19327

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ АРХИТЕКТУРЫ

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

АК ЛЕКЦИЯ № 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ АРХИТЕКТУРЫ Развитие Вычислительной Техники ВТ обусловлено успехами в 3х областях: 1. В технологии производства как элементарной базы ВТ так и самих машин в целом. 2. В принципах организации ВМ успехи в развитии архитектуры. 3. В...

Русский

2013-07-11

84.5 KB

5 чел.

АК ЛЕКЦИЯ № 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ АРХИТЕКТУРЫ

Развитие Вычислительной Техники (ВТ) обусловлено успехами в 3-х областях:

1. В технологии производства, как элементарной базы ВТ, так и самих машин в целом.

2. В принципах организации ВМ (успехи в развитии архитектуры).

3. В разработке математического и программного обеспечения.

Любая ВМ должна рассматриваться, как некоторый программно – аппаратный комплекс, обеспечивающий реализацию некоторого класса алгоритмов над информацией.

В процессе работы ВМ все ее компоненты каким-то образом взаимодействуют между собой. Причем уровни рассмотрения этого взаимодействия могут быть различными:

1) Низший уровень: на уровне электрических импульсов.

2) Высший уровень: взаимодействие узлов ВМ на уровне программных модулей (1 и 2

рассматривать не будем).

3) Функциональный уровень каждого отдельного узла: функция и их реализация

программно – аппаратными средствами (под этим и понимается понятие “Архитектура”).

Опр. Под Архитектурой понимается совокупность свойств и характер ВМ, рассматриваемая с точки зрения пользователя.

Обобщенная структура ЭВМ.

Принцип действия обычной ВМ можно считать копией обычного процесса вычислений

(например, с помощью калькулятора).

Этапы вычислений:

1. Определение и задание порядка вычислений.

2. Задание исходных данных.

3. Выполнение вычислений (для получения промежуточных результатов)

4. Получение конечного результата.

В основе функционирования любой ВМ лежат два фундаментальных понятия в вычислительной технике.

1. понятие алгоритма.

2. принцип программного управления.

Опр. Алгоритм – некоторая однозначно определенная последовательность действий, состоящая из формально заданных операций над исходными данными, приводящая к решению за конечное число шагов.

Свойства алгоритмов:

1. дискретность алгоритма (действия выполняются по шагам, а сама информация дискретна)

2. детерменированность (сколько бы раз один и тот же алгоритм не реализовывался для одних и тех же данных результат один и тот же)

3. массовость (алгоритм “решает задачу” для различных исходных данных из допустимого множества и дает всегда правильный результат)

Опр. Программа – описание алгоритма на каком-либо языке.

Принцип программного управления (ППУ) впервые был сформулирован Венгерским математиком и физиком Джоном фон Нейманом, при участии Гольцтайна и Берца в 1946 году.

ППУ включает в себя несколько архитектурно – функциональных принципов.

1. Любой алгоритм представляется в виде некоторой последовательности управляющих

слов – команд. Каждая отдельная команда определяет простой (единичный) шаг

преобразования информации.

2. Принцип условного перехода. В процессе вычислений в зависимости от полученных

промежуточных результатов возможен автоматический переход на тот или иной участок

программы.

3. Принцип хранимой программы. Команды в ЭВМ представляются в такой же кодируемой

форме, как и любые данные и хранятся в таком оперативном запоминающем устройстве

(ОЗУ). Это значит, что если рассматривать содержимое памяти, то без какой-то команды

невозможно различить данные и команды. Следовательно, любые команды можно

принципиально обрабатывать как данные (информация в ЭВМ отличается не

представлением, а способом ее использования).

4. Принцип двоичного кодирования.

5. Принцип иерархии запоминающих устройств (ЗУ).

Эволюция средств автоматизации вычислений

В традиционной трактовке эволюцию вычислительной техники представляют как последовательную смену поколений ВТ. Появление термина «поколение» относится к 1964 году, когда фирма IBM выпустила серию компьютеров IBM 360, назвав эту серию «компьютерами третьего поколения». Сам термин имеет разные определения, наиболее популярными из которых являются:

• «Поколения вычислительных машин — это сложившееся в последнее время разбиение вычислительных машин на классы, определяемые элементной базой и производительностью.

• «Поколения компьютеров — нестрогая классификация вычислительных систем по степени развития аппаратных и, в последнее время, программных средств».

При описании эволюции ВТ обычно используют один из двух подходов: хронологический или технологический. В первом случае - это хронология событий, существенно повлиявших на становление ВТ. Для наших целей больший интерес представляет технологический подход, когда развитие вычислительной техники рассматривается в терминах архитектурных решений и технологий. По словам главного конструктора фирмы DEC и одного из изобретателей мини-ЭВМ Белла: -«История компьютерной индустрии почти всегда двигалась технологией».

В качестве узловых моментов, определяющих появление нового поколения ВТ, обычно выбираются революционные идеи или технологические прорывы, кардинально изменяющие дальнейшее развитие средств автоматизации вычислений. Одной из таких идей принято концепцию вычислительной машины с хранимой в памяти программой, сформулированную Джоном фон Нейманом. Взяв ее за точку отсчета, историю развития ВТ можно представить в виде трех этапов:

• донеймановского периода;

• эры вычислительных машин и систем с фон-неймановской архитектурой;

• постнеймановской эпохи — эпохи параллельных и распределенных вычислений, где наряду с традиционным подходом все большую роль начинают играть отличные от фон-неймановских принципы организации вычислительного процесса.

Значительно большее распространение, однако, получила привязка поколений '. к смене технологий. Принято говорить о «механической» эре (нулевое и последовавших за ней пяти поколениях ВС. Первые четыре поколения традиционно связывают с элементной базой вычислительных систем: электронные : лампы, полупроводниковые приборы, интегральные схемы малой степени интеграции (ИМС), большие (БИС), сверхбольшие (СБИС) и ультрабольшие (УБИС) 1 интегральные микросхемы. Пятое поколение в общепринятой интерпретации ассоциируют не столько с новой элементной базой, сколько с интеллектуальными возможностями ВС. Работы по созданию ВС пятого поколения велись в рамках четырех достаточно независимых программ, осуществлявшихся учеными США, Японии, стран Западной Европы и стран Совета экономической взаимопомощи.

Ввиду того, что ни одна из программ не привела к ожидаемым результатам, разговоры о ВС пятого поколения понемногу утихают. Трактовка пятого поколения явно выпадает из «технологического» принципа. С другой стороны, причисление всех ВС на базе сверхбольших интегральных схем (СБИС) к четвертому поколению не отражает принципиальных изменений в архитектуре ВС, произошедших за последние годы. Чтобы в какой-то мере проследить роль таких изменений, воспользуемся несколько отличной трактовкой. В работе выделяется шесть поколений ВС. Попытаемся кратко охарактеризовать каждое из них, выделяя наиболее значимые события.

Нулевое поколение (1492-1945)

Для полноты картины упомянем два события, произошедшие до нашей эры: первые счеты - абак, изобретенные в древнем Вавилоне за 3000 лет до н. э., и их более «современный» вариант с косточками на проволоке, появившийся в Китае примерно за 500 лет также до н. э.

«Механическая» эра (нулевое поколение) в эволюции ВТ связана с механическими, а позже - электромеханическими вычислительными устройствами. Основным элементом механических устройств было зубчатое колесо. Начиная с XX века роль базового элемента переходит к электромеханическому реле. Не умаляя значения многих идей «механической» эры, необходимо отметить, что ни одно из созданных устройств нельзя с полным основанием назвать вычислительной машиной в современном ее понимании. Чтобы подчеркнуть это, вместо термина «вычислительная машина» будем использовать такие слова, как «вычислитель», «калькулятор» и т. п.

Наиболее известны работы Чарльз Бэббидж, Алан Тьюринг, Клод Шеннон.

Первое поколение (1937-1953)

На роль первой в истории электронной вычислительной машины в разные периоды предендовало несколько разработок. Общим у них было использование схем на базе электронно-вакуумных ламп вместо электромеханических реле, Предполагалось, что электронные ключи будут значительно надежнее, поскольку в них отсутствуют движущиеся части, однако технология того времени была настолько несовершенной, что по надежности электронные лампы оказались ненамного лучше, чем реле. Однако у электронных компонентов имелось одно важное преимущество: выполненные на них ключи могли переключаться примерно в тысячу раз быстрее своих электромеханических аналогов.

Первой электронной вычислительной машиной чаще всего называют специализированный калькулятор ABC (Atanasoff-Berry Computer). Разработан он был в период с 1939 по 1942 год профессором Джоном Атанасовым (John V. Atanasoff, 1903-1995) совместно с аспирантом Клиффордом Берри (Clifford Berry, 1918-1963) и предназначался для решения системы линейных уравнений (до 29 уравнений с 29 переменными). ABC обладал памятью на 50 слов длиной 50 бит, а запоминающими элементами служили конденсаторы с цепями регенерации. В качестве вторичной памяти использовались перфокарты, где отверстия не перфорировались, а прожигались. ABC стал считаться первой электронной ВМ, после того как судебным решением были аннулированы патенты создателей другого электронного калькулятора - ENIAC. Необходимо всё же отметить, что ни ABC, ни ENIAC не являются вычислительным машинами в современном понимании этого термина и их правильней классифицировать как калькуляторы.

Вторым претендентом на первенство считается вычислитель Colossus, построенный в 1943 году в Англии в местечке Bletchley Park близ Кембриджа. Изобретателем машины был профессор Макс Ньюмен (Max Newman, 1987-1984), а изгото-вил его Томми Флауэрс (Tommy Flowers, 1905-1998).

Наконец, третий кандидат на роль первой электронной ВМ - уже упоминавшийся программируемый электронный калькулятор общего назначения ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer - электронный цифровой интегратор и вычислитель).

При всей важности каждой из трех рассмотренных разработок основное событие, произошедшее в этот период, связано с именем Джона фон Неймана. Американский математик Джон фон Нейман (John von Neumann, 1903-1957) принял участие в проекте ENIAC в качестве консультанта. Еще до завершения ENIAC Эккерт, Мочли и фон Нейман приступили к новому проекту - EDVAC, главной особенностью которого стала идея хранимой в памяти программы.

В 1947 году под руководством С. А. Лебедева начаты работы по созданию малой электронной счетной машины (МЭСМ). Эта ВМ была запущена в эксплуатацию в 1951 году и стала первой электронной ВМ в СССЗ и континентальной Европе.

Второе поколение (1954-1962)

Второе поколение характеризуется рядом достижений в элементной базе, структуре и программном обеспечении. Принято считать, что поводом для выделения нового поколения ВМ стали технологические изменения, и, главным образом, переход от электронных ламп к полупроводниковым диодам и транзисторам со временем переключения порядка 0,3 мс.

Со вторым поколением ВМ ассоциируют еще одно принципиальное технологическое усовершенствование — переход от устройств памяти на базе ртутных линий задержки и др. к устройствам на магнитных сердечниках.

Технологический прогресс дополняют важные изменения в архитектуре ВМ. Прежде всего, это касается появления в составе процессора ВМ индексных регистров, что позволило упростить доступ к элементам массивов.

Вторым принципиальным изменением в структуре ВМ стало добавление аппаратного блока обработки чисел в формате с плавающей запятой.

Третье значимое нововведение в архитектуре ВМ — появление в составе вычислительной машины процессоров ввода/вывода, позволяющих освободить центральный процессор от рутинных операций по управлению вводом/выводом.

Шестидесятые годы XX века стали периодом бурного развития вычислительной техники в СССР. За этот период разработаны и запущены в вычислительные машины Урал-1,  Урал-2, «Урал-4, 11, 14», БЭСМ-2, М - 4 0, серия Минск 1, 2, 22, 32. В 1960 под руководством В.М.Глушкова и Б. Н. Малиновского разработана первая полупроводниковая управляющая машина «Днепр».

Создание языков программирования высокого уровня: Фортрана (1956), Алгола (1958) и Кобола (1959).

Третье поколение (1963-1972)

Третье поколение ознаменовалось резким увеличением вычислительной мощности ВМ, ставшим следствием больших успехов в области архитектуры, технологии и программного обеспечения. Основные технологические достижения связанны с переходом от дискретных полупроводниковых элементов к интегральным микросхемам и началом применения полупроводниковых запоминающих устройств начинающих вытеснять ЗУ на магнитных сердечниках. Существенные изменений произошли и в архитектуре ВМ. Это, прежде всего, микропрограммирование как эффективная техника построения устройств управления сложных процессов а также наступление эры конвейеризации и параллельной обработки В области программного обеспечения определяющими вехами стали первые операционные системы и реализация режима разделения времени.

Среди вычислительных машин, разработанных в этот период в СССР, прежде всего необходимо отметить «быстродействующую электронно-счетную машину» -БЭСМ-6 (С. А. Лебедев) с производительностью 1 млн операций/с. Продолжением линии М-20 стали М-220 и М-222 с производительностью до 200 000 операций/с. Оригинальная ВМ для инженерных расчетов Мир-1 ( и др. - рассказать) была создана по; руководством В. М. Глушкова. В качестве входного языка этой ВМ использован язык программирования высокого уровня «Аналитик», во многом напоминаю язык Алгол.

IDM-360 и ЕС ЭВМ

Четвертое поколение (1972-1984)

Отсчет четвертого поколения обычно ведут с перехода на интегральные микро схемы большой (large-scale integration, LSI) и сверхбольшой (very large-scale int-gration, VLSI) степени интеграции. К первым относят схемы, содержащие 1000 транзисторов на кристалле, в то время как число транзисторов на одном кр сталле VLSI имеет порядок 100 000. При таких уровнях интеграции стало возмож ным уместить в одну микросхему не только центральный процессор, но и вычи лительную машину (ЦП, основную память и систему ввода/вывода).

Конец 70-х и начало 80-х годов — это время становления и последующего победного шествия микропроцессоров и микроЭВМ, что, однако, не снижает важности изменений, произошедших в архитектуре других типов вычислительных машин и систем.

Одним из наиболее значимых событий в области архитектуры ВМ стала идея вычислительной машины с сокращенным набором команд (RISC, Redused Instruction Set Computer), выдвинутая в 1975 году и впервые реализованная в 1980 году. В упрощенном изложении суть концепция RISC заключается в сведении набора команд ВМ к наиболее употребительным простейшим командам. Это позволяет упростить схемотехнику процессора и добиться резкого сокращения времени выполнения каждой из «простых» команд. Более сложные команды реализуются как подпрограммы, составленные из быстрых «простых» команд.

В ВМ и ВС четвертого поколения практически уходят со сцены ЗУ на магнитных сердечниках и основная память строится из полупроводниковых запоминающих устройств (ЗУ). До этого использование полупроводниковых ЗУ ограничивалось лишь регистрами и кэш-памятью.

В сфере высокопроизводительных вычислений доминируют векторные вычислительные системы, более известные как суперЭВМ. Разрабатываются новые параллельные архитектуры, однако подобные работы пока еще носят экспериментальный характер. На замену большим ВМ, работающим в режиме разделения времени, приходят индивидуальные микроЭВМ и рабочие станции (этим термином обозначают сетевой компьютер, использующий ресурсы сервера).

В области программного обеспечения выделим появление языков программирования сверхвысокого уровня, таких как FP (functional programming - функциональное программирование) и Пролог (Prolog, programming in logic). Эти языки ориентированы на декларативный стиль программирования, в отличие от Паскаля, С, Фортрана и т. д. — языков императивного стиля программирования. При декларативном стиле программист дает математическое описание того, что должно быть вычислено, а детали того, каким образом это должно быть сделано, возлагаются на компилятор и операционную систему. Такие языки пока используются недостаточно широко, но выглядят многообещающими для ВС с массовым параллелизмом, состоящими из более чем 1000 процессоров. В компиляторах для ВС четвертого поколения начинают применяться сложные методы оптимизации кода.

Два события в области программного обеспечения связаны с Кеном Томпсоном (Kenneth Thompson) и Деннисом Ритчи (Dennis Ritchie) из Bell Labs. Это создание языка программирования С и его использование при написании операционной системы UNIX для машины DEC PDP-11. Такая форма написания операционной системы позволила быстро распространить UNIX на многие ВМ.

Пятое поколение (1984-1990)

Главным поводом для выделения вычислительных систем второй половины 80-х годов в самостоятельное поколение стало стремительное развитие ВС с сотнями процессоров, ставшее побудительным мотивом для прогресса в области параллельных вычислений. Ранее параллелизм вычислений выражался лишь в виде конвейеризации, векторной обработки и распределения работы между небольшим числом процессоров. Вычислительные системы пятого поколения обеспечивают такое распределение задач по множеству процессоров, при котором каждый из процессоров может выполнять задачу отдельного пользователя.

В рамках пятого поколения в архитектуре вычислительных систем сформировались два принципиально различных подхода: архитектура с совместно используемой памятью и архитектура с распределенной памятью.

Характерным примером первого подхода может служить система Sequent Balance 8000, в которой имеется большая основная память, разделяемая 20 процессорами. Помимо этого, каждый процессор оснащен собственной кэш-памятью. Каждый из процессоров может выполнять задачу своего пользователя, но при этом в составе программного обеспечения имеется библиотека подпрограмм, позволяющая программисту привлекать для решения своей задачи более одного процессора. Система широко использовалась для исследования параллельных алгоритмов и техники программирования.

Второе направление развития систем пятого поколения — системы с распределенной памятью, где каждый процессор обладает своим модулем памяти, а связь между процессорами обеспечивается сетью взаимосвязей. Примером такой ВС может служить система iPSC-1 фирмы Intel, более известная как «гиперкуб». Максимальный вариант системы включал 128 процессоров. Применение распределенной памяти позволило устранить ограничения в пропускной способности тракта «процессор-память», но потенциальным «узким местом» здесь становится сеть взаимосвязей.

Наконец, третье направление в архитектуре вычислительных систем пятого поколения — это ВС, в которых несколько тысяч достаточно простых процессоров работают под управлением единого устройства управления и одновременно производят одну и ту же операцию, но каждый над своими данными. К этому классу можно отнести Connection Machine фирмы Thinking Machines Inc. и MP-1 фирмы MasPar Inc.

В научных вычислениях по-прежнему ведущую роль играют векторные супер-ЭВМ. Многие производители предлагают более эффективные варианты с несколькими векторными процессорами, но число таких процессоров обычно невелико (от 2 до 8).

RISC-архитектура выходит из стадии экспериментов и становится базовой архитектурой для рабочих станций (workstations).

Знаковой приметой рассматриваемого периода стало стремительное развитие технологий глобальных и локальных компьютерных сетей. Это стимулировало изменения в технологии работы индивидуальных пользователей. В противовес мощным универсальным ВС, работающим в режиме разделения времени, пользователи все более отдают предпочтение подключенным к сети индивидуальным рабочим станциям. Такой подход позволяет для решения небольших задач задействовать индивидуальную машину, а при необходимости в большой вычислительной мощности обратиться к ресурсам подсоединенных к той же сети мощных файл-серверов или суперЭВМ.

Шестое поколение (1990-)

На ранних стадиях эволюции вычислительных средств смена поколений ассоциировалась с революционными технологическими прорывами. Каждое из первых четырех поколений имело четко выраженные отличительные признаки и вполне определенные хронологические рамки. Последующее деление на поколения уже не столь очевидно и может быть понятно лишь при ретроспективном взгляде на развитие вычислительной техники. Пятое и шестое поколения в эволюции ВТ — это отражение нового качества, возникшего в результате последовательного накопления частных достижений, главным образом в архитектуре вычислительных систем и, в несколько меньшей мере, в сфере технологий.

Поводом для начала отсчета нового поколения стали значительные успехи в области параллельных вычислений, связанные с широким распространением вычислительных систем с массовым параллелизмом. Особенности организации таких систем, обозначаемых аббревиатурой МРР (massively parallel processing), упрощенно определим их как совокупность большого количества (до нескольких тысяч) взаимодействующих, но достаточно автономных вычислительных машин. По вычислительной мощности такие системы уже успешно конкурируют с суперЭВМ, которые, как ранее отмечалось, по своей сути являются векторными ВС. Появление вычислительных систем с массовым параллелизмом дало основание говорить о производительности, измеряемой в TFLOPS (1 TFLOPS соответствует 10**12 операциям с плавающей запятой в секунду).

Вторая характерная черта шестого поколения — резко возросший уровень рабочих станций. В процессорах новых рабочих станций успешно совмещаются RISC-архитектура, конвейеризация и параллельная обработка. Некоторые рабочие станции по производительности сопоставимы с суперЭВМ четвертого поколения. Впечатляющие характеристики рабочих станций породили интерес к гетерогенным (неоднородным) вычислениям, когда программа, запущенная на одной рабочей станции, может найти в локальной сети не занятые в данный момент другие станции, после чего вычисления распараллеливаются и на эти простаивающие станции.

Наконец, третьей приметой шестого поколения в эволюции ВТ стал взрывной рост глобальных сетей.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

14701. Определение характеристик пассивных элементов в цепи переменного тока 58 KB
  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 Определение характеристик пассивных элементов в цепи переменного тока Цель работы: Определение параметров пассивных двухполюсников при переменном токе. Объект и средства измерения: Объектом исследования служат двухполюсны
14702. Національна етика. Сімейна етика. Релігійна етика. Біоетика 76 KB
  Моральний зміст відношення до природи як до мети і засобу людської діяльності. Рослинний і тваринний світ як морально-естетичне багатство людства. Завдання та взаємодія екологічного і етичного виховання
14703. Медицинская реабилитация после эндопротезирования коленного сустава 98 KB
  Цель реабилитации — оптимальное восстановление функций тотально замещенного сустава и статодинамической функции конечности в целом, а также приобретение самостоятельности в быту, способности к профессиональной деятельности, то есть полноценное функциональное, социально-бытовое и профессиональное восстановление.
14704. РЕАКЦИИ ИОННОГО ОБМЕНА 73.5 KB
  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6 РЕАКЦИИ ИОННОГО ОБМЕНА. Общие сведения. Реакции ионного обмена реакции связывания ионов которое происходит при образовании слабого или малорастворимого электролита. Реакции ионного обмена подчиняются всем закономерностям химическ
14705. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОДЪЕМНИКА ПРИ ПОСТОЯННОМ ПОГРУЖЕНИИ ПОД УРОВЕНЬ ЖИДКОСТИ 369 KB
  Лабораторная работа № 4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОДЪЕМНИКА ПРИ ПОСТОЯННОМ ПОГРУЖЕНИИ ПОД УРОВЕНЬ ЖИДКОСТИ Цель работы получение экспериментальной зависимости подачи подъемника от расхода газа называемой характеристической кривой работ
14706. Изучение спектров поглощения воды в оптических материалах 156.95 KB
  Лабораторная работа №2 Изучение спектров поглощения воды в оптических материалах Цель работы: Измерить зависимости интенсивности от длины волны для лампы и образца; Получить спектр поглощения ниобата лития. Схема опыта: Ход работы: ...
14707. Оценка качества систем регулирования 47.5 KB
  Лабораторная работа №1 Тема: Оценка качества систем регулирования Цель работы: Изучение косвенных оценок качества переходных процессов в системе регулирования по амплитудночастотной характеристике замкнутой системы. Передаточная функция замкнутой системы...
14708. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗАХ И ПОКАЗАТЕЛЯ АДИАБАТЫ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ 519 KB
  Лабораторная работа №7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ГАЗАХ И ПОКАЗАТЕЛЯ АДИАБАТЫ МЕТОДОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ Цель работы Определение скорости звука и показателя адиабаты для воздуха методом стоячей волны. Описание экспериментальной ус...
14709. Исследования температурной зависимости электропроводности невырожденных полупроводников 91.04 KB
  Лист ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 4 Исследования температурной зависимости электропроводности невырожденных полупроводников по дисциплине Физика твердого тела Цель работы Изучение физических явлений и закономерностей в невыр...