Лекция 4




НазваниеЛекция 4
страница2/7
Дата31.12.2012
Размер0.54 Mb.
ТипЛекция
1   2   3   4   5   6   7

Предмет исследования - цифровая вычислительная машина

Определение и историческая справка


Отличительной чертой вычислительной машины признается возможность автоматического выполнения последовательностей арифметических операций с возможностью принятия логических решений о ветвлении вычислений {7}.

Исторически первой в мире цифровой вычислительной машиной принято считать ENIAC. Однако, в том виде, как она в феврале 1946 года демонстрировалась в Муровской политехнической школе Пенсильванского университета, не имела в современном понимании ни программного управления, ни устройства управления. Программа работы машины задавалась коммутацией шнурами на специальном коммутационном поле. Кроме этого, в составе устройства управления имелся счетчик циклов, с помощью которого можно было организовать повторение некоторой неизменной последовательности операций, закоммутированной шнурами заранее заданное число раз. Устройство программного управления было встроено в ENIAC позднее, в то время, когда машина перевозилась на полигон в Абердине.

Принципы построения


Общественным мнением принято считать, что принципы построения компьютера как электронного устройства для обработки информации, были сформулированы Джоном фон Нейманом и его коллегами Г. Голдстайном и А. Бергсом в отчете "Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства", (июнь 1946 года), который содержал развернутое и детальное описание принципов построения цифровых электронных вычислительных машин. Имеет смысл напомнить эти принципы.

  1. Программное управление работой.

  2. Принцип условного перехода.

  3. Принцип хранимой программы.

  4. Принцип использования двоичной системы счисления.

  5. Принцип иерархичности запоминающих устройств.

Согласно Нейману, компьютер - вычислительное устройство с хранимой программой - должен содержать следующие устройства:

  • Арифметико-логическое устройство - АЛУ,
    как следует из его названия, выполняющее арифметические и логические операции;

  • оперативную память, хранящую программы;

  • внешние устройства для ввода и вывода информации;

  • устройство управления.

Арифметико
Логическое
Устройство


АЛУ

Устройство
Управления


УУ

Внешние
Устройства

ВУ










Оперативное
Запоминаюшее
Устройство


ОЗУ

Пульт
управления












информационные связи (адреса и данные)
сигналы управления


Арифметико-логическое устройство (АЛУ) в классическом варианте выполняет базовые арифметические операции сложения-вычитания, три основных логических операции и сдвиги.

Операнды для работы арифметического устройства поступают из так называемого оперативного запоминающего устройства – ОЗУ, в компьютерной терминологии. Память разбита на пронумерованные ячейки, в которых хранятся данные для работы АЛУ и инструкции-команды.

Для выполнения машинной операции АЛУ должно быть специально настроено на выполнение именно этой операции, а ОЗУ должно получить указание, какие операнды послать в АЛУ, откуда их взять, а также куда направить результат. Необходимая для этого информация хранится в специальной инструкции, записанной в двоичной форме и называемая командой.


Код операции

Первый операнд

Второй операнд

Результат операции


Центральное устройство управления обрабатывает код очередной операции на специальном устройстве, называемом дешифратором, и превращает код операции в серию управляющих импульсов для устройств, участвующих в операции.

Последовательность команд, перерабатываемая ЭВМ и приводящая к решению задачи, называется программной. Другими словами – программа это реализация алгоритма решения задачи в доступных машине командах.

В алгоритме решения задачи содержатся как линейные так и циклически повторяющие участки, а также операции ветвления и перехода. В первых машинах циклические участки – циклы- реализовывались интересным способом – путем считывания команд с перфоленты, склеенной в кольцо.

Смену поколений вычислительных машин довольно условно связывают с развитием элементной базы. Однако, более чем элементами, на которых построены логические узлы и блоки, машины различаются структурой, программным обеспечением и методами использования.

Машины первого поколения строились на электронных лампах и по своей структуре соответствовали приведенной выше схеме.

Для машин первого поколения характерен был режим непосредственного общения пользователя с машиной. Каждому пользователю выделялось для решения его задачи определенное машинное время – от десятков минут до нескольких часов. При этом пользователь получал машину в безраздельное пользование от пульта управления до всех внешних устройств и всей внешней и оперативной памяти. Значительное время при этом использовалось для отладки программ и алгоритмов решения задач. Такой способ использования приводил к снижению эффективной загрузки оборудования.


История отечественных универсальных цифровых вычислительных машин берет свое начало от первых электронных компьютеров с хранимой программой, созданных в 1951 году С.А. Лебедевым в Киеве и И.С. Бруком в Москве. Интересно отметить, что оба они пришли к идее создания цифровых электронных компьютеров, работая в области электроэнергетики и решая задачи расчета режимов электрических сетей и энергосистем с помощью аналоговых вычислительных машин.

Первые машины – МЭСМ (“Малая электронная счетная машина”) С.А. Лебедева и М-1 (“Автоматическая цифровая вычислительная машина”) И.С. Брука – послужили прототипами для последующих разработок: БЭСМ (“Большая электронная счетная машина”) АН СССР и М-2, выполненных школами С.А. Лебедева и И.С. Брука в 1952-53 годах, также на технической базе первого поколения (арифметика и логика – на электронных лампах, память – на электронно-лучевых трубках).


С точки зрения отечественной истории значение первых машин заключалось в том, что и С.А. Лебедев, и И.С. Брук независимо друг от друга и от работ американских (Дж. Моучли и Дж. Эккерт) и английских (М. Уилкс и Т. Килбури) ученых пришли к классической архитектуре электронного цифрового компьютера, называемой сейчас архитектурой фон Неймана. Надо иметь в виду, что работы тогда проводились в условиях строгой секретности. А отчет Принстонского университета, составленный А. Берксом, Х. Голдштейном и Дж. фон Нейманом, известный в США с 1946 г. по неопубликованным копиям, был опубликован полностью на английском языке только в 1963 году. Русский перевод этого отчета, содержащего основные принципы классической архитектуры компьютера, был опубликован в “Кибернетическом сборнике” № 9 за 1964 год.

Формализация описания компьютерных систем


Понятие компьютер многогранно и включает несколько составляющих, включая архитектуру, структурные свойства, технологическое окружение, человеческие аспекты, в которых он проектируется и создается.

Взгляд разных специалистов и пользователей на один и тот же объект исследования – в нашем случае компьютер – может существенно различаться. В ряде работ Гордона Белла {9-13} было предложено ряд точек зрения на компьютерную систему.

Структурный уровень описания. Иерархия описания компьютерных структур, адаптированная из {G. Bell, Novell} включает 5 уровней, а именно:

    • уровень Процессор – Память – Коммутатор;

    • уровень описания обменов Регистр-Регистр;

    • переключательных схем;

    • электрических компонентов (транзисторов, диодов, резисторов и т.д.);

    • и на самом нижнем уровне – области p и n проводимости, диэлектрика и металла.

Уровень интерпретации. На уровне интерпретации компьютерной системы, как решателя алгоритмов, возможно усмотреть уровень языка описания задачи, уровень операционной системы, уровень системы команд и уровень исполнения команды.

Уровень интеграции.

Взгляд рынка.

Практика проектирования.





Внешние требования

Структурный
уровень


Уровень
системотехника

Уровень
интерпретации

    • уровень
      Процессор – Память – Коммутатор;

    • уровень описания обменов Регистр-Регистр;

    • переключательных схем;

    • электрических компонентов (транзисторов, диодов, резисторов и т.д.);

    • физическом уровне областей p и n проводимостей, диэлектрика и металла.

ВС как модуль системы
со своими показателями качества (производительности, надежности, цены)


Компьютер как испольнитель алгоритмов, с описанием задачи на высокоуровневом языке, уровне операционной системы, системы команд и исполнения команды.




Вычислительная
система























Уровень интеграции

Практика проектирования

Взгляд рынка

































Описание на языках высокого уровня


Сложная вычислительная система может быть иерархически представлена на языке описания аппаратуры высокого уровня, подмножестве объектно-ориентированных языков. Наиболее распространенным языком такого класса, специфицированным международными стандартами является Very High Description Language -VHDL.

Язык VHDL предназначен для решения комплекса задач в ходе проектирования и применения цифровых систем, их аппаратных средств, в том числе:

  • описания структуры системы, декомпозиция системы на подсистемы, спецификация связей и взаимодействия подсистем;

  • спецификации функционирования системы, узлов, блоков, реализуемых функций;

  • моделирования системы и ее работы;

  • синтеза схемотехнической реализации, автоматической генерации детальной структуры.


При проектировании сверхбольших интегральных схем (СБИС) использование VHDL позволяет рассматривать систему в трех измерениях: функциональном, структурном и топологическом.

Терминология


В данном курсе лекций принята следующая терминология и иерархия понятий.

В силу исторических и других причин терминология современной ВТ содержит много английских слов и аббревиатур. Компьютер - computer, впервые появилось, как утверждает Полунин {__} в 1646 году в сочинении врача и писателя сэра Томаса Брауна (1605-1682) Pseudodoxia Epidemica и определяло человека, умевшего выполнять вычисления.

Электронная вычислительная машина рассматривается как совокупность аппаратных и программных средств. В каждой области знаний формируется своя иерархия представлений, отражающая многоуровневую организацию в терминах этой области.

Вычислительная машина или вычислительная система в данном курсе лекций рассматриваются как частный случай понятия «Система» - как иерархия совокупностей моделей «Структуры», «Функционирования», «Цели» и «Ресурсов». Структура – совокупность элементов системы и связей между ними. Функционирование – поведение системы во времени, описываемое алгоритмом или временной диаграммой.

Например, при структурном описании системы иерархия состоит из:

  • уровня крупных структурных блоков, типа Процессор, Память, Коммутатор;

  • уровня регистров, функциональных блоков;

  • уровня логических вентилей;

  • и, наконец, уровня транзисторов.


Архитектура. Возникший с изменением подхода к разработке вычислительных машин в 60-е годы термин - “архитектура компьютера” - пришел на смену более простому понятию “структура ЭВМ”

Ранее компьютерное оборудование и программное обеспечение разрабатывались независимо друг от друга, а инженеры и программисты при этом часто конфликтовали, но время и дело примирили, и стороны объединились в одну команду с целью создания системы, состоящей из совокупности аппаратных и программных средств. Некоторые авторы определяют его кратко: “архитектура=hardware+software”.

М.А. Карцев в предисловии к {1} определяет понятие архитектура цифровой вычислительной машины как совокупность ее свойств и характеристик, рассматриваемую с точки зрения пользователя. А.А. Мячев {2} дает расширенное толкование термина, определяя архитектуру как совокупность следующих понятий и принципов, а именно:

    • общей структурой;

    • логической организацией представления, хранения и преобразования информации;

    • логической организацией ввода-вывода;

    • логической организацией совместной работы различных компонентов системы.

В предлагаемом курсе лекций под термином «архитектура» понимается способ представления информации, методы адресации, система команд машины.


Термины, относящиеся к отдельным блокам машин и элементам программного обеспечения, по мере развития техники претерпевали изменения. Например, АЛУ в совокупности с УУ стали именовать центральным процессором или ЦП (Central Processing Unit, CPU), а язык пополнился такими терминами, как “аппаратная платформа”, “программный продукт”, “интерфейс”, “шина”, “расслоение памяти”, “порт”, “кэш-память” и многими другими.


Одновременно вводились сокращенные обозначения для единиц измерения технических характеристик отдельных блоков ЭВМ. Так, емкость ЗУ, равную 1024 разряда (бита) или 1024 байта, из-за близости к числу 1000 начали обозначать буквой К (кило, от греч. khilioi – “тысяча”) и записывать как 1,0 Кбит или 1,0 Кбайт, соответственно. Для обозначения больших единиц емкости памяти также использовали первые буквы греческих слов: М (мега, от  – “много”)=220106, Г(гига, от  – “гигант”)=230109 и Т(тера, от  – “монстр”)=2401012. В тех же случаях, когда разрядность машинного слова была оговорена, емкость определяли в словах (например, Мслов). Аналогичные обозначения были введены для единиц измерения пропускной способности каналов ввода-вывода информации, скорости обмена данными между ОЗУ и ЦП (например, Мбайт/сек) и т.д.

1   2   3   4   5   6   7

Похожие:

Лекция 4 iconЛекция I и проблема языка и сознания лекция II 31 слово и его семантическое строение лекция III 51 развитие значения слов в онтогенезе лекция IV 67 развитие понятий и методы их исследования лекция V 91 «семантические поля»
Монография представляет собой изложение курса лекций, про* читанных автором на факультете психологии Московского государственного...
Лекция 4 iconКурс лекций Москва 2008 Содержание Лекция Введение 3 Лекция Научные знания в средневековой Руси и окружающем мире 9 Лекция История науки и техники в XIV первой половине XVII вв. 19
Лекция Развитие науки и техники в России в Новое время (вторая пол. XVII-XVIII вв.) 26
Лекция 4 iconЛекция-визуализация Лекция 2
Лекция физиология и биофизика возбудимых тканей. Биоэлектрические явления в возбудимых системах. Учение о биотоках. Токи покоя и...
Лекция 4 iconЛекция Введение в бд и субд. Модели данных 2 Лекция Инфологическая модель «Сущность-связь»
Лекция Программирование в Mathcad, Интерполяция и регрессия, функции сглаживания данных и предсказания. 104
Лекция 4 iconТекст лекций н. О. Воскресенская Оглавление Лекция 1: Введение в дисциплину. Предмет и задачи курса Лекция 2: Основные организационные формы и практические мероприятия пр
Лекция 4: пр и средства массовой информации. Информационная политика РФ – тенденции и проблемы развития. Правовые основы пр
Лекция 4 iconЛекция №8. Особенности занятий легкой атлетикой с детьми, подростками, юношами лекция №9. Особенности занятий легкой атлетикой с женщинами …63 ЛИТЕРАТУРА лекция №1 «Введение в предмет. История развития легкой атлетики»
Лекция №6. Организация и проведение соревнований по легкой атлетике
Лекция 4 iconЛекция религии современных неписьменных народов: человек и его мир лекция шаманизм приложение список сокращений Лекция предмет и основные понятия истории религий слово «религия»
Редактор Т. Липкина Художник Л. Чинёное Корректор Г. Казакова Компьютерная верстка М. Егоровой
Лекция 4 iconЛекция одиннадцатая. Постиндустриальный мир как замкнутая хозяйственная система. 77 Лекция двенадцатая. Постиндустриальный мир как единственный полюс хозяйственной мощи. Кризис модели «догоняющего»
Лекция четвертая. Трансформация производственных отношений постиндустриального общества. 25
Лекция 4 iconЛекция Полупроводниковые приборы
Лекция 19. Предельная чувствительность и шумы электронных усилителей
Лекция 4 iconЛекция
Лекция Обзор и архитектура вычислительных сетей 8 Тема Основные определения и термины 8
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница