Инновационный Евразийский Университет Департамент «ЭМиИТ» Слайд-лекция По дисциплине: «Архитектура и организация компьютерных систем» Введение История развития ЭВМ. Уровневая организация ЭВМ. Разработал: проф. ИнЕУ Зайцева Н.М.

Развитие архитектуры ЭВМ Нулевое поколение механические компьютеры ( ) Первым человеком, создавшим счетную машину, был французский ученый Блез Паскаль ( ), в честь которого назван один из языков программирования. Паскаль сконструировал эту машину в 1642 году, когда ему было всего 19 лет, для своего отца, сборщика налогов. Она была механическая: с шестеренками и ручным приводом. Счетная машина Паскаля могла выполнять только операции сложения и вычитания.

Развитие архитектуры ЭВМ Первое поколение электронные лампы ( ) Стимулом к созданию электронного компьютера стала Вторая мировая война.В создании первого в мире электронного цифровой компьютера принимал участие знаменитый британский математик Алан Тьюринг. COLOSSUS работал уже в 1943 году, но так как британское правительство рассматривало его как военную тайну на протяжении 30 лет, COLOSSUS не мог служить основой дальнейшего развития компьютеров.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил фон Нейман в 1944 году, когда подключился к созданию первого в мире лампового компьютера ЭНИАК.фон НейманЭНИАК Архитектура вычислительных машин фон Неймана Развитие архитектуры ЭВМ Первое поколение электронные лампы ( )

Принцип фон-неймановской вычислительной машины: программа должна быть представлена в памяти компьютера в цифровой форме, вместе с данными; десятичная арифметика должна быть заменена бинарной арифметикой. Этот замысел имел очень большое влияние на дальнейшее развитие компьютерной техники и используется по сей день, В Советском Союзе также велись работы по созданию ЭВМ. Первой машиной этого поколения была «Мир-1» Развитие архитектуры ЭВМ Первое поколение электронные лампы ( )

В 1949 г. Моушли со своим студентом Дж. Преспером Экертом, сконструировали электронный компьютер, который они назвали ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer электронный цифровой интегратор и калькулятор). Он состоял из электровакуумных ламп и 1500 реле. ENIAC весил 30 тонн и потреблял 140 киловатт электроэнергии. У машины было 20 регистров, каждый из которых мог содержать 10-разрядное десятичное число. Развитие архитектуры ЭВМ Первое поколение электронные лампы ( )

Развитие архитектуры ЭВМ Второе поколение транзисторы ( ) Первый компьютер на транзисторах был построен в лаборатории МТИ (Массачусетского технологического института). Он содержал слова из 16 битов. Следующий компьютер этого поколения PDP-1 появился в 1961 году. У него было 4 Кбайт слов по 18 битов и время цикла 5 микросекунд. Одну из первых машин модели PDP-1 отдали в МТИ, где она сразу привлекла внимание некоторых молодых исследователей, подающих большие надежды.

Развитие архитектуры ЭВМ Второе поколение транзисторы ( ) Одним из нововведений PDP-1 был дисплей с размером 512 на 512 пикселов, на котором можно было рисовать точки. Вскоре студенты МТИ составили специальную программу для PDP-1, чтобы играть в «Войну миров» первую в мире компьютерную игру. Через несколько лет была разработана модель PDP-8, 12-битный компьютер. В СССР к ЭВМ этого поколения относятся такие как «Урал-11Б», машины серии Минск.

Развитие архитектуры ЭВМ Третье поколение интегральные схемы ( ) Изобретение кремниевой интегральной схемы в 1958 году (изобретатель Роберт Нойс) дало возможность помещать десятки транзисторов на одну небольшую микросхему. Компьютеры на интегральных схемах были меньшего размера, работали быстрее и стоили дешевле, чем их предшественники на транзисторах.

Развитие архитектуры ЭВМ Третье поколение интегральные схемы ( ) К 1964 году компания IBM лидировала на компьютерном рынке. Она выпустила серию компьютеров, которые были предназначены и для научных, и для коммерческих расчетов. System/360 содержала много нововведений Это было целое семейство компьютеров с одним и тем же языком (ассемблером). Каждая новая модель была больше по размеру и по мощности, чем предыдущая.

Развитие архитектуры ЭВМ Четвертое поколение сверхбольшие интегральные схемы (1980-?) Появление сверхбольших интегральных схем (СБИС) в 80-х годах позволило помещать на одну плату сначала десятки тысяч, затем сотни тысяч и, наконец, миллионы транзисторов. Это привело к созданию компьютеров меньшего размера и с более высокой скоростью работы. До появления СБИС компьютеры были настолько большие и дорогостоящие, что компаниям и университетам приходилось иметь специальные отделы (вычислительные центры). К 80-м годам цены упали так сильно, что возможность приобретать компьютеры появилась не только у организаций, но и у отдельных людей. Началась эра персональных компьютеров.

Основные понятия и определения ЭВМ это машина, которая может решать задачи, выполняя данные ей команды. Последовательность команд, описывающих решение определенной задачи, называется программой. Электронные схемы каждой ЭВМ могут распознавать и выполнять ограниченный набор простых команд. Все программы перед выполнением должны быть превращены в последовательность таких команд, которые обычно не сложнее чем:

Основные понятия и определения Обычно стараются сделать машинные команды как можно проще, чтобы избежать сложностей при конструировании компьютера и снизить затраты на необходимую электронику. Так как большинство машинных языков очень примитивны, использовать их трудно и утомительно, то привело к построению ряда уровней абстракций, каждая из которых надстраивается над абстракцией более низкого уровня. Именно таким образом можно преодолеть сложности при общении с компьютером. Такой подход называется многоуровневой компьютерной организацией архитектуры компьютерных систем.

Многоуровневая организация компьютерных систем Язык высокого уровня Трансляция (компилятор) Трансляция (ассемблер) Уровень языка ассемблера Уровень операционной системы Трансляция (ассемблер) Уровень архитектуры команд Интерпретация (микропрограмма) или непосредственное выполнение Микроархитектурный уровень Цифровой логический Аппаратное обеспечение Уровень 5 Уровень 4 Уровень 3 Уровень 2 Уровень 1 Уровень 0 Шесть уровней организации компьютерных систем

Уровень 0 Уровень 0 аппаратное обеспечение машины. Его электронные схемы выполняют программы, написанные на языке уровня 1. Необходимо упомянуть о существовании еще одного уровня, расположенного ниже уровня 0. Этот уровень не показан на схеме, так как он попадает в сферу электронной техники. Он называется уровнем физических устройств. На этом уровне находятся транзисторы, логические схемы и проч., которые являются примитивами для разработчиков компьютеров.

На самом нижнем уровне, цифровом логическом уровне, объекты называются вентилями. Хотя вентили состоят из аналоговых компонентов, таких как транзисторы, они могут быть точно смоделированы как цифровые средства. У каждого вентиля есть одно или несколько цифровых входных данных (сигналов, представляющих 0 или 1). Вентиль вычисляет простые функции этих сигналов, такие как И или ИЛИ. Уровень 0

Каждый вентиль формируется из нескольких транзисторов. Несколько вентилей формируют 1 бит памяти, который может содержать 0 или 1. Биты памяти, объединенные в группы, например, по 16,32 или 64, формируют регистры. Каждый регистр может содержать одно двоичное число до определенного предела. Уровень 0

Уровень 1. Микроархитектурный уровень На этом уровне можно видеть совокупности 8 или 32 регистров, которые формируют локальную память и схему, называемую АЛУ (арифметико-логическое устройство). АЛУ выполняет простые арифметические операции. Регистры вместе с АЛУ формируют тракт данных, по которому поступают данные. Основная операция тракта данных состоит в следующем: 1)Выбирается один или два регистра, 2)АЛУ производит над ними какую-либо операцию, например сложения, 3)результат помещается в один из этих регистров.

Программы, написанные на машинном языке (могут сразу выполняться электронными схемами компьютера (уровень 0), без применения интерпретаторов и трансляторов. Эти электронные схемы вместе с памятью и средствами ввода-вывода формируют аппаратное обеспечение. Аппаратное обеспечение состоит из осязаемых объектов интегральных схем, печатных плат, кабелей, источников электропитания, запоминающих устройств и принтеров. Абстрактные понятия, алгоритмы и команды не относятся к аппаратному обеспечению. Уровень 1

Уровень 2 (уровень архитектуры команд) Второй уровень называется уровнем архитектуры системы команд. Каждый производитель ЭВМ публикует руководство для компьютеров, которые он продает, под названием «Руководство по машинному языку» или «Принципы работы компьютера» и т. п. Такие руководства содержат информацию именно об этом уровне. Когда они описывают набор машинных команд, они в действительности описывают команды, которые выполняются микропрограммой-интерпретатором или аппаратным обеспечением.

Уровень операционной системы Этот уровень обычно гибридный. Большинство команд в его языке могут находиться как на первом, так и на втором уровнях. У этого уровня есть некоторые дополнительные особенности: набор новых команд, другая организация памяти, способность выполнять две и более программ одновременно и некоторые другие. Новые средства, появившиеся на третьем уровне, выполняются интерпретатором, который работает на втором уровне. Этот интерпретатор был когда-то назван операционной системой.

Уровень операционной системы Команды третьего уровня, идентичные командам второго уровня, выполняются микропрограммой или аппаратным обеспечением, но не операционной системой. То есть, одна часть команд третьего уровня интерпретируется операционной системой, а другая часть микропрограммой. Три первых уровня изначально предназначены для работы интерпретаторов и трансляторов, поддерживающих более высокие уровни. Эти трансляторы и интерпретаторы составляются так называемыми системными программистами, которые специализируются на разработке и построении новых виртуальных машин.

Уровень 4. Уровень языка Ассемблера Четвертый уровень представляет собой символическую форму одного из языков более низкого уровня. На этом уровне можно писать программы в приемлемой для человека форме. Эти программы сначала транслируются на язык уровня 1, 2 или 3, а затем интерпретируются соответствующей виртуальной или фактически существующей машиной. Программа, которая выполняет трансляцию, называется ассемблером.

Уровень 5. Языки высокого уровня Данный уровень обычно состоит из языков, разработанных для прикладных программистов. Такие языки называются языками высокого уровня. Существуют сотни языков высокого уровня. Наиболее известные среди них Паскаль,BASIC, С, C++,Java, LISP и Prolog. Программы, написанные на этих языках, обычно транслируются на уровень 3 или 4. Трансляторы, которые обрабатывают эти программы, называются компиляторами. Иногда также используется метод интерпретации. Например, программы на языке Java обычно интерпретируются.

Темы реферата: 1. Общее понятие архитектуры. Принцип программного управления. 2. Арифметические основы ЭВМ. Формы представления чисел. Представление символьной информации и десятичных чисел.