Вопросы. В основе выделения поколений ЭВМ лежит элементная база процессора

Поколения ЭВМ

В основе выделения поколений ЭВМ лежит элементная база процессора. Эта и другие характеристики ЭВМ разных поколений приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Поколения ЭВМ
Характеристики	Первое 1951-1954 гг.	Второе 1958-1960 гг.	Третье 1965-1966 гг.	Четвертое	Пятое
1976 - 1979 гг.	1985 г.
1. Элементная база ЦП	Электронные лампы	Транзисторы	Интегральные схемы	БИС	СБИС	СБИС + опто - и крио - электроника
2. Элементная база ОЗУ	Электронно-лучевые трубки	Ферритовые сердечники	Ферритовые сердечники	БИС	СБИС	СБИС
3. Maксимальная емкость ОП в байтах	10^2	10^3	10^4	10^5	10^7	10^8
4. Максимальное быстродействие ЦП в ОС	10^4	10^6	10^7	10^8	10^9 + многопроцессорность	10^12 + многопроц
5. Языки программирования	Машинный код	+ ассемблер	+ процедурные языки высокого уровня (ЯВУ)	+ новые процедурные ЯВУ	+ непроцедурные ЯВУ	+ новые непроцедурные ЯВУ
6. Средства связи пользователя с ЭВМ	Пульт управления, перфокарты	Перфокарты, перфоленты	Алфавитно-цифровой терминал	Монохромный графический дисплей, клавиатура	Цветной графический дисплей, клавиатура, "мышь" и т.д.	+ устройства голосовой связи с ЭВМ

Классификация ЭВМ

Одна из общепринятых классификаций ЭВМ приведена Б.С. Богумирским. Нам она представляется приемлемой и на сегодняшний день.

1. Большие ЭВМ (mainframe) IBM 360/370, ЕС ЭВМ, ES/9000, IBM S/390.
2. Супер-ЭВМ (Cray J90, Convex C38XX, IBM SP2, SGI POWER CHALLENGE, системы MPP, Электроника СС-100, Эльбрус-3).
3. Мини-ЭВМ (PDP-11, VAX, СМ ЭВМ).
4. Микро-ЭВМ:
• АРМ;
• встроенные;
• ПЭВМ.

С точки зрения взаимодействия команд и данных, интересна классификация ЭВМ по Флинну:

1. ОКОД (SISD) - "одиночный поток команд, одиночный поток данных". Традиционная архитектура фон Неймана + КЭШ + память + конвейеризация.
2. ОКМД (SIMD) - "одиночный поток команд, множественный поток данных".
3. МКМД (MIMD) - "множественный поток команд, множественный поток данных", мультипроцессорные системы (несколько устройств управления и АЛУ).

1. Сформулируйте традиционные принципы построения ЭВМ.
2. Какие еще принципы построения ЭВМ вы знаете?
3. По какому признаку выделяют поколения ЭВМ?
4. К какому поколению относятся первые мини-ЭВМ?
5. Какие выделяют классы ЭВМ?
6. Какие существуют типы ЭВМ с точки зрения взаимодействия команд и данных?
7. Какие модели ПЭВМ представлены сегодня на рынке?

Лекция 2. Компьютер – общие сведения

Компьютер, по существу, устройство способное исполнять четко определенную последовательность операций, предписанную программой. Очень грубо, все многообразие компьютеров можно разделить на три основных класса: персональные системы (от настольных, до карманных), мейнфреймы и сервера на их основе и суперкомпьютеры. Мы начнем изучение этой области знания со структуры персонального компьютера. ПК характерен тем, что им может пользоваться один человек, не обладающий высокой квалификацией. На основе персональных компьютеров можно строить самые сложные контрольно-измерительные, управляющие, вычислительные и информационные системы. Имеющиеся в персональном компьютере аппаратные и программные средства делают его универсальным инструментом для самых разных задач. В случае вычислительных и информационных систем персональный компьютер не нуждается в подключении нестандартной аппаратуры, все сводится к подбору или написанию необходимого программного обеспечения. В случае же контрольно-измерительных и управляющих систем персональный компьютер оснащается набором инструментов для сопряжения с внешними устройствами и соответствующими программными средствами. Во многих случаях строить систему на основе персонального компьютера оказывается гораздо проще, быстрее и даже дешевле, чем проектировать ее с нуля на базе какого-то микропроцессора, микропроцессорного комплекта или микроконтроллера. Конечно, в большинстве случаев система на основе персонального компьютера оказывается сильно избыточной, но это плата за универсальность. Когда используется аббревиатура PC (Personal Computer), подразумевается ПК, совместимый с самым массовым семейством фирмы IBM. Конечно, есть много других ПК, не менее достойных, но мы будем акцентировать наше внимание на IBM PC.

2.1 Основные узлы ПК – «Материнская плата»

Основные электронные компоненты, определяющие структуру компьютера типа IBM PC, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (Mother Board). А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения (Daughter Board — дочерняя плата) и подключаются к шине с помощью разъёмов расширения, называемых также слотами расширения (англ. slot — щель, паз).

Рис.2.1 Структурная схема IBM PC-совместимого компьютера

Ядром компьютера является центральный процессор (CPU- один или несколько), ОЗУ (RAM). ПЗУ(ROM) с BIOS и интерфейсные средства, связывающие между собой все элементы компьютера и периферийного оборудования. На рисунке 2.1 они изображены в виде «облака», поскольку их формы разнообразны (шины, хабы, мосты). Это «облако» обычно имеет интерфейсы одной или нескольких шин расширения (ISA, EISA, PCI/PCI-X, PCI Express), а также порта AGP (на сегодня вытесняемого PCI-E). Стандартная архитектура PC определяет обязательный набор средств ввода-вывода и средств поддержки периферии, включая систему аппаратных прерываний (контроллер прерываний PIC– i8259A), систему прямого доступа к памяти (контроллер ПДП – i8237A), трехканальный счетчик (i8254), интерфейс клавиатуры (КВС-i8042), канал управления звуком, память и часы CMOS. Компьютер должен быть дополнен периферией: дисплеем со своим адаптером подключенному к порту AGP, контроллерами шин периферийных устройств (ATA, SATA, SCASI, USB, Fire Wire), интерфейсы портов (COM, LPT, Game…), дисководов, аудиосредств и пр. Как правило, «облако» вместе со средствами ввода-вывода и поддержки периферии реализуется чипсетом системной платы, который и включает в себя перечисленные выше интерфейсы.

2.2 Основные компоненты компьютера:

• Центральный процессор (АЛУ с блоком управления) — это микропроцессор со всеми необходимыми вспомогательными микросхемами, включая внешнюю кэш -память и контроллер системной шины. Процессор имеет набор регистров, часть которых доступна для хранения операндов, выполнения действий над ними и формирования адреса команд и операндов. Другая часть регистров используется процессором для служебных (системных) целей. Задача ЦП заключается в том, чтобы последовательно вызывать из памяти команды по некоторому адресу, декодировать их, вызывать данные (операнды) по некоторому адресу, выполнять действия, предписанные командой, и записывать результат по некоторому адресу.

• Оперативная память (ОП или ОЗУ) – самый большой массив ячеек памяти со смежными адресами, может занимать почти все адресуемое пространство памяти процессора. Для повышения производительности ОП кэшируется сверхоперативной памятью на нескольких уровнях. В современных персональных компьютерах стандартный объем системной памяти составляет, как правило, от 512 до 2 Гбайт. Оперативная память компьютера выполняется на микросхемах динамической памяти и поэтому требует регенерации.
• Постоянная память (ПП) (ROM - BIOS Base Input/Output System имеет небольшой объем до 64 Кбайт), содержит программу начального запуска, описание конфигурации системы, а также драйверы (программы нижнего уровня) для взаимодействия с системными устройствами. Помимо ПЗУ процессор имеет и некоторые виды специальной памяти (например, видеопамять графического адаптера).
• Внешняя память организуется, как правило, на магнитных и оптических дисках, магнитных лентах. Объем, по существу, не ограничен.
• Контроллер прерываний, позволяющий периферийным устройствам сигнализировать процессору о необходимости исполнения некоторых обслуживающих процедур.
• Контроллер прямого доступа к памяти позволяет периферийным устройствам обмениваться массивами данных с оперативной памятью, не отвлекая на это процессор. Служит для организации многопользовательского и многопрограммного режима.
• Контроллер регенерации осуществляет периодическое обновление информации в динамической оперативной памяти путем проведения по шине специальных циклов регенерации.
• Коммуникационные устройства служат для передачи информации между компьютерами и их частями. Сюда относят модемы, адаптеры глобальных и локальных сетей.
• Системные устройства ввода/вывода — это те устройства, которые необходимы для работы компьютера и взаимодействия со стандартными внешними устройствами по параллельному и последовательному интерфейсам. Они могут быть выполнены на материнской плате, а могут располагаться на платах расширения.
• Платы расширения устанавливаются в слоты (разъемы) системной магистрали и позволяют адаптерам и контроллерам ПУ непосредственно использовать системные ресурсы компьютера. Они могут обмениваться данными с другими устройствами на шине в режиме программного обмена, в режиме прерываний и в режиме ПДП. Предусмотрена также возможность захвата шины, то есть полного отключения от шины всех системных устройств на некоторое время.

Важная особенность подобной архитектуры — ее открытость, то есть возможность включения в компьютер дополнительных устройств, причем как системных устройств, так и разнообразных плат расширения. Открытость предполагает также возможность простого встраивания программ пользователя на любом уровне программного обеспечения компьютера. Первый компьютер семейства, получивший широкое распространение, IBM PC XT, был выполнен на базе оригинальной системной магистрали PC XT-Bus. В дальнейшем (начиная с IBM PC AT) она была доработана до магистрали, ставшей стандартной и получившей название ISA (Industry Standard Architecture). До недавнего времени ISA оставалась основой компьютера. Однако, начиная с появления процессоров i486 (в 1989 году), она перестала удовлетворять требованиям производительности, и ее стали дублировать более быстрыми шинами: VLB (VESA Local Bus) и PCI (Peripheral Component Interconnect bus) или заменять совместимой с ISA магистралью EISA (Enhanced ISA). Постепенно шина параллельная PCI вытеснила конкурентов и стала фактическим стандартом, однако сегодня господствует тенденция перехода от параллельных к последовательным способам передачи данных. Так интерфейс жесткого диска эволюционировал от параллельных IDE, EIDE, SCASI к последовательному интерфейсу Serial ATA с 4^рех жильным кабелем, т.е. от пропускной способности 33 Мбит/с к 600 Мбит/с. Знаменитая PCI эволюционировала в последовательную PCI Express с ее рекордной скоростью на уровне 5 Гбит/с в полнодуплексном режиме. Таким образом, наблюдается тенденция перехода от синхронных параллельных шин к высокочастотным последовательным. (Заметьте, «последовательные» – не обязательно значит «однобитные», здесь возможны и 2, и 8, и 32 бит ширины при сохранении присущей последовательным шинам пакетной передачи данных) При этом в архитектуре компьютера появились чисто сетевые компоненты – мосты, коммутаторы и маршрутизаторы, что нашло свое отражение в конструкции чипсетов.

Дата добавления: 2014-01-06