Архитектура вычислительных систем Лекция 1 Москва РУДН кафедра

Архитектура вычислительных систем Лекция 1 Москва, РУДН, кафедра систем телекоммуникаций. К. ф. -м. н. доцент, Ловецкий Константин Петрович 1 09. 02. 2018

Структурная схема вычислительных систем Прикладные программы Система программирования Управление логическими устройствами Управление физическими устройствами А п п а р а т у р Операционная система а Два слоя, отвечающие за управление аппаратурой, составляют операционную систему. Предназначение операционных систем – управление ресурсами вычислительной системы с целью оптимизации работы прикладных программ 2 09. 02. 2018

Архитектура вычислительных систем Операционная система, ОС (operating system) — базовый комплекс компьютерных программ, обеспечивающий управление аппаратными средствами компьютера, работу с файлами, ввод и вывод данных; оптимизирующий выполнение прикладных программ и утилит. С 1990 -х наиболее распространёнными операционными системами для персональных компьютеров и серверов являются ОС семейства Microsoft Windows и Windows NT, Mac OS и Mac OS X, системы класса UNIX, и Unix-подобные (особенно GNU/Linux). GNU’s Not UNIX — «GNU — не Unix!» ) 3 09. 02. 2018

Android l l Android — операционная cистема для коммуникаторов, планшетных компьютеров, цифровых проигрывателей, нетбуков и смартбуков, основанная на ядре Linux. Изначально разрабатывалась компанией Android Inc. , которую затем купила Google. Впоследствии Google инициировала создание Open Handset Alliance (OHA), которая сейчас и занимается поддержкой и дальнейшим развитием платформы. Android позволяет создавать Java-приложения, управляющие устройством через разработанные Google библиотеки. Android Native Development Kit создаёт приложения, написанные на Си и других языках. 4 09. 02. 2018

История вычислительной техники Некомпьютерное l 3000 лет до н. э. — в Древнем Вавилоне были изобретены первые счёты — абак. l 500 лет до н. э. — в Китае появился более «современный» вариант абака с косточками на проволоке. В России счёты (аналог абака) появились в XVI веке и применяются до сих пор, хотя в последнее время их использование ограничено широким распространением калькуляторов. 5 09. 02. 2018

История вычислительной техники Нулевое поколение l 87 год до н. э. — в Греции был изготовлен «антикитерский механизм» — механическое устройство на базе зубчатых передач, представляющее собой специализированный астрономический вычислитель. l 1492 год — Леонардо да Винчи в одном из своих дневников приводит эскиз 13 -разрядного суммирующего устройства с десятизубцовыми кольцами. Хотя работающее устройство на базе этих чертежей было построено только в XX веке, всё же реальность проекта Леонардо да Винчи подтвердилась. l 1623 год — Вильгельм Шиккард, профессор университета Тюбингена, разрабатывает устройство на основе зубчатых колес ( «считающие часы» ) для сложения и вычитания шестиразрядных десятичных чисел. Было ли устройство реализовано при жизни изобретателя, достоверно неизвестно, но в 1960 году оно было воссоздано и проявило себя вполне работоспособным. l…………. . 6 09. 02. 2018

История вычислительной техники Нулевое поколение l 1630 год — Ричард Деламейн создаёт круговую логарифмическую линейку. l 1642 год — Блез Паскаль представляет «Паскалин» — первое реально осуществлённое и получившее известность механическое цифровое вычислительное устройство. Прототип устройства суммировал и вычитал пятиразрядные десятичные числа. Паскаль изготовил более десяти таких вычислителей, причём последние модели оперировали числами с восемью десятичными разрядами. l 1673 год — известный немецкий философ и математик Готфрид Вильгельм Лейбниц построил механический калькулятор, который при помощи двоичной системы счисления выполнял умножение, деление, сложение и вычитание. l…………. . 7 09. 02. 2018

История вычислительной техники Нулевое поколение l 1820 год — первый промышленный выпуск арифмометров. Первенство принадлежит французу Тома де Кальмару. 8 09. 02. 2018

История вычислительной техники Нулевое поколение l 1820 год — первый промышленный выпуск арифмометров. Первенство принадлежит французу Тома де Кальмару. l 1822 год — английский математик Чарльз Бэббидж изобрёл, но не смог построить, первую разностную машину (специализированный арифмометр для автоматического построения математических таблиц) l. Слева - Чарльз Бэббидж 9 09. 02. 2018

История вычислительной техники Нулевое поколение l 1820 год — первый промышленный выпуск арифмометров. Первенство принадлежит французу Тома де Кальмару. l 1822 год — английский математик Чарльз Бэббидж изобрёл, но не смог построить, первую разностную машину (специализированный арифмометр для автоматического построения математических таблиц) l 1855 год — братья Георг и Эдвард Шутц (англ. George & Edvard Scheutz) из Стокгольма построили первую разностную машину на основе работ Чарльза Бэббиджа. l 1876 год — русским математиком П. Л. Чебышевым создан суммирующий аппарат с непрерывной передачей десятков. В 1881 он же сконструировал к нему приставку для умножения и деления (Арифмометр Чебышева). 10 09. 02. 2018

История вычислительной техники Копия разностной машины Бэббиджа в лондонском Музее Науки. 11 09. 02. 2018

История вычислительной техники Беббидж успел выполнить полные чертежи будущей машины и даже воплотить в металле некоторые ее узлы. Несмотря на то, что машина так и не была построена, именно аналитическая машина Беббиджа стала первой попыткой создать программируемую вычислительную машину. Во время путешествия в Италию Беббидж познакомился с итальянским математиком Луиджи Менабри, который в 1842 году опубликовал на французском языке статью с описанием машины Беббиджа. Статью перевела на английский в 1843 году леди Ада Августа Лавлейс, дочь поэта Байрона. Леди Лавлейс снабдила свой перевод развернутыми комментариями, значительно превышающими по размеру саму статью. В одном из разделов этих комментариев приводится полный набор команд для вычисления чисел Бернулли на аналитической машине; этот набор команд считается первой в истории компьютерной программой, а сама Ада Лавлейс − первым программистом. Язык программирования Ada назван в ее честь. 12 09. 02. 2018

Ada Byron a. k. a "Lady Lovelace" Born: London, England, December 10, 1815 Died: London, England, November 27, 1852 Analyst, Metaphysician, and Founder of Scientific Computing In 1835, Ada married William King, ten years her senior, and when King inherited a noble title in 1838, they became the Earl and Countess of Lovelace. Ada had three children. The family and its fortunes were very much directed by Lady Byron, whose domineering was rarely opposed by King. Ada Byron was the daughter of a brief marriage between the Romantic poet Lord Byron and Anne Isabelle Milbanke, who separated from Byron just a month after Ada was born. Four months later, Byron left England forever. Ada never met her father (who died in Greece in 1823) and was raised by her mother, Lady Byron. Her life was an apotheosis of struggle between emotion and reason, subjectivism and objectivism, poetics and mathematics, ill health and bursts of energy. 13 09. 02. 2018

История вычислительной техники Электромеханические и релейные машины • 1938 год — немецкий инженер Конрад Цузе вскоре после окончания в 1935 году Берлинского политехнического института построил свою первую машину, названную Z 1. Это была полностью механическая программируемая цифровая машина. Модель была пробной и в практической работе не использовалась. Её восстановленная версия хранится в Немецком техническом музее в Берлине. В том же году Цузе приступил к созданию машины Z 2. • 1941 год — Конрад Цузе создаёт первую вычислительную машину Z 3, обладающую всеми свойствами современного компьютера. • 1942 год — в Университете штата Айова Джон Атанасов (John Atanasoff) и его аспирант Клиффорд Берри создали (а точнее — разработали и начали монтировать) первый в США электронный – на радиолампах - цифровой компьютер (Atanasoff-Berry Computer — ABC (компьютер)). Хотя эта машина так и не была завершена (Атанасов ушёл в действующую армию), она, как пишут историки, оказала большое влияние на Джона Мочли, создавшего двумя годами позже ЭВМ Эниак (ENIAC). 14 09. 02. 2018

История вычислительной техники The Zuse Z 3, 1941, considered the world's first working programmable, fully automatic computing machine. 15 09. 02. 2018

История вычислительной техники Электромеханические и релейные машины • В начале 1943 года успешные испытания прошла первая американская вычислительная машина Марк I, предназначенная для выполнения сложных баллистических расчётов американского ВМФ. • В конце 1943 года заработала английская вычислительная машина специального назначения Колосс – полностью электронная машина. Машина работала над расшифровкой секретных кодов фашистской Германии. • В 1944 году Конрад Цузе разработал ещё более быстрый компьютер Z 4. (В 1950 году Z 4 стал первым компьютером, проданным за деньги. Если Аду Лавлейс следует считать первым программистом –теоретиком, то Конрад Цузе, повидимому, является первым программистом-практиком. ) • 1946 год стал годом создания первой универсальной электронной цифровой вычислительной машины Эниак. • В Советском Союзе первая электронная вычислительная машина была создана в Киеве группой Лебедева в 1950 году. 16 09. 02. 2018

История вычислительной техники Первая машина, разработанная в ИТМи. ВТ, БЭСМ АН СССР запущена в эксплуатацию в 1952 г. Академик Сергей Алексеевич Лебедев Российская академия наук учредила премию имени С. А. Лебедева, которой один раз в два года награждаются российские ученые, внесшие большой вклад 17 в развитие отечественной вычислительной техники. 09. 02. 2018

История вычислительной техники На этой ЭВМ учились программировать все советские студенты 60 -х годов. Для М-20 была создана первая отечественная операционная система ИС-2. 18 09. 02. 2018

История вычислительной техники Магнитный барабан ЭВМ БЭСМ АН СССР. 19 09. 02. 2018

История вычислительной техники МЭСМ-2 20 09. 02. 2018

История вычислительной техники БЭСМ-6 — использовалась во всех отраслях народного хозяйства (нефтепромыслы, машиностроение, атомная энергетика и т. п. ) 21 09. 02. 2018

История вычислительной техники Эльбрус-2 — использовался в оборонной отрасли, в ядерных исследовательских центрах, применялся в системе противоракетной обороны Эльбрус-1. Системный блок Эльбрус-2. Пульт управления 22 09. 02. 2018

История вычислительной техники Система С-300 ПМ Пуск ракеты управляется ЭВМ 40 У 6. 23 09. 02. 2018

История вычислительной техники Наиболее значимые разработки БЭСМ-2 Расчет траектории лунной ракеты, доставившей вымпел Советского Союза на Луну. Главный конструктор машины Герой Социалистического Труда академик С. А. Лебедев. М-20 С помощью М-20 создавались автоматические линии и агрегатные станки. БЭСМ-4 Полупроводниковая ЭВМ, программно совместимая с М-20, применялась для решения сотен различных задач, в том числе для расчетов воздушных бассейнов крупнейших металлургических предприятий страны, как действующих, так и проектируемых. Главный конструктор машины кандидат технических наук О. П. Васильев. 24 09. 02. 2018

История вычислительной техники Наиболее значимые разработки БЭСМ-6 Универсальная машина БЭСМ-6 использовалась во всех отраслях народного хозяйства (нефтепромыслы, планирование машиностроительных отраслей, создание автоматических линий, ядерный реактор, синхрофазотрон, обслуживаемые машиной). АС-6 Стыковка космических кораблей «Аполлон» и «Союз» . Система связи и обработки информации. Космический комплекс «Союз-Салют» . Программа Интеркосмос. Главные конструкторы: Герой Социалистического труда академик С. А. Лебедев, В. А. Мельников, А. А. Соколов. Эльбрус-3 Многопроцессорный вычислительный комплекс, 16 процессоров, быстродействие в два раза выше, чем у CRAY-YMP. Был изготовлен, но в серию запущен не был. 25 09. 02. 2018

История вычислительной техники Первое поколение ЭВМ (радиолампы) • В проекте ENIAC принимал участие Джон Фон Нейман. По его рекомендации ЭВМ была снабжена устройством для хранения программы, а один из регистров приспособлен для выполнения функций счетчика команд. Переделка снизила быстродействие машины примерно в шесть раз, однако при этом средняя продолжительность перепрограммирования снизилась с нескольких дней до нескольких часов. • IAS (Immediate Address Storage) – следующий проект Фон Неймана, полностью был готов в 1952 году. Именно эта ЭВМ стала первой в истории машиной Фон Неймана – машиной, имеющей однородное запоминающее устройство, предназначенное как для хранения данных, так и для хранения команд, составляющих программу. Практически все современные ЭВМ являются машинами Фон Неймана. • Тот факт, что сама программа является (в соответствии с принципом Фон Неймана) данными, хранящимися в памяти, позволяет ЭВМ самой генерировать и изменять программы. Становится возможным писать программы, обрабатывающие другие программы. Таким образом, появление принципа хранимой программы сделало возможными сначала системы программирования, включающие компиляторы, а затем и операционные системы. 26 09. 02. 2018

История вычислительной техники Второе поколение ЭВМ (транзисторы, ~1955 -1965) • Транзистор, полупроводниковый прибор с тремя контактами, способный заменить радиолампы в электронных устройствах, был изобретен Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли в уже упоминавшихся Bell Labs; в 1956 году изобретатели были удостоены Нобелевской премии по физике. • Начало массового производства вычислительных машин. • К эпохе компьютеров второго поколения относятся такие важные инновации, как замена коммутационных панелей, применявшихся для программирования ранних компьютеров, на устройства ввода с перфокарт; появление языков программирования высокого уровня (первым языком программирования считается Фортран, разработанный Бекусом в период с 1954 по 1957 годы); и, наконец, появление операционных систем. • В качестве первой операционной системы (во всяком случае, одной из первых) обычно называют FORTRAN Monitor System, работавшей на машине IBM 7094. 27 09. 02. 2018

История вычислительной техники Третье поколение ЭВМ (интегральные схемы, ~1965 -1980) • Появление интегральных схем (изобретатель Роберт Нойс, 1958) позволило кардинально уменьшить физические размеры ЭВМ. Обычно большие вычислительные машины, построенные на основе интегральных схем, называют ЭВМ третьего поколения. • Возникновение семейств ЭВМ, совместимых между собой и создание унифицированных аппаратных компонентов, подходящих к разным машинам • Появление мультипрограммного режима, или режима мультизадачности, то есть такого способа использования вычислительной машины, при котором в памяти находятся одновременно несколько выполняющихся программ. • Позже с изобретением терминального доступа и диалогового режима работы с ЭВМ мультизадачность позволила работать с одной машиной одновременно нескольким пользователям; так появились многопользовательские терминальные комплексы. 28 09. 02. 2018

История вычислительной техники Четвертое поколение ЭВМ (персональные компьютеры) • Появление сверхбольших интегральных схем позволило уменьшить габариты компьютеров до размера настольных приборов, а стоимость снизить до уровня, когда компьютеры оказались доступны частным лицам. • Мультизадачный режим на них появился только в 1986 году (IBM PC, процессор 80386). • В настоящее время персональные компьютеры далеко обогнали компьютеры третьего поколения и используются не только как настольные рабочие приборы для конечных пользователей, но и в качестве мощных серверов. • Кластеры из сотен персональных компьютеров – дешевая замена суперкомпьютеров для определенного класса задач. • Использование не столько для вычислений, сколько в качестве средства общения и обмена информацией – Internet. 29 09. 02. 2018

Задачи современных операционных систем - I На современных компьютерах операционная система играет чрезвычайно важную роль, освобождая прикладные программы от решения рутинных задач. • Мультизадачный режим работы. Операционная система позволяет запускать на одной машине одновременно несколько программ и изолирует программы друг от друга, исключая их взаимное влияние. Пользовательской программе предоставляется абстрактная виртуальная машина, которую можно использовать, как если бы никаких других программ в системе не выполнялось. • Управление устройствами ввода-вывода. Операционная система берет на себя все тонкости обращения с периферийными устройствами различных типов, предоставляя пользовательским программам простой интерфейс, абстрагированный от особенностей конкретного оборудования. 30 09. 02. 2018

Задачи современных операционных систем - II • Управление оперативной памятью. Объема физической памяти может быть недостаточно для размещения всех выполняющихся в системе программ и их данных; программы могут быть чувствительны к адресам, в которых их размещают; при активном размещении и удалении программ в памяти может возникнуть проблема фрагментации (когда общий объем свободной памяти достаточен для размещения очередной программы, но при этом нарезан на небольшие блоки в разных местах адресного пространства). Современная аппаратура имеет специальные возможности, предназначенные для решения этих и других проблем с использованием оперативной памяти. Управление этими возможностями также возлагается на операционную систему. • Взаимодействие процессов. Процессы не всегда выполняются независимо друг от друга; в ряде случаев необходимы средства их влияния друг на друга (например, обмен информацией). Современные операционные системы предоставляют пользовательским программам возможность такого взаимодействия. 31 09. 02. 2018

Задачи современных операционных систем - III • Разграничение полномочий. Регламентирование доступа пользователей (или, точнее говоря, пользовательских программ) к ресурсам вычислительной системы представляет собой важнейшую задачу многопользовательских операционных систем. При этом следует отметить, что и в однопользовательской ситуации (например, на личном персональном компьютере, которым пользуется один человек) функции регламентирования доступа оказываются весьма востребованными, а иногда и необходимыми. Это вызвано тем, что реально доступ к ресурсам осуществляет не пользователь, а запускаемые им программы; фактически при запуске любой программы пользователь передает управление своим компьютером автору этой программы. Вместе с тем, далеко не всякой программе можно безгранично доверять. Отсутствие функций регламентирования доступа в некоторых популярных операционных системах приводит к эпидемиям вирусов и троянских программ. Кроме того, в таких системах зачастую ошибка, пусть и незлонамеренная, в одной из программ приводит к уничтожению всей системы вместе с важными пользовательскими данными. 32 09. 02. 2018

Источники дополнительных сведений lib. homelinux. org; http: //lib. dyndns. tv/ l kolxo 3. tiera. ru; http: //bib. tiera. ru/ l http: //dxdy. ru/ - научный форум l lib. mexmat. ru l wikipedia. org l http: //rsdn. ru/ - Russian Software Developer Network l 33 09. 02. 2018

The End! • The End! 34 09. 02. 2018