История развития ЭВМ. 10

Содержание:

 Введение 

 Направления развития  и поколения ЭВМ 

1.Аналоговые вычислительные  машины (АВМ) 

2.Электронные вычислительные  машины (ЭВМ) 

3.Аналого-цифровые  вычислительные машины (АЦВМ)

4.Поколения ЭВМ 

 Единые серии  ЭВМ

1.Отличия ЭВМ  III поколения от прежних 

2.Особенности машин  ЕС ЭВМ 

3.Агрегатный принцип  построения ЭВМ 

4.Интерфейс, селекторный  и мультиплексный каналы 

5.Структура машин  ЕС ЭВМ 

6.Машинные элементы  информации 

7.Система программного  обеспечения 

8.Программная совместимость 

9.Защита памяти 

10.Режимы работы  ЕС ЭВМ 

 Микропроцессоры  и их применение

1.Эффективность  микропроцессоров 

2.Структура 3-магистрального  МП 

3.Области применения  МП 

 Многопроцессорные  вычислительные системы, сети,

 ЭВМ V поколения

1.Магиспральная  организация процессоров ЭВМ 

2.Матричная параллельная  организация процессоров 

3.Мультипроцессорная  организация 

4.Сети связи ЭВМ 

5.Особенности ЭВМ  V поколения 

 Введение. 

 С увеличением  объёма вычислений появился первый  счётный переносной инструмент - “Счёты”.

 В начале 17 века  возникла необходимость в сложных  вычислениях. потребовались счётные  устройства, способные выполнять  большой объём вычислений с  высокой точностью. В 1642 г. французский  математик Паскаль сконструировал  первую механическую счётную  машину - “Паскалину”.

 В 1830 г. английский  учёный Бэбидж предложил идею  первой программируемой вычислительной  машины (“аналитическая машина”). Она  должна была приводиться в  действие силой пара, а программы  кодировались на перфокарты. Реализовать  эту идею не удалось, так  как было не возможно сделать  некоторые детали машины.

 Первый реализовал  идею перфокарт Холлерит. Он изобрёл  машину для обработки результатов  переписи населения. В своей  машине он впервые применил  электричество для расчётов.

 В 1930 г. американский  учёный Буш изобрел дифференциальный  анализатор - первый в мире компьютер.

 Большой толчок  в развитии вычислительной техники  дала вторая мировая война.  Военным понадобился компьютер,  которым стал “Марк-1” - первый  в мире цифровой компьютер,  изобретённый в 1944 г. профессором  Айкнем. В нём использовалось  сочетание электрических сигналов  и механических приводов. Размеры: 15 X 2,5 м., 750000 деталей. Могла перемножить  два 23-х разрядных числа за 4 с.

 В 1946 г. группой  инженеров по заказу военного  ведомства США был создан первый  электронный компьютер - “Эниак”.  Быстродействие: 5000 операций сложения  и 300 операций умножения в секунду.  Размеры: 30 м. в длину, объём  - 85 м3., вес - 30 тонн. Использовалось 18000 эл. ламп.

 Первая машина  с хронимой программой - ”Эдсак”  - была создана в 1949 г., а в  1951 г. создали машину “Юнивак” - первый серийный компьютер с  хронимой программой. В этой машине  впервые была использована магнитная  лента для записи и хранения  информации.

 Направления развития  и поколения ЭВМ. 

1.Аналоговые вычислительные  машины (АВМ). 

 В АВМ все  математические величины представляются  как непрерывные значения каких-либо  физических величин. Главным образом,  в качестве машинной переменной  выступает напряжение электрической  цепи. Их изменения происходят  по тем же законам, что и  изменения заданных функций. В  этих машинах используется метод  математического моделирования  (создаётся модель исследуемого  объекта). Результаты решения выводятся  в виде зависимостей электрических  напряжений в функции времени  на экран осциллографа или  фиксируются измерительными приборами.  Основным назначением АВМ является  решение линейных и дифференцированных  уравнений.

 Достоинства АВМ:

* высокая скорость  решения задач, соизмеримая со  скоростью прохождения электрического  сигнала;

* простота конструкции  АВМ;

* лёгкость подготовки  задачи к решению;

* наглядность протекания  исследуемых процессов, возможность  изменения параметров исследуемых  процессов во время самого  исследования.

 Недостатки АВМ:

* малая точность  получаемых результатов (до 10%);

* алгоритмическая  ограниченность решаемых задач;

* ручной ввод  решаемой задачи в машину;

* большой объём  задействованного оборудования, растущий  с увеличением сложности задачи.

*

2.Электронные вычислительные  машины (ЭВМ). 

 В отличие от  предыдущих машин в ЭВМ числа  представляются в виде последовательности  цифр. В современных ЭВМ числа  представляются в виде кодов  двоичных эквивалентов, то есть  в виде комбинаций 1 и 0. В ЭВМ  осуществляется принцип программного  управления. ЭВМ можно разделить  на цифровые, электрифицированные  и счётно-аналитические (перфорационные) вычислительные машины.

 ЭВМ разделяются  на большие ЭВМ, мини-ЭВМ и  микроЭВМ. Они отличаются своей  архитектурой, техническими, эксплуатационными  и габаритно-весовыми характеристиками, областями применения.

 Достоинства ЭВМ:

* высокая точность  вычислений;

* универсальность;

* автоматический  ввод информации, необходимый для  решения задачи;

* разнообразие задач,  решаемых ЭВМ;

* независимость  количества оборудования от сложности  задачи.

 Недостатки ЭВМ:

* сложность подготовки  задачи к решению (необходимость  специальных знаний методов решения  задач и программирования);

* недостаточная  наглядность протекания процессов,  сложность изменения параметров  этих процессов;

* сложность структуры  ЭВМ, эксплуатация и техническое  обслуживание;

* требование специальной  аппаратуры при работе с элементами  реальной аппаратуры. 

3.Аналого-цифровые  вычислительные машины (АЦВМ). 

 АЦВМ - это такие  машины, которые совмещают в себе  достоинства АВМ и ЭВМ. Они  имеют такие характеристики, как  быстродействие, простота программирования  и универсальность. Основной операцией  является интегрирование, которое  выполняется с помощью цифровых  интеграторов.

 В АЦВМ числа  представляются как в ЭВМ (последовательностью  цифр), а метод решения задач  как в АВМ (метод математического  моделирования). 

4.Поколения ЭВМ. 

 Можно выделить 4 основные поколения ЭВМ. 

 П О К О  Л Е Н И Я Э В М

 ХАРАКТЕРИСТИКИ I II III IV

 Годы применения 1946-1960 1960-1964 1964-1970 1970-1980

 Основной элемент  Эл. лампа Транзистор ИС БИС

 Количество ЭВМ  в мире (шт.) Сотни Тысячи Десятки  тысяч Миллионы

 Размеры ЭВМ  Большие Значительно меньше Мини-ЭВМ  микроЭВМ

 Быстродействие(усл) 1 10 1000 10000

 Носитель информации  Перфокарта, Перфолента Магнитная  лента Диск Гибкий диск 

 Поколения:

I. ЭВМ на эл. лампах, быстродействие порядка 20000 операций  в секунду, для каждой машины  существует свой язык программирования. (“БЭСМ”,”Стрела”).

II. В 1960 г. в  ЭВМ были применены транзисторы,  изобретённые в 1948 г., они были  более надёжны, долговечны, обладали  большой оперативной памятью. 1 транзистор  способен заменить ~40 эл. ламп и работает с большей скоростью. В качестве носителей информации использовались магнитные ленты. (“Минск-2”,”Урал-14).

III. В 1964 г. появились  первые интегральные схемы (ИС), которые получили широкое распространение.  ИС - это кристалл, площадь которого 10 мм2. 1 ИС способна заменить 1000 транзисторов. 1 кристалл - 30-ти тонный “Эниак”.  Появилась возможность обрабатывать  параллельно несколько программ.

IV. Впервые стали  применяться большие интегральные  схемы (БИС), которые по мощности  примерно соответствовали 1000 ИС. Это привело к снижению стоимости  производства компьютеров. В 1980 г. центральный процессор небольшой  ЭВМ оказалось возможным разместить  на кристалле площадью 1/4 дюйма. (“Иллиак”,”Эльбрус”).

V. Синтезаторы, звуки,  способность вести диалог, выполнять  команды, подаваемые голосом или  прикосновением.

VI.

 Единые серии  ЭВМ. 

1.Отличия ЭВМ  III поколения от прежних. 

 В ЭВМ III поколения  заметно значительное улучшение  аппаратуры, благодаря использованию  интегральных схем (ИС), что способствовало  уменьшению размеров, потребляемой  энергии, увеличению быстродейсвия,  надежности и т.д. 

* Главным отличием  таких ЭВМ от ЭВМ I и II поколений  является совершенно новая организация  вычислительного процесса.

* ЭВМ III поколения  способны обрабатывать как цифровую, так и алфавитно-цифровую информацию. Возможность оперировать над  текстами открывает большие возможности  для обмена информацией между  человеком и компьютером.

* Так же создание  различных средств ввода-вывода  информации. Ярким примером этому  является способ ввода информации  по средствам обычной телефонной  связи, телетайпа, светового карандаша.  А вывод осуществляется не  только на перфокарты, как это  было раньше, но и непосредственно  на экран монитора, каналы телефонной  связи, принтер (для получения  твёрдых копий).

* В связи с  использованием текста возможность  приблизить вводной язык к  человеческому, сделать его более  доступным широкому кругу пользователей.

* Возможность параллельно  решать на ЭВМ несколько задач.

* ЭВМ III поколения  имеет внешнюю память на магнитных  дисках.

* Широкий круг  применения.

 Типичными представителями  машин III поколения является ЕС  ЭВМ, IBM-360. Они имеют следующие  особенности: использование интегральных  схем, агрегатность, байтное представление  информации, использование двоичной  и десятичной арифметики, представление  чисел в форме с плавающей  и фиксированной точкой, программная  совместимость, надёжность, мультисистемность. 

2.Особенности машин  ЕС ЭВМ. 

 ЕС ЭВМ - это  целое семейство машин, которые  построены на единой элементной  базе, единой конструктивной основе, с единой системой программного  обеспечения, одинаковым набором  периферийного оборудования. Их  разработка началась в 1970 г., а  промышленный выпуск таких машин  начался в 1972 г.

 Все машины  ЕС ЭВМ программно-совместимы  между собой и предназначены  для решения наиболее сложных  и объёмных задач. Эти машины  можно отнести к типу машин  универсальных, мультипрограммных,  с возможностью параллельно обрабатывать  несколько задач.

 Многие модели  имеют единую логическую структуру  и принцип работы. однако различные  модели отличаются друг от  друга быстродействием, конфигурацией,  размером памяти и т.д. 

 Так как система  ЕС ЭВМ постоянно развивается,  постоянно улучшаются все характеристики, то эти машины можно подразделить  на 2 семейства. К первому семейству  моделей (Ряд-1) можно отнести такие  машины, как ЕС-1010, ЕС-1020, ЕС-1021, ЕС-1030, ЕС-1040, ЕС-1050, ЕС-1060. К этому семейству  относятся так же модифицированные  образцы (Ряд-1М): ЕС-1012, ЕС-1022, ЕС-1033, ЕС-1052. Более совершенные машины: ЕС-1015, ЕС-1025, ЕС-1035, ЕС-1045, ЕС-1055, можно объединить  в Ряд-2, а модернизированные (Ряд-2М): ЕС-1036, ЕС-1066 и др.

 Устройства ЕС  ЭВМ так же разделяются на  центральные и периферийные. Центральные  - это устройства, которые определяют  основные технические характеристики  машины, это центральный процессор,  оперативная память, мультиплексный  и селекторный каналы. К периферийным  относятся внешние устройства (ВУ), устройства подготовки данных (УПД), сервисные устройства.

 Для хранения  больших объёмов информации используются  накопители на магнитных лентах  и магнитных дисках. Устройства  ввода предназначены для восприятия  вводимой извне информации, её  преобразования в электрические  кодовые сигналы и передачи  к мультиплексному каналу по  средствам интерфейса ввода-вывода. Устройства вывода переводят  выводимый из машины сигнал  обратно и выводят его на  перфокарты (перфоленты), либо на  другие внешние устройства.

 Дисплей - это  устройство ввода-вывода алфавитно-цифровой  и графической информации на  электронно-лучевую трубку. Он очень  удобен для оперативного изменения  данных непосредственно во время  решения задачи.

 Выносимые пульты  предназначены для общения пользователя  с ЭВМ, когда их разделяют  сотни метров.

 Существуют 3 группы  устройств подготовки данных  ЕС ЭВМ: перфокарточные, перфоленточные  и использующие магнитные ленты.  На контрольниках в ЭВМ производится  контроль за правильностью записи  информации на перфокарты. Существует  два режима работы УПД на  магнитной ленте: запись данных  и печать считываемых данных.

 Сервисные устройства  нужны для контроля над техническими  средствами, их наладки, испытания  и ремонта.

 Показатели технических  средств ЕС ЭВМ постоянно улучшаются: увеличивается быстродействие, объёмы  памяти и т.д. Это происходит  в частности за счёт перехода  на микросхемы с более высоким  уровнем интеграции (БИС). Но это  уже относится к машинам IV поколения. 

3.Агрегатный принцип  построения ЭВМ. 

 Этот принцип  заключается в изготовлении отдельных  функциональных устройств с едиными  унифицированными связями. Эти  устройства легко могут быть  соединены в вычислительную систему  требуемой конфигурации.

 Материальные  затраты и время на разработку, сборку наладку и внедрение  агрегатных ЭВМ намного меньше  по сравнению с обычными ЭВМ. 

 Возможность наращивания  структуры ЭВМ и уменьшения  уязвимости к отказам обеспечена  конструированием ЭВМ из отдельных  модулей. Это расширяет границы  применения таких ЭВМ.

 Модуль - это конструктивная  единица электронного оборудования, имеющее законченное оформление  и стандартные средства сопряжения  с другими подобными единицами.  Это, например, оперативное запоминающее  устройство, накопители на дисках, процессор, канал и т.д.

 Оперативное запоминающее  устройство (ОЗУ) - это внутренняя (оперативная)  память компьютера.

 Накопители на  магнитных дисках (МД), ленте (МЛ) и барабанах (МБ) - это внешняя  память.

 Процессор представляет  собой основу каждой машины. Он  выполняет арифметические и логические  операции, управляет последовательностью  выполнения команд. Та же у  процессора есть собственное  сверхоперативное запоминающее  устройство. построенное на регистрах. 

 Каналы ввода-вывода - это специализированные средства  системы ввода-вывода. Они организовывают  процесс обмена между периферийными  устройствами и оперативной памятью.

 Все однотипные  модули взаимозаменяемы. 

4.Интерфейс, селекторный  и мультиплексный каналы. 

 Интерфейс - это  совокупность электрических, механических  и программных средств, позволяющих  соединить между собой элементы  системы автоматической обработки  данных.

 На практике  интерфейс - это многоконтактное  разъёмное кабельное соединение  с чётким разграничением сигналов  для каждого провода. Он позволяет  присоединять и работать с  различными периферийными устройствами, быстродействие которых не превосходит  пропускной способности канала.

 Селекторный и  мультиплексный каналы служат  для обеспечения связи между  ЭВМ и периферийными (внешними) устройствами.

 По средствам  селекторного канала ЭВМ соединяется  с быстродействующими внешними  устройствами, такими как накопители  на МД, МБ и МЛ. Работа идет  только с одним внешним устройством.  Такой режим работы называется  монопольным.

 Так же селекторный  канал может быть оснащён адаптером  “канал-канал”, который устанавливает  связь между каналами ЭВМ.

 Через мультиплексный  канал идёт обмен информацией  между оперативной памятью и  периферийным оборудованием с  малым быстродействием, например, устройства ввода-вывода на перфоленты  и перфокарты, алфавитно-цифровое  печатающее устройство. Такие устройства  могут работать независимо друг  от друга. 

5.Структура машин  ЕС ЭВМ. 

 Обобщённая структура  машин ЕС ЭВМ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 Пунктиром показаны  пути прохождения команд процессора. Сплошными линиями - пути обмена  информацией между основными  оперативными запоминающими устройствами (ООЗУ) и внешними устройствами.

 Так же процессор  постоянно соединён с двумя  устройствами основной оперативной  памяти. 

6.Машинные элементы  информации (байт, полуслово, слово,  двойное слово, поле переменной  длины). 

 Любое слово,  каждый символ увеличивает количество  информации.

 Чтобы измерить  количество информации, нужно взять  слово в качестве эталона. В  качестве алфавита в ЭВМ используется  двоичный алфавит, состоящий из 0 и 1. Эталонным считается слово,  состоящее из одного символа  такого алфавита. Оно принимается  за 1 и называется “Бит”. Чтобы  измерить количество информации  в произвольном слове, его кодируют  в этом алфавите, а затем находят  его длину. 

 Минимальный элемент  информации - 8 бит равный 1 байту. 1 байт  представляет в ЭВМ букву или  символ.

 Для контроля  информации используется 9-й бит  проверки на чётность.

 Более крупными  единицами измерения являются:

1 Кбайт = 210 байт,

1 Мбайт = 220 байт,

1 Гбайт = 230 байт.

 Байт состоит  из 8-и разрядов (битов), которые нумируются  слева направо от 0 до 7. Каждый  байт в памяти ЭВМ имеет  свой порядковый номер, называемый  абсолютным адресом байта. Последовательность  нескольких байт образуют поле  данных. Количество байт поля  называют длиной поля, а адрес  самого левого байта - адресом  поля. Байты нумируются слева  направо.

 Различают поля  фиксированной и переменной длины.

 Минимальным полем  фиксированной длины является  полуслово - группа из двух  байт, занимающих в памяти ЭВМ  соседние участки. Адрес полуслова  - это адрес крайнего левого  байта, который всегда кратен  двум. Например, байты 8, 9 образуют  полуслово с адресом 8.  

 Два полуслова  образуют слово, состоящее из 4-х последовательно расположенных  байт. Адрес старшего (левого) байта  кратен 4 и является адресом этого  слова.

 Группа из двух  слов составляет двойное слово.

 Поле переменной  длины может быть любого размера  в пределах от 0 до 255 байт.

0 7 8 15 16 23 24 31 32 39 40 47 48 55 56 63

 Байт Байт Байт  Байт Байт Байт Байт Байт

 Полуслово Полуслово  Полуслово Полуслово

 Слово Слово

 Двойное слово 

 Так можно представить  соотношение разрядности элементов  информации. 

7.Система программного  обеспечения ЕС ЭВМ. 

 Систему программного  обеспечения ЭВМ (СПО) формируют  программные средства. Это комплекс  программных средств, предназначенных  для увеличения эффективности  использования машин, облегчения  её эксплуатации. Эта система  является посредником между ЭВМ  и пользователем, обеспечивает  удобный способ общения.

 Можно выделить 4 основные части СПО:

1. Операционные системы  (ОС);

2. Набор пакетов  прикладных программ (ППП);

3. Комплекс программ  технического обслуживания (КПТО);

4. Системы Эксплуатационной  документации (СЭД) на СПО.

 Сейчас используются 4 типа ОС:

a) ОС-10 - для моделей  ЕС-1010;

b) МОС (малая) - для  моделей ЕС-1021;

c) ДОС ЕС (дисковая) - для всех других моделей ЕС  ЭВМ в малой конфигурации;

d) ОС ЕС - для тех  же моделей, что и для ДОС  ЕС, но в средней и расширенной  конфигурации;

 Структуру ОС  можно разделить на несколько  групп:

* Программы начального  запуска машины, первоначальный  ввод информации в оперативную  память, настройка ЭВМ.

* Программы управления  данными.

* Программы управления  задачами.

* Обслуживающие  и обрабатывающие программы.

 Так же в  состав ОС входят средства, которые  снижают трудоёмкость подготовительного  процесса при решении задач.  Это система автоматизации программирования (САП). Она включает в себя такие  компоненты, как:

* Алгоритмические  языки программирования (Ассемблер,  Фортран и др.);

* трансляторы;

* интерпретирующие  и компилирующие системы;

* пакеты стандартных  программ;

* программы сервиса.

 Значительной  частью СПО является пакет  прикладных программ (ППП). ППП - это  комплекс программ, необходимых  для решения определённой задачи. Они обязаны удовлетворять требования  ОС, под управлением которых они  работают.

 Сейчас современные  ППП разрабатывают как программные  системы. Каждый пакет состоит  из:

==> набор обрабатывающих  программных модулей (тело пакета), предназначенных непосредственно  для решения задачи пользователем;

==> управляющая  программа пакета (управление обработкой  данных). При запросе на решение  задачи эта программа формирует  из обрабатывающих модулей рабочую  обрабатывающую программу;

==> комплекс обслуживающих  программ (вспомогательные функции);

==> средства для  обеспечения создания пакета.

 Ещё одной функцией  ППП является расширение возможностей  ОС при подключении новых устройств.

 Комплекс программ  технического обслуживания (КПТО) служит  для профилактического контроля, исправления неисправностей, оперативной  проверки работы периферийного  оборудования. Комплекс состоит  из двух групп тестовых программ. Первые работают под управлением  ОС, вторые работают независимо  от ОС.

 Основные функции  СПО:

* Автоматическое  управление вычислительным процессом.

* Обеспечение повышения  эффективности функционирования  ЭВМ.

* Обеспечение удобного  общения между ЭВМ и пользователем.

* Сокращение времени,  требуемого для подготовки задачи  к решению на ЭВМ.

* Обеспечение контроля  работы ЭВМ. 

8.Программная совместимость  ЕС ЭВМ. 

 Для более эффективного  использования программного обеспечения  все модели ЕС ЭВМ программно  совместимы. Это означает, что программа,  работающая на одной машине  ЕС, будет работать и на другой, если вторая машина обладает  необходимой памятью. Пользователи  могут обмениваться программами,  независимо от производительности  их машин.