Лекции по «Информатике» 2 курс (стр. 9 )

Четвертое поколение ЭВМ

По мере совершенствования микросхем увеличивалась их надежность и плот­ность размещенных в них элементов. Успехи в технологии производства инте­гральных схем привели к появлению ЭВМ следующего - четвертого поколения. В основе ЭВМ этого поколения лежат большие интегральные схемы (БИС). Слово «большая» означает не габариты самой схемы, а огромное количество элементов, которые она содержит. В этих схемах на один квадратный сантиметр приходится несколько десятков тысяч элементов.

Благодаря появлению БИС на одном крошечном кристалле кремния стало возможным разместить такую большую электронную схему, как процессор ЭВМ (о процессорах мы поговорим позже). Однокристальные процессоры впоследствии стали называть микропроцессорами. Первый микропроцессор был создан компанией Intel (США) в 1971г. Это был 4-разрядный микропроцессор Intel 4004, который содержал 2250 транзисторов и выполнял 60 тыс. операций в секунду.

Микропроцессоры привели к появлению мини-ЭВМ, а затем и персональных компьютеров, то есть ЭВМ, ориентированных на одного пользователя. Началась эпоха персональных компьютеров (ПК), которая длится и по сей день. Однако было бы неправильным назвать четвертое поколение ЭВМ поколением только ПК. Кроме персональных компьютеров, существуют и другие, значительно более мощные компьютерные системы.

ЭВМ четвертого поколения характеризуются применением микропроцессоров, построенных на больших интегральных схемах.

Влияние персональных компьютеров на представление людей о вычислительной технике оказалось настолько большим, что постепенно из обихода исчез термин вычислительной техники - ЭВМ, а слово «компьютер» прочно заняло его место.

Пятое поколение ЭВМ

Начиная с середины 90-х годов, в мощных компьютерах начинают применяться БИС супер масштаба, которые вмещают сотни тысяч элементов на квадратный сантиметр. Многие специалисты стали говорить о компьютерах пятого поколения.

Характерной чертой компьютеров пятого поколения должно быть использование искусственного интеллекта и естественных  языков общения.

Предполагается, что вычислительные машины пятого поколения будут легко управляемы. Пользователь сможет голосом подавать машине команды.

Контрольные вопросы

Назовите приспособления, помогающие человеку при счете? Когда началась механизация процесса вычислений и с какими изобретениями она связана? Что такое аналитическая машина Бэбиджа и когда она была построена? Чем отличаются ЭВМ от механических счетных машин? Когда и кем была создана первая ЭВМ? Какой признак является основным при определении принадлежности ЭВМ к тому или иному поколению? Какие поколения ЭВМ используют полупроводниковые приборы?

Архитектура ЭВМ

План лекции:

- понятие архитектуры ЭВМ; - принципы построения ЭВМ, разработанные фон Нейманом; - работа ЭВМ фон Неймана; - понятия программы и команд.

Об основных терминах

Рассмотрим термин «архитектура ЭВМ», который вынесен в заголовок параграфа и который часто встречается в литературе по вычислительной технике. Под архитектурой в обыденной жизни мы привыкли понимать план здания, его внеш­ний вид, внутреннюю компоновку помещений. Вместе с тем, архитектура - это больше, чем план, это обязательная увязка всех частей здания. Примерно в этом же

Архитектура ЭВМ - это описание совокупности устройств и блоков ЭВМ, а также связей между ними. Кроме того, архитектура - это описание принципа действия ЭВМ.

Ближе всего к понятию архитектура находится термин «функциональная схема». Если вы заглядывали в технические руководства к бытовой технике или в журналы по радиоэлектронике, то знаете, как выглядят функциональные схемы устройств. Это обычно рисунок, который состоит из прямоугольников или каких-то других геометрических фигур, соединенных между собой связями. Каждая такая фигура обозначает отдельный блок рассматриваемого устройства.

При описании работы ЭВМ мы часто будем использовать термины «программа» и «данные».

Программа - это совокупность команд, которые может выполнять вычислительная машина. Благодаря программе ЭВМ действует заранее предписанным ей образом, и процесс вычис­ления производится автоматически.

Данные - это информация, предназначенная для обработки в ЭВМ. Данными могут быть числа, текст, изображения, звуки.

Таким образом, если программы - это управляющие компоненты ЭВМ, кото­рые обеспечивают обработку информации и вообще надлежащую работу всей вычислительной машины, то данные - это входная информация, представленная в виде, пригодном для обработки.

Принципы фон Неймана

Рассматривая ЭВМ первого поколения, мы отметили революционную роль принципов фон Неймана в построении вычислительных машин. Эти принципы были опубликованы им и его сотрудниками в 1945 - 46 гг. Прежде всего, фон Нейман предложил принцип программного управления. Этот принцип позволяет пол­ностью автоматизировать вычисления и создать на его основе ЭВМ.

Принцип программного управления состоит в том, что программа должна размещаться в памяти ЭВМ и последовательно, в оче­редности следования команд, должна исполняться с помощью простых, однотипных действий.

То есть программа должна объяснить вычислительной машине последовательность и характер действий, которые она должна выполнить.

В первых ЭВМ в памяти размещались только обрабатываемые данные. Новым важным моментом принципа программного управления является то, что програм­ма размещается в памяти ЭВМ. Сама же программа задавалась с помощью спе­циальной коммутационной панели, на которой требовалось установить пере­мычки в положения, соответствующие программе. Ввод программы был весьма трудоемким занятием, один только процесс изменения программы мог занять несколько дней. Это притом, что сам расчет на ЭВМ обычно продолжался не дольше  нескольких минут по причине выхода из строя электронных ламп.

Другим принципом, предложенным фон Нейманом с сотрудниками, является принцип адресации. Этот принцип связан с работой памяти.

Принцип адресации заключается в том, что каждой ячейке памяти ставится в соответствие номер, называемый адресом  ячейки.

В простейшем случае N ячейкам могут быть присвоены номера, например, от 0 до N-1. Число, хранящееся в ячейке, - это ее значение или содержимое.

Согласно идеям фон Неймана вычислительная машина должна состоять из следующих основных устройств (рис. 8.1).

Оперативная память (ОП). Это устройство мы ранее называли памятью, его также называют оперативным запоминающим устройством или сокращенно ОЗУ. Оперативная память состоит из пронумерованных ячеек, в каждую из ячеек может быть записано двоичное число.

Арифметически-логическое устройство (АЛУ). Это устройство может выпол­нять определенный набор команд, которые отвечают арифметическим и логи­ческим операциям. Результат выполненной команды сохраняется в АЛУ до прихода следующей команды.

Устройство управления (УУ). Это устройство обеспечивает чтение и запись информации в ячейки памяти. Оно также формирует сигналы для управления работой АЛУ и работой внешних устройств.

Внешние устройства (ВУ).В роли таких устройств выступают, прежде всего, устройства ввода и вывода информации. В реальных ЭВМ таким устройствам отвечают клавиатура, монитор, принтер.

В процессе эволюции вычислительных машин АЛУ и УУ были объединены в одну схему микропроцессора, а архитектура компьютеров значительно усложнилась. Однако основные принципы построения ЭВМ, сформулированные фон Нейманом, остаются в силе.

Программа для ЭВМ

Этот раздел параграфа потребует от вас внимания при чтении и будет посвящен тому, как составляется программа для ЭВМ фон Неймана. Однако, прочитав раздел, вы увидите, что написать программу на машинном языке совсем несложно. Работа ЭВМ, показанной на рисунке 8.1, начинается с того, что в оперативную память с внешнего устройства вводится программа. Программа имеет вид последовательного списка команд.

Команда - это инструкция устройству управления ЭВМ. Другими словами, это объяснение вычислительной машине того, что она должна сделать на элементарном шаге выполнения программы.

За каждой командой может стоять арифметическая операция (например, сложение или вычитание) либо иная инструкция устройству управления (например, ввод числа из устройства ввода). Поскольку в памяти могут храниться только числа, каждая операция должна быть представлена в числовом виде. Например, операции ввода числа можно присвоить код 01, а операции вывода - код 02, опе­рации сложения чисел - код 03, а операции вычитания - код 04 и т. д.

Помимо кода операции, в команде нужно указать адреса ячеек памяти, в ко­торых хранятся числа, над которыми выполняется операция. Эти числа называются операндами. Адреса ячеек операндов обозначим как А1 и А2. В операции может участвовать один операнд (ввод, вывод, изменение знака числа и др.) и два операнда (сложение, умножение и т. д.).

Наконец, в команде для УУ необходимо указать адрес ячейки памяти, в которую будет помещен результат операции. Этот адрес обозначим как A3. В итоге отдельная команда программы будет иметь вид:

№

КОП

А1

А2

A3

где № - номер операции; КОП - код операции. Это пример трехадресной команды, которая может читаться следующим образом: «выполнить операцию с кодом КОП над переменными, содержащимися в ячейках А1 и А2, и результат присвоить переменной, содержащейся в ячейке A3». В общем случае команды могут содержать два, три и даже четыре адреса.

Составим в качестве примера программу, согласно которой нужно вычислить выражение х = (а + b)х с и вывести результат на устройство ввода-вывода (УВВ). При этом мы будем считать, что имеем дело с абстрактной ЭВМ, для которой имеются следующие коды операций (КОП):

01 - ввести число из УВВ в А1;

02 - вывести число из А 1 на УВВ;

03 - сложить А1 с А2 и результат поместить в A3;