ORGANIZATsIYa_EVM

Лекция N1

Тема лекции:

1. Эволюция развития ВТ

2-1. Цифровой Логический Уровень.

а) Реализация логических элементов и структур аппаратными средствами.

б) Построение типовых элементов триггеры, счетчики, сдвигатели на базе стандартных ветвей «и-не»

3-2. Микроструктурный уровень Классификация В.С.

а) по способу хранения программ и данных б) по набору исполняемых команд в) по топологии (связи) межблочных связей

Классификация В.С.

по назначению (универсальные. специализированные.)

по производительности (мало, средне и высокопроизводительный)

Начало развития вычислительной техники.

Началом развития вычислительной техники считается период 30-х годов 19 в. Именно в этот период в 1833 г. английский математик Ч. Бэббидж предложил проект счетно-аналитической машины. Архитектура этой С.А.М. была во многом схожа с архитектурами современных компьютеров, которая должна была иметь память, вычислительное устройство, устройство ввода вывода информации. Машина естественно должна была быть механической. Проект до конца так и не был реализован и только спустя 100 лет идеи Бэббиджа были реализованы вначале на релейных элементах, а затем на электронных.

Первая попытка создания релейной машины была сделана немецким математиком Конрадом Зусом (ZиЗе) в Германии в 1938 году. Зус конструировал свою машину, не зная о разработках и идеях Бэббиджа.

Первым кто воспользовался идеями Бэббиджа был Говард Айкен под руководством которого была создана электронно-механическая цифровая вычислительная машина «MARK-1» ( в 1937-1944 гг. 1937-1944 гг.).

Машина была релейного типа, содержала 72 23-х разрядных десятичных числа для обработки (память данных). Программа для обработки этих чисел вводилась с перфокарт, т.е. по сути, были две независимые памяти: команд и данных.

Первой электронной цифровой машиной стала машина EHIAC (Electronic Humerical Integrator and Computer) – разработанная под руководством Моушли в США.

Работа над машиной была закончена в 1946 году и практически не эксплуатировалась, т.к. заказ на ее разработку сделало Министерство Обороны США для военных целей, и необходимость ее использования к этому моменту отпала.

Архитектура этой машины была подобна архитектуре релейной машины Говарда Айкена и была использована в проекте EDVAC (Electronic Discrete Viziable Computer), которому суждено было не реализоваться.

Но результаты исследований и наработок в области Ц.В.М. не прошли даром. Интерес к этой области возрос благодаря пропаганде Моушли и его помощника Экерта.

Были разработаны другие Ц.В.М.

EDSAC (1949) автор Морис Уилкс (Кембридж) ILLIAC - Университет Иллинойс

IYANIAC – Лаборатория Лос Алмос WEIZAC - Институт Вайцмана (Израиль)

В то время когда Моушли с Экертом работали над проектом EDVAC один из участников проекта, Фон-Нейман, ушел из группы и решил создать свою собственную версию EDVAC, которую назвал IAS – Immediate Adress Storage.

Основной проект, который Фон-Нейман хотел реализовать в своей машине, содержал два радикальных новшества, которые определили принципиальные отличия от предшествующей архитектуры.

Во-первых, Фон-Нейман предложил отказаться от представления чисел в десятизначной форме, где каждый разряд информации представлялся 10 электронными лампами, и использовать двоичную арифметику.

Во-вторых, и это было, по сути, революционным решением - использовать общую физическую память для хранения программ и данных,

тем самым упростить систему доставки кодов команд и данных из памяти в операционное устройство (АЛУ), используя для этого общий тракт.

Именно благодаря этим новшествам, которые впервые в полном объеме были использованы в машине EDSAC Морисом Уилксом, архитектура этой машины стала называться фон-неймановской.

Архитектура же с раздельным хранением программ и данных стала называться гарвардской по названию университета, где была создана «MARK-1».

Справедливости ради, следует отметить, что гарвардская архитектура была востребована через десятилетия, когда обнаружились недостатки модели фонНеймана при решении задач, связанных с обработкой информации в реальном времени (обработка данных радиолокации наблюдений).

Именно этот класс задач требовал повышенной производительности ЭВМ, которую не смогла обеспечить фон-неймановская архитектура.

Вот тогда-то Гарвардская модель с раздельным хранением данных дала возможность одновременной выборки данных и команд и подачи их в операционное устройство, а это позволило организацию 2-х ступенчатого конвейера в котором совмещалась обработка операции в АЛУ и выборка следующей команды из памяти команд.

Таким образом, решалась проблема повышения производительности ЭВМ.

1948 год в истории развития вычислительной техники считается производительным. Помимо EDSAC, которая практически была создана, в Манчестере был запущен компьютер с 1-ой программой, который положил начало развитию программного обеспечения и языков программирования.

В этом же году фирма IBM выпустила свой первый компьютер SSEC – Selectiv Seguence Electronic Calculator и анонсировала свой первый электронный калькулятор IBM 604. По настоящему, фирма IBM стала заниматься разработкой компьютеров с 1953 года, выпустив компьютер IBM 701. Он стал первым компьютером, лидирующим на рынке в течение следующих 10 лет.

Этот год считается началом развития вычислительной техники в СССР, хотя первая электронная машина была выпущена под руководством Лебедева в 1947 г.

История развития вычислительной техники в СССР

Вычислительная техника развивалась по мере возникновения потребности использования ее в той или иной отрасли. В связи с этим и производились разработки разного класса машин.

Начальным этапом развития В.Т. в настоящее время считается 1948 год, когда по специальному приказу ЦК был организован СКБ 2-45 при заводе САМ г. Москва. Именно этому К.Б. было поручено разработка средств вычислительной техники для целей обороны и научно-технических целей Академией Наук СССР. Это промежуточный класс ЭВМ для этих целей.

Дальнейшее развитие средств В.Т. было связано с целесообразностью применения их в управлении технологическим процессом при решении задач экономического характера. Так появился класс управленческих машин и машин универсального подкласса. Центром развития управленческих машин стал г. Киев, руководитель акад. Глушков.

Развитие средств В.Т. связывают с несколькими поколениями, которые характеризуются не только архитектурными решениями, но технологической элементной базой:

-электронные лампы

-полупроводники

-микросхемы -Бис

Следует отметить, что многие идеи и архитектурные решения средств В.Т. опережали развитие элементной базы, и полностью были реализованы позже, и были в полной мере использованы в последующих поколениях.

Так что, рассматривая архитектуру современных микропроцессоров и компьютеров, нужно иметь ввиду, что многие архитектурные решения , реализованные в них, были предложены намного раньше в предыдущих поколениях.

Такие приемы как расслоение памяти, использование КЭШ, конвейерная обработка, используемые в современных микропроцессорах были использованы в отечественных машинах 2-го поколения БЭС 2,4, (преимущественно) позволили увеличить в несколько раз производительность (БЭСМ) до 1 млн.опер./сек

Развитие средств радиолокации, решение задач метеорологии и прогноза погоды потребовало разработки специализированных высокопроизводительных ЭВМ, которые положили начало разработки суперкомпьютеров, используемых для векторных и матричных исчислений, которые впоследствии стали так и называться и относиться к классу SIMD – Sin Inst Mub Datа в классификации компьютеров с параллельными вычислениями.

Так были созданы ЭВМ «Погода» для Гидрометцентра, которые производили вычисление сумм произведений (векторные операции), «Полет» для управления летательными аппаратами и «Кристалл» для Ф.Х.И. им. Карпова для исследования структур кристаллов.

Для обработки радиолокационных данных были созданы специальные компьютеры. Среди них 5786, передвижной вариант имеющий Гарвардскую архитектуру.

Среди мощных суперкомпьютеров, выполняющих векторные и матричные операции следует отметить систему М9 и ее числовую часть М10.

За счет разнообразия признаков вычислений и многомашинной организации производительность компьютера достигла 1 млрд.опер/сек. Это при технологической базе 2-го поколения.

Расширялась не только номенклатура средств В.Т., но и география устройств разработки средств. Так уже в 1955 году был организован филиал СКБ 2-45 ВНИИМК в г.Пензе на производственной площади завода САМ (ВЭМ) была создана целая серия вычислительных машин серии УРАЛ (4,11,66).

Отмечая этот факт, следует заметить, что эта серия представляет высокопроизводительные ЭВМ, программно совместимые имеющие развитую систему прерывания до 64 уровней. Их одноадресная архитектура была использована для задач обработки больших массивов данных. По сути, эти ЭВМ предназначались для решения задач с технологией SIMD, они были ни векторными, ни матричным процессорами, но их одноадресная архитектура команд и возможность обращения к массиву в одной команде, начиная с УРАЛ 14, позволило решать вышеуказанный класс задач. Основной заказ был Министерства обороны. Кроме того машины этого класса (УРАЛ 11, 14, ) имели возможность подключения к существующим тогда стандартным каналам связи, а механизм многоканальных переключателей для устройств управления внешним устройством (компьютеры) и объединение ЭВМ в многомашинные комплексы не только на уровне внешних устройств, но и межпроцессорных связей, позволяло создавать многомашинные комплексы и

многопроцессорные комплексы географически распределенные на разных территориях страны.

Так устройство сопряжения с каналом связи обеспечивает пропускную способность до 1 мб/сек. Ни одна ЭВМ не имела таких устройств.

Поэтому эти ЭВМ, вначале используемые в оборонных целях, были использованы для организации системы «Банк» в СССР. Представляют программноаппаратный комплекс с распределительной структурой (региональными центрами) по всей стране, обеспечивающей контроль и управление движения финансовых потоков по всей территории.

Центрами разработки универсальных вычислительных машин различного класса производительности, выполняющих как задачи экономического характера, так

ипрограммы научно-технического характера стали г. Минск, г. Казань, в последствии, г. Ереван.

Серия машин Минск ЭВМ 2-го поколения стала основной для оснащения вычислительных центров по всей стране, создаваемых на предприятиях (АСУП) в 70-е годы.

Это была серия, подобно УРАЛ, программно-совместимых машин.

Отмечая возможности этой серии, следует указать, что МИНСК-32 последняя модель этой серии (М2-М22-М3) была многопрограммной ЭВМ с развитой операционной системой и системой ввода-вывода на базе каналов ввода-вывода (процессор в/выв). Эта система в/выв. обеспечивала подключение больше пар внешних устройств, имеющих широкий диапазон по емкости хранения информации

искорости передачи между ЭВМ и внешней памятью.

Наличие средств передачи данных на дальние расстояния (М.П.Д.) по телеграфным каналам пусть с наименьшей скоростью (к операционному устройству можно было подключить 32 телеграфных канала) давало возможность работать с удаленными терминалами, с которых информация поступала в центр обработки (В.Ц.). Машины М-32 имели возможность подключить и организовать межмашинный комплекс (кольцо из 8 ЭВМ).

Заканчивалась эра машин 2-го поколения. К этому времени отечественная отрасль В.Т. имела разнообразные виды ЭВМ от суперкомпьютеров (БЭСМ-6), специализированных ЭВМ 57826, «Погода», «Кристалл», серии УРАЛ, машины со своими архитектурными решениями, обеспечивающими программную совместимость, многопрограммный режим и возможность организации многомашинных комплексов с объединением их в сеть (класс управляющих машин Днепр).

Начало периода ЭВМ 3-го поколения для развития средств В.Т. в стране было связан не только с элементной базой, но и коренными изменениями архитектуры ЭВМ. Дальнейшее отечественное развитие таких серий как Минск, Урал, М-22 были прекращены. Отрасль была переориентирована на архитектурные разработки американской фирмы IBM, в то время не имеющей конкурентов на Западном рынке средств В.Т. Базовой моделью стала IBM-360 со своим набором команд, форматом данных.

Причины этих перемен были как объективного, так и субъективного характера.

В качестве объективных причин выдвигалась программная несовместимость наших ЭВМ и форматов данных, предусмотренных международным стандартам, в результате чего нельзя было использовать программные продукты наших ЭВМ.

Программные продукты наших ЭВМ не имели также широкого ассортимента и распространения. Это то и определило переориентацию на упомянутую архитектуру.

Так как архитектура ЭВМ не патентуется, патентуется только аппаратная реализация и компьютерный программный продукт, а не система команд, было принято решение на создание серии ЕС ЭВМ в разработку которой включены страны социалистического лагеря: ГДР, Венгрия, Болгария, Польша.

Центром разработки в СССР стал ВНИЦВ.Т. органов в 1968 г.

Начался период выпуска ЕС ЭВМ, которые по архитектурным решениям классифицировали на I, II, III.

Несмотря на копирование архитектуры в ЕС ЭВМ с IBM 360,370 следует отметить оригинальную разработку аппаратных средств в наших ЭВМ в этот период развития В.Т. В частности заслуживает внимания магистральная структура ЕС 1033, микроархитектурный уровень ЕС 1045,1046 в частности реализация микропрограмм управления и комплекс микропрограмм и создание на базе ЕС 1045, 1046 вычислительного комплекса ВК из 2-х ЭВМ.

Всерию ЕС ЭВМ Ряд I вошли отечественные разработки ЕС 1020, ЕС 1030, ЕС 1050 соответственно с производительностью 20,100 и 500 тыс.опер./сек.

ЕС 1033 за счет магистральной структуры дала производительность до 200 тыс. опер./сек

За счет конверсии организации в ЭВМ 1050 была достигнута производительность до 500 тыс. опер./сек.

Серия ЭВМ Ряд II имела новшества в архитектурном решении. Это и наличие КЭШ (буфер памяти), и организация виртуальной памяти, реализуемой средством динамической переадресации (IBM 370), загружающего микропроцессора. К этому классу относится ЕС 1035, ЕС 1045, ЕС 1060.

ЭВМ Ряд III ЕС 1046, ЕС 1036, ЕС 1066 кроме упомянутых архитектурных решений в ряду II, имели аппаратную поддержку в виде набора микропроцессоров реализующим группу системных команд для реализации режима виртуальных машин.

Развитая системы диагностики с использованием системы, отображающей текущее состояние ЭВМ не на пульте инженера, а с использованием сервисного процессора на экране монитора повысила производительность инженерных работ при наладке и эксплуатации а автоматизированная система обнаружения неисправностей в ТЭЗАХ способствовал выполнению этих работ.

Был разработан проект ЭВМ Ряд IV, которому не суждено было осуществиться. Этим проектом предусматривалось дальнейшее усовершенствование архитектуры, в частности канальной системы с использованием очередей запросов, которая сейчас успешно используются в архитектуре серверов IBM (Z-архитектура Z9,7 990). А также организация систем виртуальных машин не на платформе одной операционной системы, а с использованием многообразия операционного режима (LPAR) которые также используются сейчас в серверах Z-apxитектуры.. Проекту не суждено было сбыться. Как причина – отсутствие технологической базы, так и по этическим мотивам (развал СССР). Единственной ЭВМ в исходном варианте стала ЕС 1187 (архитектура 1066 на элемент базе матричной бис)

Впериод развития ЕС ЭВМ (70-80 годы) развивались и другие направления средств В.Т.

EHIAC – Electronic Humerical Integrator and Computer

IAS - Immediate Address Storadge

EDSAC – Electronic Discret Storage address Computer

Поколение

44-55 - Электрон лампы I

55-65 – Транзисторные II

65-80 – Интегральные микросхемы III

Идея программного управления вычислительным процессом была существенно развита американским математиком ДК фон Нейманом, который в 1945 году придумал принцип построения вычислительной машины с хранимой в памяти программой. Первые ЭВМ с программным управлением и хранением в памяти программ поставить практически одновременно в Англии, США и СССР.

IBM 604 1948

SSECSelectiv Seguence Electronic Calculator

Архитектура вычислительных систем

1. По способу хранения информации а) Архитектура Фон Неймана

совместимость хранения команд и данных б) Горвордская архитектура

раздельное хранение и параллельный (одновременный) доступ к командам и данным.

2. По виду использования команд.

а) Процессор с полным набором команд, выполняемый по сложным алгоритмам

CISC архитектура

б) Процессор с RISC архитектурой.

Набор простых команд выполняют за 1-2 такта процессора.

3. По топологии объединения блоков между собой а) Шинная организация б) Метод межблочных связей

Началом развития вычислительной техники считается период 30-х - 40-х годов, хотя первой попыткой создания счетно-аналитической машины считается в 1834 г. Ч. Бебиджем английским математиком профессором Кэмбриджа.

Архитектура этой С.А.М. должна была схожа с архитектурой современных компьютеров, которая должна бы иметь память, вычислительное устройство, устройство ввода и вывода. Машина была механическая и только спустя 100 лет идеи Бэбиджа были реализованы вначале на релейных элементах, а затем на электронных лампах.

Первая попытка создания релейных автоматических машин была сделана немецким математиком Конрадом Зусом (Zuse) в Германии. Еще в 1940 году он создал первую свою машину Z2. (До этого в 1938 году он создал Z1

Далее вставка

Зус конструировал свои машины не зная об разработках и идеях Бэбиджа.

В 1940 году Zuse идея

Первым кто воспользовался идеями Бэбиджа был Говорд Айкен, который был из Гарвардского университета, который начал работу с конца 30-х годов и закончил в 1944. Машины эти были релейные. Содержали 72 23-х разрядных десятичных числа, программой для обработки которых вводилась с перфокарт, т.е. в этой машине по сути были две независимые памяти: команд и данных, которые поставляли свою информацию в вычислительное устройство, время выполнения одной команды в созданной им машине занимало 6 секунд.

Кмоменту создания им варианта МагК II эра релейных систем устарела

ипоявилась новая элементная база – электро-вакуумные приборы.

Одной из первых созданных вычислительных машин считается EHIAC автором разработки которой является Дж. Моушли и Экерт.

Характеристика.

Машина содержала около 18000 электроламп 1500 электромагнитных реле

20 10-разрядных регистров с десятичной системой

Работа над машиной была закончена в 1966 году и практически не эксплуатировалась, т.н. заказ на ее разработку был сделан Министерством Обороны США для военных целей, но архитектура этой машины была подобна архитектуре линейной машины Говарда Айкена и была использована в проекте другой разработки EDVAS, тем же автором.