після MS-DOS операційну систему OS/2, характерною рисою якої був графічний інтерфейс, подібний з інтерфейсом Apple Macintosh. Тим часом компанія Microsoft також розробила власну операційну систему Windows, що працювала на основі MS-DOS, на випадок, якщо OS/2 не буде мати попиту. OS/2 дійсно не користувалася попитом, a Microsoft успішно продовжувала випускати операційну систему Windows.

Структурна організація та архітектура ЕОМ

При описі комп'ютерних систем прийнято розрізняти їхню структурнуорганізацію й архітектуру.

Термін «архітектура комп'ютерної системи» відноситься до тих характеристик системи, що доступні ззовні, тобто з боку програми, чи, з іншого погляду, безпосередньо впливають на логіку виконання програми. Під терміном «структурна організація комп'ютерної системи»мається на увазі сукупність операційних блоків (пристроїв) та їхніх взаємозв'язків, що забезпечує реалізацію специфікацій, заданих архітектурою комп'ютера. У число характеристик архітектури входять набір машинних команд, формат розрядної сітки для представлення даних різних типів, механізм звертання до засобів вводу-виводу і метод адресації пам'яті. Характеристики структурної організації включають сховані від програміста деталі апаратної реалізації системи — керуючі сигнали, апаратний інтерфейс між комп'ютером і периферійним устаткуванням, технологію функціонування пам'яті.

Наприклад, питання про те, чи потрібно до набору машинних команд включити команду множення, відноситься до компетенції фахівця, що розробляє архітектуру комп'ютера, а питання, як організувати виконання команди множення — за допомогою спеціальної матричної схеми чи за допомогою багаторазового звертання до блоку підсумовування — повинен вирішувати фахівець зі структурної організації. Він приймає рішення на підставі наявної апріорної інформації про частоту виконання команд множення в тій області застосування, для якої проектується система, співвідношення між величинами часу виконання команди в альтернативних варіантах реалізації, вартості відповідних засобів і їхніх фізичних розмірів.

Історія розвитку обчислювальної техніки і сучасна практика проектування комп'ютерних систем свідчать про те, що поділ між структурною організацією й архітектурою має аж ніяк не академічний інтерес. Багато фірм - виробників комп'ютерного устаткування пропонують на ринках цілі сімейства комп'ютерів, усі члени якого мають єдину архітектуру, але відрізняються структурною організацією. У результаті різні моделі сімейства мають різну ціну і продуктивність. Досвід розробки сімейств комп'ютерів показав, що архітектура може бути досить консервативною і зберігатися протягом тривалого часу, у той час як структурна організація швидко змінюється слідом за змінами в технології виробництва окремих компонентів системи.

У класі систем, що одержали назву мікрокомп'ютерів, зв'язок між архітектурою і структурною організацією дуже тісна. Зміни в технології виробництва інтегральних мікросхем впливають не тільки на структуру такого комп'ютера, але примушують розроблювачів створювати більш могутню у функціональному змісті архітектуру. У загальному випадку для машин цього класу не такі сильні вимоги до наступності програмного забезпечення на рівні машинних команд комп'ютерів різних поколінь. У результаті з'являється більше можливостей "гри на параметрах" при прийнятті рішень, що відносяться до ув'язування структурної організації й архітектури.

Контрольні питання:

1. Дайте характеристику основних етапів розвитку комп’ютерів.

2. Дайте характеристику першого покоління розвитку комп’ютерів.

3. Дайте характеристику другого покоління розвитку комп’ютерів.

4. Дайте характеристику третього покоління розвитку комп’ютерів.

5. Дайте характеристику четвертого покоління розвитку комп’ютерів.

6. Наведіть та поясніть схему архітектури фон-неймановської обчислювальної машини.

7. Дайте визначення шини.

8. Дайте визначення структурної організації комп’ютерної системи.

9. Дайте визначення архітектури комп’ютерної системи.

Дата добавления: 2015-04-24