Развитие многоуровневых машин презентация

Aппаратное обеспечение
Программы, написанные на машинном языке (уровень 1), могут сразу без применения ин­терпретаторов и трансляторов исполняться электронными схемами компьютера (уровень 0).
Электронные схемы вместе с памятью и средствами ввода-вывода формируют аппаратное обеспечение компьютера.
Аппаратное обеспе­чение состоит из материальных объектов — интегральных схем, печатных плат, кабелей, источников электропитания, модулей памяти и принтеров.
Абстрактные понятия, алгоритмы и команды к аппаратному обеспечению не относятся.

Программное обеспечение
Программное обеспечение, состоит из алгоритмов (подробных по­следовательностей команд, которые описывают решение некоторой задачи) и их компьютерных представлений, то есть программ.
Программы могут храниться на жестком диске, гибком диске, компакт-диске или других носителях.
ПО – это набор команд, составляю­щих программы, а не физические носители, на которых эти программы записаны.

В самых первых компьютерах граница между аппаратным и программным обеспечением была очевидна.
Однако со временем произошло значительное размывание этой границы, в первую очередь благодаря тому, что в процессе развития компьютеров уровни добавлялись, убирались и сливались между со­бой.
Аппаратное и программное обеспечение логически эквивалентно.
Любая операция, исполняемая программным обеспечением, может быть реализована аппаратным обеспечением (желательно после того, как она будет продумана)

Изобретение микропрограммирования
40-е г. только 2 уровня: уровень архитектуры набора команд, на котором осуществлялось программирование, и цифровой логический уровень, на котором программы исполнялись.
1951 г. Морис Уилкс (Maurice Wilkes), исследователь Кембриджского университета, предложил идею трехуровневого компьютера
встроенный неизменяемый интерпретатор (микропрограмму) исполнял программы уровня ISA (Instruction Set Architecture) посредством интерпретации
70-е гг. интерпретация стала преобладающей идеей

Запуск программы на языке FORTRAN
Загрузка перфокарт с надписью «Компилятор FORTRAN» в считывающее устройство – > «Пуск».
2. Загрузка перфокарт со своей программой в считывающее устройство –> «Продолжить».
3. В конце трансляции:
при наличии ошибок процесс ввода программы начинался заново
если ошибок не было компилятор выдавал в виде перфокарт программу на машинном языке.
4. Программу на машинном языке помещали в устройство считывания вместе с пачкой перфокарт из библиотеки подпрограмм и загру­жал обе эти программы => исполнение программы
Изобретение операционной системы

60-е гг. программа (операционная система), загружалась в компьютер на все время работы.
Пачка перфокарт с вашей программой на языке FORTRAN
ОС считывает перфокарты
*JOB – для учета системных ресурсов
*FORTRAN – для загрузки компилятора с магнитной ленты.
3. Компи­лятор считывает и компилирует вашу программу.
4. ОС считывает перфокарту *DATA – команду по исполнению транслированной программы с использованием перфокарт данных.
Изобретение операционной системы
Схема работы с операционной системой FMS
(FORTRAN Monitor System)
Перфокарту * FORTRAN можно рассматривать как виртуальную команду «откомпилировать программу», а перфокарту *DATA – как виртуальную команду «выполнить программу» => виртуальные машины

К уровню архитектуры набора команд добавлялись новые команды, приспособления и функции, из которых в конечном итоге сформировался новый уровень.
Новые команды (например, команды ввода-вывода) тогда назывались макросами операционной системы, или вызовами супервизора. Сейчас обычно используется термин си­стемный вызов.
Первые ОС считывали пачки перфокарт и распечатывали результат на принтере. Такая организация вычислений называлась пакетным ре­жимом.
60-е гг. Дартмутский колледж и МТИ создали систему разделения времени: ОС позволяла с одним компьютером работать нескольким пользователям.
Изобретение операционной системы

70-е гг. новые машинные команды можно добавлять простым рас­ширением микропрограммы.
Команды которые добавлялись в микропрограмму :
inc (INCrement)
команды для
умножения и деления целых чисел;
арифметических действий над числами с плавающей точкой;
вызова и прекращения действия процедур;
ускорения циклов;
работы с символьными строками.
Смещение функциональности на уровень микрокода

Дополнительные примеры
ускорение работы с массивами (индексная и косвенная адресация);
перемещение программы из одного раздела памяти в другой после запуска программы (переадресация);
системы прерывания, которые дают сигнал процессору, как только закон­чена операция ввода или вывода;
способность приостановить одну программу и начать другую, используя небольшое число команд (переключение процесса);
специальные команды для обработки изображений, звуковых и мульти­медийных данных.
Смещение функциональности на уровень микрокода

В 60-х-70-х годах количество микропрограмм значительно увеличилось. Однако они работали все медленнее и медленнее, поскольку занимали все больше места. В конце концов исследователи осознали, что отказ от микропрограмм резко сократит количество команд, и компьютеры станут работать быстрее. Таким об­разом, компьютеры вернулись к тому состоянию, в котором они находились до изобретения микропрограммирования.
Конец микропрограммирования

Развитие компьютерной архитектуры

Основные этапы развития компьютеров

Основные этапы развития компьютеров

Основные этапы развития компьютеров

Основные этапы развития компьютеров

Нулевое поколение - механические компьютеры (1642-1945)
Первым человеком, создавшим счетную машину, был французский ученый
Блез Паскаль (1623-1662).
Паскаль сконструировал эту машину в 1642 году, когда ему было всего 19 лет, для своего отца, сборщика налогов. Это была механическая конструкция с шестеренками и ручным приводом, которая могла исполнять только операции сложения и вы­читания

Нулевое поколение - механические компьютеры (1642-1945)
Тридцать лет спустя великий немецкий математик барон Готфрид Вильгельм фон Лейбниц (1646-1716) построил другую механическую машину, которая помимо сложения и вычитания могла исполнять операции умножения и деления.
Лейбниц три века назад создал подобие карманного калькулятора с четырьмя функциями.

Нулевое поколение - механические компьютеры (1642-1945)
Еще через 150 лет профессор математики Кембриджского университета, Чарльз Бэббидж
(1792-1871), изобретатель спидометра, разработал и сконструировал разностную машину. Эта механическая машина, которая, как и машина Паскаля, могла только складывать и вычитать, подсчитывала таблицы чисел для морской навигации. В машину был заложен только один алгоритм — метод конечных разностей с использованием полиномов.

Аналитическая машина:
запоминающее устройство (память),
вычислительное устройство,
устройство ввода (для считывания перфокарт),
устройство выво­да (перфоратор и печатающее устройство)
Вычислительное устройство принимало операнды из памяти, затем исполняло операции сложения, вычитания, умножения или деления и возвращало полу­ченный результат обратно в память. Как и разностная машина, это устройство было механическим.
Преимущество – могла исполнять разные задания.
Нулевое поколение - механические компьютеры (1642-1945)

Поскольку аналитическая машина программировалась на элементарном ассемблере, ей было необходимо программное обеспечение.
Ада Августа Лавлейс (Ada Augusta Lovelace), дочь знаменитого британского поэта Байрона стала первым в мире программистом. В ее честь назван современный язык программирования — Ada.
Нулевое поколение - механические компьютеры (1642-1945)

Нулевое поколение - механические компьютеры (1642-1945)
В конце 30-х годов Конрад Зус (Konrad Zuse) сконструиро­вал несколько автоматических счетных машин с использованием электромагнит­ных реле.
Ему не удалось получить денежные средства от правительства на свои разработки, потому что началась война. Его машины были уничтожены во время бомбежки Берлина в 1944 году, поэтому его работа никак не повлияла на будущее развитие компьютерной техники. Однако он был одним из пионеров в этой области.

Нулевое поколение - механические компьютеры (1642-1945)
Джон Атанасов (John Atanasoff) Колледж штата Айова и
Джордж Стиббиц из Bell Labs.
Их счетные машины были чрезвычайно мощными для того времени.
В машине использовались:
двоичная арифметика;
память на базе конден­саторов, которые периодически обновлялись, чтобы избежать утечки заряда.
Современная динамическая память (ОЗУ) работает точно по такому же прин­ципу.

Первое поколение - электронные лампы (1945-1955)
Прибор под назва­нием ENIGMA, для кодировки радиограмм (предшественник был спроектирован изобретателем-дилетантом и бывшим президентом США Томасом Джефферсоном).
Британское правительство основало секретную лабораторию для создания электронного компьютера под названием COLOSSUS. В создании этой машины принимал участие знаменитый британский математик Алан Тьюринг. COLOSSUS работал уже в 1943 году, но рассекретили спустя 30 лет.
COLOSSUS – первый электронный компьютер!!!

Первое поколение - электронные лампы (1945-1955)
В1943 году Джон Моушли со своим студентом Дж. Преспером Экертом (J. Presper Eckert) начали конструировать электронный компьютер, который они назвали ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer — электронный цифровой интегратор и калькулятор).
ENIAC состоял из 18 000 электровакуумных ламп и 1500 реле, весил 30 тон и потреблял 140 киловатт электроэнергии. У машины было 20 регистров, каждый из которых мог содер­жать 10-разрядное десятичное число.

Первое поколение — электронные лампы (1945-1955)
Экерт и Моушли вскоре начали работу над машиной EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer — электронная дискретная параметрическая маши­на).
В то время как Экерт и Моушли работали над машиной EDVAC, один из участников проекта ENIAC, Джон фон Нейман, поехал в Институт специальных исследований в Принстоне, чтобы сконструировать собственную версию EDVAC под названием IAS (Immediate Address Storage — память с прямой адресацией).

Джон фон Нейман знал много языков, был специалистом в физике и математике, обладал феноменаль­ной памятью.
Отмечал следующее:
программа должна быть представлена в памяти компьютера в цифровой форме, вместе с данными.
что десятичная арифметика, используемая в машине ENIAC, где каждый разряд представлялся десятью электронными лампами (1 включена и 9 выключены), может быть заменена параллельной двоичной арифметикой.

Первое поколение - электронные лампы (1945-1955)
Фон-неймановская вычислительная машина: команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти неразличимы.
Он был использован в EDSAC, первой машине с программой в памяти, и даже сейчас, более чем полвека спу­стя, является основой большинства современных цифровых компьютеров.
Сам замысел и машина IAS, построенная при участии Германа Голдстайна (Herman Goldstine), оказали очень большое влияние на дальнейшее развитие компьютер­ной техники,

Фон-неймановская вычислительная машина
Память
Блок управления
Арифметико-логическое устройство
Аккамулятор
Ввод
Вывод

1. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах.
2. Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.
3. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.

Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.
5. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.

Фон-неймановская вычислительная машина
Память состояла из 4096 слов, каждое слово содержало 40 бит (0 или 1).
Арифметический блок и блок управления составляли «мозговой центр» компьютера. В современных машинах эти блоки сочетаются в одной микросхеме, называемой центральным процессором (ЦП).
Внутри арифметико-логического устройства находился особый внутренний регистр на 40 бит, так называемый аккумулятор. Типичная команда прибавляла слово из памяти к аккумулятору или сохраняла содержимое аккумулятора в па­мяти.
Машина не исполняла арифметические операции с плавающей точкой, поскольку фон Нейман считал, что любой сведущий математик способен держать дробную часть в уме.

Второе поколение - транзисторы
(1955-1965)
Транзистор был изобретен сотрудниками лаборатории Bell Laboratories Джоном Бардином (John Bardeen), Уолтером Браттейном (Walter Brattain) и Уильямом Шокли (William Shockley), за что в 1956 году они получили Нобелевскую пре­мию в области физики.

Второе поколение - транзисторы
(1955-1965)
Первый компьютер на транзисторах был построен в лаборатории МТИ. Он содержал слова из 16 бит. Компьютер назывался ТХ-0 (Transistorized experimental computer 0 — экспери­ментальная транзисторная вычислительная машина 0) и предназначался только для тестирования будущей машины ТХ-2.
Машина ТХ-2 не имела большого значения, но один из инженеров из этой лаборатории, Кеннет Ольсен (Kenneth Olsen), в 1957 году основал компанию DEC (Digital Equipment Corporation — корпорация по производству цифровой аппаратуры) для производства серийной машины, сходной с ТХ-0 – машина PDP-1.

Второе поколение - транзисторы
(1955-1965)
Компьютер PDP-1 появился только в 1961 году. Он имел 4096 слов по 18 бит и быстродействие 200 000 команд в секунду.
Компания DEC продала десятки компьютеров PDP-1, и так появилась компьютерная промышленность.
Одну из первых машин модели PDP-1 отдали в МТИ. Одним из нововведений PDP-1 был дисплей с размером 512 x 512 пикселов, на котором можно было рисовать точки. Вскоре студенты МТИ составили специ­альную программу для PDP-1, чтобы играть в «Космическую войну» — первую в мире компьютерную игру!

PDP-8
12-разряд­ный компьютер фирмы DEC.
PDP-8 стоил гораздо дешевле, чем PDP-1 (16 000 долларов).
Главное нововведение — единственная шина (omnibus).
Компания DEC продала 50 000 компьютеров и стала лидером на рынке мини-компьютеров
Шина — это набор параллельно соединенных проводов, связывающих ком­поненты компьютера. Это нововведение радикально отличало PDP-8 от IAS. Такая архитектура с тех пор стала использоваться во всех малых компьютерах.

CDC (Control Data Corporation)
В 1964 году компания CDC (Control Data Corporation) выпустила машину 6600, которая работала почти на порядок быстрее, чем все остальные машины того времени.
Внутри ЦП (центрального процессора) находилась машина с высокой степенью параллелизма. У нее было несколько функциональных устройств для сложения, умножения и деления, и все они могли работать одновременно.
Разработчик компьютера 6600 Сеймур Крей (Seymour Cray) был легендарной личностью, как и фон Нейман.

Сеймур Крей (Seymour Cray)
Сеймур Крей посвятил всю свою жизнь созданию очень мощных компьютеров, которые сейчас называют суперкомпьютерами. Среди них можно назвать 6600, 7600 и Сгау-1.
Сеймур Крей также является автором известного «алгоритма покупки автомобилей»:
вы идете в магазин, ближайший к вашему дому, показываете на машину, ближайшую к двери, и говорите: «Я беру эту». Этот алгоритм позволяет тратить минимум времени на не очень важные дела (покупку автомобилей) и оставляет большую часть времени на важные (разработку суперкомпьютеров).

Burroughs В5000
Разработчики машин PDP-1, 7094 и 6600 занимались только аппаратным обеспечением, стара­ясь снизить его стоимость (DEC) или заставить работать быстрее (IBM и CDC). На программное обеспечение никто не обращал внимания.
Производители В5000 разработали машину специально для программиро­вания на языке Algol 60 (предшественнике языков С и Java), сконструировав аппаратное обеспечение так, чтобы упростить задачу компилятора.
Так появилась идея, что при разработке компьютера нужно также учитывать и программное обеспечение.

Третье поколение - интегральные схемы (1965-1980)
Изобретение кремниевой интегральной схемы в 1958 году Джеком Килби (Jack Kilby) и Робертом Нойсом (Robert Noyce) позволило разместить на одной небольшой микросхеме десятки транзисторов.
Компьютеры на интегральных схемах были меньшего размера, работали быстрее и стоили дешевле, чем их предшественники на транзисторах.
К 1964 году компания IBM лидировала на компьютерном рынке, но существо­вала одна большая проблема: выпускаемые ей компьютеры 7094 и 1401, исклю­чительно успешные и прибыльные, были несовместимы друг с другом.

Линейка транзисторных компьютеров System/360 IBM
предназначены как для научных, так и для коммерче­ских расчетов;
это было целое семейство компьютеров для работы с одним языком (ассемблером), разного размера и вычислительной мощности.
многозадачность - в памяти компьютера могло находиться одновременно несколько программ, и пока одна программа ждала, когда закончится процесс ввода-вывода, другая исполнялась. В результате ресурсы процессора расходовались более рационально.

IBM-360 был первой машиной, которая могла полностью эмулировать (имитировать) работу других компьютеров. Младшие модели могли эмулировать 1401, а старшие — 7094, поэтому программисты могли оставлять свои старые программы без изменений и использовать их в работе с 360.

Четвертое поколение — сверхбольшие интегральные схемы (1980-?)
Появление сверхбольших интегральных схем (СБИС) в 80-х годах позволило размещать на одной плате сначала десятки тысяч, затем сотни тысяч и, наконец, миллионы транзисторов. Это привело к созданию компьютеров меньшего размера и более быстродействующих.
К 80-м годам цены упали так сильно, что возможность приобретать компьютеры появилась не только у ор­ганизаций, но и у отдельных людей.
Началась эра персональных компьютеров.

Intel 8080
Первые персональные компьютеры продавались в виде комплектов: печатная плата, набор интегральных схем, обычно включая схему Intel 8080, несколько кабелей, источник питания и иногда 8-дюймовый дисковод.
покупатель должен был сам сложить из этих частей компьютер
ПО к компьютеру не прилагалось. Покупателю приходи­лось писать ПО самому.
Позднее появилась операционная система СР/М, написанная Гари Килдаллом (Gary Kildall) для Intel 8080. Это была полноценная ОС (на дискете), со своей файловой си­стемой и интерпретатором для исполнения пользовательских команд, которые вводились с клавиатуры.

Еще один персональный компьютер, Apple (а позднее и Apple II), был раз­работан Стивом Джобсом (Steve Jobs) и Стивом Возняком (Steve Wozniak).

IBM PC
Отказались конструировать компьютер «с нуля» только из компонентов IBM (сделанных из транзисторов IBM, сделан­ных из кристаллов IBM)
Филип Эстриджу (Philip Estridge), работая в 2000 километров от главного управления компании, находящегося в Армонке (шт. Нью-Йорк), взял за основу процессор Intel 8088 и построил персональный компьютер из разнородных компонентов.
Компьютер (IBM PC) появился в 1981 году и стал самым покупаемым ком­пьютером в истории.

IBM PC
НО! IBM опубликовала полные проекты, включая все электронные схемы, в книге стоимостью 49 долларов, чтобы другие компании могли производить сменные платы для IBM PC.
Многие компании начали делать клоны PC и часто продавали их гораздо дешевле, чем IBM (поскольку все составные части компьютера можно было легко приобрести).

ОС
Первая версия IBM PC была оснащена операционной системой MS-DOS, ко­торую выпускала тогда еще крошечная корпорация Microsoft.
IBM и Microsoft совместно разработали последовавшую за MS-DOS операционную систему OS/2.
Отличи­тельной особенностью OS/2 был графический пользовательский интерфейс (Graphical User Interface, GUI), сходный с интерфейсом Apple Macintosh.
Между тем компания Microsoft также разработала собственную операционную систему Windows, которая работала на основе MS-DOS, — на случай, если OS/2 не бу­дет иметь спроса.

OS/2 не пользовалась спросом, a Microsoft успешно продолжала выпускать операционную систему Windows, что послужило причиной грандиозного раздора между IBM и Microsoft.
История о том, как крошечная компания Intel и еще меньшая компания Microsoft уму­дрились свергнуть IBM, одну из самых крупных, самых богатых и самых влия­тельных корпораций в мировой истории, подробно излагается в бизнес-школах всего мира.

Apple Macintosh
Хотя некоторые компании (такие как Commodore, Apple и Atari) производили персональные компьютеры с использованием своих процессоров, а не процес­соров Intel, потенциал производства IBM PC был настолько велик, что другим компаниям приходилось пробиваться с трудом.
Apple Macintosh появился в 1984 году как наследник злополучного Apple Lisa — первого компьютера с графическим интерфейсом. Неудача Lisa объяснялась дороговизной, но более дешевый Macintosh, появившийся через год, пользовался огромным успехом и завоевал много преданных поклонников.

Intel
Первоначальный успех процессора 8088 воодушевил компанию Intel на его дальнейшие усовершенствования.
версия 80386, выпущен­ная в 1985 году, — этот процессор был уже 32-разрядным.
Последующие версии назывались Pentium и Core. Эти микросхемы используются практиче­ски во всех современных PC. Архитектура процессоров этого семейства часто обозначается общим термином х86. Совместимые микросхемы, производимые фирмой AMD, тоже называются х86.

RISC
В середине 80-х годов на смену CISC (Complex Instruction Set Computer — компьютер с полным набором команд) пришли компьютеры RISC (Reduced Instruction Set Computer — компьютер с сокращенным набором команд). RISC-команды были проще и выполнялись гораздо быстрее.
Вплоть до 1992 года персональные компьютеры были 8-, 16- и 32-разрядны ми. Затем появилась революционная 64-разрядная модель Alpha производства DEC — самый что ни на есть настоящий RISC-компьютер, намного превзошедший по показателям производительности все прочие ПК.

В 1990-е годы компьютерные системы ускорялись посредством различных микроархитектурных оптимизаций.
К концу 1990-х годов тенденция к повышению скорости стала снижаться из-за двух важных препятствий в области проектирования: архитекторы исчерпали запас возможностей для ускорения программ, а охлаждение процессоров стало обходиться слишком дорого.
В 2001 году фирма IBM представила двухъядерную архитектуру POWER4 — первый образец крупносерийного центрального процессора, включавшего два процессора на одной подложке.
Для эффективной работы параллельных машин программист должен явным образом организовать параллельное выполнение программ, а эта задача сложна и подвержена ошибкам.

Пятое поколение — компьютеры небольшой мощности и невидимые компьютеры
Компьютеры начали стремительно уменьшаться
В 1989 году фирма Grid Systems выпустила первый планшетный компьютер, который назывался GridPad.
Модель Apple Newton, появившаяся в 1993 году, наглядно доказала, что ком­пьютер можно уместить в корпусе размером с кассетный плеер.
Интерфейс рукописного ввода PDA был усовершенствован Джеффом Хокинсом (Jeff Hawkins), создавшим компанию Palm для разработки деловых карманных компьютеров. Технология «Graffiti».

В 1990-е годы IBM встроила сотовый телефон в PDA, создав так называемый «смартфон», который назывался Simon. Для ввода использовался сенсорный экран, а в распоряже­нии пользователя оказывались все возможности PDA, а также телефон, игры и электронная почта.
Значительно большее значение придается так называемым «не­видимым» компьютерам — тем, что встраиваются в бытовую технику, часы, бан­ковские карточки и огромное количество других устройств [Bechini et al, 2004].