Обзор и история архитектуры компьютеров

Термин «архитектура» используется в литературе по вычислительной технике довольно часто, но определение этого понятия и его содержание у разных авторов различаются.

Слово «архитектура» в изначальном своем смысле используется в градостроении. Используя аналогию с градостроительством, естественно понимать под архитектурой ЭВМ ту совокупность их характеристик, которая необходима пользователю. Это – основные устройства и блоки ЭВМ, а также структура связей между ними. И действительно, если посмотреть в «Толковый словарь по вычислительным системам», то вы прочтете там, что термин «архитектура ЭВМ используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов ЭВМ».

Однако описание внутренней структуры ЭВМ не является самоцелью: с точки зрения архитектуры интерес представляют лишь те связи и принципы, которые являются общими, присущими многим конкретным реализациям вычислительных машин. Часто говорят даже о семействах ЭВМ, т.е. группах моделей, совместимых между собой. Именно то общее, что есть в строении ЭВМ, и относят к понятию архитектуры. Важно отметить, что целью такой общности является стремление: чтобы все машины одного семейства, независимо от устройства и фирмы - производителя, могли выполнять одну и ту же программу

Вычислительная техника началась с разработки электронных компьютеров; первыми были машины на электронных лампах (первое поколение ЭВМ). Лампы работают быстрее и более надежны, чем реле. Ламповые компьютеры преобладали примерно с 1944 по 1958 годы.

Второе поколение компьютеров эволюционировало в течение нескольких лет после изобретения транзистора (1947г.). Транзисторы миниатюрнее, надежнее и расходуют значительно меньше энергии, чем электронные лампы. Первые транзисторные компьютеры работали не намного быстрее, чем ламповые, но имели другие преимущества.

Третье поколение компьютеров началось с введения многотранзисторной формы – интегральной схемы. В интегральной схеме на кусочек подложки (как правило, кремния) помещается максимально возможное количество схемных элементов. Каждая интегральная схема начала 1960-х годов содержала четыре или пять логических вентилей. В начале 1970-х годов появились первые большие интегральные схемы (БИС). В 1980-х годах упор делался на сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) и сверхскоростные интегральные схемы. В 1990-х годах фирма «Интел» создала чип i860XP- высокопроизводительный микропроцессор, содержащий 2,5 млн. транзисторов; этот чип одновременно обрабатывает 64 бит со скоростью 100 млн. операций в секунду. Число компонентов на чипе в среднем удваивалось каждый год, начиная с 1966, и до конца века этот темп сохранился.

Интегральная схема имеет немало преимуществ перед дискретным транзистором: она работает быстрее, более надежна, потребляет меньше энергии и имеет значительно меньшие размеры. Упомянутый выше чип фирмы «Интел» представляет собой прямоугольник размером приблизительно 10ҙ15 мм, а соединения на нем имеют ширину 0,8 мкм. Для прорисовки этих исключительно тонких линий применяется электронный луч. Малые размеры элементов позволяют также повысить быстродействие интегральных схем. Компьютеры на электронных лампах имели быстродействие 50 000 операций в секунду. Во втором и третьем поколениях машин схемы работали в наносекундном диапазоне. Машины четвертого поколения, называемые также суперкомпьютерами, выполняют десятки или сотни миллионов операций в секунду. В машине «Крей-2», например, проблема быстродействия решается приданием ей цилиндрической формы, что позволяет минимизировать длину проводников, соединяющих ее элементы.

Следующим шагом в попытках увеличить быстродействие компьютеров становится создание оптических микроэлектронных схем. Оптические схемы, в которых данные передаются световыми импульсами, используют то преимущество, что световые волны в стеклянных волокнах распространяются с меньшими задержками и искажениями, чем электронные импульсы в проводах. Применение этих методов позволит малым компьютерам иметь быстродействие и возможности современных суперкомпьютеров.

Характерные черты ЭВМ пятого поколения:

• Элементной базой являются сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) с использованием оптоэлектронных принципов (лазеры, голография);

• искусственный интеллект, т.е. автоматизация процессов решения задач, получение выводов, манипулирования знаниями;

• общение на «естественном» языке, использование устройств распознавания речи и изображения и многое другое.

Таблица 2.1.1 – Поколения ЭВМ

Характеристика	Поколения
Первое	Второе	Третье	Четвёртое
Годы применения	1946- 1960	1960- 1964	1964-1973	1974-1980
Основной элемент	электронная лампа	транзистор	интегральная схема	Б И С
Количество ЭВМ в мире	сотни	тысячи	десятки тысяч	миллионы
Размеры	очень большие	значительно меньше	мини- компьютеры	микро- компьютеры
Быстродействие	1(условно)		1 000	10 000
Носитель информации	-	магнитная лента	диск	гибкий диск

2.2 Логические элементы компьютера: логические вентили, триггеры, счетчики, регистры.

Электронные цифровые компьютеры состоят из схем двух основных типов: логических вентилей и схем памяти на триггерах. Конечно, компьютер содержит и другие типы схем, например приводы, буферы и генераторы. Но вентили и триггеры выполняют ключевые логические функции компьютера. Вентиль не имеет памяти и генерирует нужный выход только при наличии соответствующих входных сигналов.

Логический элемент (вентиль) это часть электронной логической схемы, выполняющая элементарную логическую функцию.

Триггер - это электронная схема, широко применяемая в регистрах компьютера, для надёжного запоминания одного бита информации. Имеет два устойчивых состояния, которые соответствуют двоичной "1" и двоичному "0".

Термин триггер происходит от английского слова trigger — защёлка, спусковой крючок. Для обозначения этой схемы в английском языке чаще употребляется термин flip-flop, что в переводе означает “хлопанье”. Это звукоподражательное название электронной схемы указывает на её способность почти мгновенно переходить (“перебрасываться”) из одного электрического состояния в другое и наоборот.

Триггеры являются ключевыми элементами схем памяти. Выходное напряжение триггера изменяется с первоначального значения на другое, когда поступает определенный входной сигнал, и остается неизменным до тех пор, пока не поступит другой сигнал, переводящий триггер в первоначальное состояние. Наиболее знакомым примером триггера может служить электрический выключатель света. Предположим, свет выключен. Тогда при нажатии кнопки выключатель замыкается, и свет загорается. Нажмите кнопку еще раз – выключатель размыкается, и свет гаснет. Это эквивалент триггера с одним входом. (Триггер с двумя входами может быть представлен сдвоенным переключателем.) Положение триггера «вкл.» задается сигналом «установить», положение «выкл.» – сигналом «сбросить».

Самый распространённый тип триггера — так называемый RS-триггер (S и R, соответственно, от английских set — установка, и reset — сброс). Условное обозначение триггера — на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - RS-триггер

Он имеет два симметричных входа S и R и два симметричных выхода Q и , причем выходной сигнал Q является логическим отрицанием сигнала .

Регистр- это специальная запоминающая ячейка, выполняющая функции кратковременного хранения числа или команды и выполнения над ними некоторых операций. Отличается от ячейки памяти тем, что может не только хранить двоичный код, но и преобразовывать его.

Регистр команд предназначен для хранения кода команды на период времени, необходимый для её выполнения.

Счётчик команд это регистр, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки команд программы из последовательных ячеек памяти.

Под командой понимается информация, обеспечивающая выработку управляющих сигналов, формируемых в устройстве управления (УУ) процессора, для выполнения машиной определенного действия

2.3 Представление данных в памяти компьютера: Биты, байты и слова

Минимальная единица информации называется битом. Бит может принимать только два значения — обычно 0 и 1. Но далеко не все величины принимают только два значения, а значит, для их описания нельзя обойтись одним битом.

Рисунок 2.3.1- Байт

Единица информации размером восемь бит называется байтом. Байт — это минимальный объем данных, который реально может использовать компьютерная программа. Даже чтобы изменить значение одного бита в памяти, надо сначала считать байт, содержащий его. Биты в байте нумеруют справа налево, от нуля до семи, нулевой бит часто называют младшим битом, а седьмой — старшим.

Так как всего в байте восемь бит, байт может принимать до 2⁸ = 256 разных значений. Байт используют для представления целых чисел от 0 до 255, целых чисел со знаком от -128 до +127, набора символов ASCII или переменных, принимающих менее 256 значений, например для представления десятичных чисел от 0 до 99.

Следующий по размеру базовый тип данных — слово. Размер одного слова в процессорах Intel — два байта.

Рисунок 2.3.2 – Слово

Биты с 0 по 7 составляют младший байт слова, а биты с 8 по 15 — старший. В слове содержится 16 бит, а значит, оно может принимать до 2¹⁶ = 65 536 разных значений. Слова используют для представления целых чисел без знака со значениями 0 — 65 535, целых чисел со знаком со значениями от -32 768 до +32 767, адресов сегментов и смещений при 16-битной адресации. Два слова подряд образуют двойное слово, состоящее из 32 бит, а два двойных слова составляют одно учетверенное слово (64 бита). Байты, слова и двойные слова — основные типы данных, с которыми работает компьютер.

Дата добавления: 2015-08-27