Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
Анонс. Уважаемый Виктор Анатольевич! Прошу извинить меня за то, что официально информирую Вас о состоянии образования и науки во всех университетах ми...полностью>>
'Руководство'
Общее руководство соревнованиями осуществляет отдел по делам культуры, молодежи и спорта Администрации Зубцовского района. Непосредственное проведение...полностью>>
'Документ'
Филиал ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный экономический университет» в г. Твери приглашает принять участие в ХIII Всероссийской научно-пра...полностью>>

Главная > Документ

Сохрани ссылку в одной из сетей:
Информация о документе
Дата добавления:
Размер:
Доступные форматы для скачивания:

Многоуровневая компьютерная организация

Вычислительная машина (ВМ) – комплекс технических и программных средств для автоматизации, подготовки и решения задач пользователя.

Вычислительная система (ВС) – это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ВМ периферийного оборудования и ПО, предназначенного для подготовки решения задач пользователя.

Архитектура ЭВМ – логическое построение ВМ, т.е. т.о. какой машина представляется программисту.

Уровни детализации архитектуры компьютера:

  1. Уровень «чёрного ящика» – это когда ЭВМ представляется как устройство, способное хранить и обрабатывать информацию, а так же обмениваться данными со внешним миром

Выход

  1. Уровень общей архитектуры. ЭВМ представляется в виде четырёх составляющих:

  • центрального процессора

  • основной памяти

  • устройства ввода/вывода

  • системной шины

  1. Уровень архитектуры ЦП. Детализируется каждое из устройств второго уровня.

  • Арифметико-логическое устройство

  • Блок обработки чисел в формате с плавающей запятой

  • Регистры процессора, используются для краткосрочного хранения команд, данных и адресов

  • Устройство управления, обеспечивающее совместное функционирование

  • шины

  1. Уровень архитектуры устройства управления. Детализируются элементы третьего уровня. Например, УУ:

  • логика программной последовательности

  • регистры и дешифраторы

  • логика формирования управления

Выделяют 6 уровней иерархии:

5

Язык высокого уровня

Трансляций (компилятор)

4

Уровень ассемблера

Трансляция (ассемблер)

3

Уровень операционной системы

Трансляция (ассемблер)

2

Уровень архитектуры набора команд

Интерпретация (микропрограмма)

или непосредственное выполнение

1

Микроархитектурный уровень

Аппаратное обеспечение

0

Цифровой логический уровень

На самом нижнем уровне, на цифровом логическом уровне, объекты называются вентилями. Хотя вентили состоят из аналоговых компонентов, таких как транзисторы, они могут быть точно смоделированы как цифровые устройства. У каждого вентиля есть один или несколько цифровых входов (сигналов, представляющих 0 или 1). Вентиль вычисляет простые функции этих сигналов, такие как И или ИЛИ. 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. Из вентилей также может состоять сам компьютер.

Следующий уровень называется уровнем микроархитектуры. На этом уровне находятся 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. Тракт данных работает следующим образом. Выбирается один или два регистра, АЛУ производит над ними какую-либо операцию, например сложения, после чего результат вновь помещается в один из этих регистров. На некоторых машинах работа тракта данных контролируется особой программой, которая называется микропрограммой. На других машинах тракт данных контролируется аппаратными средствами. На машинах, где тракт данных контролируется программным обеспечением, микропрограмма — это интерпретатор для команд на уровне 2. Микропрограмма вызывает команды из памяти и выполняет их одну за другой, используя при этом тракт данных. Например, при выполнении команды ADD она вызывается из памяти, ее операнды помещаются в регистры, АЛУ вычисляет сумму, а затем результат переправляется обратно. На компьютере с аппаратным контролем тракта данных происходит такая же процедура, но при этом нет программы, интерпретирующей команды уровня 2.

Уровень 2 мы будем называть уровнем архитектуры набора команд. Каждый производитель публикует руководство для компьютеров, которые он продает, под названием «Руководство по машинному языку X», «Принципы работы компьютера У» и т. п. Подобное руководство содержит информацию именно об этом уровне. Описываемый в нем набор машинных команд в действительности выполняется микропрограммой-интерпретатором или аппаратным обеспечением. Если производитель поставляет два интерпретатора для одной машины, он должен издать два руководства по машинному языку, отдельно для каждого интерпретатора.

Следующий уровень обычно является гибридным. Большинство команд в его языке есть также и на уровне архитектуры набора команд (команды, имеющиеся на одном из уровней, вполне могут быть представлены и на других уровнях). У этого уровня есть некоторые дополнительные особенности: новый набор команд, другая организация памяти, способность выполнять две и более программы одновременно и некоторые другие. При построении уровня 3 возможно больше вариантов, чем при построении уровней 1 и 2. Новые средства, появившиеся на уровне 3, выполняются интерпретатором, который работает на втором уровне. Этот интерпретатор был когда-то назван операционной системой. Команды уровня 3, идентичные командам уровня 2, выполняются микропрограммой или аппаратным обеспечением, но не операционной системой. Другими словами, одна часть команд уровня 3 интерпретируется операционной системой, а другая часть — микропрограммой. Вот почему этот уровень считается гибридным. Мы будем называть этот уровень уровнем операционной системы.

Между уровнями 3 и 4 есть существенная разница. Нижние три уровня задуманы не для того, чтобы с ними работал обычный программист. Они изначально ориентированы на интерпретаторы и трансляторы, поддерживающие более высокие уровни. Эти трансляторы и интерпретаторы составляются так называемыми системными программистами, которые специализируются на разработке новых виртуальных машин. Уровни с четвертого и выше предназначены для прикладных программистов, решающих конкретные задачи. Еще одно изменение, появившееся на уровне 4, — механизм поддержки более высоких уровней. Уровни 2 и 3 обычно интерпретируются, а уровни 4, 5 и выше обычно, хотя и не всегда, транслируются. Другое различие между уровнями 1, 2, 3 и уровнями 4, 5 и выше — особенность языка. Машинные языки уровней 1, 2 и 3 — цифровые. Программы, написанные на этих языках, состоят из длинных рядов цифр, которые воспринимаются компьютерами, но малопонятны для людей. Начиная с уровня 4, языки содержат слова и сокращения, понятные человеку. Уровень 4 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 обычно состоит из языков, разработанных для прикладных программистов. Такие языки называются языками высокого уровня. Существуют сотни языков высокого уровня. Наиболее известные среди них — 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. Отметим, что иногда также имеет место интерпретация. Например, программы на языке Java сначала транслируются на язык, напоминающий ISA и называемый байт-кодом Java, который затем интерпретируется. В некоторых случаях уровень 5 состоит из интерпретатора для конкретной прикладной области, например символической логики. Он предусматривает данные и операции для решения задач в этой области, выраженные при помощи специальной терминологии. Таким образом, компьютер проектируется как иерархическая структура уровней, которые надстраиваются друг над другом. Каждый уровень представляет собой определенную абстракцию различных объектов и операций. Рассматривая компьютер подобным образом, мы можем не принимать во внимание ненужные нам детали и, таким образом, сделать сложный предмет более простым для понимания.

Историческое развитие архитектуры ЭВМ

Нулевое поколение – механические компьютеры (1642-1945)

Первым человеком, создавшим счетную машину, был Паскаль, в честь которого назван один из языков программирования. Паскаль сконструировал эту машину в 1642 году. Это была механическая конструкция с шестеренками и ручным приводом. Счетная машина Паскаля могла выполнять только операции сложения и вычитания.

Тридцать лет спустя великий немецкий математик Лейбниц построил другую механическую машину, которая помимо сложения и вычитания могла выполнять операции умножения и деления. В сущности, Лейбниц три века назад создал подобие карманного калькулятора с четырьмя функциями.

Еще через 150 лет Бэббидж, разработал и сконструировал разностную машину. Эта механическая машина, могла лишь складывать и вычитать, подсчитывала таблицы чисел для морской навигации. В машину был заложен только один алгоритм. У этой машины был довольно интересный способ вывода информации: результаты выдавливались стальным штампом на медной дощечке, что предвосхитило более поздние средства ввода-вывода — перфокарты и компакт-диски.

Вскоре Бэббидж разработал аналитическую машину. У неё было 4 компонента: запоминающее устройство (память), вычислительное устройство, устройство ввода (для считывания перфокарт), устройство вывода (перфоратор и печатающее устройство). Память состояла из 1000 слов по 50 десятичных разрядов; каждое из слов содержало переменные и результаты. Вычислительное устройство принимало операнды из памяти, затем выполняло операции сложения, вычитания, умножения или деления и возвращало полученный результат обратно в память. Как и разностная машина, это устройство было механическим.

Преимущество аналитической машины заключалось в том, что она могла выполнять разные задания. Она считывала команды с перфокарт и выполняла их. Некоторые команды приказывали машине взять 2 числа из памяти, перенести их в вычислительное устройство, выполнить над ними операцию (например, сложить) и отправить результат обратно в запоминающее устройство. Другие команды проверяли число, а иногда совершали операцию перехода в зависимости от того, положительное оно или отрицательное. Если в считывающее устройство вводились перфокарты с другой программой, то машина выполняла другой набор операций. То есть, в отличие от разностной аналитическая машина могла выполнять несколько алгоритмов.

Поскольку аналитическая машина программировалась на элементарном ассемблере, ей было необходимо программное обеспечение. Чтобы создать это программное обеспечение, Бэббидж нанял молодую женщину — Аду Ловлейс. Ада Ловлейс была первым в мире программистом. В ее честь назван современный

язык программирования — Ada.

Говард Айкен в Гарварде упорно проектировал ручные счетные машины в рамках докторской диссертации. Работа над первым компьютером Айкена «Mark I» была закончена в 1944 го- году. Компьютер имел 72 слова по 23 десятичных разряда каждое и мог выполнить любую команду за 6 секунд. В устройствах ввода-вывода использовалась перфолента. К тому времени, как Айкен закончил работу над компьютером «Mark II», релейные компьютеры уже устарели. Началась эра электроники.

Первое поколение – электронные лампы (1945-1955)

Стимулом для разработки электронного компьютера стала Вторая мировая война. Машина создавалась для шифровки и дешифровки в Великобритании. Одним из создателей этой машины был Алан Тьюринг. В Америке Джон Моушли начал конструировать компьютер, предназначенный в первую очередь для составления таблиц для нацеливания тяжелой артиллерии. Эта машина – ENIAC.

В это же время в Институт специальных исследований в Принстоне приехал один из участников проекта ENIAC Джон фон Нейман, чтобы сконструировать свою версию компьютера. Он предложил размещать программу вместе с данными в оперативной памяти и использовать бинарную арифметику. Основной проект известен теперь как фон-неймановская вычислительная машина. Он был использован в машине EDSAC. Практически все современные компьютеры являются неймановскими машинами. Схема архитектуры этой машины приведена на рисунке.

Приблизительно в это же время в МТИ был создан компьютер Whirlwind-1. Особенности компьютера: слова небольшой длины (16 бит). Он является прототипом мини-компьютера. В 1953 году IBM создала свой первый компьютер IBM-704

Второе поколение – транзисторы (1955-1065)

Транзисторы были изобретены в лаборатории Bell Бардином, Браттейном и Шокли, за что в 1956 году им была присуждена Нобелевская премия. Первый компьютер на транзисторах был построен в МТИ (Массачусетский технологический институт) и назывался ТХ-1, а затем ТХ-2. Практического значения эти компьютеры не имели, но один из разработчиков, основал фирму DEC и произвели первую серийную машину на транзисторах PDP-1 (1961 г.). Эта была самая быстродействующая машина того времени. Время цикла – 5 микросекунд. Это в два раза меньше, чем у IBM-7090 (транзисторного аналога IBM-709). Стоил PDP-1 $120 000, а IBM – миллионы. Компания DEC продала десятки компьютеров PDP и так возникла компьютерная промышленность. Один из компьютеров был отдан в МТИ, где был создан первый графический дисплей, а студенты написали первую компьютерную игру – «Война миров». Затем была создана машина PDP-8, которая была 12-разрядной, и главное нововведение – одна шина. Шина – это набор параллельно соединенных проводов для связи компонентов компьютера. Структура компьютера с общей шиной приведена на рисунке. Такая структура с тех пор используется во всех компьютерах.

В 1964 году компания CDC выпустила машину CDC-6600, которая имела производительность на порядок выше, чем IBM-7090. Высокая производительность обеспечивалась за счет того, что внутри центрального процессора находилась машина с высокой степенью параллелизма. Разработчиком этого компьютера был Сеймур Крей. Он посвятил свою жизнь созданию мощных компьютеров, которые сейчас называются суперкомпьютерами (это компьютеры CDC-6600, CDC-7600, Crey-1). Разработчики упомянутых выше компьютеров занимались в первую очередь аппаратным обеспечением, стремясь повысить его надежность, быстродействие и снизить стоимость. Следует отметить еще один проект – Burroughs B50000. Разработчики создавали компьютер с намерением программировать ее на языке Algol 60 (предшественник языка Pascal), сконструировав аппаратное обеспечение так, что бы упростить работу компилятору. Так появилась идея, что программное обеспечение тоже надо учитывать при разработке компьютера.

Третье поколение – интегральные схемы (1965-1980)

Компьютеры на интегральных схемах были меньшего размера, работали быстрее, стоили дешевле. К 1964 г. Фирма IBM лидировала на рынке, но выпускаемые ей компьютеры были программно несовместимы. Компания сделала решительный шаг. Она выпустила серию компьютеров на транзисторах System 360, которые были предназначены как для научных, так и для коммерческих расчетов. System 360 содержала много нововведений. Это было семейство компьютеров с одним и тем де ассемблером. Каждая новая модель была больше и мощнее предыдущей. Идея создания семейств компьютеров вскоре стала популярной и в течении нескольких лет большинство компьютерных компаний выпустило целые серии сходных машин. Еще одно нововведение – мультипрограммирование. В памяти располагалось несколько программ и пока одна программа ждала окончания ввода-вывода, другая выполнялась.

Мир микрокомпьютеров сделал также большой шаг вперед вместе с производством компьютеров PDP-11. Во многих отношениях PDP-11 была младшим братом IBM 360 по организации компьютера и наличию в семействе машин разной стоимости и производительности.

Четвертое поколение – сверхбольшие интегральные схемы (1980-?)

Появление СБИС в 80-х годах позволило помещать на одну плату сначала десятки тысяч, а затем и миллионы транзисторов. К 80-м годам цены на компьютеры упали на столько, что приобретать компьютеры смогли не только организации, но и отдельные люди. Началась эра персональных компьютеров. Первые персональные компьютеры продавались в виде комплектов, как правило, на базе Intel 8080. Программное обеспечение пользователь писал сам. Затем появилась операционная система CP/M. Эта ОС помещалась на дискету, включала систему управления файлами и интерпретатор для выполнения пользовательских команд, которые набирались на клавиатуре. Компания IBM, лидирующая в то время на рынке компьютеров, тоже решила заняться производством персоналок. Компьютер IBM PC появился в 1981 году и стал самым покупаемым в истории.

Первая версия IBM PC была оснащена операционной системой MS-DOS, которую выпускала крошечная компания Microsoft. Эта компания разработала также собственную ОС Windows, которая работала на базе MS-DOS.

Пятое поколение – невидимые компьютеры

Пятое поколение компьютеров материализовалось весьма неожиданном виде — компьютеры начали стремительно уменьшаться. Модель Apple Newton, появившаяся в 1993 году, наглядно доказала, что компьютер можно уместить в корпусе размером с кассетный плеер. Рукописный ввод, реализованный в Newton, казалось бы, усложнил дело, но впоследствии пользовательский интерфейс подобных машин, которые теперь называются персональными электронными секретарями (Personal Digital Assistants, PDA), или просто карманными компьютерами, был усовершенствован и приобрел широкую популярность. Многие карманные компьютеры сегодня не менее мощны, чем обычные ПК двух-трехлетней давности. Но даже карманные компьютеры не стали по-настоящему революционной разработкой. Значительно большее значение придается так называемым «невидимым» компьютерам — тем, что встраиваются в бытовую технику, часы, банковские карточки и огромное количество других устройств. Процессоры этого типа предусматривают широкие функциональные возможности и не менее широкий спектр вариантов применения за весьма умеренную цену. Вопрос о том, можно ли свести эти микросхемы в одно полноценное поколение (а существуют они с 1970-х годов), остается дискуссионным. Факт в том, что они на порядок расширяют возможности бытовых и других устройств. Уже сейчас влияние невидимых компьютеров на развитие мировой промышленности очень велико, и с годами оно будет возрастать.



Похожие документы:

  1. Организация однопроцессорных ЭВМ 2 > общие вопросы истории развития и построения ЭВМ 2

    Документ
    ... с машиной, вопросы логической организации представления, хранения и преобразования ... И. Информатика: Системы счисления и компьютерная арифметика. – М.: Лаборатория Базовых Знаний ... цифровой информации имеют многоуровневую структуру, т.е. построены ...
  2. #организация производства и управление предприятием учебник

    Учебник
    ... предприятия. Структура КС УКП предусматривает многоуровневую организацию управления: на уровне объединения (предприятия ... регулирование технологических процессов, статистический анализ, компьютерная технология и др. Отраслевая наука практически ...
  3. «Компьютерная лингвистика и интеллектуальные технологии» (1)

    Документ
    ... работы в компьютерной лексикографии Сфера компьютерной лексикографии довольно широка ... лексическими элементами; многоуровневые лексико-синтаксические конструкции ... интеграционный organization <интеграционная> организация 0 integration интеграция economic ...
  4. Организация образовательного процесса на основе требований СанПиН. Директор Халимова Г. К. зам директора по икт халиуллина Г. С. зам директора по увр бадретдинова А. М

    Документ
    ... десятилетия. Это сложный многоуровневый процесс, который нельзя ... информационной базы данных, использование компьютерных технологий, хранение и обработки ... технологий в преподавании и организации жизнедеятельности школьников. Информатизация образования ...
  5. «Компьютерная лингвистика и интеллектуальные технологии» (3)

    Документ
    ... экспериментальная лингвистика» Профиль: «Компьютерная лингвистика и интеллектуальные технологии» Кластеризация ... . 1988] обсуждается многоуровневый анализ лексической конструкции ... статистического анализа структурной организации конструкций. Основными ...

Другие похожие документы..