История развития средств вычислительной техники ( АРХИТЕКТУРА)

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Текущий этап человеческого развития определяется переходом от индустриального общества к информационному, где центральным элементом собственности является информация. Основной предпосылкой этого перехода является постоянно растущая доля информационной составляющей во всех предоставляемых товарах и услугах. Кроме того, также стремительно растет количество информационных товаров и услуг, куда относятся базы данных, программные продукты, сотовая связь и т.п. Информационное общество характеризуется высокой степенью не только информационной, но и экономической общемировой интеграцией. Для полноценного функционирования такой интеграции необходима единая общемировая информационная среда, которой на сегодняшний день является Интернет [1].

Однако использование описанных достижений было бы невозможно без развития информатики и вычислительной техники. На сегодняшний день компьютер является универсальным многофункциональным электронным автоматическим устройством, предназначенным для хранения и обработки информации [7].

Для того чтобы компьютер мог решить какую-либо задачу, в него должна быть заложена определенная программа – последовательность действий, описывающих решение. Все электронные схемы компьютера способны выполнять лишь ограниченный набор команд, куда входят арифметические и логические операции. Эти примитивные команды составляют язык взаимодействия человека с компьютером [11].

Актуальность выбранной темы очевидна – мы живем в эпоху информационных технологий, ежедневно сталкиваясь в своей деятельности с различными достижениями информатики и вычислительной техники. Чтобы грамотно пользоваться имеющимися достижениями, необходимо знать их историю развития и внутреннее устройство.

1. ЭВОЛЮЦИЯ ЭВМ

1.1. Основные понятия

Центральными понятиями при рассмотрении данной темы являются вычислительная машина (ВМ) и вычислительная система (ВС). Вычислительной машиной называется комплекс технических и программных средств, целью которого является автоматизация подготовки и решения пользовательских задач. Вычислительная система – совокупность взаимодействующих взаимосвязанных процессоров или ВМ, а также программного обеспечения (ПО) и периферийного оборудования, предназначенная для подготовки и решения пользовательских задач.

Архитектура ВМ – это ее логическое построение. Впервые данный термин был употреблен корпорацией IBM во время разработки машин семейства IBM 360. Данный термин применялся для описания тех средств, которыми мог пользоваться программист для создания программы на уровне машинных команд.

В зависимости от компетенции системного архитектора выделяют четыре уровня детализации ВМ:

• уровень «черного ящика» - ВМ рассматривается как устройство для хранения, обработки и обмена информацией;
• уровень общей архитектуры – ВМ представляется в виде ЦП, основной памяти, системы шин и устройств ввода/вывода;
• уровень архитектуры ЦП – каждое устройство второго уровня подвергается детализации. Так, простейший вариант ЦП содержит арифметико-логическое устройство, устройство управления (УУ) и внутренние шины;
• уровень архитектуры устройства управления – детализация элементов третьего уровня. УУ содержит в себе блок памяти, логику программной последовательности, логику формирования управления, а также дешифраторы и регистры управления.

Существует два подхода для описания эволюции ВМ:

• хронологический – опирающийся на хронологию событий, оказавших влияние на становление ВМ;
• технологический – рассматривающий развитие ВМ с точки зрения технологий и архитектурных решений.

В данной работе описание эволюции будет производиться с точки зрения технологического подхода.

1.2. Поколения ЭВМ

1.2.1. Нулевое поколение (1492-1945 гг.)

Нулевое поколение компьютеров называется механической эрой. Основным элементом вычислительных устройств данной эпохи является зубчатое колесо. В начале XX века оно уступило место электромеханическому реле. Фактически, вычислительные устройства данного периода не имели ничего общего с современными машинами.

Наиболее значимые события данного периода:

• 1642г. – представлено первое механическое вычислительное устройство, созданное Блезом Паскалем. Устройство могло складывать и вычитать пятиразрядные десятичные числа;
• 1673 г. – Готфрид Лейбниц представил «пошаговый вычислитель», выполняющий четыре основных арифметических операции над 12-разрядными десятичными числами. Кроме обычных зубчатых колес устройство содержало в себе ступенчатый валик;
• 1836 г. – Чарльз Бэббидж описывает проект «аналитической машины», способной считывать данные с перфокарт и хранить их в памяти на пятьдесят чисел. Данная машина основывалась на концепции условного перехода. Кроме того, именно здесь впервые нашла себя идея микропрограммирования – инструкции для машины задавались путем позиционирования металлических штырей в цилиндре с отверстиями. Сложение на такое машине выполнялось за 3 секунды, а умножение за 2-4 минуты;
• 1937 г. – Джордж Стибитц представил первый однобитный двоичный вычислитель на базе электромеханических реле;
• 1939 г. – Сэмюэль Вильямс и Джордж Стибитц представили калькулятор, основанный на релейной логике – Model I. Управление данной машиной реализовывалось при помощи модифицированного телетайпа, позволяя по телефонной линии подключаться к калькулятору;
• 1943 г. – группа гарвардских ученых под управлением Говарда Айкена представила вычислитель Mark I. Это был первый программно управляемый вычислитель, который получил популярность. Mark I состоял из целого множества отдельных вычислителей, которые обрабатывали свои части в решении задачи и контролировались единым устройством управления. Команды в эту машину вводились при помощи перфокарт. На операцию сложения требовалось 0,3 секунды, умножения – 4 секунды, деления – 10 секунд;
• 1945 г. – Конрад Цузе представляет вычислитель Z4, который схож с современными ВМ: он содержал в себе отдельные устройства процессора и памяти. Кроме того, процессор Z4 мог обрабатывать числа с плавающей запятой и извлекать квадратный корень. Программа для Z4 хранилась на перфоленте и считывалась последовательно.

Важнейшим моментом эпохи нулевого поколения является разработка аналитической машины Бэббиджа.

1.2.2. Первое поколение (1937 – 1953 гг.)

Основная идея ВМ первого поколения – использование электронно-вакуумных ламп, которые пришли на смену электромеханическим реле. Предполагалось, что электронные лампы будут надежнее, однако эта идея не была оправданной. Преимущество электронных ламп заключалось в скорости переключения – ключи, построенные на базе ламп, переключались примерно в тысячу раз быстрее, чем электромеханические аналоги.

Первой ЭВМ считается калькулятор ABC, разработанный Джоном Атанасовым и Клиффордом Берри в период 1939-1942 гг. Основная задача данного калькулятора – решение систем линейных уравнений, содержащих до 29 уравнений и неизвестных. ABC строился на базе конденсаторов и цепей регенерации.

Соперником ABC является ENIAC, разработанный Джоном Мочли и Преспером Эккертом в 1946 г. Первоначально ENIAC использовался в процессах разработки водородной бомбы. Программа в данной машине задавалась при помощи схемы коммутации триггеров на 40 наборных полях. Структура ENIAC состояла из 10 триггеров, объединенных в кольцо, образуя таким образом десятичный счетчик. Десять таких колец представляли собой запоминающий регистр. Всего ENIAC содержал 20 регистров.

Главным достижение данного периода является проект EDVAC с участием Джона фон Неймана. Отличительной особенностью EDVAC была хранимая в памяти программа.

В целом, машины первого поколения были очень примитивны, однако они нашли свое применение в прикладных и инженерных науках.

К этому же периоду относится разработка малой электронной счетной машины (МЭСМ) под управлением С.А. Лебедева. Именно данная машина стала первой ЭВМ, получившей серийное производство в СССР и континентальной Европе.

1.2.3. Второе поколение (1954-1962 гг.)

Предпосылкой перехода ко второму поколению ЭВМ стала замена электронных ламп полупроводниковыми диодами и транзисторами.

Первой такой ВМ является TRADIC, разработанная компанией Bell Labs. TRADIC включал в себя 10000 германиевых диодов и 700 транзисторов.

Кроме изменения структуры элементов, изменились и устройства памяти – произошел переход от устройств, базирующихся на ртутных линиях задержки к устройствам на магнитных сердечниках. Главное преимущество памяти на магнитных сердечниках – произвольный доступ к данным.

Еще одной отличительной чертой ЭВМ второго поколения стало появления индексных регистров в составе процессора. Это позволило реализовывать обработку массивов данных. Кроме того, добавился аппаратный блок обработки чисел с плавающей запятой. Ранее обработкой таких чисел занимались отдельные подпрограммы, имитирующие одну операцию.

Еще одним элементов ЭВМ, дошедшим до нашего времени и появившимся в эпоху второго поколения является процессор ввода/вывода данных. Основная его задача – освобождение ЦП от операций по управлению вводом/выводом.

Яркими представителями ЭВМ второго поколения являются LARC, IBM 7030 и M20. В СССР также велись успешные разработки, которые привели к серийному производству таких машин как «Урал», «Минск», «Днепр».

Вместе с появлением ЭВМ второго поколения появились и первые шаги в развитии ПО – были созданы первые языки программирования высокого уровня – FORTRAN, ALGOL и COBOL.

1.2.4. Третье поколение (1963-1972 гг.)

Третье поколение характеризуется резким ростом вычислительной мощности ВМ, что стало возможным благодаря переходу от дискретных полупроводниковых элементов к интегральным микросхемам. Кроме того, также была изменена технология запоминающих устройств – на смену магнитным сердечникам пришли полупроводниковые устройства.

Серьезные изменения коснулись и архитектуры ВМ. Началась эпоха параллельной обработки и конвейеризации вычислений. Область ПО ознаменовалась разработкой операционных систем, а также режима разделения времени.

Первые ВМ третьего поколения были построены на интегральных схемах (ИС) малой степени интеграции. Один кристалл такой ИС содержал 10 транзисторов. В конце периода третьего поколения появились ИС средней степени интеграции, число транзисторов в них стало на порядок выше. Тогда же получила распространение идея создания многослойных печатных плат.

В 1964 г. Сеймуром Креем была разработана ВС CDC 6600, которая впервые в истории ЭВМ реализовала параллелизм архитектуры. CDC 6600 состояла из 10 независимых функциональных блоков, которые могли работать параллельно. Кроме того, в ее состав входили 32 независимых модуля памяти. Все это обеспечивало быстродействие системы в 1 миллион операций в секунду над числами с плавающей запятой.

Модификацией данной машины стала CDC 7600 – это первая конвейерная вычислительная система. Ее быстродействие в 10 раз превосходило быстродействие CDC 6600.

К третьему поколению ЭВМ также относят семейство ВМ IBM 360, ставшее эталоном архитектуры. IBM 360 обладала следующими характерными чертами, сохранившимися и в современных ЭВМ:

• предварительная выборка команд;
• кэш память;
• конвейеризация команд;
• отдельны блоки для операций с фиксированной и плавающей запятой.

К данной эпохе относятся и первые параллельные ВС – SOLOMON и ILLIAC IV.

В СССР также велись разработки ЭВМ, построенных на ИС. Примером является быстродействующая электронно-счетная машина БЭСМ-6, разработанная под управлением С.А. Лебедева.

Сфера ПО также не стояла на месте – в 1970 г. Кен Томпсон разработал язык B, ставший предшественником языка C. Кроме того, именно к этому периоду относится создание ранней версии ОС Unix.

1.2.5. Четвертое поколение (1972-1984 гг.)

Предпосылкой появления четвертого поколения ЭВМ стал переход к ИС большой (1000 транзисторов на кристалле) и сверхбольшой (100000 транзисторов на кристалле) степени интеграции. Это позволило на одном кристалле размещать не только ЦП, но и вычислительные устройства.

Архитектура данных машин также претерпела изменения. Появилась идея создания ВМ с сокращенным набором команд – RISC (Redused Instruction Set Computer). Данная концепция заключается в сведении набора команд машины к наиболее употребительным простейшим командам, что упрощает схемотехнику ЦП, а также сокращает время исполнения команд.

В это же время широкое применение получили векторные ВС, называемые суперЭВМ. Появляются рабочие станции и персональные микроЭВМ.

В области ПО появились языки сверхвысокого уровня, ориентированные на декларативный стиль программирования. Данные языки запрашивают у программиста математическое описание задачи.

1.2.6. Пятое поколение (1984-1990 гг.)

ЭВМ пятого поколения опираются на параллельные вычисления, реализованные при помощи нескольких процессоров, работающих одновременно.

• В этот период сформировались два взгляда на архитектуру ЭВМ:
  архитектура с совместно используемой памятью – примером такой машины является Sequent Balance 8000. Основная память здесь делится между 20 процессорами, каждый из которых оснащен своей кэш-памятью. Любой процессор может выполнять пользовательские задачи. Кроме того, при помощи специальных функций можно задействовать более одного процессора. Свое применение данная машина получила при исследованиях параллельных алгоритмов, а также техники программирования;
• архитектура с распределенной памятью – каждый процессор в такой ЭВМ обладает своим блоком памяти. Связь между процессорами реализована при помощи сети взаимосвязей. Такой подход позволяет устранить ограничения пропускной способности тракта «процессор-память».

Характерной чертой данного периода является резкий подъем развития технологий локальных и глобальных компьютерных сетей, что способствовало изменениям в технологии работы отдельных пользователей. Пользователи начали отдавать предпочтение персональным рабочим станциям, что позволило задействовать индивидуальную машину для решения небольших задач, вместо того, чтобы использовать большие вычислительные мощности суперЭВМ и файл-серверов.

1.2.7. Шестое поколение (с 1990 г.)

Пятое и шестое поколения ЭВМ являются отражением качества, которое стало доступно благодаря накопленным знаниям в области информационных технологий.

Предпосылкой выделения шестого поколения стал прогресс в сфере параллельных вычислений, сопровождавшийся распространением систем с массовым параллелизмом MPP (Massively Parallel Processing). Такие системы представляют собой совокупность большого чиста автономных вычислительных машин, взаимодействующих друг с другом.

Другой характерной чертой шестого поколения стало увеличение роли рабочих станций. Процессоры таких машин совмещают в себе параллельную обработку, конвейеризацию и RISC-архитектуру [12].

2. АРХИТЕКТУРА

2.1. Основные принципы

Архитектура ЭВМ подразумевает собой ее организацию, куда входит обработка данных, аппаратное обеспечение, связи и управление в некоторых объектах, таких как система памяти, звуковая и графическая подсистемы, процессоры, а также система команд, набор шин и организация ввода/вывода [9].

Джон фон Нейман, американский математик, основоположник учения об архитектуре ЭВМ. Именно он был основным автором статьи «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства», где сформулировал основные принципы построения ЭВМ:

• использование двоичной системы счисления – главное преимущество такой системы перед обычной десятичной состоит в том, что устройства на двоичной логике слишком просты с точки зрения конструкции. Помимо этого, в таких устройствах гораздо легче организовать логические и арифметические операции;
• программное управление ЭВМ – работа ЭВМ осуществляется под контролем программы, состоящей в свою очередь из определенного
• набора команд. Такие команды последовательно выполняются одна за другой. Современному программированию положило начало создание машины, с программой, хранимой в памяти;
• память ЭВМ помимо данных хранит и команды, закодированные в двоичной системе счисления. Помимо этого к данным – можно обратиться как к командам, а к командам - как к данным;
• ячейки памяти ЭВМ имеют свои адреса, которые обретают вид последовательной нумерации. К любой ячейке памяти можно обратиться в любой момент времени, если знать ее адрес. Этот принцип положил начало созданию переменных в программировании;
• возможность условного перехода в процессе выполнения программы – существует возможность условного перехода, не смотря на последовательное выполнение команд, на любой другой участок кода, в зависимости от выполнения или невыполнения какого-либо заданного логического условия [8].

Важнейшим следствием этих принципов является то, что теперь программа уже не постоянная часть машины (как например, у калькулятора). Стало возможно изменить программу. В то время как аппаратура, естественно, остается неизменной, и достаточно простой.

Несмотря на то, что программы могут писаться годы, для современных компьютеров, но они работают, после несколько минутной установки на жесткий диск, на миллионах компьютеров. Архитектура, называется Неймановской архитектурой, если она построена по таким принципам (см. рисунок 1).

Рисунок 1 – Архитектура фон Неймана

2.2. Блоки архитектуры

Основные блоки данной архитектуры:

• устройство управления (УУ) – обеспечивает выполнение функции управления ходом процесса вычисления, позволяя командам программы выполняться автоматически. Главные целевые функции устройства управления в процессе типового машинного цикла:
  • выборка и декодирование команды;
  • вычисление исполнительных адресов и выборка операндов;
  • исполнение операции;
  • формирование адреса следующей команды.

Сигналы управления генерируются центральным узлом устройства управления, то есть микропрограммой автоматом (МПА), он определяет микропрограмму как последовательность выполнения микроопераций. Микропрограммы реализации перечисленных целевых функций инициируется УУ. В обобщенной структуре УУ можно выделить две части:

• • управляющую - необходима для управления работой исполнительного оборудования вычислительных машин;
  • адресную - адресная часть устройства управления формирует адреса команды и исполнительные адреса операндов, то есть считается исполнительным оборудованием вычислительных машин;
• арифметико-логическое устройство (АЛУ) - выполняет логические и арифметические операции над данными. В функционально простейшее АЛУ входит два регистра, сумматор и схема управления. Сумматор – схема, осуществляющая сложение двоичных кодов поступающих на её вход. Размерность сумматора – двойное машинное слово. Регистры – быстрые ячейки памяти различной длины.

На рисунке регистр1 обладает разрядностью двойного слова, а регистр2 – слова. Во время операции в регистр1 помещается первое число, определённое в команде, а в регистр2 – второе число. После завершения операции результат помещается в регистр1. Таким образом регистр1 может и принимать и выдавать данные с шин данных, а регистр2 – только принимать (см. рисунок 2);

Рисунок 2 - Регистр

• схемы управления – по шинам управления принимают сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора;
• внешняя память - это такая память, которая реализована в виде внешних (относительно материнской платы) запоминающих устройств (ВЗУ) с различными принципами хранения информации. Внешние запоминающие устройства нужны для долговременного хранения любого типа информации и отличаются большим объемом памяти и достаточно низким в сравнении с ОЗУ быстродействием. Под внешней памятью компьютера понимаются обычно как устройства для записи / чтения информации - накопители, так и такие устройства, где непосредственно хранится информация –  то есть носители информации. Обычно, для каждого носителя информации существует определенный накопитель. А, например, винчестер, совместил в себе и накопитель, и носитель.

Основные типы устройств внешней (долговременной) памяти по способу записи представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 – Типы устройств внешней памяти

К устройствам внешней памяти в персональных компьютерах можно отнести:

• накопители на гибких магнитных дисках, которые предназначены для чтения или записи информации на гибкие диски (дискеты);
• накопители на жестких магнитных дисках(винчестеры);
• дисководы для работы с лазерными (оптическими) дисками;
• стримеры, предназначенные для чтения / записи информации на магнитные ленты;
• магнито-оптические дисководы для работы с магнито-оптическими дисками;
• устройства энергонезависимой памяти (флэш-память).

По типу доступа к информации устройства внешней памяти делятся на два класса:

• устройства прямого (произвольного) доступа. Время обращения к информации, в устройствах прямого (произвольного) доступа, не зависит от места ее расположения на носителе. К примеру, для того чтобы послушать песню, с грампластинки, достаточно просто установить звукосниматель проигрывателя в нужное место на пластинке, туда где записана песня;
• устройства последовательного доступа. В устройствах последовательного доступа существует такая зависимость. К примеру, на аудиокассете время доступа к песне напрямую зависит от местоположения записи. Для того, чтобы ее прослушать, нужно сначала перемотать кассету до того места, где именно записана песня;
• внутренняя память – это запоминающее устройство, предназначенное для хранения данных и выполняемых программ, которые напрямую участвуют в вычислениях, и это устройство напрямую связано с процессором. Обращение к внутренней памяти ПК выполняется с высоким быстродействием, тем не менее она ограничивается объемом, определяемым системой адресации машины. Далее внутренняя память, делится на оперативную (ОЗУ) и постоянную (ПЗУ) память:
• постоянная память обеспечивает хранение и выдачу информации. Постоянная память заполняется при изготовлении ПК и не изменяется в обычных условиях использования. В постоянной памяти содержатся часто используемые (универсальные) данные и программы, программы тестирования оборудования ПК, некоторые программы непосредственно операционной системы и др.;
• оперативная память, или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) составляющая по объему большую часть внутренней памяти, используется для приема, хранения и выдачи информации. Однако, при отключении питания содержимые данные оперативной памяти чаще всего теряются. Такую память принято называть оперативной, потому что это самая быстродействующая запоминающая система компьютера и работает настолько быстро, что процессору даже практически не приходится ожидать при записи данных в память или чтении из нее. 
• устройства ввода/вывода - это составляющая типовой архитектуры компьютера, предоставляющая компьютеру возможность взаимодействовать с пользователем. В соответствии определением, в качестве «сердца» компьютера имеется ввиду память(ОЗУ) и процессор. Все операции, которые не являются внутренними по отношению к этой совокупности, относятся к операциям ввода/вывода.

Устройства ввода — приспособления для занесения каких-либо данных в компьютер. Основным, и главное необходимым, устройством является клавиатура, для ввода текстовых команд и символов в компьютер. Выделим устройства ввода, которые считаются основными:

• • устройства ввода графической информации (графический планшет, сканер, вебкамера и видеокамера, плата видеозахвата, цифровой фотоаппарат);
  • устройства ввода звука(цифровой диктофон, микрофон, модем);
  • устройство ввода текстовой информации(клавиатура);
  • указательные (координатные):

а) устройства с относительным указанием позиции/перемещения (трекбол, мышь, трекпоинт, джойстик, тачпад, видеокамера);

б) устройства с возможностью указания абсолютной позиции (графический планшет, световое перо, аналоговый джойстик);

в) игровые устройства ввода (педаль, джойстик, руль, геймпад, рычаг для управления полётом).

Устройства вывода используют, чтобы извлечь результаты работы компьютера. Из двоичного когда устройство вывода преобразует информацию в вид, доступный к пониманию человека.

Можно выделить такие устройства вывода:

• • устройства для вывода визуальной информации (дисплей, монитор, принтер, проектор, графопостроитель);
  • устройства для вывода звуковой информации (колонки, встроенный динамик, наушники);
  • монитор и дисплей — осуществляют преобразование цифровой и/или аналоговой информации в видеоизображение;
  • принтер — устройство для печати цифровой информации на твёрдый носитель, обычно на бумагу.

2.3. Микроархитектура

Микроархитектура современного одноядерного процессора приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Микроархитектура ЦП

В основе данной организации лежит архитектура фон Неймана, однако, есть и отличия, связанные с конвейерной и параллельной обработкой данных. Основные блоки ЦП:

• предпроцессор;
• постпроцессор;
• исполнительные блоки;
• кэш команд и данных;
• блок записи результатов в память.

Команды программы хранятся в кэш-памяти команд и извлекаются оттуда при помощи предпроцессора. Такая операция называется процедурой выборки. Далее команды декодируются – преобразуются в примитивные микрокоманды, которые уже могут восприниматься функциональными устройствами процессора. После того, как команда извлечена и декодирована, она получает необходимые ей операнды и становится готовой для исполнения – команда помещается в специальную очередь к исполнительным блокам. Исполнительные блоки ЦП реализованы в виде конвейеров, образуя при этом параллельную вычислительную среду. В случае неупорядоченного исполнения команд, они подаются на исполнительные блоки не в порядке следования, а по мере готовности операндов.

После того, как команда поступила в исполнительный блок, она начинает выполняться. По причине того, что скорость выполнения разных команд различна, внутри конвейеров происходит переупорядочение команд и выдача результатов. Задача постпроцессора при этом – следить за готовностью результатов на выходе исполнительных блоков и осуществлять возврат к естественной последовательности команд.

Команда считается выполненной, если выполнены все команды, предшествующие ей [9]. В зависимости от типа команд выделяют следующие группы процессоров:

• CISC (Complex Instrucion Set Comman) – процессоры с полным набором команд;
• RISC – процессоры с сокращенным набором команд;
• VLIW (Very Length Instruction Word) – процессоры со сверхбольшими командными словами;
• MISC (Minimum Instruction Set Command) – процессоры с минимальным набором команд [4].

2.3.1. CISC-процессоры

CISC-процессоры - процессоры со сложным набором команд (см. рисунок 5) [10]. В таких процессорах команды ЦП состоят из несколькольких микрокоманд. Главное достоинство такой заключается в простоте программирования.

Команды CISC-процессоров называются макрокомандами, т.к. приводят к выполнению определенной последовательности элементарных команд.

Создателями CISC-процессоров принято считать разработчиков компании IBM. Свойства, присущие CISC-процессорам:

• запись арифметических операций в виде одной команды;
• переменный размер длины команды;
• относительно небольшое число регистров ЦП;
• большое количество разнообразных команд;
• большое количество методов адресации;
• преобладание двухадресного формата команд [3].

Рисунок 5 – Схема работы CISC-процессора

2.3.2. RISC-процессоры

RISC-процессоры – процессоры с сокращенным набором команд. Любая команда в таких процессорах элементарна и выполняется за один такт (см. рисунок 6).

Рисунок 6 – Схема работы RISC-процессора

Характерной чертой RISC-процессора является фиксированная длина команды – 32 или 64 бита.

Основным преимуществом RISC-процессоров является конвейеризация, которая позволяет наращивать тактовую частоту процессоров.

Яркими примерами таких процессоров служат RISC I, содержащий более 40000 транзисторов, работающий на частоте 4 МГц, способный выполнять 32 инструкции и RISC II, выполняющий 39 инструкций [5].

2.3.3. VLIW-процессоры

VLIW-процессоры построены на базе процессоров RISC, но являются суперскалярными. Команда VLIW-процессоров может состоять из 23 простейших операций, выполняющихся параллельно [6].

Узким местом таких процессоров является вопрос порядка вычисления параллельных операций. Для этих целей используется специальное ПО – планировщик, в задачи которого входит поиск всех независимых команд, преобразование их в длинные строки и отправление этих строк на исполнение [2].

2.3.4. MISC-процессоры

MISC-процессоры представляют собой архитектуру с минимальным набором длинных команд. Увеличение разрядности процессоров привело к идее укладки нескольких команд в одно большое слово, что позволило использовать увеличенную производительность ЭВМ и возможность одновременной обработки нескольких потоков данных.

Процессоры MISC объединяют в себе свойства RISC и VLIW архитектур, имея небольшой набор команд, состоящих из длинных слов. Порядок выполнения команд при этом распределяется по принципу максимальной загрузки. Таким образом, архитектура MISC объединила в себе суперскалярную и VLIW-концепции [13].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках выполнения данной работы была рассмотрена тема «История развития вычислительной техники».

В первой главе описывается эволюция электронно-вычислительных машин.

Вычислительной машиной называется комплекс технических и программных средств, целью которого является автоматизация подготовки и решения пользовательских задач.

Существует два подхода для описания эволюции ВМ:

• хронологический – опирающийся на хронологию событий, оказавших влияние на становление ВМ;
• технологический – рассматривающий развитие ВМ с точки зрения технологий и архитектурных решений.

В работе описана классификация поколений ЭВМ с точки зрения технологического подхода.

Во второй главе работы рассматривается эволюция архитектуры ВМ. Архитектура ВМ – это ее логическое построение. Классической считается архитектура, предложенная Джоном фон Нейманом, которая соответствует следующим принципам:

• принцип программного управления;
• принцип условного перехода;
• принцип размещения программы в памяти;
• принцип иерархии памяти;

принцип двоичной системы счисления.

Позднее стала развиваться микроархитектура, отличающаяся от классической конвейерной и параллельной обработкой данных.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Антонова Г.М. Современные средства ЭВМ и телекоммуникаций: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. – М.: Издательский центр «Академия», 2010. – 144 с.
2. Вайцман И. Vliw: старая архитектура нового поколения. Платформа ПК № 10, 2010.
3. Грошев А.С. Информатика: учеб. для вузов – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: ДМК Пресс, 2015. – 588 с.
4. Киреева Г.И. Основы информационных технологий. Учебное пособие/ Г.И. Киреева, В.Д. Курушин, А.Б. Мосягин, Д.Ю. Нечаев, Ю.В. Чекмарев. – М.: ДМК Пресс, 2010. – 272 с.
5. Коленченко О. Эволюция процессоров. Часть 4: архитектура RISC и развитие индустрии в 1990-е годы. Ferra № 7, 2014.
6. Коленченко О. Я - русский! Обзор архитектуры отечественного процессора «Эльбрус-4С». Ferra № 5, 2014.
7. Максимов Н.В. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: учебник / Н.В. Максимов, Т.Л. Патрыка, И.И. Попов. – М.: ФОРУМ, 2010. – 512 с.
8. Мамойленко С.Н. ЭВМ и периферийные устройства / С.Н. Мамойленко, О.В. Молдовановаа. – Новосибирск: СибГУТИ, 2012. – 106 с.
9. Орлов С.П. Организация компьютерных систем: Учебное посообие / С.П. Орлов, Н.В. Ефимушкина. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2011. – 203 c.
10. Пятковский Ю. Процессоры ARM: особенности архитектуры, отличия и перспективы. ITCua № 3, 2013.Хофманн М. Микроконтроллеры для начинающих: Пер. с нем. – СПб.: БХВ-Петербург, 2010. – 304 с.
11. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. 6-еизд. – СПб.: Питер, 2013. – 816 с.
12. Цилькер Б.Я. Организация ЭВМ и систем : Учебник для вузов / Б.Я. Цилькер, С.А. Орлов. - 2-е изд. - СПб.: Питер, 2011. - 688 с.
13. ЭВМ с нетрадиционной архитектурой. Общие принципы построения. Сравнительные характеристики. [Электронный ресурс] URL: http://studopedia.org/8-107977.html (дата обращения 21.11.2017)