Особенности архитектуры современной вычислительной машины

История развития ЭВМ

Одним из первых устройств (VI—V вв. до н. э.), облегчающих вычисления, можно считать специальную доску для вычислений, названную «абак». Вычисления на ней производились перемещением камешков или костей в углубления досок из бронзы, камня или слоновой кости.В 1670—1680 гг. немецкий математик Готфрид Лейбниц конструировал счётную машину, которая выполняла все арифметические действия. В течение следующих двухсот лет было изобретено и построено ещё несколько подобных счётных устройств, которые, однако, из-за своих недостатков, в том числе из-за медлительности в работе, не получили широкого распространения.Лишь в 1878 году русский ученый П. Чебышёв предложил счётную машину, выполнявшую сложение и вычитание многозначных чисел. Наибольшую популярность получил тогда арифмометр, сконструированный петербургским инженером Однером в 1874 году Конструкция прибора оказалась весьма удачной, так как позволяла довольно быстро выполнять все четыре арифметических действия.В 30-е годы XX столетия в нашей стране был разработан более совершенный арифмометр — «Феликс». Эти счётные устройства использовались несколько десятилетий, став основным техническим средством облегчения человеческого труда.В 1834 году Бэббидж приступил к созданию «аналитической» машины. Его проект содержал более 2000 чертежей различных узлов. Машина Бэббиджа предполагалась как чисто механическое устройство с паровым приводом. Она состояла из хранилища для чисел («склад»), устройства для производства арифметических действий над числами (Бэббидж назвал его «фабрикой») и устройства, управляющего операциями машины в нужной последовательности, включая перенос чисел из одного места в другое; были предусмотрены средства для ввода и вывода чисел. Бэббидж работал над созданием своей машины до конца своей жизни (он умер в 1871 году), успев сделать лишь некоторые узлы своей машины, которая оказалась слишком сложной для того уровня развития техники. После Бэббиджа значительный вклад в развитие техники автоматизации счёта внёс американский изобретатель Г. Холлерит, который в 1890 году впервые построил ручной перфоратор для нанесения цифровых данных на перфокарты и ввёл механическую сортировку для раскладки этих перфокарт в зависимости от места пробива. Им была построена машина — табулятор, которая прощупывала отверстия на перфокартах, воспринимала их как соответствующие числа и подсчитывала их. Холлерит основал всемирно известную фирму Computer Tabulating Recording, специализирующуюся на выпуске счетно-перфорационных машин и перфокарт. В дальнейшем фирма была преобразована в фирму International Business Machines (IBM), ставшую сейчас передовым разработчиком компьютеров. Разработка первой серии электронной машины UNIAC (Universal Automatic Computer) начата примерно в 1947 году. Д. П. Эккертом и Д. Мочли, основавшими фирму Eckert-Mauchly. Первый образец UNIAC-1 был построен для Бюро переписи США в 1951 г. UNIAC был создан на базе ЭВМ ENIAC и EDVIAC. Работала с тактовой частотой 2,25 МГц и содержала около 5000 электронных ламп. Емкость памяти — 1000 12-разрядных десятичных чисел. В середине 50-ых гг. XX века, когда ламповые компьютеры достигли «насыщения», ряд фирм объявил о работах по созданию транзисторных ЭВМ. Первоначально это вызвало скептицизм из-за того, что производство полупроводников будет сложным и дорогостоящим. Однако этого не случилось — постоянно совершенствовались методы производства транзисторов. В 1955 году в США было объявлено о создании цифрового компьютера TRADIC, построенного на 800 транзисторах и 11 000 германиевых диодах. В этом же году фирма объявила о создании полностью транзисторной ЭВМ. Первая такая машина «Philco-2000» была сделана в ноябре 1958 года, она содержала 56 тыс. транзисторов, 1 200 диодов, но всё же в её составе было 450 электронных ламп. «Philco-2000» выполняла сложение за 1,7 мкс, умножение — за 40,3 мкс. В 1971 году компания Intel выпустила микросхему Intel-4004 — первый микропроцессор и родоначальник доминирующего и самого известного сегодня семейства. В 1976 году компания Intel начала усиленно работать над микропроцессором Intel-8086. Размер его регистров был увеличен вдвое, что дало возможность увеличить в 10 раз производительность по сравнению с 8080. Кроме того, размер адресной шины был увеличен до 16 бит, чем опередил своё время — ему дополнительно нужна 16-разрядная микросхема.В 1979 году был разработан новый процессор — Intel-8088. Вянваре 1984 г. состоялась презентация первого компьютера Macintosh компании Apple Computer. В 1989 году появляется новая разработка компании Intel — микропроцессор Intel-80486 (Intel-80486DX). В 1993 году компания Intel начала промышленный выпуск нового процессора — Intel Pentium (Intel не стал присваивать ему номер 80586). Первые модели работали на тактовой частоте 60 и 66 МГц и объединяли в себе до 3,3 млн. транзисторов. Pentium — это первый 64-разрядный суперскалярный процессор с RISC-ядром, изготовленный по 0,8-микронной технологии BiCMOS.

Особенности архитектуры современной вычислительной машины

Оперативная память современных ЭВМ массового производства способна считывать и записывать данные примерно каждые 2 наносекунды (нс., 1нс = 10^-9 сек.), а центральный процессор может выполнить машинную машинную операцию над содержимым своих регистров примерно за 1нс.

На современных ЭВМ проблема несоответствия скорости работы оперативной памяти и центрального процессора решается в совокупности несколькими способами. Так как главным тормозом в работе является оперативная память, эту па-мять стали делать таким образом, чтобы за одно обращение к ней она выдавала не по одному байту, а сразу по несколько байт с последовательными адресами. Для этого оперативную память разбивают на блоки (обычно называемые банками памяти), причём эти банки памяти могут работать параллельно. Этот приём называют расслоением памяти. 80% своего времени цен-тральный процессор вынужден ждать, пока из оперативной памяти поступят нужные команды и дан-ные. Для того чтобы исправить эту неприятную ситуацию, в архитектуру современных компьютеров встраивается специальная память, которую называют памятью типа кэш, или просто кэшем. Кэш делается на очень быстрых интегральных схемах статической памяти и работает с такой же скоростью, как и сам центральный процессор, т.е. может, например, выдавать по 8 байт за каждую наносекунду. Для программиста кэш является невидимой памятью в том смысле, что эта память не адресуемая, к ней нельзя обратиться из программы по какой-либо команде чтения или записи дан-ных. Конечно, существуют привилегированные команды для работы с кэшем как с единым целым, это, например, команда очистки кэша от всех находящихся там команд и данных. Когда центральному процессору нужна какая-то команда или данное, то сначала он смотрит, не находится ли уже эта команда или данные в кэше, и, если они там есть, читает их оттуда, не обраща-ясь к оперативной памяти. Разумеется, если требуемой команды или данных в кэше нет, то централь-ный процессор вынужден читать их из относительно медленной оперативной памяти, однако копию прочитанного он обязательно оставляет при этом в кэше. Особая ситуация складывается, если требуется что-то записать в кэш, а там нет свободного места. В этом случае по специальному алгоритму из кэша удаляются некоторые данные, обычно те, к которым дольше всего не было обращения из центрального процессора. Проще всего это сделать, если вести очередь обра-щений к данным в кэше, при этом при каждом чтении или записи некоторого данного, оно ставится в начало этой очереди. Легко понять, что при этом в конце очереди автоматически соберутся те дан-ные, к которым дольше всего не было обращения. При этом, если эти данные в кэш памяти изменя-лись, то они переписываются в оперативную память. В архитектуре некоторых ЭВМ может быть два отдельных кэша, один для команд и другой для данных. При этом обычно команды запрещается ме-нять, поэтому в кэш команд никогда не производится запись, что позволяет упростить реализацию этого кэша.

Таким образом, в кэше накапливаются наиболее часто используемые команды и данные выпол-няемой программы, например, все команды не очень длинных циклов после их первого выполнения будут находиться в памяти типа кэш.

Архитектура ЭВМ с общей шиной

Эта архитектура была разработана, когда появилась необходимость в массовом производстве от-носительно простых компьютеров (их тогда называли мини- и микро- ЭВМ [11]). Основой архитек-туры этого класса ЭВМ была общая шина.1 В первом при-ближении общую шину можно представить себе как набор электрических проводов (линий), снаб-женных некоторыми электронными схемами. В современных ЭВМ число линий в такой шине обычно не превышает двух сотен. Все устройства компьютера в архитектуре с общей шиной соединяются между собой посредством подключения к такому общему для них набору электрических проводов – шине. В этой архитектуре шина исполняет роль главного элемента, связующей магистрали, по которой производится обмен информацией между всеми остальными устройствами ЭВМ. Легко понять, что, так как обмен информацией производится по шине с помощью электрических сигналов, то в каждый момент времени только два устройства могут выполнять такой обмен. Обычно одно из этих уст-ройств является ведущим (инициатором обмена данными), а другое – подчиненным (ведомым). Все устройства компьютера связаны с общей шиной посредством специальных электронных схем, кото-рые чаще всего называются портами ввода/вывода. Каждый такой порт имеет на шине уникальный номер (в нашей архитектуре этот номер имеет формат i16). Обычно каждому устройству компьюте-ра приписан не один порт, а несколько, так как они специализированные: по некоторым портам уст-ройство может читать данные с шины, по другим – записывать (передавать) данные в шину, а есть и универсальные порты, как для чтения, так и для записи.

Архитектура ЭВМ с каналами ввода/вывода предполагает возможность параллельной работы не-скольких устройств компьютера. на больших компьютерах есть несколько каналов ввода/вывода, так как эти каналы выгоднее делать специализированными. Обычно один канал ввода/вывода успевает обслуживать все медленные внешние устройства (клавиатура, печать, дисплеи, линии связи и т.д.), такой канал называется мультиплексным.1 Один или несколько других каналов работают с быстрыми внешними устройствами (обычно это дисковая память), такие каналы называются селекторными. В отличие от мультиплексного канала, который успевает, быстро переключаясь с одного медленного внешнего устройства на другое, обслуживать их все как бы одновременно, селекторный канал в каждый момент времени может работать только с одним быстрым внешним устройством. внешние устройства подключаются к каналам не напрямую, а через специальные электронные схемы, которые называются контроллерами. Это связано с тем, что каналы являются универсальными, они должны допускать подключение внешних устройств, очень разных по своим характеристикам. Таким образом, канал работает как бы с некоторыми обобщенными (абст-рактными) внешними устройствами, а все особенности связи с конкретными устройствами реализу-ются в контроллерах. Например, один контроллер предназначен для подключения к каналу жестких дисков, другой – архивных накопителей на магнитной ленте.

Поиск по сайту: