Классификация электронно-вычислительных машин. Основы построения и действия ЭВМ. Эволюция параметров вычислительной мощности и габаритов компьютеров. Принципы реализации электронных элементов, предназначенных для автоматической обработки информации.
Аннотация к работе
Computer - «вычислитель») - устройство или система, способное выполнять заданную, четко определенную последовательность операций. Электронная вычислительная машина подразумевает использование электронных компонентов в качестве ее функциональных узлов, однако компьютер может быть устроен и на других принципах - он может быть механическим, биологическим, оптическим, квантовым и т. п. В настоящее время различают пять поколений ЭВМ: - ЭВМ первого поколения (first-generation computer) - использовали ламповую элементную базу, обладали малым быстродействием и объемом памяти, имели неразвитые операционные системы, программирование выполнялось на языках программирования низкого уровня (конец 40-х и 50-е гг.); ЭВМ пятого поколения (fifth-generation computer)-характеризуются наряду с использованием более мощных СБИС применением принципа “управления потоками данных” (в отличие от принципа Джона фон Неймана “управления потоками команд”), новыми решениями в архитектуре вычислительной системы и использованием принципов искусственного интеллекта. Многопроцессорная ЭВМ (система) (multiprocessor system (computer))-ЭВМ, архитектура, которой предусматривает использование большого числа процессоров, чем обеспечивается существенное повышение ее вычислительной мощности и, в частности, возможность обработки значительных объемов информации.
Введение
Компьютер (англ. Computer - «вычислитель») - устройство или система, способное выполнять заданную, четко определенную последовательность операций. Это чаще всего операции численных расчетов и манипулирования данными, однако сюда относятся и операции ввода-вывода. Описание последовательности операций называется программой.
Электронная вычислительная машина, ЭВМ - комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.
Название «ЭВМ», принятое в русскоязычной научной литературе, является синонимом компьютера. В настоящее время оно почти вытеснено из бытового употребления и в основном используется инженерами цифровой электроники, как правовой термин в юридических документах, а также в историческом смысле - для обозначения компьютерной техники 1940-1980-х годов и больших вычислительных устройств, в отличие от персональных.
Электронная вычислительная машина подразумевает использование электронных компонентов в качестве ее функциональных узлов, однако компьютер может быть устроен и на других принципах - он может быть механическим, биологическим, оптическим, квантовым и т. п. (подробнее: классы компьютеров и вид рабочей среды), работая за счет перемещения механических частей, движения электронов, фотонов или эффектов других физических явлений. Кроме того, по типу функционирования вычислительная машина может быть цифровой (ЦВМ) и аналоговой (АВМ).
1. Классификация
Поколение ЭВМ.
Один из способов классификации ЭВМ по степени их развития. Каждое “поколение ЭВМ” отличается от других архитектурой, элементной базой, степенью развитости программных средств, производительностью и другими показателями. В настоящее время различают пять поколений ЭВМ: - ЭВМ первого поколения (first-generation computer) - использовали ламповую элементную базу, обладали малым быстродействием и объемом памяти, имели неразвитые операционные системы, программирование выполнялось на языках программирования низкого уровня (конец 40-х и 50-е гг.);
- ЭВМ второго поколения (second-generation computer) - использовали полупроводниковую элементную базу, изменяемый состав внешних устройств, языки программирования высокого уровня и принцип библиотечных программ (конец 50-х, 60-е и начало 70-х гг.);
- ЭВМ третьего поколения (third-generation computer) - использовали в качестве элементной базы интегральные схемы (ИС), имели развитую конфигурацию внешних устройств и стандартизированные средства сопряжения, обладали большим быстродействием и объемами основной и внешней памяти. Развитая операционная система обеспечивала работу в т. н. “мультипрограммном” (т. е., с использованием многих программ) режиме (70-е, начало 80-х гг.);
- ЭВМ четвертого поколения (fourth-generation computer) - используют большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС), виртуальную память, многопроцессорный с параллельным выполнением операций принцип построения, развитые средства диалога (середина 80-х гг. по настоящее время);
- ЭВМ пятого поколения (fifth-generation computer)- характеризуются наряду с использованием более мощных СБИС применением принципа “управления потоками данных” (в отличие от принципа Джона фон Неймана “управления потоками команд”), новыми решениями в архитектуре вычислительной системы и использованием принципов искусственного интеллекта. С ЭВМ пятого поколения связывают наряду с другими особенностями возможность ввода данных и команд голосом. Начало разработки ЭВМ этого поколения можно отнести ко второй половине 80-х гг., внедрения первых образцов - к первой половине 90-х гг.
ЭВМ могут различаться также по следующим основаниям: 1) По принципу построения и действия: - Аналоговая ЭВМ (АВМ) (analog computer) - Вычислительная машина непрерывного действия, обрабатывающая аналоговые данные. Предназначена для воспроизведения определенных соотношений между непрерывно изменяющимися физическими величинами. Основные области применения связаны с моделированием различных процессов и систем;
- Цифровая ЭВМ (ЦЭВМ) (computer) - То же, что ЭВМ. Уточнение типа (ЦЭВМ) производится в случаях, когда это особо необходимо, например, в сложных вычислительных системах, включающих ЭВМ разных видов;
- Комбинированная (аналого-цифровая) ЭВМ (combined computer) - ЭВМ, сочетающая аналоговую и цифровую форму обработки данных.
Многопроцессорная ЭВМ (система) (multiprocessor system (computer)) -ЭВМ, архитектура, которой предусматривает использование большого числа процессоров, чем обеспечивается существенное повышение ее вычислительной мощности и, в частности, возможность обработки значительных объемов информации. Принципы построения таких ЭВМ реализованы в симметричных многопроцессорных системах (SMP - Symmetric MULTIPROCESSOR systems) (например, POWERSCALE группы компаний Bull), системах с массовым параллелизмом (MPP - Massively Parallel Processing architectures) и др.
Транспьютер (transputer - от англ. transistor и computer): 1. Микроэлектронный прибор, объединяющий на одном кристалле мощный микропроцессор, быструю память, интерфейс внешней памяти и каналы ввода-вывода. Предназначен для построения параллельных вычислительных структур. Впервые был создан в 1983 г. фирмой Inmos (Великобритания);
2. ЭВМ с многопроцессорной параллельной архитектурой, чем обеспечивается существенное увеличение ее производительности. При построении транспьютеров используется специальный язык параллельного программирования Occam.
2) По вычислительной мощности и габаритам: - СУПЕРЭВМ (supercomputer) - Класс сверхпроизводительных ЭВМ, предназначенных для решения особо сложных задач в областях науки, техники и управления. Сверхвысокая производительность достигается преимущественно за счет параллельной архитектуры, предусматривающей использование большого числа функционально-ориентированных процессоров (см. выше “многопроцессорная ЭВМ”) и параллельного программирования, сверхглубокого охлаждения процессоров (до температур, близких к абсолютному нулю) а также высокоскоростных СБИС. В мире насчитывается ограниченное количество ЭВМ такого типа (порядка 500). Основными производителями их являются фирмы США и Японии, в частности - Cray, Fujitsu и NEC;
- Большая ЭВМ (large computer)- ЭВМ, имеющая высокую производительность, большой объем основной и внешней памяти, обладающая способностью параллельной обработки данных и обеспечивающая как пакетный, так и интерактивный (диалоговый) режимы работы;
- ЭВМ средней производительности (medium computer) - ЭВМ с производительностью до нескольких миллионов операций в секунду, емкостью оперативной памяти в несколько десятков Мбайт и разрядностью машинного слова не менее 32;
- Малая ЭВМ, мини-ЭВМ (small computer, minicomputer) - В прошлом так назывались ЭВМ, конструктивно выполненные в одной стойке и занимавшие небольшой объем (порядка десятых долей кубометра). По сравнению с большими и средними машинами мини-ЭВМ обладают существенно более низкой производительностью и объемом памяти. Термин “мини-ЭВМ” не имеет точного определения, он очень близок по содержанию к термину “МИКРОЭВМ”, четкой границы между двумя классами этих машин нет.
МИКРОЭВМ (microcomputer): 1. Кристалл большой или сверхбольшой интегральной схемы (см. БИС и СБИС), который в отличие от микропроцессора содержит все логические элементы, необходимые для образования полноценной вычислительной системы;
2. ЭВМ, использующая в качестве арифметического и логического устройства (см. АЛУ) один или несколько микропроцессоров. Указанное значение термина в смысле отнесения ЭВМ к тому или иному классу машин может быть признано не корректным в связи с широким применением микропроцессорной техники в машинах разных классов.
С понятием МИКРОЭВМ связаны также термины: - Однокристальная ЭВМ (single-chip computer) - МИКРОЭВМ, выполненная на одной большой (БИС) или сверхбольшой (СБИС) интегральной микросхеме;
- Одноплатная ЭВМ (single-board computer) - МИКРОЭВМ, у которой микропроцессор, микросхемы устройств памяти и подсистемы ввода-вывода а также другие основные компоненты размещены на одной печатной плате;
- Однопроцессорная ЭВМ (monoprocessor computer) - ЭВМ с одним центральным процессором;
- Интеллектуальная карточка (smart card) - Пластиковая карточка со встроенным микропроцессором и памятью. Она может хранить, личные сведения, идентификационные шифры, данные банковского счета и т. д.
3. По назначению: - Базовая ЭВМ (original computer) - ЭВМ, являющаяся начальной исходной моделью в серии ЭВМ определенного типа или вида;
- Универсальная ЭВМ (universal computer) - ЭВМ, предназначенная для решения широкого класса задач. ЭВМ этого класса имеют разветвленную и алгоритмически полную систему операций, иерархическую структуру ЗУ и развитую систему устройств ввода-вывода данных;
- Специализированная ЭВМ (specialized computer) - ЭВМ, предназначенная для решения узкого класса определенных задач. Характеристики и архитектура машин этого класса определяются спецификой задач, на которые они ориентированы, что делает их более эффективными в соответствующем применении по отношению к универсальным ЭВМ. К разряду специализированных могут быть отнесены, в частности, - “управляющие”, “бортовые“, “бытовые“ и “выделенные“ ЭВМ;
- Управляющая ЭВМ (control computer) - ЭВМ, предназначенная для автоматического управления объектом (устройством, системой, процессом) в реальном масштабе времени. Сопряжение ЭВМ с объектом управления производится с помощью аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей;
- Бортовая ЭВМ (onboard computer) - Специализированная управляющая ЭВМ, устанавливаемая на борту транспортного средства (самолета, спутника, корабля, автомобиля и т. п.) и предназначенная для оптимального управления функционированием других бортовых устройств, в частности, связанных с управлением перемещением своего носителя в пространстве;
- Выделенная ЭВМ (dedicated computer) - Разновидность (как правило) однокристальной специализированной ЭВМ, встроенной в какое-либо устройство с целью управления им или передачи ему данных. Используется в бытовой технике и других видах устройств - нагревательных приборах, часах, автомобилях, магнитофонах и т. д.;
- Бытовая (домашняя) ЭВМ (home computer) - То же, что - домашняя ПЭВМ или домашний ПК.
Рис. 1. - Персональный компьютер IBM PC/XT:
IMG_e4185ae2-3dab-4c9d-b4df-cbace8c4f3f8
Рис. 2. - Компьютер PDP-11/40:
IMG_e0d16185-326f-4edf-872a-b691b3d6570d
Первая троичная ЭВМ «Сетунь» на ферритдиодных ячейках была построена Брусенцовым в МГУ.
Поверхностный характер представленного подхода к классификации компьютеров очевиден.
Он обычно используется лишь для обозначения общих черт наиболее часто встречающихся компьютерных устройств.
Быстрые темпы развития вычислительной техники означают постоянное расширение областей ее применения и быстрое устаревание используемых понятий. Для более строгого описания особенностей того или иного компьютера обычно требуется использовать другие схемы классификаций.
2. Физическая реализация
Более строгий подход к классификации основан на отслеживании используемых при создании компьютеров технологий. Самые ранние компьютеры были полностью механическими системами. Тем не менее, уже в 1930-х годах телекоммуникационная промышленность предложила разработчикам новые, электромеханические компоненты (реле), а в 1940-х были созданы первые полностью электронные компьютеры, имевшие в своей основе электронные лампы. В 1950-1960-х годах на смену лампам пришли транзисторы, а в конце 1960-х - начале 1970-х годов - используемые и сегодня полупроводниковые интегральные схемы (кремниевые чипы).
Приведенный перечень технологий не является исчерпывающим, он описывает только основную тенденцию развития вычислительной техники. В разные периоды истории исследовалась возможность создания вычислительных машин на основе множества других, ныне позабытых и порою весьма экзотических технологий. Например, существовали планы создания гидравлических и пневматических компьютеров, между 1903 и 1909 годами некто Перси И. Луджет даже разрабатывал проект программируемой аналитической машины, работающей на базе пошивочных механизмов (переменные этого вычислителя планировалось определять при помощи ниточных катушек).
В настоящее время ведутся серьезные работы по созданию оптических компьютеров, использующих вместо традиционного электричества световые сигналы. Другое перспективное направление подразумевает использование достижений молекулярной биологии и исследований ДНК. И, наконец, один из самых новых подходов, способный привести к грандиозным изменениям в области вычислительной техники, основан на разработке квантовых компьютеров. Впрочем, в большинстве случаев технология исполнения компьютера является гораздо менее важной, чем заложенные в его основу конструкторские решения.
- Механический компьютер;
- Пневматический компьютер;
- Гидравлический компьютер;
- Оптический компьютер;
- Электронный компьютер;
- Квантовый компьютер;
- Нанокомпьютер;
- Биокомпьютер;
- Биокомпьютер Адлемана;
- Конечный биоавтомат Шапиро.
По способностям. Одним из простых способов классифицировать типы вычислительных устройств является определение их способностей. Все вычислители могут, таким образом, быть отнесены к одному из трех типов: - специализированные устройства, умеющие выполнять только одну функцию;
- устройства специального назначения, которые могут выполнять ограниченный диапазон функций (первая разностная машина Чарльза Бэббиджа и разнообразные дифференциальные анализаторы);
- устройства общего назначения, используемые сегодня. Название компьютер применяется, как правило, именно к машинам общего назначения.
3. Современный компьютер общего назначения
При рассмотрении современных компьютеров наиболее важной особенностью, отличающей их от ранних вычислительных устройств, является то, что при соответствующем программировании любой компьютер может подражать поведению любого другого (хоть эта возможность и ограничена, к примеру, вместимостью средств хранения данных или различием в скорости). Таким образом, предполагается, что современные машины могут эмулировать любое вычислительное устройство будущего, которое когда-либо может быть создано. В некотором смысле эта пороговая способность полезна для различия компьютеров общего назначения и устройств специального назначения. Определение «компьютер общего назначения» может быть формализовано в требовании, чтобы конкретный компьютер был способен подражать поведению универсальной машины Тьюринга. Первым компьютером, удовлетворяющим такому условию, считается машина Z3, созданная немецким инженером Конрадом Цузе в 1941 году (доказательство этого факта было проведено в 1998 году).
Современные компьютеры используют весь спектр конструкторских решений, разработанных за все время развития вычислительной техники. Эти решения, как правило, не зависят от физической реализации компьютеров, а сами являются основой, на которую опираются разработчики. Ниже приведены наиболее важные вопросы, решаемые создателями компьютеров: Цифровой или аналоговый.
Фундаментальным решением при проектировании компьютера является выбор, будет ли он цифровой или аналоговой системой. Если цифровые компьютеры работают с дискретными численными или символьными переменными, то аналоговые предназначены для обработки непрерывных потоков поступающих данных. Сегодня цифровые компьютеры имеют значительно более широкий диапазон применения, хотя их аналоговые собратья все еще используются для некоторых специальных целей. Следует также упомянуть, что здесь возможны и другие подходы, применяемые, к примеру, в импульсных и квантовых вычислениях, однако пока что они являются либо узкоспециализированными, либо экспериментальными решениями.
Примерами аналоговых вычислителей, от простого к сложному, являются: номограмма, логарифмическая линейка, астролябия, осциллограф, телевизор, аналоговый звуковой процессор, автопилот, мозг. (источник не указан 476 дней).
Среди наиболее простых дискретных вычислителей известен абак, или обыкновенные счеты, наиболее сложной из такого рода систем является суперкомпьютер.
Система счисления.
Примером компьютера на основе десятичной системы счисления является первая американская вычислительная машина Марк I.
Важнейшим шагом в развитии вычислительной техники стал переход к внутреннему представлению чисел в двоичной форме. Это значительно упростило конструкции вычислительных устройств и периферийного оборудования. Принятие за основу двоичной системы счисления позволило более просто реализовывать арифметические функции и логические операции. Тем не менее, переход к двоичной логике был не мгновенным и безоговорочным процессом. Многие конструкторы пытались разработать компьютеры на основе более привычной для человека десятичной системы счисления. Применялись и другие конструктивные решения. Так, одна из ранних советских машин работала на основе троичной системы счисления, использование которой во многих отношениях более выгодно и удобно по сравнению с двоичной системой (проект троичного компьютера Сетунь был разработан и реализован талантливым советским инженером Н.П. Брусенцовым). электронный вычислительный компьютер
Под руководством академика Хетагурова Я.А. разработан «высоконадежный и защищенный микропроцессор недвоичной системы кодирования для устройств реального времени», использующий систему кодирования 1 из 4 с активным нулем. В целом, однако, выбор внутренней системы представления данных не меняет базовых принципов работы компьютера - любой компьютер может эмулировать любой другой.
Хранение программ и данных.
Во время выполнения вычислений часто бывает необходимо сохранить промежуточные данные для их дальнейшего использования. Производительность многих компьютеров в значительной степени определяется скоростью, с которой они могут читать и писать значения в (из) памяти и ее общей емкости. Первоначально компьютерная память использовалась только для хранения промежуточных значений, но вскоре было предложено сохранять код программы в той же самой памяти (архитектура фон Неймана, она же «принстонская»), что и данные. Это решение используется сегодня в большинстве компьютерных систем. Однако для управляющих контроллеров (микро-ЭВМ) и сигнальных процессоров более удобной оказалась схема, при которой данные и программы хранятся в различных разделах памяти (гарвардская архитектура).
4. Программирование
Способность машины к выполнению определенного изменяемого набора инструкций (программы) без необходимости физической переконфигурации является фундаментальной особенностью компьютеров. Дальнейшее развитие эта особенность получила, когда машины приобрели способность динамически управлять процессом выполнения программы. Это позволяет компьютерам самостоятельно изменять порядок выполнения инструкций программы в зависимости от состояния данных. Первую реально работающую программируемую вычислительную машину сконструировал немец Конрад Цузе в 1941 году.
При помощи вычислений компьютер способен обрабатывать информацию по определенному алгоритму. Решение любой задачи для компьютера является последовательностью вычислений.
В большинстве современных компьютеров проблема сначала описывается в понятном им виде (при этом вся информация как правило представляется в двоичной форме - в виде единиц и нулей, хотя компьютер может быть реализован и на других основаниях, как целочисленных - например, троичный компьютер, так и нецелых), после чего действия по ее обработке сводятся к применению простой алгебры логики.
Поскольку практически вся математика может быть сведена к выполнению булевых операций, достаточно быстрый электронный компьютер может быть применим для решения большинства математических задач, а также и большинства задач по обработке информации, которые могут быть сведены к математическим. Было обнаружено, что компьютеры могут решить не любую математическую задачу. Впервые задачи, которые не могут быть решены при помощи компьютеров, были описаны английским математиком Аланом Тьюрингом.