Архитектура ЭВМ
Поколения цифровых ЭВМ
Классификация ЭВМ по принципу действия
Электронная вычислительная машина, компьютер – комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки данных в процессе решения вычислительных и информационных задач.
По принципу действия вычислительные машины делятся на аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ). Критерием деления является форма представления данных, с которыми они работают.
ЦВМ – работают с данными, представленными в дискретной, а точнее, в цифровой форме.
АВМ – работают с данными, представленными в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины, которая является аналогом вычисляемой величины. Чаще всего это электрическое напряжение. На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики.
ГВМ – работают с данными, представленными и в цифровой и в аналоговой форме. Их целесообразно использовать для задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.
Наиболее широкое распространение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретных данных – ЭЦВМ, которые обычно называют просто ЭВМ.
| Показатель | Поколения | |||||
| Первое | Второе | Третье | Четвертое | Пятое | ||
| 1951-1954 | 1958-1960 | 1965-1966 | 1976-1979 | с 1985 | ||
| Элементная база процессора | Электронные лампы | Транзисторы (полупроводниковые схемы) | Интегральные схемы (ИС) | Большие ИС (БИС) | Сверх БИС | + Оптоэлектроника + Криоэлектроника |
| Элементная база ОЗУ | Электронно-лучевые трубки | Ферритовые сердечники | Ферритовые сердечники | БИС | СБИС | СБИС |
| Максимальная емкость ОЗУ (байт) | 102 | 103 | 104 | 105 | 107 | 108 |
| Максимальное быстродействие процессора (оп/с) | 104 | 106 | 107 | 108 | 109+ многопроцессорность | 1012+ многопроцессорность |
| Средства связи пользователя с ЭВМ | Пульт управления и перфокарты | Перфокарты, перфоленты + АЦПУ | Видео – терминальные устройства | Монохромный графический дисплей + клавиатура | Цветной графический дисплей + клавиатура + мышь | + Устройство голосовой связи с ЭВМ |
| Языки программирования | Машинный код | + Ассемблер | + Процедурные языки высокого уровня (ЯВУ) | + Новые процедурные ЯВУ | + Непроцедурные ЯВУ | + Новые непроцедурные ЯВУ |
Архитектура- это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов.
Общие принципы построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре:
1. Структура памяти ЭВМ
2. Способы доступа к памяти и внешним устройствам
3. Возможность изменения конфигурации компьютера
4. Система команд
5. Форматы данных
6. Организация интерфейса
Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил Джон фон Нейман. В 1946 году он вместе со своими коллегами опубликовал статью «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства», в которой убедительно обосновывается использование двоичной системы счисления для представления чисел в ЭВМ (до этого машины хранили данные в 10 – ом виде) и излагаются следующие принципы:
1. Принцип программного управления. Он обеспечивает автоматизацию процессов вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
Для понятия этого принципа надо знать следующие определения.
Регистр – специализированная дополнительная ячейка памяти в процессоре. Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды.
Счетчик команд – регистр устройства управления (УУ), содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды, он служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти. Этот регистр последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым осуществляется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой – то другой, используются команды условного или безусловного переходов. Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.
2. Принцип однородности памяти (принцип хранимой команды). Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Компьютер не различает, что храниться в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатом вычислений.
3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Это позволяет обращаться к произвольной ячейке (адресу) без просмотра предыдущих.
Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу фон-неймановских.
На сегодняшний день это подавляющее большинство компьютеров, в том числе и IBM PС – совместимые. Но есть и компьютерные системы с иной архитектурой – например системы для параллельных вычислений.