Архитектуры вычислительных систем

Литература 1. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. СПб.: Питер, с. 2. Афанасьев К.Е., Стуколов С.В. Многопроцессорные вычислительные системы и параллельное программирование: Учебное пособие. КемГУ. Кемерово: Кузбассвузиздат, с. 3. Столлингс У. Структурная организация и архитектура компьютерных систем: Проектирование и производительность. СПб: Вильямс, с. 4. Барановская Т.П., Лойло В.И., Семенов М.И. и др. Архитектура компьютерных систем и сетей: Учебное пособие для вузов. М: Финансы и статистика, с. 5. Цилькер Б.Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов. СПб: Питер, с.

Литература 6. Виртуальный музей истории отечественных компьютеров 7.В.Г. Олифер, Н.А. Олифер Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы - СПб.: Питер, Материалы сайта 9.Интернет-Университет Информационных Технологий (

Вопросы?

Лекция 1: Многоуровневая компьютерная организация Языки, уровни и виртуальные машины Транслятор Интерпретатор

Многоуровневая компьютерная организация Многоуровневая машина

Современные многоуровневые машины Шестиуровневый компьютер

Развитие многоуровневых машин Аппаратное и программное обеспечение Изобретение микропрограммирования (встроенный интерпретатор) Изобретение операционной системы

Схема работы с операционной системой FMS

Перемещение функциональности системы на уровень микрокода Например: во всех компьютерах существует общая команда сложения ADD, однако есть и INC Достоинства и недостатки микропрограммирования CISC and RISC processors

Развитие компьютерной архитектуры

Структура лекции Развитие компьютерной архитектуры –Механические компьютеры, –электронные лампы, –транзисторы, –интегральные схемы, –сверхбольшие интегральные схемы.

Нулевое поколение - механические компьютеры ( гг.) Француз Блез Паскаль ( ) в 19 лет собрал счетную машину для своего отца – сборщика налогов –Выполняемые операции – (+,-) Вильгельм Лейбниц ( ) построил механический прототип калькулятора –Выполняемые операции – (+,-,*,/)

Профессор математики Кембриджского университета Чарльз Бэббидж ( ) разработал и сконструировал разностную машину –Выполняемые операции – (+,-), однако былзашит алгоритм метод конечных разностей с использованием полиномов –Устройство вывода – результаты выдавливались стальным штампом на медной пластине –Разработал аналитическую машину, потратив фунтов + все семейное состояние. Машина состояла из 4 компонетн: запоминающее устройство (память), вычислительное устройство, устройство ввода (с помощью перфокарт), устройство вывода (перфоратор) –Память состояла из 1000 слов по 50 десятичных разрядов –Вычислительное устройство принимало операнды из памяти, выполняло операции и возвращала результат в память

Чарльз Бэббидж нанял Аду Ловлейс (дочь поэта Байрона) для создания ПО (перфокарт) – ее считают самым первым программистом Идеи Бэббиджа опередили возможности техники того времени – в результате машина так и не смогла заработать Бэббиджа считают прапрадедушкой цифрового компьютера

Конрад Зус (немец) в конце 30-х годов сконструировал несколько счетных машин с использованием электромагнитных реле. Правительство Германии не выделило деньги – все тратилось на войну. Идеи Зуса (документация, сами экземпляры машины) были уничтожены во время войны В Америке была создана машина Атанасова (использовалась бинарная арифметика и память, которая периодически обновлялась) Был ряд других разработчиков

Первое поколение – электронные лампы ( гг.) Как и всегда бывает, именно война стала сильным стимулом для супер интенсивного развития компьютерной техники ENIGMA – прибор для кодирования посланий, используемый немцами для передачи команд Англичане приобрели данный аппарат у поляков, которые позаимствовали его у немцев. Однако это задачу расшифровки посланий не решило – требовалось перебрать огромное количество вариантов кода, причем в максимально короткое время COLOSSUS (первый цифровой компьютер, 1943) – создатель британский математик Алан Тьюринг. Данный компьютер был засекречен на протяжении 30 лет, соответственно, его создание никаким образом не повлияло на развитие техники в целом.

Первое поколение – электронные лампы ( гг.) Американцы Джон Моушли со своим студентом Дж. Преспером Экертом сконструировали электронный компьютер ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer). Он состоял из 18 тыс. Электровакуумных ламп и 1500 реле, весил 30 тонн и потреблял 140 киловатт электроэнергии (для сравнения 5 киловатт потребляет узел коммуникаций). Машина имела 20 регистров, каждый содержал 10- разрядное десятичное число. Работа была проделана колоссальная, однако закончена в 1946 году.

Первое поколение – электронные лампы ( гг.) Один из разработчиков ENIAC Джон фон Нейман разработал свою машину IAS (Immediate Address Storage – память с прямой адресацией). Его разработки известны как фон- неймановские вычислительные машины и сейчас. Состав: память, арифметико-логическое устройство, устройство управления, устройство ввода-вывода. Память – 4096 слов, слово – 40 бит. Слово – или две команды, или целое число со знаком.

Схема машины фон Неймана

IBM Производила перфокарты и механические машины для их сортировки В 1953 году построила первый компьютер IBM-701 (2048 слов по 36 бит) 1956 – IBM-704 (4 Кбайт памяти на магнитных сердечниках)

Второе поколение – транзисторы ( гг.) Изобретен сотрудниками лаборатории Bell laboratories Джоном Бардиным, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли, за что в 1956 году они получили Нобелевскую премию Первый компьютер на транзисторах – TX-0 (Transistorized eXperimental computer 0). Сама по себе данная машина не интересна, но один из инженеров, Кеннет Ольсен, в 1957 году основал компанию DEC (Digital Equipment Corporation), которая производила машины PDP-1 (1961) PDP-1 имел 4 Кбайт слов по 18 бит. Время цикла 5 микросекунд. Данный компьютер был самым быстрым компьютером в мире в то время и стоил $120000, в то время как IBM-7090 в два раза уступал по быстродействию, а стоил миллионы.

PDP-8 12-битный компьютер Стоил $16000 Главное нововведение – одна шина DEC продала компьютеров Шина компьютера PDP-8

Control Data Corporation CDC в 1964 году выпустила машину 6600, которая в 10 раз работала быстрее, чем IBM Высокая скорость работы обеспечивалась наличием нескольких функциональных устройств для выполнения различных операций, и все они могли работать одновременно. Некоторые принципы данной машины используются и в современных компьютерах. Разработчик компьютера 6600 – Сеймур Крей. Среди его разработок CDC-6600, CDC- 7600, Cray-1

Burroughs B5000 Все разработчики стремились снизить себестоимость (DEC) или увеличить производительность (IBM, CDC) совершенствуя только лишь аппаратное обеспечение. Производители В5000 пошли другим путем. Они разработали машину с намерением программировать ее на языке Algol-60 (предшественник языка Паскаль), сконструировав аппаратное обеспечение, чтобы упростить задачу компилятора

Третье поколение – интегральные схемы ( гг.) Кремневая интегральная схема изобретена в 1958 году Робертом Нойсом. Компьютеры стали меньшего размера, работали быстрее, стоили меньше IBM лидировала на рынке компьютеров с марками IBM-7094, IBM-1401 (транзисторные) Впервые выпустила серию компьютеров System/360. Различались по цене- мощности. При этом обладала одним и тем же языком, тем самым обеспечивая совместимость и переносимость ПО.

IBM-360 Для совместимости впервые использовалось микропрограммирование: три микропрограммы - Для системы команд IBM-360 -IBM IBM-7094

Четвертое поколение – сверхбольшие интегральные схемы (1980-?) СБИС насчитывает в начале 80-х десятки тысяч, затем сотни тысяч, позднее миллионы транзисторов Ранее компьютеры были настолько дорогостоящие. Что их покупку и т.д. могли себе позволить далеко не все. После появления СБИС цена настолько упала, что реально было купить компьютер даже отдельному человеку. С этого времени начинается эра персональных компьютеров.

Intel 8080 Продавался в комплектах Сложить все в единое целое оставалось за покупателем ПО не прилагалось Позднее для этого компьютера появилась ОС – CP/M. Помещалась на дискету, включала в себя систему управления файлами и интерпретатор для выполнения пользовательских команд

IBM IBM тоже решила создать ПК, боясь потерять лидирующее положение на рынке. Создало дочернее предприятие (Филипп Экстридж). Так появился IBM PC, состоящий из процессора Intel серийные компоненты. Данный компьютер (1981) стал самым покупаемым компьютером мира. Однако IBM ничего не запатентовала, а опубликовала полный проект, включая электронные схемы, в книге стоимостью $49. В результате этого на рынке появилось огромное количество клонов данной машины.

IBM IBM PC была оснащена ОС MS-DOS, которую выпускала крошечная компания Microsoft. IBM and Microsoft разработали ОС OS/2, обладающую графическим интерфейсом. Компания Microsoft разработала собственную ОС – WINDOWS, которая работала на базе MS DOS. OS/2 не пользовалась спросом, Windows была популярна – это стало причиной раздора между этими компаниями.

Закон Мура Закон Мура предсказывает, что количество транзисторов на одной микросхеме увеличивается на 60 % каждый год. Точки на графике объем памяти в битах

Типы компьютеров Тип Цена ($)Сфера применения Одноразовые компьютеры 1Поздравыительные открытки Встроенные компьютеры 10Часы, машины Игровые компьютеры 100Домашние компьютерные игры Персональные компьютеры 1000Настольные и портативные компьютеры Серверы Сетевые серверы Рабочие станции Мини-суперкомпьютеры Большие компьютеры Обработка пакетных данных в банках Суперкомпьютеры Предсказание погоды

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ! ВОПРОСЫ?