История развития ЭВМ. Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ

Развитию цифровой техники способствовало становление науки о компьютерах. Научные основы цифровых ЭВМ в  это время пополнились теорией  цифровых автоматов, основами программирования, теорией искусственного интеллекта, теорией проектирования ЭВМ, компьютерными  технологиями, обеспечившими становление  новой науки, получившей название "Computer Science" (компьютерная наука) в США и "информатика" в Европе. Большой вклад в ее развитие внесли ученые Украины (В.М. Глушков, Е.Л. Ющенко, З.Л. Рабинович, Ю.В. Капитонова, АА Летичевский и др.).

В СССР в том числе в Украине  понятие "вычислительная техника" долгое время использовалось как  для обозначения технических  средств, так и науки о принципах  их построения и проектирования. В  настоящее время для этой цели используется термин "информатика", обозначающий науку о получении, передаче, хранении и обработке информации. В свою очередь, ее разделяют на теоретическую и прикладную.

Теоретическая информатика занимается математическим моделированием информационных процессов. Прикладная охватывает вопросы  построения и проектирования ЭВМ, сетей, мультимедиа, компьютерные технологии информационных процессов и др. Главной  научной базой прикладной информатики  являются электроника (микроэлектроника) и теория искусственного интеллекта. Соединив в одно два слова: интеллект  и электроника, получим для прикладной информатики более удачное, как  нам кажется, название ИНТЕЛЛЕКТРОНИКА - "интеллектуальная" электроника.

Следует отметить, что в области  искусственного интеллекта, несмотря на многие достижения, мы стоим лишь в самом начале развития этого  важного научного направления, и  здесь открываются огромные перспективы  сближения ЭВМ с "информационными" возможностями человека.

Немного истории. В 1870 г. (за год до смерти Беббиджа) английский математик  Джевонс сконструировал (вероятно, первую в мире) "логическую машину", позволяющую механизировать простейшие логические выводы. В России о работе Джевонса стало известно в 1893 г., когда профессор университета в Одессе И.Слешинский опубликовал статью "Логическая машина Джевонса" ("Вестник опытной физики и элементарной математики", 1983 г., №7). "Строителями" логических машин в дореволюционной России стали Павел Дмитриевич Хрущев (1849-1909) и Александр Николаевич Щукарев (1884-1936), работавшие в учебных заведениях Украины.

Первым воспроизвел машину Джевонса проф.Хрущев. Экземпляр машины, созданный им в Одессе, получил "в наследство" профессор Харьковского технологического института Щукарев, где он работал начиная с 1911 г. Он сконструировал машину заново, внеся в нее целый ряд усовершенствований, и неоднократно выступал с лекциями о машине и о ее возможных практических применениях. Одна из лекций была прочитана в 1914 г. в Политехническом музее в Москве. Присутствовавший на лекции проф. А.Н.Соков писал:

"Если мы имеем арифмометры,  складывающие, вычитающие, умножающие  миллионные цифры поворотом рычага, то, очевидно, время требует иметь  логическую машину, способную делать безошибочные выводы и умозаключения, одним нажатием соответствующих клавиш. Это сохранит массу времени, оставив человеку область творчества, гипотез, фантазии, вдохновения - душу жизни". Эти пророческие слова были сказаны в 1914 г.! (Журнал "Вокруг света", №18, статья А.Н.Сокова "Мыслительная машина").

Следует отметить, что сам Джевонс, первосоздатель логической машины, не видел для нее каких- либо практических применений.

К сожалению, машины Хрущева и Щукарева не сохранились. Однако, в статье "Механизация мышления" (логическая машина Джевонса), опубликованной профессором А.Н.Щукаревым в 1925 г.("Вестник знания", №12), дается фотография машины сконструированной Щукаревым и ее достаточно подробное описание, а также, что очень важно - рекомендации по ее практическому применению. Таким образом, у Алана Тьюринга, опубликовавшего в 1950 г. статью "Может ли машина мыслить?" были предшественники в Украине, интересовавшиеся этим вопросом. Лучше всего об "интеллектуальном" развитии машины ответил В.М.Глушков.

Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ 

Архитектура вычислительной машины (англ. сomputer architecture)– концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.

Классическая архитектура ЭВМ 1-го и 2-го поколения 

 

Рисунок 1 - Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана. Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные - управляющих сигналов от процессора к остальными узлам ЭВМ

В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством - счетчиком команд в устройстве управления (УУ).

Шинная (магистральная) архитектура  ЭВМ 

Наличие интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой машин третьего и четвертого поколений.

Контроллер можно рассматривать  как специализированный процессор, управляющий работой внешнего устройства. Такой процессор имеет собственную систему команд. Например, контроллер накопителя на гибких магнитных дисках (дисковода) умеет позиционировать головку на нужную дорожку диска, читать или записывать сектор, форматировать дорожку и т.п. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором.

Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия центрального процессора. Последний получает возможность «заниматься своим делом», т.е. выполнять программу дальше (если по данной задаче до завершения обмена ничего сделать нельзя, то можно в это время решать другую).

 

Рисунок 2 – Шинная (магистральная) архитектура ЭВМ 

Из рисунка видно, что для  связи между отдельными функциональными  узлами ЭВМ используется общая шина (часто ее называют магистралью). Шина состоит из трех частей:

• шина данных, по которой передается информация; 
• шина адреса, определяющая, куда передаются данные; 
• шина управления, регулирующая процесс обмена информацией. 
Отметим, что существуют модели компьютеров, у которых шины данных и адреса для экономии

объединены. У таких машин сначала  на шину выставляется адрес, а затем  через некоторое время данные; для какой именно цели используется шина в данный момент, определяется сигналами на шине управления.

Описанную схему легко пополнять  новыми устройствами - это свойство называют открытостью архитектуры. Для пользователя открытая архитектура означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости от круга решаемых задач.

Архитектуры персональных компьютеров 

Среди архитектур персональных компьютеров  выделяют:  
-по разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-разрядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности);  
- по особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW; 
CISC (Complex Instruction Set Computer) – компьютер с полным набором команд, 
RISC (Reduced Instruction Set Computer) – компьютер с ограниченным набором команд, 
VLIW (Very Long Instruction Word) - «очень длинная машинная команда». Характеризуется тем, что одна

инструкция процессора содержит несколько  операций, которые должны выполняться  параллельно. 
- по количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные. Архитектура современного персонального компьютера подразумевает такую логическую организацию

аппаратных компонент компьютера, при которой все устройства связываются друг с другом через магистраль, включающую в себя шины данных, адресов и управления.

Важной составляющей частью архитектуры ЭВМ является система команд. Система команд ЭВМ включает:

• §команды выполнения арифметических и логических операций
• § команды управления (это прежде всего команды условного и безусловного перехода, команды

обращения к подпрограмма)

• § команды передачи данных (копируют информацию из одного места в другое и
• §команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами

При построении системы команд для  современных компьютеров существует два взаимно конкурирующих направления:

1. компьютер с полным набором команд CISC (Complex Instruction Set Computer)
2. компьютер с ограниченным набором - RISC (Reduced Instruction Set Computer).

Разделение возникло из-за того, что  основную часть времени компьютеру приходится выполнять 

небольшую часть из своего набора команд, остальные же используются эпизодически . Таким образом, если существенно ограничить набор операций  до наиболее простых и коротких, зато тщательно оптимизировать их, получится достаточно эффективная  и быстродействующая RISC-машина. Правда за скорость придется платить необходимостью программной реализации «отброшенных» команд, но часто эта плата бывает оправданной: например, для научных расчетов или машинной графики быстродействие существенно важнее проблем программирования.

Вывод

Советская промышленность была в полной мере обеспечена ЭВМ, однако многообразие проектов и серий начинало создавать  проблемы. По сути, универсальная программируемость  компьютеров ограничивалась их аппаратной несовместимостью – у всех серий  были разные разрядности процессоров, наборы команд и даже размеры байтов. Кроме того, серийность производства ЭВМ была весьма условной – компьютерами обеспечивались лишь крупнейшие вычислительные центры. В то же время, отрыв американских инженеров увеличивался – в 60-х  годах в Калифорнии уже уверенно выделялась Кремниевая долина, где  вовсю создавались прогрессивные  интегральные микросхемы.

В 1968-м году была принята директива  «Ряд», по которой дальнейшее развитие кибернетики СССР направлялось по пути клонирования компьютеров IBM S/360. Сергей Лебедев, остававшийся на тот момент ведущим инженером-электротехником  страны, отзывался о «Ряде» скептически  – путь копирования по определению  являлся дорогой отстающих. Однако другого способа быстро «подтянуть»  отрасль никто не видел. Был учреждён Научно-исследовательский центр  электронной вычислительной техники  в Москве, основной задачей которого было выполнение программы «Ряд»  – разработки унифицированной серии  ЭВМ, подобных S/360. Результатом работы центра стало появление ЕС ЭВМ  в 1971-м году. Несмотря на сходство идеи с IBM S/360, прямого доступа к этим компьютерам советские разработчики не имели, поэтому проектирование ЭВМ  начиналось с дизассемблирования программного обеспечения и логического построения архитектуры на основании алгоритмов её работы.

Разработка ЕС ЭВМ велась совместно  со специалистами из дружественных  стран, в частности, ГДР. Однако попытки  догнать США в сфере разработки компьютеров завершились крахом в 1980-х годах. Причиной фиаско послужил как экономический и идеологический спад СССР, так и появление концепции  персональных компьютеров. К переходу на индивидуальные ЭВМ кибернетика  Союза была не готова ни технически, ни идейно.

 

Список литературы

1. Краткий обзор. По материалам книги Малиновского Б.Н. "Очерки по истории компьютерной науки и техники".
2. Статья Владимира Сосновского и Антона Орлова " Советские компьютеры...
3. Свободная энциклопедия "Википедия" [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Архитектура_фон_Неймана. - Загл. с экрана.
4. Статья "История первых ЭВМ, или Они были первыми" журнала "Хабаровский компьютерный рынок"
5. bloggmaster.livejournal.com
6. http://www.newsland.ru/news/detail/id/846439/