 |
Эволюция средств автоматизации вычислений
|
|
|
|
Основные понятия курса
Предметом рассмотрения будут исключительно цифровые машины и системы, то есть устройства, оперирующие дискретными величинами. Вычислительная машина (ВМ) [1] – это:
1. Устройство, которое принимает данные, обрабатывает их в соответствии с хранимой программой, генерирует результаты и обычно состоит из блоков ввода, вывода, памяти, арифметики, логики и управления.
2. Функциональный блок, способный выполнять реальные вычисления, включающие множественные арифметические и логические операции, без участия человека в процессе этих вычислений.
3. Устройство, способное: хранить программу или программы обработки и, по меньшей мере, информацию, необходимую для выполнения программы; быть свободно перепрограммируемым в соответствии с требованиями пользователя; выполнять арифметические вычисления и логические действия, определяемые пользователем.
По этому определению к ВМ относятся как мейнфреймы, так и настольные ЭВМ и даже встраиваемые вычислительные и цифровые управляющие устройства (микроконтроллеры, цифровые сигнальные процессоры и др.). Программируемые микроконтроллеры на базе одной микросхемы часто и называют однокристальными микро-ЭВМ [2].
Вычислительную систему (ВС) определим как совокупность каким-либо образом взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или вычислительных машин, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для подготовки и решения задач пользователей. Таким образом, формально отличие ВС от ВМ выражается в количестве вычислителей.
Под архитектурой вычислительной машины обычно понимается логическое построение ВМ, то есть то, какой машина представляется программисту. Впервые термин “архитектура вычислительной машины” (computer architecture) был употреблен фирмой IBM при разработке машин семейства IBM-360 для описания тех средств, которыми может пользоваться программист, составляя программу на уровне машинных команд. Подобную трактовку называют “узкой”, и охватывает она перечень и формат команд, формы представления данных, механизмы ввода/вывода, способы адресации памяти и т.п. Из рассмотрения выпадают вопросы физического построения вычислительных средств: состав устройств, число регистров процессора, емкость памяти, наличие специального блока для обработки вещественных чисел, тактовая частота центрального процессора и т.д. Этот круг вопросов принято определять понятием “организация” или “структурная организация”.
|
|
|
“Архитектура” (в узком смысле) и “организация” – это две стороны описания ВМ и ВС. Поскольку помимо теоретической строгости, такое деление не дает каких-либо преимуществ, то в дальнейшем будем пользоваться термином “архитектура”, объединяющем как архитектуру в узком смысле, так и организацию ВМ. Применительно к вычислительным системам термин “архитектура” дополнительно распространяется на вопросы распределения функций между составляющими ВС и взаимодействия этих составляющих.
При описании структуры ВМ можно предложить несколько степеней детализации ее структуры. Например, при представлении ВМ на первом уровне (в форме “черного ящика”) рассматриваются только входы и выходы ВМ. На втором уровне (уровень общей архитектуры) ВМ рассматривается в виде четырех составляющих: центрального процессора (ЦП), основной памяти (ОП), устройств ввода-вывода (УВВ) и системы шин. На третьем уровне детализируется устройство центрального процессора. В нем выделяются: арифметико-логическое устройство (АЛУ), обеспечивающее обработку целых чисел; блок обработки чисел в формате с плавающей точкой (БПЗ); регистры процессора; устройство управления (УУ), обеспечивающее совместное функционирование устройств ВМ; внутренние шины. На четвертом уровне детализируется устройство управления. В нем выделяются: логика программной последовательности – это электронные схемы, обеспечивающие выполнение команд программы в последовательности, предписываемой самой программой; регистров и дешифраторов устройства управления; управляющей памяти; логики формирования управления, генерирующей все необходимые управляющие сигналы. Эта классификация (по уровням детализации) является всего лишь одной из возможных.
|
|
|
Эволюция средств автоматизации вычислений
Вообще, попытки облегчить процесс вычислений имеют давнюю историю, насчитывающую более 5000 лет. В традиционной трактовке эволюцию вычислительной техники (ВТ) 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. Существует также технологический подход, когда развитие вычислительной техники рассматривается в терминах архитектурных решений и технологий. В качестве узловых моментов, определяющих появление нового поколения ВТ, обычно выбираются революционные идеи или технологические прорывы, кардинально изменяющие дальнейшее развитие средств автоматизации вычислений.
Если рассматривать архитектурные решения, то одной из таких идей принято считать 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:
|
|
|
1. донеймановского периода;
2. эры вычислительных машин и систем с фон-неймановской архитектурой;
3. 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 поколение) 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) 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 Европыи стран СЭВ. 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.
Существуют и другие виды классификации поколений ВМ.
Если рассматривать основные вехи развития ВТ в хронологическом порядке, то можно выделить:
1. 1492 год. В одном из своих дневников Леонардо да Винчи приводит рисунок тринадцатиразрядного десятичного суммирующего устройства на основе зубчатых колес.
2. 1623 год. Вильгельм Шиккард (Wilhelm Schickard, 1592-1635), профессор университета Тюбингена, разрабатывает устройство на основе зубчатых колес (“считающие часы”) для сложения и вычитания шестиразрядных десятичных чисел. В 1960 году оно было воссоздано и проявило себя вполне работоспособным.
|
|
|
3. 1642 год. Блез Паскаль (Blaise Pascal, 1623-1663) представляет “Паскалин” – первое реально осуществленное и получившее известность механическое цифровое вычислительное устройство. Прототип устройства суммировал и вычитал пятиразрядные десятичные числа. Паскаль изготовил более десяти таких вычислителей, причем последние модели оперировали числами длиной в восемь цифр.
4. 1673 год. Готфрид Вильгельм Лейбниц (Gottfried Wilhelm. Leibniz, 1646-1716) создает “пошаговый вычислитель” – десятичное устройство для выполнения всех четырех арифметических операций над 12-разрядными десятичными числами. Результат умножения представлялся 16 цифрами. Помимо зубчатых колес в устройстве использовался ступенчатый валик.
5. 1801 год. Жозеф Мария Жаккард (Joseph-Marie Jacquard, 1752-1834) строит ткацкий станок с программным управлением, программа работы которого задается с помощью комплекта перфокарт.
6. 1836 год. Английский математик Чарльз Бэббидж (Charles Babbage, 1792-1871) разрабатывает проект “аналитической машины”. Проект предусматривает три считывателя с перфокарт для ввода программ и данных, память (по Бэббиджу – “склад”) на пятьдесят 40-разрядных чисел, два аккумулятора для хранения промежуточных результатов. В программировании машины предусмотрена концепция условного перехода. В проект заложен также и прообраз микропрограммирования – содержание инструкций предполагалось задавать путем позиционирования металлических штырей в цилиндре с отверстиями. По оценкам автора, суммирование должно было занимать 3 с, а умножение и деление – 2-4 мин.
7. 1871 год.Бэббидж создает прототип одного из устройств своей аналитической машины – “мельницу” (так он окрестил то, что сейчас принято называть центральным процессором), а также принтер.
8. 1890 год.Результаты переписи населения в США обрабатываются с помощью перфокарточного табулятора, созданного Германом Холлеритом (Herman Hollerith, 1860-1929) из Массачусетского технологического института.
9. 1937 год. Джорж Стибитц (George Stibitz, 1904-1995) из Bell Telephone Laboratories демонстрирует первый однобитовый двоичный вычислитель на базе электромеханических реле.
10. 1937 год. Алан Тьюринг (Alan M. Turing, 1912-1954) из Кембриджского университета публикует статью, в которой излагает концепцию теоретической упрощенной вычислительной машины, в дальнейшем получившей название машины Тьюринга.
11. 1938 год. Клод Шеннон (Claude E. Shannon, 1916-2001) публикует статью о реализации символической логики на базе реле.
|
|
|
12. 1938 год. Немецкий инженер Конрад Цузе (Konrad Zuse, 1910-1995) строит механический программируемый вычислитель Z1 с памятью на 1000 бит. В последнее время Z1 все чаще называют первым в мире компьютером.
13. 1943 год. Группа ученых Гарвардского университета во главе с Говардом Айкеном (Howard Aiken, 1900-1973) разрабатывает вычислитель ASCC Mark I (Automatic Sequence-Controlled Calculator Mark I) — первый программно управляемый вычислитель, получивший широкую известность. Длина устройства составила 18 м, а весило оно 5 т. Машина состояла из множества вычислителей, обрабатывающих свои части общей задачи под управлением единого устройства управления. Команды считывались с бумажной перфоленты и выполнялись в порядке считывания. Данные считывались с перфокарт. Вычислитель обрабатывал 23-разрядные числа, при этом сложение занимало 0,3 с, умножение – 4 с, а деление – 10 с.
14. Появление калькулятора общего назначения ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer – электронный цифровой интегратор и вычислитель). Идея калькулятора, выдвинутая в 1942 году Джоном Мочли (John J. Mauchly, 1907-1980) из университета Пенсильвании, была реализована им совместно с Преспером Эккертом (J. Presper Eckert, 1919-1995) в 1946 году. С самого начала ENIAC активно использовался в программе разработки водородной бомбы. Машина эксплуатировалась до 1955 года и применялась для генерирования случайных чисел, предсказания погоды и проектирования аэродинамических труб. ENIAC весил 30 тонн, содержал 18000 радиоламп, имел размеры 2,5 х 30 м и обеспечивал выполнение 5000 сложений и 360 умножений в секунду. Использовалась десятичная система счисления. Программа задавалась схемой коммутации триггеров на 40 наборных полях
15. 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 континентальной Европе.
16. В 1952 году Эккерт и Мочли создали первую коммерчески успешную машину UNIVAC.
17. 1952 году в опытную эксплуатацию была запущена вычислительная машина М-1 (И.С.Брук, Н.Я.Матюхин, А.Б.Залкинд). М-1 содержала 730 электронных ламп, оперативную память емкостью 256 25-разрядных слов, рулонный телетайп и обладала производительностью 15-20 операций/с. Впервые была применена двухадресная система команд. Чуть позже группой выпускников МЭИ под руководством И.С.Брука создана машина М-2 с ёмкостью оперативной памяти 512 34-разрядных слов и быстродействием 2000 операций/с.
18. В апреле 1953 года в эксплуатацию поступила самая быстродействующая в Европе ВМ БЭСМ (С.А.Лебедев). Ее быстродействие составило 8000-10000 операций/с. Примерно в то же время выпущена ламповая ВМ “Стрела” (Ю.А.Базилевский, Б.И.Рамееев) с быстродействием 2000 операций/с.
Далее развитие вычислительной техники шло очень быстрыми темпами, и практически каждый год появлялись все более и более совершенные ВМ. Некоторое время лидерство в этой области было у СССР, связанное с ВМ серии БЭСМ (например, БЭСМ-6) и ВС серии “Эльбрус”.
|
|
|
