Лекция 2 Вычислительная техника История развития вычислительной техники

Лекция 2 Вычислительная техника История развития вычислительной техники Поколения ЭВМ Классификация ЭВМ Принципы строения и функционирования ЭВМ Дж. фон Неймана

Компьютер (электронная вычислительная машина) Компьютер –это комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

История развития средств ВТ Первоисточники: Механические Математические

Механические первоисточники Древние (абак, счеты, часы) 1623 г. – «суммирующие часы» Шикарда 1642 – машина Паскаля 1673 – механический калькулятор Лейбница 1804 – ткацкий станок Жаккарда 1836-1848 – аналитическая машина Ч. Бэббиджа 1937 – Z1 (машина Конрада Цузе)

Предшественники ЭВМ Потребность в счетных устройствах возникла сразу же, как только люди сталь продавать и покупать товары. Древнейшим счетным инструментом, который сама природа предоставила в распоряжение человека, была его собственная рука. Около 5 тыс. лет назад в Вавилоне возникло одно из первых счетных устройств – абак (деревянная дощечка с линиями, на которых раскладывались какие-нибудь предметы). На рубеже XVI -XVII веков появился русский абак - счеты. Русские счеты широко использовались при начальном обучении арифметики как в России, так и за ее пределами. Счеты применяются и по сей день.

Скульптор, художник, музыкант, архитектор, ученый и гениальный изобретатель. Уроженец Флоренции, он был сыном судебного чиновника Пьеро да Винчи. Его работы содержат чертежи и рисунки человеческого тела, летящих птиц, странных машин. Леонардо изобрел летающую машину с крыльями типа птичьих, подводные суда, огромный лук, маховое колесо, вертолет, мощные пушки. Также его работы содержат чертежи устройств, производящих механические вычисления. В дневниках гениального итальянца был обнаружен ряд рисунков, которые оказались эскизным наброском суммирующей вычислительной машины на зубчатых колесах, способной складывать 13-разрядные десятичные числа. Специалисты известной американской фирмы IBM воспроизвели машину в металле и убедились в полной состоятельности идеи ученого. Его суммирующую машину можно считать изначальной вехой в истории цифровой вычислительной техники. Предшественники ЭВМ Леонардо да Винчи (1452 - 1519)

Предшественники ЭВМ В 1614 году шотландский математик Джон Непер изобрел таблицы логарифмов. Принцип их заключался в том, что каждому числу соответствует свое специальное число - логарифм. Логарифмы очень упрощают деление и умножение. Например, для умножения двух чисел складывают их логарифмы. Результат находят в таблице логарифмов. В дальнейшем им была изобретена логарифмическая линейка, которой пользовались до70-х годов нашего века. Джон Непер (1550-1617)

1623 г. – счетная машина Вильгельма Шиккарда

В 1642 гуду французский математик Блез Паскаль сконструировал счетное устройство, чтобы облегчить труд своего отца - налогового инспектора, которому приходилось производить немало сложных вычислений. Устройство Паскаля "умело" только складывать и вычитать. Машина содержала набор вертикально расположенных колес с нанесенными на них цифрами от 0 до 9. При совершении полного оборота колесо сцеплялось с Блез Паскаль (1623 - 1662) Предшественники ЭВМ соседним колесом и поворачивало его на одно деление. Машина была очень дорогая и от нее отказались.

В 1674 г. немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц расширил возможности машины Паскаля, добавив операции умножения, деления и извлечения квадратного корня. Для работы машины впервые была использована двоичная система счисления. Машина Лейбница стала основой массовых счетных приборов – арифмометров. Ни одна из этих машин не была автоматической, они требовали непрерывного вмешательства человека. Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646 - 1717) Предшественники ЭВМ

В 1801 году французский ткач Жозеф-Мари Жаккар придумал способ автоматического контроля за нитью при работе на ткацком станке. Способ заключался в использовании специальных карточек с просверленными в нужных местах (в зависимости от узора, который предполагалось нанести на ткань) отверстиями. Так ненароком были изобретены перфокарты. Жозеф-Мари Жаккар Предшественники ЭВМ

Чарльз Бэббидж был сыном богатого банкира из Англия и очень талантливым математиком. В 1834 г. он первым разработал подробный проект автоматической вычислительной машины (аналитическая машина). Он предложил управлять своей машиной с помощью перфорированных карт, содержащих определенные команды (программу). Первые программы для вычислительной машины Бэббиджа создала Ада Лавлейс (дочь поэта Джорджа Байрона), в честь которой впоследствии был назван один из языков программирования – Ада. Она разработала основные принципы программирования, Чарльз Бэббидж (1792 - 1871) Предшественники ЭВМ которые остаются актуальными до настоящего времени. Умер Бэббидж так и не закончив свой труд. Его машина намного опережала технические возможности своего времени, и довести ее создание до конца было практически невозможно.

1822 г. – «разностная» машина Чарльза Бэббиджа

«Модули» аналитической машины Бэббиджа «Фабрика» «Контора» «Склад» Устройства ввода Устройства вывода

Герман Холлерит (1860- 1929) В 1888 г. американский ученый Герман Холлерит сконструировал первую электромеханическую машину для сортировки и подсчета перфокарт - табулятор. Эта машина содержала реле, счетчики, сортировочный ящик и впервые была использована при подведении итогов переписи населения в США. В 1896 г. Г.Холлерит основал фирму Computing Tabulation Company, в 1924 г. Ставшую всемирно известной фирмой IBM (International Business Machine Corporation). Предшественники ЭВМ

В 1946г. блестящий американский математик венгерского происхождения Джон фон Нейман сформулировал основную концепцию хранения команд компьютера в его собственной внутренней памяти, что послужило огромным толчком к развитию электронно - вычислительной техники. Джон фон Нейман (1903 - 1957) Предшественники ЭВМ

1880-е годы – американец Герман Холлерит разрабатывает машину, работающую с таблицами данных, машина управлялась программой записанной на перфокартах.

Электромеханические предшественники компьютеров Релейные кодировочные устройства времен 1-й мировой войны 1941 г. - релейный двоичный компьютер Z3 Конрада Цузе

1944 – Говард Айкен, электромеханическая вычислительная машина MARK-1, которая оперировала десятичной системой счисления.

Математические первоисточники Двоичная система Лейбница Математическая логика Джорджа Буля Принципы Джона фон Неймана

Принцип программного управления 1834 г. По замыслу Аналитическая машина Бэббиджа должна была производить разнообразные вычисления, следуя набору инструкций.

Создание первой архитектуры ЭВМ 1945 г. Джон фон Нейман наметил основные принципы работы и компоненты современного компьютера

1-е поколение ЭВМ 1946-1954 г. ЭВМ на электронных лампах. (ENIAC, МЭСМ, ЭДВАК)

Создатели первой ЭВМ 1946 г. Дж. Преспер Экерт и Джон Мочли создали первую мощную электрон-ную цифровую машину «ЭНИАК». (ENIAC)

ЭВМ «ЭНИАК» 1946 г. «ЭНИАК» Состоял из 18000 электронных ламп, 70 000 резисторов и 5 млн. паек. Потребляемая мощность 160 кВт.

Второе поколение ЭВМ 1955-1964 г. Общий вид машины БЭСМ-6. ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах)

ЭВМ третьего поколения 1965-1974 г. ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах. IBM 360, ЕС ЭВМ

Создание интегральной схемы Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн – создатели интегральной схемы.

Создание первого микропроцессора 1971 г. Эдвард Хофф разработал микропроцессор «Интел-4004» — монокристальную интегральную микросхему, содержащую все основные компоненты центрального процессора.

Создание первого персонального компьютера 1974 г. Эд Робертc построил микрокомпьютер «Альта-ир», который продавался в виде комплекта (стоимос-тью 397 долл.) по почто-вым заказам. Микропроцессор Intel 8080

Создание первого компьютера Apple 1976 г. ПЭВМ Apple I. Микропроцессор 6502 «МОП-текнолоджи».

Создание архитектуры IBM PC Один из первых персональных компьютеров компании 1ВМ — 1ВМ РС/ХТ (1983)

ЭВМ 4-го поколения 1975-1985 г. ЭВМ на больших ИС. ЭВМ 5-го поколения По настоящее время. ЭВМ на сверхбольших ИС (микропроцессорные) 6-е и последующие поколения: оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой

Поколения вычислительной техники

Классификация компьютеров По принципу действия: АВМ –аналоговые вычислительные машины. ЦВМ – цифровые вычислительные машины. ГВМ – гибридные вычислительные машины.

Классификация компьютеров По назначению: Общего назначения – универсальные ЭВМ Проблемно-ориентированные Для экономических расчетов Для обработки текстов Управляющие ЭВМ Специализированные

Классификация компьютеров По размерам и производительности: Супер ЭВМ. Большие ЭВМ (мэйнфреймы). Малые ЭВМ (мини ЭВМ). Микро ЭВМ.

Классификация компьютеров Классификация компьютеров по областям применения Персональные компьютеры (клиенты информационных служб) Рабочие станции Сервера информационных служб

Типы современных компьютеров

Организация компьютерных систем

ПРИНЦИП ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ Принцип программного управления состоит в представлении алгоритма решения задачи в виде определенной последовательности операторов двух типов: команды обработки - операторов, выполняющих преобразование информации команды управления. операторов, анализирующих информацию с целью определения очередности их выполнения Принцип программного управления может быть реализован многими способами. Один из способов был предложен в 1945 г. Дж. фон Нейманом. Неймановский принцип нашел наибольшее применение при конструировании ЭВМ.

Принципы Дж. фон Неймана Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных символов (сигналов). Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Неймановский принцип программного управления 1. Любая информация кодируется в ЭВМ в цифровой форме (наиболее целесообразно в двоичной) и разделяется на единицы информации, называемые словами.

Неймановский принцип программного управления 2. Разнотипные слова информации различаются по способу применения, но не способом кодирования, т.е. любая информация в ЭВМ представляется в виде последовательности нулей и единиц, и в этом смысле различные объекты информации (константы, команды и др.) неразличимы. Различие в слова информации вносит их использование в программе. 3. Слова информации размещаются в ячейках памяти ЭВМ и обозначаются номерами ячеек, называемыми адресами слов. Для обозначения любых объектов программы и доступа к ним в ЭВМ существует единственное средство — адрес этих объектов.

Неймановский принцип программного управления. Структура команды 4. Алгоритм решения задачи представляется в форме управляющих слов, которые определяют наименование операции и слова информации, участвующие в данной операции. Управляющие слова называются командами,

Программа 5. Вычисления, предписанные алгоритмом, сводятся к последовательному выполнению команд в порядке, определенном программой. Программа представляет собой совокупность машинных команд, описывающих алгоритм решения задачи на языке ЭВМ.

Состав неймановской ЭВМ Арифметическо-логическое устройство, выполняющие арифметические и логические операции; Устройство управления, которое организует процесс выполнения программ; Запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных; Внешние устройства для ввода-вывода информации.

Структура компьютера, предложенная Нейманом:

Выполнение команд Устройство управления выполняет каждую команду за несколько шагов: 1) выбирает очередную команду из памяти и переносит ее в регистр команд ; 2) Изменяет содержимое счетчика команд, который теперь должен указывать на следующую команду (шаги 1,2 образуют стадию IF – выборка команды); 3) определяет тип вызванной команды (декодирует); 4) если команда использует слово из памяти, определяет, где находится это слово; 5) переносит слово, если это необходимо, в регистр центрального процессора (шаги 3,4,5 образуют стадию ID - дешифрация команды/чтение данных); 6) выполняет команду (шаг 6 – стадия EX – выполнение операции); 7) Сохраняет результат выполнения команды в регистрах (WB) и/или памяти (MEM); 8) переходит к шагу 1, чтобы начать выполнение следующей команды. Такая последовательность шагов (выборка—декодирование—исполнение) является основой работы всех компьютеров.

Тракт данных в фон-неймановской машине Тракт данных обеспечивает выполнение команд составлющих программу. Он состоит из регистров, АЛУ и нескольких шин. Команда вызывает два операнда из регистров, помещают их во входные регистры АЛУ, выполняют над ними арифметическую или логическую операцию и переносят результат обратно в один из регистров. Этот процесс называется циклом тракта данных. Он определяет, что может делать машина. Чем быстрее происходит цикл тракта данных, тем быстрее компьютер работает.

Процесс выполнения вычислений в АЛУ

Классическая модель ЭВМ

Архитектура ЭВМ - это совокупность свойств и характеристик ЭВМ, доступных с точки зрения пользователя машины в широком смысле: - архитектура набора команд, доступных пользователю-программисту; с точки зрения реализации выполнения команд: - архитектура организации компьютерной системы, которая включает в себя: - организацию процессора (архитектура процессора); - организацию памяти (архитектура памяти); - организацию системных шин; - организацию ввода/вывода.