Архітектура комп’ютера та організація комп’ютерних мереж

1. Архітектура комп’ютера та організація комп’ютерних мереж

АРХІТЕКТУРА КОМП’ЮТЕРА ТА
ОРГАНІЗАЦІЯ КОМП’ЮТЕРНИХ МЕРЕЖ
Лекція 1. Вступ у дисципліну

2. Мета курсу

Вивчення особливостей архітектур сучасних
комп’ютерів та систем.
Формування компетенцій, пов’язаних з
використанням теоретичних знань в галузі архітектур
обчислювальных систем, для їх практичного
застосування при розробці сучасного програмного
забезпечення.

3. Література. Базова:

1. Бройдо В.Л., Ильина О.П. Архитектура ЭВМ и систем. Учебник для ВУЗ'ов. —
СПб.: Питер, 2009. — 720 с.
2. Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера.— СПб.: Питер, 2013. — 816 с.
3. Столлингс В. Структурная организация и архитектура компьютерных систем.
— М.: Издательский дом “Вильямс”, 2002. – 896 с.
4. Олифер В.Г., Олифер Н.А., Компьютерные сети: принципы, технологии,
протоколы: Учебник для вузов. – 4-е изд. – СПб.: Питер, 2010 – 944с.: ил.
5. Кулаков Ю. А. , Луцкий Г. М. – Комп’ютерні мережі. Підручник – Київ:
“Юніор”, 2005. – 400 с.

4. Література. Додаткова:

1. Паттерсон, Д. Архитектура компьютера и проектирование
компьютерных систем [Текст] : пер. с англ. / Д. Паттерсон, Дж.
Хеннесси. — 4-е изд. — М.- СПб. : Питер, 2012. — 784 с.
2. Торба, А. А. Компьютерная электроника и схемотехника [Текст] :
учеб. пособие / А. А. Торба. — Х. : СМИТ, 2009. — 404 с.
3. Баула, В. Г. Архитектура ЭВМ и операционные среды [Текст] :
учебник для студ. высш. учеб. заведений / В. Г. Баула, А. Н. Томилин,
Д. Ю. Волканов. — М. : Академия, 2011. — 336 с.
4. Жмакин А.П. Архитектура ЭВМ. Сер. Учебная литература для
ВУЗ'ов. — СПб.: БХВ-Петербург, 2010. — 352 с.

5. Организация ЭВМ и систем (лекция 19.10.2009)

Рівні подання IТ-систем та
IТ-фахівців
Суспільство
Звичайні користувачі
Інформаційні системи
Професіональні користувачі
Програмне забезпечення
Прикладні програмісти
Апаратне забезпечення
Системні програмісти
Електронні компоненти
Розробники пристроїв
Схемотехніки
Фізика
Логіка
Матеріальний
світ
Ідеальний
світ
Организация ЭВМ и систем (лекция 19.10.2009)
Технологи, фізики

6. Организация ЭВМ и систем (лекция 19.10.2009)

Структура знаний в
компьютерной технике
“Нельзя объять необъятное”, как и сразу всю нашу область знаний сегодня
Учетные
Управленческие
Вычислительные
Коммуникационные
Web
CAD/CAM
Базы
данных
Системное
Прикладное
Инструментальное
Встроенное
Сети
Проектирование
Разработка
Изготовление
Эксплуатация
Применение
Взлом
Защита
Архитектура
Схемы и алгоритмы
Схемотехника
Элементы, узлы
Устройства, блоки
Технология
ЭВМ, системы
Конструкция
μПроцессоры, μконтроллеры
Интерфейсы

7. Организация ЭВМ и систем (лекция 19.10.2009)

Побажання щодо ваших знань
ПІСЛЯ вивчення курсу …
• Принципи побудови та функціонування ЕОМ:
Загальні принципи, що лежать в основі організації ЕОМ
Як працює ЕОМ зсередини (як виконує команди і операції)
Як апаратура взаємодіє з ПЗ під час розв’язання задач
Як ЕОМ взаємодіє з навколишнім світом
• Основні характеристики мереж та методи комутації
• Основні “вузькі місця” інформаційного обігу в обчислювальних
системах
• Загальні тенденції розвитку обчислювальних систем та мереж
Организация ЭВМ и систем (лекция 19.10.2009)

8. Организация ЭВМ и систем (лекция 19.10.2009)

Побажання щодо ваших вмінь
ПІСЛЯ вивчення курсу …
•Підбирати конфігурацію ЕОМ для роботи в конкретних умовах
• Розбиратися (в принципі, за допомогою додаткової технічної
інформації) в будь-яких питаннях організації обчислювальних
систем
• Налагоджувати параметри систем
• Не боятися “влізти” хоча б в свою ЕОМ
• Визначати несправний блок або вузел ЕОМ та замінювати його
Организация ЭВМ и систем (лекция 19.10.2009)

9. Вступ у дисципліну

«…Телевизор отупляет и убивает много времени.
Выключите его, и вы сохраните несколько клеток вашего
мозга. Однако будьте осторожны — отупеть можно и за
компьютером Apple»
Стивен Пол Джобс

10. Термінологія

Система (от др.-греч. σύστημα — целое, составленное из
Архитектура системы — принципиальная организация
частей; соединение)
—
множество
элементов, находящихся в
Что
такое
система?
отношениях и связях друг с другом, которое образует
определённую целостность, единство.
Что такое архитектура системы?
системы, воплощенная в её элементах, их взаимоотношениях
друг с другом и со средой, а также принципы, направляющие её
проектирование и эволюцию.

11. Система

наличие цели создания;
вход
взаимодействие и взаимосвязь
x
элементов;
появление новой
функциональности или достижение
уровня производительности не
равного сумме элементов;
регулярность;
наличие механизма управления…
Внешние условия
h
cистема
f
y=f(x,h)
Механизм
Устройство
Комплекс
Инфрастуктура
…
выход
y

12. Складна система

большое число элементов и
связей;
наличие подсистем;
существование нескольких
уровней функционирования;
наличие нескольких
способов достижения целей;
невозможность/сложность
точного описания состояния
элементов и их взаимосвязей.
h
x
f2
f4
f1
f3
y

13. Комп’ютерні системи

Компьютерная система
(computer system) – это
система, в которой часть
функций реализована с
использованием средств
вычислительной
(микропроцессорной)
техники.

14. Комп’ютерні системи

Компьютерная система – это
система, объединяющая
компьютеры и периферийное
оборудование (принтеры, сканеры,
маршрутизаторы и т.д.) в единую
инфраструктуру.

15. Термінологія

Структура системы - это совокупность
элементов и их связей.
Различают структуры технических, программных и аппаратурнопрограммных средств.
Архитектура ЭВМ - это многоуровневая
иерархия аппаратно-программных средств, из
которых строится ЭВМ.

16. Термінологія

Компьютер — это машина, которая может
Что такое
компьютер?
решать задачи,
исполняя
данные ей команды.
Последовательность команд, описывающих
решение определенной
называется
Что такоезадачи,
программа?
программой.

17. Термінологія

Вычислительная система - это
совокупность одного или нескольких
компьютеров (или процессоров),
программного обеспечения и периферийного
оборудования, организованная для
совместного выполнения информационновычислительных процессов.

18. Термінологія

Вычислительная система - это
совокупность одного или нескольких
компьютеров (или процессоров),
программного обеспечения и периферийного
оборудования, организованная для
совместного выполнения информационновычислительных процессов.

19. Отличия между ЭВМ и ВС:

Формальное – по числу вычислительных модулей
Множественность вычислительных модулей позволяет
организовывать параллельную обработку
Диалектическое – ВС является противопоставлением ЭВМ:
ЭВМ
ВС
Последовательная
Параллельная
Архитектура системы
Фиксированная
Программируемая
Элементы системы
Неоднородные
Сопряженные
Обработка информации

20. Организация компьютеров

Существует огромная разница
между тем, что удобно людям,
и тем, что могут компьютеры.
Люди хотят сделать X, но
компьютеры могут сделать
только Y. Из-за этого возникает
проблема…

21. Организация компьютеров

Язык программирования (programming language) —
формализованный язык для описания программ и
алгоритмов решения задач на ЭВМ. Языки
программирования являются искусственными; в них
синтаксис и семантика строго определены, они не
допускают свободного толкования выражения, что
характерно для естественного языка.
Языки программирования подразумевают
использование команд, более удобных для
человека, чем встроенные машинные
команды.

22. Организация компьютеров

Язык, которым оперирует человек, будем называть Я1.
Встроенные машинные команды тоже формируют
язык, и мы будем называть его Я0. Компьютер может
исполнять только те программы, которые написаны на
его машинном языке Я0.
Что проще – выучить человеку машинный
язык Я0 или научить компьютер понимать
команды на языке Я1?

23. Организация компьютеров

Существуют два основных
подхода – трансляция и
интерпретация.
Трансляция:
Подразумевает замену каждой команды Я1 эквивалентным набором
команд на языке Я0.
В этом случае компьютер исполняет новую программу, написанную на языке
Я0, вместо старой программы, написанной на Я1.

24. Организация компьютеров

Интерпретатор:
При создании на языке Я0 программы получает
в качестве входных данных программы,
написанные на языке Я1. При этом каждая
команда языка Я1 обрабатывается поочередно,
после чего сразу исполняется эквивалентный ей
набор команд языка Я0. Эта технология не
требует составления новой программы на Я0.

25. Организация компьютеров

Транслятор и интерпретатор: отличия
При трансляции вся программа Я1 «переделывается» в
программу на Я0, программа Я1 отбрасывается, а новая
программа на Я0 загружается в память компьютера и
затем исполняется. Во время выполнения
сгенерированная программа на Я0 управляет работой
компьютера.
При интерпретации каждая команда программы на Я1
перекодируется в Я0 и сразу же исполняется.
Транслированная программа при этом не создается.
Работой компьютера управляет интерпретатор

26. Организация компьютеров

АРХИТЕКТУРА
Большинство
современных
компьютеров
состоит из двух и
более уровней.

27. История компьютера

Аппаратное обеспечение – это всего лишь
окаменевшее программное обеспечение
К.П. Ленц
Более детально:
http://istrasvvt.narod.ru/index.htm

28.

Первые счетные устройства
3000 лет до н. э. - в Древнем Вавилоне были изобретены первые
счёты - абак. Доска абака была разделена линиями на полосы,
счёт осуществлялся с помощью размещённых на полосах камней
или других подобных предметов.
500 лет до н. э. - в Китае появился более «современный»
вариант абака с косточками на соломинках — суаньпань.
Суаньпань представляет собой прямоугольную раму, в которой
параллельно друг другу протянуты проволоки или веревки
числом от девяти и более. Перпендикулярно этому направлению
суаньпань перегорожен на две неравные части.
XVI век - в России появились счёты, в которых было 10
деревянных шариков на проволоке.

29.

Первые механические
суммирующие машины (1492г.)
Леонардо да Винчи
(1452-1519)
скульптор, художник, музыкант,
архитектор, ученый и гениальный
изобретатель
Леонардо да Винчи (1452-1519) в конце XV века создал эскиз 13- разрядного
суммирующего устройства с десятизубными кольцами. Чертежи данного устройства
были найдены среди двухтомного собрания Леонардо по механике, известного как
"Codex Madrid". В 1968 г была построена модель счетного устройства.
Модель поддерживала постоянное отношение десяти к одному в каждом из его 13
цифровых колес. После полного оборота первой ручки, колесо единиц немного
поворачивалось, чтобы отметить новую цифру в пределах от ноля до девяти.
В соответствии с пропорцией десять к одному, десятый оборот первой ручки заставляет
колесо единиц совершить полный оборот и стать на ноль, который в свою очередь
сдвигает колесо десятков с ноля на единицу. Каждое последующее колесо, отмечающее
сотни, тысячи и т.д., действует подобным же образом.

30.

Суммирующая машина Паскаля (1642г.)
Блез Паскаль
(1623-1662)
Великий французский
математик и физик
Желая облегчить работу отца, занимавшего должность королевского чиновника, Блез Паскаль
решил создать машину, которая бы автоматически производила все арифметические действия.
Три года продолжалась упорная работа над арифмометром и в 1642 гуду Блез Паскаль
сконструировал первое механическое счетное устройство – суммирующую машину
(калькулятор).
В суммирующей машине Паскаля десятичные цифры шестизначного числа задавались
поворотами дисков с цифровыми делениями, а результат операции можно было прочитать в
шести окошечках - по одному на каждую цифру десятичного числа).
Диски были механически связаны, при сложении можно было
учесть «перенос единицы» в следующий десятичный разряд.
Диск «единиц» был связан с диском «десятков», диск
«десятков» — с диском «сотен» и т.д.
Если при повороте диск проходил через 0, то следующий диск
поворачивался на один зубец.
Этот поворот, в свою очередь, мог вызвать поворот на зубец
следующего диска (например, при прибавлении 1 к числу 99)
и т.д.

31.

Арифмометр Лейбница (1673г.)
Готфрид Вильгельм Лейбниц
(1646-1716)
известный немецкий
философ и математик
В 1673 году выдающийся немецкий ученый Готфрид Лейбниц построил первую счетную
машину, способную механически выполнять все четыре действия арифметики. Ряд
важнейших ее механизмов применяли вплоть до середины 20 века в некоторых типах
машин. Главным достоинством вех этих машин являлись более высокие, чем у человека,
скорость и точность вычислений. Их создание продемонстрировало принципиальную
возможность механизации интеллектуальной деятельности человека.
Лейбниц первый понял значение и роль двоичной системы счисления в рукописи на
латинском языке, написанной в марте 1679 года Лейбниц разъясняет, как выполнять
вычисление в двоичной системе, в частности умножение, а позже в общих чертах
разрабатывает проект вычислительной машины, работающей в двоичной системе
счисления. Вот что он пишет: "Вычисления такого рода можно было бы выполнять и на
машине. Несомненно, очень просто и без особых затрат это можно сделать следующим
образом: нужно проделать отверстия в банке так, что бы их можно было открывать и
закрывать. Открытыми будут те отверстия, которые соответствуют 1, а закрытыми
соответствующие 0. Через открытые отверстия в желоба будут падать маленькие кубики или
шарики, а через закрытые отверстии ничего не выпадет. Банка будет перемещаться и
сдвигаться от столбцак столбцу, как того требует умножение. Желоба будут представлять
столбцы, причем ни один шарик не может попасть из одного желоба в какой либо другой,
пока машина не начнет работать...".

32.

Появление перфокарт (1801г.)
В 1801 г. французский изобретатель Жозеф Мари
Жаккар разработал ткацкий станок, в котором
вышиваемый узор определялся перфокартами.
Серия карт могла быть заменена, и смена узора не
требовала изменений в механике станка.
Это было важной вехой в
истории программирования.
Жозеф Мари Жаккар
(1752-1834)
французский изобретатель

33.

Аналитическая машина
Чарльза Беббиджа (1822г.)
Чарльз Беббидж
(1791-1871)
английский математик
В начале 19 века Чарльз Бэббидж сформулировал основные положения, которые
должны лежать в основе конструкции вычислительной машины принципиально
нового типа:
• в машине должен быть "склад" для хранения цифровой информации
(в современных ЭВМ это - запоминающее устройство.)
• в машине должно быть устройство, осуществляющее операции над числами,
взятыми со "склада". Бэббидж называл такое устройство "мельницей".
(в современных ЭВМ - арифметическое устройство.)
• в машине должно быть устройство для управления последовательностью
выполнения операций, передачей чисел со "склада" на "мельницу" и обратно, т.е.
устройство управления.
• в машине должно быть устройство для ввода исходных данных и показа
результатов, т.е. устройство ввода-вывода.
Эти исходные принципы, изложенные почти 200 лет назад, полностью реализованы в
современных ЭВМ, но для 19 века они оказались преждевременными. Бэббидж
сделал попытку создать машину такого типа на основе механического арифмометра,
но ее конструкция оказалась очень дорогостоящей, и работы по изготовлению
действующей машины закончить не удалось.

34.

Аналитическая машина
Чарльза Беббиджа (1822г.)
С 1834 года и до конца жизни Бэббидж работал над проектом аналитической
машины, не пытаясь ее построить. Только в 1906 году его сын выполнил
демонстрационные модели некоторых частей машины. Если бы
аналитическая машина была завершена, то, по оценкам Бэббиджа, на
сложение и вычитание потребовалось 2 секунды, а на умножение и деление
– 1 минута.
В 1991 году, к двухсотлетию со дня рождения ученого, сотрудники
лондонского Музея науки воссоздали по его чертежам 2,6-тонную
«разностную машину №2», а в 2000 году – еще и 3,5-тонный принтер
Бэббиджа. Оба устройства, изготовленные по технологиям середины
XIX века, превосходно работают – в расчётах Бэббиджа было найдено
всего две ошибки.
Часть машины Бэббиджа, собранная после его смерти сыном из
частей, найденных в лаборатории.

35.

Первый программист
Ч. Бэббидж разрабатывал конструкцию аналитической машины в одиночку.
Он часто посещал промышленные выставки, где были представлены
различные новинки науки и техники. Именно там состоялось его знакомство
с Адой Августой Лавлейс (дочерью Джорджа Байрона), которая стала его
очень близким другом, помощником и единственным единомышленником.
В 1840 году Бэббидж ездил по приглашению итальянских математиков в
Турин, где читал лекции о своей машине. Луиджи Менабреа,
преподаватель Туринской артиллерийской академии, создал и опубликовал
конспект лекций на французском языке.
Ада Лавлейс
(1815-1852)
дочь поэта Джорджа
Байрона
Позже Ада Лавлейс перевела эти лекции на английский язык, дополнив их
комментариями по объёму превосходящих исходный текст. В комментариях
Ада сделала описание ЦВМ и инструкции по программированию к ней. Это
были первые в мире программы. Именно поэтому Аду Лавлейс справедливо
называют первым программистом.

36.

Табулятор (1884г. – 1887г.)
Герман Холлерит разработал электрическую табулирующую систему,
оборудование для работы с перфокартами, которая использовалась в
переписях населения США 1890 и 1900 годов и России в 1897 году.
Машина Холлерита оказалась настолько быстродействующей, что
предварительные подсчеты были завершены через 6 недель, а полный
статистический анализ занял всего два с половиной года.
В 1896 Холлерит создал компанию
TMC (Tabulating Machine Company)
для продвижения своих табулирующих
машин.
Герман Холлерит
(1860-1929)
В 1911 он продал свою компанию, и она вошла в промышленный
конгломерат C-T-R, созданный предпринимателем Чарльзом
Флинтом. В 1924 C-T-R была переименована в IBM
(International Business Machines).

37.

Термин “Компьютер” (1897 год)
Впервые трактовка слова компьютер появилась в 1897 году в Оксфордском английском словаре.
Его составители тогда понимали компьютер как механическое вычислительное устройство.
В 1946 году словарь пополнился дополнениями, позволяющими разделить понятия
цифрового, аналогового и электронного компьютера.
Слово компьютер является производным от английских слов to compute, computer, которые
переводятся как «вычислять», «вычислитель» (английское слово, в свою очередь, происходит от
латинского computo - «вычисляю»).
Первоначально в английском языке это слово означало человека, производящего
арифметические вычисления с привлечением или без привлечения механических устройств.
В дальнейшем его значение было перенесено на сами машины, однако современные
компьютеры выполняют множество задач, не связанных напрямую с математикой..

38.

Первый аналоговый механический
компьютер (1927г.)
Вэни́ вар Буш — американский инженер, разработчик
аналоговых компьютеров, администратор и организатор
научных исследований и научного сообщества.
Вэнивар Буш
(1890-1974)
американский инженер
Советник по науке при
президенте Рузвельте.
Он создал аналоговый
компьютер, применявшийся
при расчёте траектории
стрельбы корабельных орудий.

39.

Первый механический арифмометр
Шведский инженер Вильгодт Теофил Однер изобрел точную и
практичную механическую вычислительную машину - арифмометр.
Однер много лет прожил в Санкт-Петербурге, где и основал
фабрику, производившую арифмометры, в 1880 году.
После революции 1917 года
фирма Однера была
вынуждена
перенести свою
деятельность в Швецию.
Вильгодт Теофил Однер
(1845-1903)
Арифмометры Однера пользовались большим успехом
и их производство продолжалось до 1970-х годов.

40.

Арифмометр “Феликс” СССР (1929г.)
«Феликс» — самый распространённый в СССР арифмометр.
Выпускался с 1929 по 1978 гг. на заводах счётных
машин в Курске, в Пензе и в Москве. Эта счётная
машина относится к рычажным арифмометрам
Однера.
Она позволяет работать с операндами длиной до 9 знаков и
получать ответ длиной до 13 знаков (до 8 для частного).
Устройство машины оптимизировано для минимальной цены,
в результате арифмометр стоил порядка 13 рублей (1970-е),
но качество изготовления оставляло желать лучшего. С
другой стороны, в арифмометре использован очень простой и
в то же время надёжный транспортный механизм каретки,
отличающий его от всех западных аналогов.

41.

Машина Тьюринга.
Основы теории алгоритмов (1936г.)
Машина Тьюринга - абстрактная
вычислительная машина была предложена
Аланом Тьюрингом в 1936 году для
формализации понятия алгоритма.
Код немецкой шифровальной машины
«Энигма» был подвергнут анализу с помощью
электромеханических машин.
Алан Тьюринг
(1912-1954)
английский математик,
логик
Подобная машина, разработанная Аланом
Тьюрингом и Гордоном Уэлшманом исключала
ряд вариантов путём логического вывода,
реализованного электрически.
Большинство вариантов приводило к
противоречию, несколько оставшихся уже
можно было протестировать вручную.

42.

Первый компьютер, собранный с применением
электронных вакуумных ламп
Американский ENIAC – первый широкомасштабный электронный
цифровой компьютер, который можно было
перепрограммировать для решения полного диапазона задач.
Построен в 1946 году по заказу Армии США в лаборатории
баллистических исследований для расчетов таблиц стрельбы.
Запущен 14 февраля 1946 г.
Использовался для предсказания погоды, аэродинамики,
изучения космоса.
Это стало ключевым моментом в разработке вычислительных машин, прежде всего из-за огромного
прироста в скорости вычислений, но также и по причине появившихся возможностей для
миниатюризации.
Созданная под руководством Джона Мокли и Дж. Преспера Эккерта, эта машина была в 1000 раз
быстрее, чем все другие машины того времени.

43.

Первый компьютер, собранный с применением
электронных вакуумных ламп
В конструкцию ENIAC входило 18 тысяч вакуумных
ламп и около 1500 реле, машина занимала отдельное
помещение площадью в 85 квадратных метров, весила
30 тонн и потребляла 150 киловатт энергии. В отличие
от своих предшественников, ENIAC имела вместо
зубчатых колес для хранения числовых значений
замкнутые цепи из 10 специальных электронных
переключателей – триггеров (триггер – это
переключательное устройство, которое достаточно
долго сохраняет одно из двух состояний равновесия и
скачкообразно переключается из одного состояния в
другое по сигналу извне).
Один из самых больших недостатков этого компьютера – устройство ввода. Сейчас это даже представить трудно – ввод
информации в машину осуществлялся посредством переключения контактных коммутаторов на 40 наборных досках,
каждая из которых была оснащена несколькими тысячами проводов, а общее их число составляло 6 000. Чтобы
переключить компьютер на другую задачу, у «операторов» уходило порою до нескольких дней. Если перегорала одна из
них, то компьютер объявлял перерыв – техники вручную перебирали все лампы, пока не находили виновницу сего
торжества. На это также уходило довольно много времени. Второй недостаток ENIAC′а – 18 тысяч вакуумных ламп.

44.

Архитектура фон Неймана (1946г.)
Переработав идеи Экерта и Мокли, а также, оценив ограничения
«ЭНИАК», Джон фон Нейман написал широко цитируемый отчет,
описывающий проект компьютера (EDVAC), в котором и программа, и
данные хранятся в единой универсальной памяти. Принципы
построения этой машины стали известны под названием
«архитектура фон Неймана» и послужили основой для разработки
первых по-настоящему гибких, универсальных цифровых
компьютеров.
Джон Нейман (1903-1957)
американский математик
Память на ферритовых сердечниках.
Каждый сердечник - один бит
Первой работающей машиной с архитектурой фон Неймана стала Манчестерская малая
экспериментальная машина, созданная в Манчестерском университете в 1948 году; в 1949 году за
ним последовал компьютер Манчестерский Марк I, который уже был полной системой, с трубками
Уильямса и магнитным барабаном в качестве памяти, а также с индексными регистрами.

45.

Принципы фон Неймана
1. Принцип использования двоичной системы счисления для
представления данных и команд.
2. Принцип программного управления.
3. Программа состоит из набора команд, которые выполняются
процессором друг за другом в определенной последовательности.
4. Принцип однородности памяти.
5. Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же
памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления — чаще всего
двоичной). Над командами можно выполнять такие же действия, как и
над данными.
6. Принцип адресуемости памяти.
7. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный
момент времени доступна любая ячейка.
8. Принцип последовательного программного управления
9. Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения
другой.
10.Принцип условного перехода.

46.

Первое поколение компьютеров
(1938г. – 1956г.)
Особенности:
1.
Наличие электронных вакуумных ламп (диоды и триоды).
2.
Устройства памяти на электростатических трубках.
3.
Для каждого компьютера свой машинный язык (способ записи команд,
допускающий их непосредственное выполнение на данном компьютере).
4.
Невысокая производительность до несколько тыс. операций в секунду, емкость оперативной
памяти – 2К или 2048 машинных слов длиной 48 двоичных знаков.
5.
Архитектура фон Неймана.
6.
Ограниченная область применения.
Машины первого поколения предназначались для решения
сравнительно несложных научно-технических задач.
К этому поколению ЭВМ можно отнести:
МЭСМ, БЭСМ-1, М-1, М-2, М-З, “Стрела”, “Минск-1”, “Урал-1”,
“Урал-2”, “Урал-3”, M-20, "Сетунь", БЭСМ-2, "Раздан".
Они были значительных размеров, потребляли большую
мощность, имели невысокую надежность работы и слабое
программное обеспечение.

47.

Первые электромеханические
цифровые компьютеры Z-серия
В 1936г. им построена модель механической вычислительной машины, в которой
использовались двоичная система счисления, форма представления чисел с плавающей
запятой, трехадресная система программирования и перфокарты. Условный переход при
программировании не был предусмотрен. Затем в качестве элементной базы Цузе выбирает
реле, которое к тому времени давно применялись в различных областях техники.
В 1938 году Цузе изготовил модель машины Z1 на 16 машинных слов, в следующем году модель Z2, и еще через 2 года он построил первую в мире действующую вычислительную
машину с программным управлением, которая демонстрировалась в Германском научноисследовательском центре авиации.
Это была релейная двоичная машина, имеющая память
6422-разрядных числа с плавающей запятой: 7 разрядов для порядка и 15 - для мантиссы. В арифметическом блоке
использовалась параллельная арифметика. Команда
Конрад Цузе
включала операционную и адресную части. Ввод данных
(1903-1957)
осуществлялся с помощью десятичной клавиатуры.
немецкий инженер
Предусмотрен цифровой вывод, а также автоматическое
преобразование десятичных чисел в двоичные и обратно.
Все эти образцы машин были уничтожены во время бомбардировок в ходе второй
мировой войны. После войны Цузе изготовил модели Z4 и Z5.

48.

Первый в мире электронный
цифровой компьютер (1939г.)
Джон Атанасов
(1903-1995)
американский физик,
математик и инженерэлектрик болгарского
происхождения
В Университете штата Айова Джон Атанасов и его
аспирант Клиффорд Берри создали (а точнее разработали и начали монтировать) первый в США
электронный цифровой компьютер (англ. AtanasoffBerry Computer - ABC ). Хотя эта машина так и не была
завершена (Атанасов ушёл в действующую армию),
она, как пишут историки, оказала большое влияние на
Джона Мочли, создавшего двумя годами позже ЭВМ
ЭНИАК.
Электронный компьютер, использовал для
представления чисел двоичную систему счисления.
Атанасов и Берри взяли за основу
булеву алгебру (английский математик
XIX века Джордж Буль).
В основе булевой алгебры лежит интерпретация элементов
булевой алгебры, как высказываний, принимающих
значение «истина» и «ложь». Атанасов и Берри применили
эту концепцию для электронных устройств. Истине
соответствовало прохождение электрического тока, а лжи –
его отсутствие.

49.

Первые ЭВМ в СССР - МЭСМ
(1951г.), БЭСМ (1952г.)
В начале 50-х годов в Киеве в лаборатории моделирования и
вычислительной техники Института электротехники АН УССР под
руководством академика С. А. Лебедева создавалась МЭСМ (Малая
Электронная Счетная Машина) - первая советская ЭВМ.
Функционально- структурная организация МЭСМ была предложена
Лебедевым в 1947 году. Первый пробный пуск макета машины состоялся
в ноябре 1950 года, а в эксплуатацию машина была сдана в 1951 году.
МЭСМ работала в двоичной системе, с трехадресной системой команд,
причем программа вычислений хранилась в запоминающем устройстве
оперативного типа.
Сергей Алексеевич Лебедев
(1902-1974)
академик АН СССР и
АН УССР
Машина Лебедева с параллельной обработкой слов представляла собой
принципиально новое решение. Она была одной из первых в мире и
первой на европейском континенте ЭВМ с хранимой в памяти
программой.
В 1952г. создается Быстродействующая Электронная Счетная Машина – БЭСМ.

50.

Второе поколение компьютеров (1956г. – 1963г.)
Особенности:
Электронные вакуумные лампы заменяются транзисторами.
Появляются устройства памяти на магнитных сердечниках.
Расширилось использование оборудования ввода-вывода.
Появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными
лентами, магнитными барабанами и первые магнитные диски, принтер,
графопостороитель.
5. Быстродействие - до сотен тысяч операций в секунду, емкость памяти - до
нескольких десятков тысяч слов.
6. Появились языки высокого уровня.
7. Гос.организации и крупные компании используют компьютеры для решения
различных задач (финансовых, сложных математических и инженерных
расчетов, обработки больших объемов данных и т.д.).
1.
2.
3.
4.

51.

Первый компьютер, построенный на
транзисторах (1956г.)
Инженеры из Bell Labs Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Брэттен
изобретают транзистор.
Транзисторы занимали в 200 раз меньше места и потребляли в 100
раз меньше энергии. Первый построенный на транзисторах
компьютер 1956 г.
В 1954 году компания Texas Instruments объявила о начале
серийного производства транзисторов.
В 1956 году ученые Массачусетского технологического института создали
первый построенный на транзисторах компьютер ТХ-О.
Транзисторы, в качестве миниатюрной и более эффективной
замены электровакуумным лампам, совершили революцию
в вычислительной технике

52.

Компьютеры, построенные на транзисторах
В 1959 году на основе транзисторов IBM выпустила мейнфрейм IBM 7090 и
машину среднего класса IBM 1401.
Последняя использовала перфокарточный ввод и стала самым популярным
компьютером общего назначения того времени: в период 1960 -1964 гг.
было выпущено более 100 тыс. экземпляров этой машины. В ней
использовалась память на 4000 символов (позже увеличенная до 16 000
символов). Многие аспекты этого проекта были основаны на желании
заменить перфокарточные машины, которые широко использовались
IBM 1620
начиная с 1920-х до самого начала 1970-х гг.
В 1960 году IBM выпустила транзисторную IBM 1620, изначально только перфоленточную, но вскоре
обновлённую до перфокарт. Модель стала популярна в качестве научного компьютера, было выпущено
около 2000 экземпляров. В машине использовалась память на магнитных сердечниках объёмом до
60 000 десятичных цифр.
Лучшей отечественной ЭВМ 2-го поколения считается БЭСМ-6, созданная в 1966 году.

53.

Прототипы первых винчестеров (1956г.)
Появляется устройство, получившего название RAMAC 305.
Оно стало прообразом того, что сегодня носит аббревиатуру HDD
или просто жесткий диск .
Весил первый винчестер около 900 килограмм, а его емкость
составляла всего 5 Мбайт.
Главная инновация заключалась в использовании 50 алюминиевых
круглых постоянно вращающихся пластин, на которых носителями
информации являлись намагниченные элементы.
Это позволило обеспечить произвольный доступ к файлам, что одновременно и значительно
повышало скорость обработки данных.
Но удовольствие это было не из дешевых - обходилось оно в сумму $50 000 по ценам того
времени.

54.

Интегральные микросхемы (1958г.)
1958 год.
Джек Килби из Texas Instruments и Роберт Нойс (впоследствии
основал INTEL) из Fairchild Semiconductor независимо друг от
друга изобретают интегральную схему.
Обоих объединил вопрос: «Как в минимум места вместить
максимум компонентов?». Транзисторы, резисторы,
конденсаторы и другие детали в то время размещались на
платах отдельно, и учёные решили попробовать их
объединить на одном монолитном кристалле из
полупроводникового материала. Только Килби
воспользовался германием, а Нойс предпочёл кремний.

55.

Третье поколение компьютеров
(1964г. – 1971г.)
Особенности:
1. Наличие единой архитектуры, то есть программно совместимых компонентов.
2. В качестве элементарной базы в них используются интегральные схемы, которые также
называются микросхемами.
3. Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают
возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких
программ.
В 1964 г. IBM начинает массовое производство компьютеров .
Было выпущено примерно 20 000 экземпляров IBM System 360, построенных на основе
интегральных микросхем.
Примерами компьютеров третьего поколения являются компьютеры - IBM-370, EC ЭВМ (Единая
система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др.
IBM-360
IBM-370

56.

Третье поколение компьютеров (1964г. – 1971г.)
В СССР под руководством Глушкова В.М. в 1966 году была
разработана первая персональная ЭВМ МИР-1 (машина для
инженерных расчётов). Имела ряд уникальных особенностей, таких
как аппаратно реализованный машинный язык, близкий по
возможностям к языкам программирования высокого уровня, развитое
математическое обеспечение. Фактически относится к классу
вычислительных машин, которые впоследствии получили название
рабочих станций.
Виктор Михайлович Глушков
(1923-1982)
советский математик,
кибернетик

57.

Первая компьютерная мышь (1967г.)
Дуглас Карл Энгельбарт
(1925-2013)
Энгельбарт был автором более 25 научных работ, имел 20 патентов на
изобретения, множество наград (в 1992 году был награждён медалью
«Пионер компьютерной техники», в 1997 году премией Тьюринга, в 2001
году Британским компьютерным сообществом был награждён медалью
Лавлейс, в 2005 получил премию имени Норберта Винера). Кроме того,
Энгельбарт создал:
• первую систему обмена текстовыми сообщениями;
• протоколы для виртуальных терминалов;
• множественные окна (открытие нового сегмента
данных для прикладной программы при запуске);
• протокол удалённого доступа;
• ссылки, работал в области гипермедиа.
один из первых исследователей
человеко-машинного интерфейса и
изобретатель компьютерного
манипулятора – мыши
Первая компьютерная мышь

58.

Четвертое поколение компьютеров
(1971г. – середина 80-х)
Особенности:
1. Применение персональных компьютеров.
2. Телекоммуникационная обработка данных.
3. Объединение в компьютерные сети.
4. Широкое использование систем управления базами данных.
5. Элементы интеллектуального поведения систем обработки данных и устройств.
Четвертое поколение ЭВМ характеризуется появлением интегральных схем,
относящихся к классу больших, а также так называемых сверхбольших. В
архитектуре ПК появилась ведущая микросхема - процессор. ЭВМ по своей
конфигурации стали ближе к рядовым гражданам. Пользование ими стало
возможным при минимальной квалификационной подготовке, в то время как
работа с ЭВМ предыдущих поколений требовала профессиональных навыков.
Модули ОЗУ стали выпускаться не на основе ферритовых элементов, а на базе
CMOS-микросхем. К четвертому поколению ЭВМ принято относить и первый
компьютер Apple, собранный в 1976 году Стивом Джобсом и Стефаном
Возняком. Многие IT- эксперты считают, что Apple - первый в мире
персональный компьютер.

59.

Четвертое поколение компьютеров
(1971г. – середина 80-х)
К отечественным продуктам этого поколения можно отнести ЭВМ ЕС: ЕС-1015, 1025, -1035, -1045, - 1055, -1065 (“Ряд 2”), -1036, -1046, -1066, СМ-1420, -1600, 1700, все персональные ЭВМ (“Электроника МС 0501”, “Электроника-85”,
“Искра-226”, ЕС-1840, -1841, -1842 и др.), а также другие типы и модификации.
К ЭВМ четвертого поколения относится также многопроцессорный вычислительный
комплекс "Эльбрус". "Эльбрус-1КБ" имел быстродействие до 5,5 млн. операций с
плавающей точкой в секунду, а объем оперативной памяти до 64 Мб. У "Эльбрус-2"
производительность до 120 млн. операций в секунду, емкость оперативной памяти
до 144 Мб или 16 Мслов ( слово 72 разряда), максимальная пропускная
способность каналов ввода-вывода - 120 Мб/с. «Эльбрус-2» использовался в
ядерных центрах, системе противоракетной обороны и других отраслях
«оборонки».

60.

Первый персональный компьютер IBM (1981г.)
Фирма IBM (International Business Machines Corporation ) до конца 70-х годов была ведущей компанией по производству больших ЭВМ. К этому
времени появились (с 1975 г.) и стали широко распространяться персональные компьютеры, построенные на основе микропроцессоров фирмы
INTEL.Это были первые компьютеры IV поколения. Название "персональные" означает , что устройства ввода информации в компьютер и вывода
информации пользователю (клавиатура и дисплей ) предназначены для общения с "персоной", т.е. с человеком. В конце 1981 г. фирма IBM впервые
выпустила персональный компьютер IBM PC на основе микропроцессора INTEL 8088. Этот компьютер был разработан с использованием блоков,
изготовленных другими фирмами. В нём был впервые использован принцип открытой архитектуры. Это означает, что заложена возможность
замены отдельных устройств на более совершенные и подключения новых устройств. Такой подход к построению компьютера обеспечил ему
грандиозный успех и позволил другим фирмам приступить к выпуску компьютеров, совместимых с компьютерами IBM.
В 1983 г. был выпущен компьютер IBM PC XT ( eXTra ), имеющий встроенный жесткий диск.
Операционная система для этого компьютера была разработана фирмой MICROSOFT и
названа MS DOS.
В 1984 г. был выпущен компьютер IBM PC AT (Advanced Technology - передовая технология) на
основе микропроцессора INTEL 80286, работающий в 3-4 раза быстрее, чем IBM PC XT.
В последствие были выпущены компьютеры IBM PC AT (386) на микропроцессоре INTEL 80386,
IBM PC AT (486) на микропроцессоре INTEL 80486 и компьютеры на микропроцессоре PENTIUM
фирмы INTEL, которые используются в настоящее время.
Таким образом, IBM PC фактически стал стандартом ПК. В наши дни компьютеры, совместимые с
IBM PC, составляют около 90% всех ПК, производимых в мире.

61.

Обзор продуктов IBM
Планшет
Сервер
Ноутбук
Жесткий диск
Рабочая станция

62.

Пятое поколение компьютеров (после 1982г.)
Особенности:
Главный упор при создании компьютеров сделан на их "интеллектуальность", внимание
акцентируется не столько на элементной базе, сколько на переход от архитектуры,
ориентированной на обработку данных, к архитектуре, ориентированной на обработку знаний.
Обработка знаний - использование и обработка компьютером знаний, которыми владеет
человек для решения проблем и принятия решений.
ЭВМ и вычислительные системы пятого поколения обладают высокой производительностью,
компактностью и низкой стоимостью (эти характеристики улучшаются в каждом следующем
поколении ЭВМ).
Основная особенность ЭВМ пятого поколения состоит в их высокой интеллектуальности,
обеспечивающей возможность общения человека с ЭВМ на естественном языке, способности
ЭВМ к обучению и т.д.
Быстродействие ЭВМ пятого поколения достигает десятков и сотен миллиардов операций в
секунду, они обладают памятью в сотни мегабайт и строятся на сверхбольших БИС, на кристалле
которых размещаются миллионы транзисторов.

63.

Обзор продуктов пятого поколения ЭВМ
26 февраля 1999 года появился Pentium III, предлагающий новые поточные SIMDрасширения: 70 новых команд, обеспечивающих улучшенные возможности обработки
изображений, трехмерной графики, видео, аудио и распознавания речи.
Принципиальным новшеством Pentium III стала идентификация: каждый процессор имеет
уникальный 96-разрядный регистрационный номер, заданный еще во время изготовления.
Этот номер может быть считан программными средствами, однако в любом случае
доступна полная блокировка указанной возможности на уровне настройки параметров BIOS
системной платы.
2000 год - Intel: Создан процессор Pentium 4, ставший первым микропроцессором, в
основе которого лежала принципиально новая по сравнению с предшественниками
архитектура седьмого поколения — NetBurst.
2001 год - Intel: Созданы мобильная модификация Pentium III, процессоры
Pentium III Xeon, Intel Itanium, Intel Xeon.

64.

Обзор продуктов пятого поколения ЭВМ
2003 год - Intel: Созданы процессоры Pentium 4 Extreme Edition.
2005 год - Intel: Создан двухядерный процессор Xeon. Системы на базе нового
двухъядерного процессора Intel Xeon обеспечивают увеличение
производительности, новые функциональные возможности, снижение уровня
энергопотребления, сокращение эксплуатационных расходов и повышение
плотности монтажа всех серверов в вычислительной инфраструктуре.
2005 год - Intel: Созданы процессоры Core Duo, двухядерные кристаллы
Itanium 2 и Core 2 Duo.

65.

Обзор продуктов пятого поколения ЭВМ
2007 год – 2009 год - Intel: Созданы четырехядерные процессоры Itanium,
Core 2 Extreme.
Компания Intel представила новые процессоры Core i7 и Core i5 для настольных
компьютеров. Новые Core i7 и Core i5 являются массовыми и достаточно
доступными по цене решениями
2010 год - Компания Apple представила свой планшетный компьютер — iPAD
7 января 2010 года был впервые представлен на выставке CES планшетный
персональный компьютер HP Slate 500, работающий под управлением ОС
Microsoft Windows 7.
Компьютер предназначен для полноценного веб-серфинга, чтения электронных
книг, компьютерных игр, прослушивания музыки, просмотра видео, просмотра
фотоальбомов и других доступных функций.

66.

Обзор продуктов пятого поколения ЭВМ
2012 год – Apple представила новый Macbook Pro.
2013 год - Intel начала поставки первого 60-ядерного процессора, который
знаменует новую эру в суперкомпьютерной отрасли. Сопроцессор Intel Xeon
Phi основан на многоядерной архитектуре Many Integrated Core (MIC) и
предназначен для работы вкупе с серверными процессорами Xeon E52600/4600.
2013 год - Корпорация Microsoft представила второе поколение планшетов
Surface. Аппарат использует процессор Intel на архитектуре Haswell и
работает под управлением Windows 8.1 Pro. Устройство получило экран Full
HD, более быстрый процессор и интерфейс USB 3.0. Планшет снабжен
подставкой, которую можно зафиксировать в двух положениях. Планшеты
Surface — собственная разработка Microsoft. .

67. Apple : стратегия

Создание продуктов, не содержащих
в себе ничего лишнего.
Создание
достаточно
простых в
обращении
продуктов,
решающих в
первую очередь
проблемы
пользователей.
Ноутбуки Macintosh
являются одними из
немногих в
индустрии,
лишенными разного
рода наклеек,
сообщающих
пользователю о
своей
характеристике.
Дизайн прост,
но в это же
время
великолепен.
Вокруг компании
сформировано
достаточно
обширное
комьюнити
преданных фанатов,
которые
моментально
разносят молву о
каждом новом
продукте.

68.

Какими должны быть ЭВМ шестого поколения?
Сейчас ведутся интенсивные разработки ЭВМ шестого поколения. Разработка последующих
поколений компьютеров производится на основе больших интегральных схем повышенной степени
интеграции, использования оптоэлектронных принципов (лазеры, голография).
Ставятся совершенно другие задачи, нежели при разработке всех
прежних ЭВМ. Если перед разработчиками ЭВМ с I по V поколений
стояли такие задачи, как увеличение производительности в области
числовых расчётов, достижение большой ёмкости памяти, то
основной задачей разработчиков ЭВМ пятого поколения является
создание искусственного интеллекта машины (возможность делать
логические выводы из представленных фактов), развитие
"интеллектуализации" компьютеров - устранения барьера между
человеком и компьютером. Компьютеры будут способны
воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с
бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу,
осуществлять перевод с одного языка на другой. Это позволит
общаться с ЭВМ всем пользователям, даже тем, кто не обладает
специальными знаниями в этой области.

69.

Какими должны могут быть современные ЭВМ?

70.

Проблемы развития элементной базы (ЭБ)
Одним из главных факторов достижения высокого быстродействия
и производительности ЭВМ - построение их на новейшей
элементной базе.
Все современные ЭВМ строятся на микропроцессорных
наборах, основу которых составляют большие (БИС) и
сверхбольшие интегральные схемы (СБИС).
Наиболее перспективными в настоящее время считаются:
1. создание молекулярных и биокомпьютеров (нейрокомпьютеров);
2. разработка квантовых компьютеров;
3. разработка оптических компьютеров.

71.

Молекулярные компьютеры
Во многих странах проводятся опыты по синтезу молекул на
основе их стереохимического генетического кода, способных
менять ориентацию и реагировать, на воздействия током,.
Например, ученые из Hewlett-Packard и
Калифорнийского университета
доказали принципиальную
возможность создания молекулярной
памяти ЭВМ на основе молекул
роксана. Продолжаются работы по
созданию логических схем, узлов и
блоков. По оценкам ученых, подобный
компьютер в 100 млрд. раз будет
экономичнее современных
микропроцессоров.

72.

Биокомпьютеры или нейрокомпьютеры
Идея создания подобных компьютеров базируется на основе теории
перцептрона — искусственной нейронной сети, способной обучаться.
Такие структуры, обладающие свойствами мозга и нервной системы,
позволяют получить целый ряд преимуществ:
1. параллельность обработки информационных потоков;
2. способность к обучению и настройке;
3. способность к автоматической классификации;
4. более высокую надежность;
5. ассоциативность.
Компьютеры, состоящие из нейроподобных элементов, могут
искать нужные решения посредством самопрограммирования, на
основе соответствия множеств входных и выходных данных.
В настоящее время уже созданы и используются программные
нейропакеты, которые доказывают возможность построения подобных
машин на СБИС.

73.

Квантовые компьютеры
Принцип работы элементов квантового компьютера основан на
способности электрона в атоме иметь различные уровни энергии. Переход
электрона с нижнего энергетического уровня на более высокий связан с
поглощением кванта электромагнитной энергии — фотона. При излучении
фотона осуществляется обратный переход. Всеми подобными переходами
можно управлять, используя действие электромагнитного поля от
атомного или молекулярного генератора. Этим исключаются спонтанные
переходы с одного уровня на другой.
Основным строительным блоком квантового компьютера служит
Quantum Bit, который может иметь большое число состояний. Для таких
блоков определен логически полный набор элементарных функций. Есть
эксперименты по созданию RISC-процессора на RSFQ-логике (Rapid Single
Flux Quantum) и проекты таких ЭВМ.

74.

Оптические компьютеры
Идея
построения
оптического
компьютера
давно
разрабатывается. Многие устройства ЭВМ используют оптику в
своем составе: сканеры, дисплеи, лазерные принтеры,
оптические диски CD-ROM и DVD-ROM. Появились и успешно
работают оптоволоконные линии связи. Остается создать
устройство обработки информации с использованием световых
потоков. Способность света параллельно распространяться в
пространстве дает возможность создавать параллельные
устройства обработки. Это позволило бы на много порядков
ускорить быстродействие ЭВМ.
Пока отсутствуют проекты создания чисто оптических
процессоров,
но
уже
проводятся
эксперименты
по
проектированию оптоэлектронных и оптонейронных устройств.

75.

Дальнейшее развитие
Каковы
же
состояние
и
прогноз
развития
микропроцессоров в настоящее время?
Основные конкуренты по производству интегральных
разрядных микросхем фирмы Intel и AMD преодолели рубеж
3,5 ГГц.
В ближайшем будущем основной путь – многоядерные
процессоры, но следует ожидать выхода микропроцессора до
5 ГГц.
Таким образом, можно сделать вывод, что в настоящее
время возможности микроэлектроники еще не исчерпаны.

76. Классификация ЭВМ

«Я не люблю машины. Я ненавижу Интернет, ненавижу
компьютеры. Они мешают нам жить, они отбирают наше
время. Люди слишком много работают за компьютерами,
они слишком много болтают, вместо того чтобы слушать
и слышать друг друга»
Рэй Бредбери

77.

Принципы построения ЭВМ
Основываясь на принципах, сформулированных фон Нейманом, традиционно
архитектура ЭВМ должна обеспечивать:
наличие единого вычислительного устройства, включающего процессор, средства
передачи информации и память;
линейную структуру адресации памяти, состоящей из слов фиксированной длины;
двоичную систему исчисления;
централизованное последовательное управление;
хранимую программу;
низкий уровень машинного языка;
наличие команд условной и безусловной передачи управления;
АЛУ с представлением чисел в форме с плавающей точкой.

78.

Принципы построения ЭВМ
Дж.Деннис в 1967г. сформулировал принципы построения
потоковых ЭВМ – должны выполняться все команды, для
которых есть данные, независимо от их места в программе;
управление
вычислительным
процессом
переходит
от
программы к данным.
В 1971-74 г.г. исследованы принципы создания машин,
управляемых заданиями, в которых выполнение операций
определяется потребностью в результате и единообразно
хранятся любые объекты: данные, программы, файлы, массивы
– редукционные ЭВМ.

79. Архитектура ЭВМ

Под архитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации
аппаратно-программных
средств
и
их
характеристик,
определяющая
функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.

80. Классификация ЭВМ

Классификация ЭВМ
ЭВМ можно классифицировать по:
Назначению.
Принципу действия
По размерам и функциональным возможностям
Способу структурной организации
Производительности.
Режимам работы

81. Классификация ЭВМ

Классификация
Классификация ЭВМЭВМ
Классификация ЭВМ по назначению:
Общего назначения
Супер ЭВМ
Минисупер ЭВМ
Мэйнфреймы
Серверы
Рабочие станции
Персональные компьютеры
Ноутбуки
Портативные компьютеры
...
Специализированные
...
Классификация ЭВМ по структуре:
• Однопроцессорные
• Многопроцессорные
Классификация ЭВМ по режимам работы:
Однопрограммные
Мультипрограммные
Мультипрограммные в составе систем
ЭВМ в системах реального времени
Классификация ЭВМ по количеству потоков команд и данных:
ЭВМ с одним потоком команд и одним потоком данных
(ОКОД, SISD);
ЭВМ с одним потоком команд и многими потоками данных
(ОКМД, SIMD);
ЭВМ с многими потоками команд и одним потоком данных
(МКОД, MISD);
ЭВМ с многими потоками команд и многими потоками
данных (МКМД, MIMD).

82. По назначению

Классификация ЭВМ. По назначению:
По назначению
универсальные (общего назначения) — предназначены для решения самых разных
инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и
других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом
обрабатываемых данных. Характерными чертами этих ЭВМ являются высокая
производительность, разнообразие форм обрабатываемых данных (двоичных,
десятичных, символьных), разнообразие выполняемых операций (арифметических,
логических, специальных), большая емкость оперативной памяти, развитая
организация ввода-вывода информации;
проблемно-ориентированные — предназначены для решение более узкого круга задач,
связанных обычно с технологическими объектами, регистрацией, накоплением и
обработкой небольших объемов данных (управляющие вычислительные комплексы);
специализированные — для решения узкого круга задач, чтобы снизить сложность и
стоимость этих ЭВМ, сохраняя высокую производительность и надежность работы
(программируемые микропроцессоры специального назначения, контроллеры,
выполняющие функции управления техническими устройствами).

83. По принципу действия

Классификация ЭВМ. По принципу действия:
По принципу действия
аналоговые вычислительные машины (АВМ) — вычислительные машины
непрерывного действия, работают с информацией, представленной в
непрерывной форме, т.е. виде непрерывного ряда значений какой-либо
физической величины (чаще всего электрического напряжения); в этом
случае величина напряжения является аналогом значения некоторой
измеряемой переменной. Например, ввод числа 19.42 при масштабе 0.1
эквивалентен подаче на вход напряжения в 1.942 В;
цифровые вычислительные машины (ЦВМ) — вычислительные машины
дискретного действия, работают с информацией, представленной в
дискретной, а точнее в цифровой, форме — в виде нескольких различных
напряжений, эквивалентных числу единиц в представляемом значении
переменной;
гибридные вычислительные машины (ГВМ) — вычислительные машины
комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в
цифровой, и в аналоговой форме.

84. Классификация ЭВМ. По размерам и функциональным возможностям

Большие ЭВМ
Малые ЭВМ
Супер ЭВМ
Микро ЭВМ или персональный компьютер
Специальные ЭВМ

85. Большие ЭВМ

Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых прошла путь
от электронных ламп до ИС со сверх высокой степенью интеграции. Однако их
производительность оказалась недостаточной для моделирования экологических
систем, задач генной инженерии, управления сложными оборонными комплексами и др.
Большие ЭВМ часто называют за рубежом MAINFRAME и слухи об их смерти сильно
преувеличены. Как правило они имеют:
производительность не менее 10 MIPS (миллионов операций с плавающей точкой в
секунду)
основную память от 64 до 10000 МВ
внешнюю память не менее 50 ГВ
многопользовательский режим работы
Основные направления использования — это решение научно-технических задач,
работа с большими БД, управление вычислительными сетями и их ресурсами в качестве
серверов. Пример:
Семейство mainframe: IBM ES/9000 ( Enterprise System), включает более 18 моделей,
реализованных на основе архитектуры IBM390.

86. Малые ЭВМ

Малые (мини) ЭВМ — надежные, недорогие и удобные в эксплуатации,
обладают несколько более низкими, по сравнению с большими ЭВМ
возможностями.
Супер-мини ЭВМ имеют:
емкость основной памяти — 4-512 МВ
емкость дисковой памяти — 2 - 100 ГВ
число поддерживаемых пользователей - 16-512.
Мини-ЭВМ ориентированы на использование в качестве управляющих
вычислительных комплексов, в системах несложного моделирования, в
АСУП, для управления технологическими процессами.
Родоначальник современных мини-ЭВМ — PDP-11,(programm driven
processor - программно-управляемый процессор) фирмы DEC (США).

87. Супер ЭВМ

Это мощные многопроцессорные ЭВМ с быстродействием сотни
миллионов - десятки миллиардов операций в секунду.
Достичь такую производительность на одном микропроцессоре по
современным технологиям невозможно, в виду конечного значения
скорости распространения электромагнитных волн (300000 км/сек),
ибо время распространения сигнала на расстояние в несколько
миллиметров (размер стороны МП) становится соизмеримым с
временем выполнения одной операции. Поэтому суперЭВМ создают
в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных
систем.
В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперЭВМ,
начиная от простеньких офисных Cray EL до мощных Cray 3, SX-X
фирмы NEC, VP2000 фирмы Fujitsu (Япония), VPP 500 фирмы
Siemens (Германия).

88. Микро ЭВМ или персональный компьютер

ПК должен иметь характеристики, удовлетворяющие
требованиям общедоступности и универсальности:
малую стоимость
автономность эксплуатации
гибкость архитектуры, дающую возможность
адаптироваться в сфере образования, науки,
управления, в быту;
дружественность операционной системы;
высокую надежность (более 5000 часов наработки на
отказ);

89. Термины микроЭВМ

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, например,
личные сведения, идентификационные шифры для охранных устройств,
данные банковского счета и т.д.

90. Специальные ЭВМ

Специальные ЭВМ ориентированы на решение специальных
вычислительных задач или задач управления. В качестве
специальной ЭВМ можно рассматривать также электронные
микрокалькуляторы. Программа, которую выполняет
процессор находится в ПЗУ или в ОП. Т.к. машина решает, как
правило, одну задачу, то меняются только данные. Это удобно
(программу хранить в ПЗУ), в этом случае повышается
надежность и быстродействие ЭВМ. Такой подход часто
используется в бортовых ЭВМ; управлении режимом работы
фотоаппарата, кинокамеры, в спортивных тренажерах.

91. Альтернативная классификация

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 (см. ниже).

92. Альтернативная классификация

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 аналогоцифровых и цифро-аналоговых 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.

93. Классификация ЭВМ. По способу структурной организации

Для увеличения скорости ЭВМ в ее состав включают
несколько процессоров. Различают:
Однопроцессорные ЭВМ
Мультипроцессорные ЭВМ (можно также выделить
квазипроцессорные ЭВМ), которые состоят как из
однотипных, так и из разнотипных процессоров
(неоднородные ЭВМ).

94. Классификация ЭВМ. По режиму и месту работы

Активная ЭВМ [active computer ] - ЭВМ, входящая в состав многомашинного
комплекса (см. вычислительная сеть) и ведущая в данный момент обработку или
готовая к немедленной обработке задач пользователей.
Дублирующая ( резервная ) ЭВМ [slave (standby) computer] - ЭВМ, ориентированная
на выполнение тех же операций, что и активная ЭВМ, но работающая в т.н.
“дежурном” или “ждущем” режиме, предусматривающем передачу ей функций
активной машины в случаях сбоев в работе или выхода из строя последней.
Периферийная ЭВМ [peripheral (satellite) computer] - 1. ЭВМ, управляющая
периферийным оборудованием;
ЭВМ, выполняющая вспомогательные функции, например, предварительный сбор и
обработку данных.
Подчиненная ЭВМ [slave computer ] - В многомашинных системах - ЭВМ,
работающая под управлением главной ( центральной) ЭВМ.
Псевдоведущая ЭВМ [take host] - ЭВМ, осуществляющая сбор статистики о работе
вычислительной сети.

95. Классификация ЭВМ. По функциям, выполняемым в многомашинных системах (комплексах)

Главная ( ведущая , центральная ) ЭВМ , ГВМ , хост[master (host, central) computer]
В многомашинных вычислительных комплексах ЭВМ, осуществляющая управление другими
ЭВМ, организацию работ в системе (вычислительной сети) и производящая основную
обработку информации .
В телекоммуникационных вычислительных сетях - ЭВМ, обеспечивающая обслуживание
сети, передачу сообщений и выполнение программ, связанных с дополнительными
функциями или задачами.
Сервер [server] В локальных вычислительных сетях - специализированная ЭВМ, управляющая
использованием разделяемых между терминалами сети дорогостоящих ресурсов
системы, например, - внешней (дисковой) памяти, баз данных, средств связи, принтеров
и т.д. По признаку характера разделяемых ресурсов различают файловые
серверы , серверы приложений и др.;
ЭВМ, выполняющая определенные функции обслуживания вычислительной сети.

96. Виды серверов 1

Почтовый сервер [mail server] - Сервер, обеспечивающий
поддержку обмена электронной почтой в рамках
сетей Интернет и Интранет.
Сервер-издатель [publishing server] - Сервер с базой данных,
которые рассылаются (“публикуются“) по другим станциям сети.
Сервер приложений [application server] - Сервер, управляющий
работой локальной сети ЭВМ при выполнении каких-либо
прикладных задач автоматизированной системы. Примерами такого
рода задач могут служить: обеспечение связи с другими локальными
и/или телекоммуникационными системами, коллективное
использование печатающих устройств и т.п. В указанной связи
различают также: серверы связи (см. ниже) и сервер печати [print
server].

97. Виды серверов 2

Сервер ( станция ) связи [gateway server ] Специализированный узел (станция,
сервер) локальной сети, обеспечивающий доступ
терминалов этой сети к внешней сети передачи
данных и другим вычислительным сетям.
Сервер ( станция ) телексной связи [telex
server] - Сервер, обеспечивающий связь
данной локальной сети и отдельных ее узлов с
телексной сетью.

98. Виды серверов 3

Файловый сервер , файл-сервер [file server] - Сервер, управляющий
созданием и использованием информационных ресурсов локальной
сети (системы ЭВМ), включая доступ к ее БД и отдельным файлам, а
также их защиту. Для поддержки и ведения “больших” и “очень
больших” баз данных, содержащих десятки миллионов записей,
используются т.н. многопроцессорные системы, способные эффективно
обрабатывать большие объемы информации и обладающие хорошим
соотношением характеристик цена/производительность.
Разновидностью файловых серверов, предназначенных для
обеспечения резервного копирования данных абонентов сети,
являются: NFS (Network File System ) и NAS(Network Attached Storage ).
Более гибкими и перспективными считаются NAS . Существует
несколько разновидностей серверов NAS , использующих различные
системы внешней памяти, в том числе - комбинированные.

99. Виды серверов 4

Телефонный сервер API [TSAPI - Telephony Server Application
Programming Interface ] – Сервер, предназначенный для
управления вызовами, мониторинга устройств, маршрутизации
вызовов и других функций связи. Разработан фирмой Novell при
участии фирмы AT&T.
Мэйнфрэйм [mainframe ] - Мощная, высокопроизводительная
ЭВМ с весьма значительным объемом оперативной и внешней
памяти, которая выполняет функции сервера в
развитых локальных вычислительных сетях (ЛВС) с большим
числом периферийных ЭВМ и терминалов (например, ЛВС
больших организаций, фирм, учебных заведений и т.д.). Данный
термин многими специалистами считается устаревшим, в связи с
развитием персональных и мини-ЭВМ

100. Виды серверов 5

Псевдо-УАТС, телефонный телекоммуникационный
сервер, – Объединение в одном продукте готового
аппаратного обеспечения, серверного программного
обеспечения и программного обеспечения телефонии для
выполнения функций учрежденческой автоматической
телефонной станции (УАТС). Указанный сервер выполняет
также функции, автоматического секретаря, голосовой
почты и факсимильной связи.
Удаленный файловый сервер [remote file server] - Сервер,
обеспечивающий телеобработку и управление
информационными ресурсами распределенной сети на
расстоянии через каналы связи.

101. Виды серверов 6

Хост-узел [host ] - Отдельная ЭВМ или их группа, имеющая
прямое сетевое соединение с Интернет, и предоставляющая
пользователям теледоступ к своим информационным
ресурсам, программно-техническим средствам и службам.
WAIS (Wide Area Information Server) - “ Сервер глобальной
информации” предоставляет доступ к неструктурированной
информации, распределенной по сети Интернет. Использует
простой язык управления, близкий к естественному. Поиск
информации производится по ключевым словам.

102. Совместимость и мобильность программного обеспечения

Совместимость программного обеспечения мера того, насколько просто объединить
различные программные изделия вместе для
нового применения.
Мобильность – возможность работы ПО в
различных ОС.

103. Классификация персональных компьютеров (ПК)

По конструктивным особенностям можно классифицировать ПК на:
Стационарные (настольные)
Переносимые:
портативные
блокноты
карманные
электронные секретари
электронные записные
книжки

104. Понятие о супер-ЭВМ, мини- и микро-ЭВМ, особенности их архитектуры

По совокупности технических характеристик (производительности,
объёму памяти, принципу реализации, характеру применения,
стоимости, габаритным размерам, и др.) различают
высокопроизводительные, сверхвысокопроизводительные,
средние, малые (мини-) и микро-ЭВМ.
Высокопроизводительные ЭВМ предназначены для решения
задач комплексного проектирования и использования в системах
управления высшего звена.
Сверхвысокопроизводительные модели ЭВМ получили за
рубежом название супер-ЭВМ, что в первую очередь означает
широкие возможности, предоставляемые пользователю, а также
способность системы проводить по сложности обработку
данных.

105. Понятие о суперЭВМ, мини- и микроЭВМ, особенности их архитектуры (2)

Средние ЭВМ имеют производительность ниже 1 млн. оп/с,
развитую конфигурацию ввода-вывода и служат для
применения в системах обработки информации коллективного
пользования, отраслевых системах автоматизированного
проектирования и системах управления.
К малым (мини-ЭВМ) относят ЭВМ с производительностью
процессора порядка сотен тысяч операций в секунду,
ограниченным объёмом оперативной памяти, упрощённой
организацией ввода-вывода.
МикроЭВМ - это обычно ЭВМ с малой ёмкостью оперативной
памяти, низкой разрядностью и познаковым вводом-выводом.

106. Понятие о суперЭВМ, мини- и микроЭВМ, особенности их архитектуры (3)

Можно предложить следующую классификацию средств
вычислительной техники, в основу которой положено их
разделение по быстродействию.
СуперЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных
задач, для обслуживания крупнейших информационных
банков данных.
Большие ЭВМ для комплектования ведомственных,
территориальных и региональных вычислительных центров.
Средние ЭВМ широкого назначения для управления
сложными технологическими производственными
процессами. ЭВМ этого типа могут использоваться и для
управления распределенной обработкой информации в
качестве сетевых серверов.

107. Понятие о суперЭВМ, мини- и микроЭВМ, особенности их архитектуры (4)

Персональные и профессиональные ЭВМ,
позволяющие удовлетворять индивидуальные
потребности пользователей. На базе этого класса
ЭВМ строятся автоматизированные рабочие
места (АРМ) для специалистов различного
уровня.
Встраиваемые микропроцессоры,
осуществляющие автоматизацию управления
отдельными устройствами и механизмами.

108. ОКМД, SIMD

Классификация ЭВМ. По количеству потоков команд и данных
ОКОД, SISD
ОКМД, SIМD
МКОД, MISD
МКМД, MIMD

109. Основные характеристики ЭВМ

Общий коэффициент эффективности:
• Эффективность
• Производительность
• Надежность
• Стоимость
• Энергопотребление
Э
P
C
ЭВМ
Э'
C
эксплуатации
P
C
C
ЭВМ
P K
Э
и
C
ЭВМ
C
Эксплуатации
ЭВМ
>> C
Эксплуатации

110.

Закон Мура
Число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца

111. Список наиболее производительных ЭВМ Параметры: Количество процессоров; Максимальная производительность Rmax (TFlops); Пиковая

производительность Rpeak (TFlops); Рассеиваемая мощность (KW).
Декабрь 2013:
Декабрь 2015: