У 1946 році Д. фон Нейман, Г. Голдстайн і А. Беркс у своїй спільній статті виклали нові принципи побудови та функціонування ЕОМ. Надалі з урахуванням цих принципів проводилися перші два покоління комп'ютерів. У пізніших поколіннях відбувалися деякі зміни, хоча принципи Неймана є актуальними й сьогодні.

По суті, Нейману вдалося узагальнити наукові розробки та відкриття багатьох інших вчених та сформулювати на їх основі принципово нове.

Принцип програмного управління:Програма складається з набору команд, що виконуються процесором певної послідовності.

Принцип однорідності пам'яті:програми та дані зберігаються в одній і тій же пам'яті.

Принцип адресності:Структурно основна пам'ять складається з пронумерованих осередків. Процесору в довільний момент часу доступна будь-яка комірка.

p align="justify"> Комп'ютери, побудовані на перерахованих принципах, відносяться до типу фон - неймановських.

Найголовнішим наслідком цих принципів можна назвати те, що тепер програма вже була постійною частиною машини (як, наприклад, у калькулятора). Програму можна було легко змінити. Для порівняння, програма комп'ютера ENIAC (де не було збереженої у пам'яті програми) визначалася спеціальними перемичками на панелі. Щоб перепрограмувати машину (встановити перемички по-іншому), міг знадобитися далеко не один день. І хоча програми для сучасних комп'ютерів можуть писатися роки, однак вони працюють на мільйонах комп'ютерів, встановлення програм не потребує значних витрат часу.

Крім перелічених трьох принципів фон Нейман запропонував принцип двійкового кодування.для представлення даних та команд використовується двійкова система числення (перші машини використовували десяткову систему числення). Але подальші розробки показали можливість використання нетрадиційних систем числення.

На початку 1956 р. з ініціативи академіка С.Л. Соболєва, завідувача кафедри обчислювальної математики на механіко-математичному факультеті Московського університету, в обчислювальному центрі МДУ було засновано відділ електроніки та почав працювати семінар з метою створення практичного зразка цифрової обчислювальної машини, призначеної для використання у вузах, а також у лабораторіях та конструкторських бюро промислових підприємств. . Потрібно розробити малу ЕОМ, просту в освоєнні та застосуваннях, надійну, недорогу і водночас ефективну у широкому спектрі завдань. Грунтовне вивчення протягом року обчислювальних машин і технічних можливостей їх реалізації, що були на той час, призвело до нестандартного рішення використати в створюваній машині не двійковий, а трійковий симетричний код, реалізувавши врівноважену систему числення, яку Д. Кнут через двадцять років назве можливо, самої і як потім стало відомо, переваги якої були виявлені К. Шенноном у 1950р. На відміну від загальноприйнятого в сучасних комп'ютерах двійкового коду з цифрами 0, 1, арифметично неповноцінного внаслідок неможливості безпосереднього представлення в ньому негативних чисел, трійковий код із цифрами -1, 0, 1 забезпечує оптимальну побудову арифметики чисел зі знаком. Трійкова система числення заснована на тому ж позиційному принципі кодування чисел, що і прийнята в сучасних комп'ютерах двійкова система, проте вага i-й позиції (розряду) у ній дорівнює не 2 i, а 3 i. При цьому самі розряди не двозначні (не биті), а тризначні (трити) - крім 0 і 1 допускають третє значення, яким у симетричній системі служить -1, завдяки чому однаково представимі як позитивні, так і негативні числа. Значення n-тритного цілого числа N визначається аналогічно значенню n-бітного:

де а i ∈ (1, 0, -1) – значення цифри i-го розряду.

У квітні 1960 р. були проведені міжвідомчі випробування досвідченого зразка обчислювальної машини, названої «Сетунь». простота технічного обслуговування”.“Сетунь”, завдяки природності потрійного симетричного коду, виявилася справді універсальним, нескладно програмованим і дуже ефективним обчислювальним інструментом, позитивно зарекомендував себе, зокрема, як технічний засіб навчання обчислювальної математики у понад тридцяти вузах. А у Військово-повітряній інженерній академії ім. Жуковського саме на “Сетуні” було вперше реалізовано автоматизовану систему комп'ютерного навчання.

Відповідно до принципів фон Неймана комп'ютер складається з:

· арифметико-логічного устрою - АЛУ(англ. ALU, Arithmetic and Logic Unit), що виконує арифметичні та логічні операції; пристрої управління -УУ, призначеного для організації виконання програм;

· запам'ятовуючих пристроїв (ЗП), в т.ч. оперативного запам'ятовуючого пристрою (ОЗП – первинна пам'ять) та зовнішнього запам'ятовуючого пристрою (ВЗП); в о сновної пам'яті зберігаються дані та програми; модуль пам'яті складається з безлічі пронумерованих осередків, в кожну комірку може бути записано двійкове число, яке інтерпретується як команда, або як дані;

· у будівництв введення-виведення, які служать передачі даних між комп'ютером і зовнішнім оточенням, що з різних периферійних пристроїв, до яких входять вторинна пам'ять, комунікаційне устаткування і термінали.

Забезпечує взаємодію між процесором (АЛУ та УУ), основною пам'яттю та пристроями введення – виведення з Системна шина .

Фон-нейманівська архітектура комп'ютера вважається класичною, на ній збудовано більшість комп'ютерів. У випадку, коли говорять про архітектуру фон Неймана, мають на увазі фізичне відділення процесорного модуля від пристроїв зберігання програм і даних. Ідея зберігання комп'ютерних програм у спільній пам'яті дозволяла перетворити обчислювальні машини на універсальні пристрої, які здатні виконувати широке коло завдань. Програми та дані вводяться в пам'ять із пристрою введення через арифметико-логічний пристрій. Всі команди програми записуються в сусідні осередки пам'яті, а дані для обробки можуть утримуватись у довільних осередках. У будь-якій програмі остання команда має бути командою завершення роботи.

Переважна більшість обчислювальних машин на сьогоднішній день – фон-Нейманівські машини. Виняток становлять лише окремі різновиди систем для паралельних обчислень, у яких відсутня лічильник команд, не реалізована класична концепція змінної та є інші істотні важливі відхилення від класичної моделі (прикладами можуть бути потокова і редукційна обчислювальні машини). Очевидно, значне відхилення від фон-неймановской архітектури відбудеться у результаті розвитку ідеї машин п'ятого покоління, основу обробки інформації у яких лежать не обчислення, а логічні висновки.

2.2 Команда, формати команд

Команда – це опис елементарної операції, яку має виконати комп'ютер.

Структура команди.

Кількість розрядів для запису команди залежить від апаратних засобів конкретної моделі комп'ютера. У зв'язку з цим структуру конкретної команди розглядатимемо для загального випадку.

У загальному випадку команда містить таку інформацію:

Ø код виконуваної операції;

Ø вказівки щодо визначення операндів або їх адрес;

Ø вказівки щодо розміщення одержуваного результату.

Для будь-якої конкретної машини має бути задано число двійкових розрядів, що відводяться в команді для кожного з її адрес і для коду операцій, як і самі фактичні коди операцій. Число двійкових розрядів у команді, відведене при конструюванні машини для кожної з її адрес, визначає верхню межу числа комірок пам'яті машини, що мають окремі адреси: якщо адреса в команді зображується за допомогою n двійкових розрядів, то пам'ять з швидкою вибіркою не може утримуватися більше ніж 2 n осередків.

Команди виконуються послідовно, починаючи з початкової адреси (точки входу) програми, що виконується, адреса кожної наступної команди на одиницю більше адреси попередньої команди, якщо вона не була командою переходу.

У сучасних машинах довжина команд змінна (як правило, від двох до чотирьох байт), а способи вказівки змінних адрес дуже різноманітні.

В адресній частині команди може бути зазначено, наприклад:

Операнд;

Адреса операнда;

Адреса адреси операнда (номер байта, починаючи з якого розташована адреса операнда) і т.д.

Розглянемо структуру можливих варіантів кількох типів команд.

Триходові команди.

Двохадресні команди.

Одноадресні команди.

Безадресні команди.

Розглянемо бінарну операцію додавання: з = a + b.

Для кожної змінної пам'яті визначимо умовні адреси:

Нехай 53 - код операції складання.

У цьому випадку структура трихадресної команди виглядає так:

· Триходові команди.

Процес виконання команди розбивається на такі етапи:

З комірки пам'яті, адресу якої зберігається у лічильнику команд, вибирається чергова команда; вміст лічильника змінюється і тепер містить адресу наступної команди команди;

Вибрана команда передається у пристрій управління регістр команд;

Пристрій керування розшифровує адресне поле команди;

За сигналами УУ значення операндів зчитуються з пам'яті та записуються в АЛП на спеціальні регістри операндів;

УУ розшифровує код операції та видає в АЛУ сигнал виконати відповідну операцію над даними;

Результат операції у разі відправляється на згадку (в одноадресних і двоадресних ЕОМ залишається у процесорі);

Усі попередні дії виконуються до досягнення команди ОСТАНОВ.

2.3 ЕОМ як автомат

«Електронні цифрові машини з програмним управлінням є прикладом одного з найбільш поширених в даний час типів перетворювачів дискретної інформації, званих дискретними або цифровими автоматами» (Глушков В.М. Синтез цифрових автоматів)

Будь-яка обчислювальна машина працює автоматично (чи то велика чи мала ЕОМ, персональний комп'ютер чи Супер-ЕОМ). У цьому сенсі обчислювальна машина як автомат може бути описана структурною схемою, представленою на рис. 2.1.

У попередніх параграфах було розглянуто структурну схему обчислювальної машини. Виходячи зі структурної схеми обчислювальної машини та схеми автомата, ми можемо зіставити блоки схеми автомата та елементи структурної схеми ЕОМ.

Як виконавчі елементи в автомат включаються:

· арифметико-логічний пристрій:

· Пам'ять;

· Пристрої введення-виведення інформації.

Керуючим елементом автомата є пристрій управління, який забезпечує автоматичний режим роботи. Як зазначалося, в сучасних обчислювальних пристроях основним виконавчим елементом є процесор чи мікропроцесор, що містить у собі АЛУ, пам'ять, пристрій управління.

Допоміжними пристроями автомата можуть бути всілякі додаткові засоби, що покращують або розширюють можливості автомата.

Машина тюрингу

Машина Тьюринга (МТ)- Абстрактний виконавець (абстрактна обчислювальна машина). Була запропонована Аланом Тьюрінгом у 1936 році для формалізації поняття алгоритму.

Машина Тьюринга є розширенням кінцевого автомата і, згідно з тезою Чорча - Тьюринга, здатна імітувати усі виконавці(за допомогою завдання правил переходу), які реалізують процес покрокового обчислення, в якому кожен крок обчислення досить елементарний.

Пристрій машини Тьюринга

До складу машини Т'юрінга входить необмежена в обидві сторони стрічка(можливі машини Тьюринга, які мають кілька нескінченних стрічок), розділена на комірки, та керуючий пристрій(також називається головкою запису-читання(ГЗЛ)), здатне перебувати в одному з безлічі станів. Число можливих станів пристрою, що управляє, звичайно і точно задано.

Керуючий пристрій може переміщатися вліво і вправо стрічкою, читати і записувати в комірки символи деякого кінцевого алфавіту. Виділяється особливий порожнійсимвол, що заповнює всі клітини стрічки, крім тих (кінців), на яких записані вхідні дані.

Керуючий пристрій працює згідно правилам переходуякі представляють алгоритм, реалізованийданою машиною Тьюринга. Кожне правило переходу наказує машині, залежно від поточного стану та спостерігається в поточній клітині символу, записати в цю клітину новий символ, перейти в новий стан і переміститися на одну клітинку вліво або вправо. Деякі стани машини Т'юрінга можуть бути позначені як термінальні, і перехід у будь-яке з них означає кінець роботи, зупинку алгоритму.

Машина Тьюринга називається детермінованою, якщо кожній комбінації стану та стрічкового символу в таблиці відповідає не більше одного правила. Якщо існує пара «стрічковий символ - стан», для якої існує 2 і більше команд, така машина Т'юрінга називається недетермінованою.

Опис машини Тьюринга

Конкретна машина Тьюринга задається перерахуванням елементів множини літер алфавіту A, множини станів Q і набором правил, якими працює машина. Вони мають вигляд: q i a j →q i1 a j1 d k (якщо головка знаходиться в стані q i , а в осередку записана буква a j , то головка переходить в стан q i1 , в комірку замість a j записується a j1 , головка робить рух d k , яке має три варіанти: на комірку вліво (L), на комірку вправо (R), залишитися на місці (N)). Для кожної можливої ​​конфігурації є одно правило (для недетермінованої машини Тьюринга може бути більше правил). Правил немає лише для заключного стану, потрапивши до якого машина зупиняється. Крім того, необхідно вказати кінцевий та початковий стани, початкову конфігурацію на стрічці та розташування головки машини.

Приклад машини Тьюринга

Наведемо приклад МТ для множення чисел в унарній системі числення. Запис правила «q i a j →q i1 a j1 R/L/N» слід розуміти так: q i - стан при якому виконується це правило, a j - дані в комірці, в якій знаходиться головка, q i1 - стан, в який потрібно перейти, a j1 - що потрібно записати в комірку, R/L/N – команда на переміщення.

Архітектура ЕОМ джона фон нейману

Архітектура фон Неймана- широко відомий принцип спільного зберігання команд та даних у пам'яті комп'ютера. Такі обчислювальні системи часто позначають терміном «машина фон Неймана», проте відповідність цих понять не завжди однозначно. У випадку, коли говорять про архітектурі фон Неймана, мають на увазі принцип зберігання даних та інструкцій в одній пам'яті.

Принципи нейману фону

Принципи фон Неймана

Принцип однорідності пам'яті

Команди та дані зберігаються в одній і тій же пам'яті та зовні в пам'яті невиразні. Розпізнати їх можна лише за способом використання; тобто одне й те саме значення в осередку пам'яті може використовуватися і як дані, і як команда, і як адреса залежно лише від способу звернення до нього. Це дозволяє виконувати над командами самі операції, як і над числами, і, відповідно, відкриває ряд можливостей. Так, циклічно змінюючи адресну частину команди, можна забезпечити звернення до послідовних елементів масиву даних. Такий прийом зветься модифікації команд і з позицій сучасного програмування не вітається. Більш корисним є інше наслідок принципу однорідності, коли команди однієї програми можуть бути отримані як результат виконання іншої програми. Ця можливість лежить в основі трансляції - переклад тексту програми з мови високого рівня на мову конкретної обчислювальної машини.

Принцип адресності

Структурно основна пам'ять складається з пронумерованих осередків, причому процесору у довільний момент доступна будь-яка комірка. Двійкові коди команд і даних поділяються на одиниці інформації, звані словами, і зберігаються в осередках пам'яті, а доступу до них використовуються номери відповідних осередків - адреси.

Принцип програмного управління

Усі обчислення, передбачені алгоритмом розв'язання задачі, мають бути представлені у вигляді програми, що складається з послідовності керуючих слів - команд. Кожна команда наказує деяку операцію з набору операцій, що реалізуються обчислювальною машиною. Команди програми зберігаються в послідовних осередках пам'яті обчислювальної машини і виконуються в природній послідовності, тобто в порядку їхнього положення в програмі. У разі потреби за допомогою спеціальних команд ця послідовність може бути змінена. Рішення про зміну порядку виконання команд програми приймається або з аналізу результатів попередніх обчислень, або безумовно.

Типи процесорів

Мікропроцесор- це пристрій, що являє собою одну або кілька великих інтегральних схем (ВІС), що виконують функції процесора ЕОМ. ).

IntelCeleron 400 Socket 370 у пластиковому корпусі PPGA, вид зверху.

Існують процесори різної архітектури.

CISC(англ. ComplexInstructionSetComputing) - концепція проектування процесорів, яка характеризується наступним набором властивостей:

· Великим числом різних за форматом та довжиною команд;

· Введенням великої кількості різних режимів адресації;

· Має складне кодування інструкції.

Процесору з архітектурою CISC доводиться мати справу з складнішими інструкціями різної довжини. Виконання одиночної CISC-інструкції може відбуватися швидше, проте обробляти кілька таких інструкцій паралельно складніше.

Полегшення налагодження програм на асемблері спричиняє захаращення вузлами мікропроцесорного блоку. Для підвищення швидкодії слід збільшити тактову частоту та ступінь інтеграції, що викликає необхідність удосконалення технології та, як наслідок, дорожчого виробництва.

Переваги архітектури CISC[показати]

Недоліки архітектури CISC[показати]

RISC(Reduced Instruction Set Computing). Процесор зі скороченим набором команд. Система команд має спрощений вигляд. Усі команди однакового формату з простим кодуванням. Звернення до пам'яті відбувається за допомогою команд завантаження та запису, решта команд типу регістр-регістр. Команда, що надходить у CPU, вже розділена по полях і вимагає додаткової дешифрації.

Частина кристала звільняється включення додаткових компонентів. Ступінь інтеграції нижче, ніж у попередньому архітектурному варіанті, тому за високої швидкодії допускається нижча тактова частота. Команда менше захаращує ОЗУ, CPU дешевше. Програмної сумісності зазначені архітектури не мають. Налагодження програм на RISC складніше. Ця технологія може бути реалізована програмно-сумісною з технологією CISC (наприклад, суперскалярна технологія).

Оскільки RISC-інструкції прості, їх виконання потрібно менше логічних елементів, що зрештою знижує вартість процесора. Але більшість програмного забезпечення сьогодні написана і відкомпільована спеціально для CISC-процесорів фірми Intel. Для використання архітектури RISC нинішні програми мають бути перекомпільовані, а іноді й переписані наново.

Тактова частота

Тактова частота – показник швидкості виконання команд центральним процесором.
Такт - проміжок часу, необхідний виконання елементарної операції.

У недалекому минулому тактову частоту центрального процесора ототожнювали безпосередньо з його продуктивністю, тобто чим вища тактова частота ЦП, тим він продуктивніший. На практиці маємо ситуацію, коли процесори з різною частотою мають однакову продуктивність, тому що за один такт можуть виконувати різну кількість команд (залежно від конструкції ядра, пропускної спроможності шини, кеш-пам'яті).

Тактова частота процесора пропорційна частоті системної шини ( див. нижче).

Розрядність

Розрядність процесора – величина, яка визначає кількість інформації, яку центральний процесор здатний обробити за один такт.

Наприклад, якщо розрядність процесора дорівнює 16 це означає, що він здатний обробити 16 біт інформації за один такт.

Думаю, всім зрозуміло, що чим вища розрядність процесора, тим більші обсяги інформації він може обробляти.

Зазвичай, що більша розрядність процесора, то його продуктивність вища.

В даний час використовуються 32-і 64-розрядні процесори. Розрядність процесора не означає, що він зобов'язаний виконувати команди з такою самою розрядністю.

Кеш-пам'ять

Насамперед відповімо на запитання, що таке кеш-пам'ять?

Кеш-пам'ять – це швидкодіюча пам'ять комп'ютера, призначена для тимчасового зберігання інформації (коду програм і даних, що виконуються), необхідних центральному процесору.

Які дані зберігаються у кеш-пам'яті?

Найчастіше використовувані.

Яке призначення кеш-пам'яті?

Справа в тому, що продуктивність оперативної пам'яті порівняно з продуктивністю ЦП набагато нижча. Виходить, що процесор чекає, коли надійдуть дані від оперативної пам'яті – що знижує продуктивність процесора, отже, і продуктивність всієї системи. Кеш-пам'ять зменшує час очікування процесора, зберігаючи в собі дані і код програм, до яких найбільш часто звертався процесор (відмінність кеш-пам'яті від оперативної пам'яті комп'ютера - швидкість роботи кеш-пам'яті в десятки разів вище).

Кеш-пам'ять, як і проста пам'ять, має розрядність. Чим вище розрядність кеш-пам'яті, тим з більшими обсягами даних може вона працювати.

Розрізняють кеш-пам'ять трьох рівнів: кеш-пам'ять першого (L1), другого (L2) та третього (L3). Найчастіше у сучасних комп'ютерах застосовують перші два рівні.

Розглянемо докладніше всі рівні кеш-пам'яті.

Кеш-пам'ять першогорівня є найшвидшою та найдорожчою пам'яттю.

Кеш-пам'ять першого рівня розташована на одному кристалі з процесором і працює на частоті ЦП (звідси найбільша швидкодія) і використовується безпосередньо ядром процесора.

Місткість кеш-пам'яті першого рівня невелика (через дорожнечу) і обчислюється кілобайтами (зазвичай трохи більше 128 Кбайт).

Кеш-пам'ять другого рівня- це високошвидкісна пам'ять, що виконує функції, як і кеш L1. Різниця між L1 і L2 у тому, що остання має нижчу швидкість, але більший обсяг (від 128 Кбайт до 12 Мбайт), що дуже корисно для виконання ресурсомістких завдань.

Кеш-пам'ять третього рівнярозташована на материнській платі. L3 значно повільніше L1і L2, але швидше оперативної пам'яті. Зрозуміло, що об'єм L3 більший за об'єм L1і L2. Кеш-пам'ять третього рівня зустрічається у дуже потужних комп'ютерах.

кількість ядер

Сучасні технології виготовлення процесорів дозволяють розмістити в одному корпусі більше одного ядра. Наявність декількох ядер значно збільшує продуктивність процесора, але це не означає, що присутність n ядер дає збільшення продуктивності в n разів. Крім цього, проблема багатоядерності процесорів полягає в тому, що на сьогоднішній день існує порівняно небагато програм, написаних з урахуванням наявності у процесора кількох ядер.

Багатоядерність процесора насамперед дозволяє реалізувати функцію багатозадачності: розподіляти роботу додатків між ядрами процесора. Це означає, що кожне окреме ядро ​​працює зі своїм додатком.

Структура материнської плати

Перш ніж обирати материнську плату, потрібно хоча б поверхово розглянути її структуру. Хоча тут варто відзначити, що розташування гнізд та інших деталей материнської плати не відіграють особливу роль.

Перше, на що варто звернути увагу, це сокет процесора. Це невелике квадратне заглиблення із кріпленням.

Для тих, хто знайомий з таким терміном як оверлокінг (розгін комп'ютера) варто звернути увагу на наявність подвійного радіатора. Найчастіше у материнських платах відсутній подвійний радіатор. Тому для тих, хто в майбутньому має намір розганяти свій комп'ютер, бажано простежити, щоб цей елемент був присутній на платі.

Довгі слоти PCI-Express призначені для відеокарт, ТВ-тюнерів, аудіо та мережевих карт. Для відеокарт потрібна велика пропускна здатність і для них використовують роз'єм PCI-Express X16. Для інших адаптерів використовуються роз'єми PCI-Express X1.

Порада експерта!PCI-роз'єми з різною пропускною здатністю виглядають майже однаково. Варто особливо уважно розглянути роз'єми та прочитати написи під ними, щоб уникнути раптових розчарувань будинку під час встановлення відеокарт.

Рознімання меншого розміру призначені для планок оперативної пам'яті. Зазвичай вони забарвлені у чорний чи синій колір.

Чіпсет плати зазвичай прихований під радіатором. Цей елемент відповідає за спільну роботу процесора та інших елементів системного блоку.

Маленькі квадратні роз'єми на краю плати служать підключення жорсткого диска. З іншого боку розташовані роз'єми для пристроїв введення та виведення (USB, мишка, клавіатура тощо).

Виробник

Материнські плати виробляють багато компаній. Виділити з них найкращі чи гірші практично неможливо. Плату будь-якої компанії можна назвати якісною. Найчастіше навіть невідомі виробники пропонують добрий товар.

Секрет у тому, що всі плати комплектуються чіпсетами від двох компаній: AMD та Intel. Причому відмінності чіпсетів незначні і грають роль при вирішенні глибоко спеціалізованих завдань.

Форм-фактор

Що стосується материнських плат розмір має значення. Стандартний форм-фактор ATX зустрічається у більшості домашніх комп'ютерів. Великий розмір, а отже наявність широкого набору гнізд дозволяють покращувати основні характеристики комп'ютера.

Зменшена версія mATX зустрічається рідше. Можливості покращення обмежені.

Також існує mITX. Цей форм-фактор зустрічається у бюджетних офісних комп'ютерах. Поліпшення характеристик або неможливе або не має сенсу.

Найчастіше процесори та плати продаються в комплекті. Однак якщо процесор був куплений раніше, важливо простежити, щоб він був сумісний із платою. Подивившись сокет, сумісність процесора і материнської плати можна визначити миттєво.

Чіпсет

Сполучна ланка всіх складових системи це чіпсет. Чіпсети виготовляють дві компанії: Intel та AMD. Особливої ​​різниці між ними немає. Принаймні для пересічного користувача.

Стандартні чіпсети складаються з північного та південного мостів. Найновіші моделі Intel складаються лише з північного. Зроблено це з метою економії. Цей фактор не зменшує продуктивність чіпсету.

Найбільш сучасні чіпсети Intel складаються з одного мосту, так як більша частина контролерів тепер знаходиться в процесорі, серед яких контролер оперативної пам'яті DD3, PCI-Express 3.0 та деякі інші.

Аналоги від AMD побудовані традиційною схемою двох мостів. Наприклад, 900-я серія комплектується південним мостом SB950 та північним 990FX (990X, 970).

При виборі чіпсету варто відштовхуватися від можливостей північного моста. Північний міст 990FX може одночасно підтримувати роботу 4-х відеокарт в режимі CrossFire. Найчастіше така потужність – надмірна. Але для любителів великовагових ігор або тих, хто працює з вимогливими графічними редакторами, цей такий чіпсет буде найбільш підходящим.

Трохи урізана версія 990Х все ще може підтримувати роботу двох відеокарт одночасно, а ось 970 модель працює виключно з однією відеокартою.

Компонування Материнських плат

· Підсистема обробки даних;

· Підсистема електроживлення;

· Допоміжні (сервісні) блоки та вузли.

Основні компоненти підсистеми обробки даних материнської плати наведено на рис. 1.3.14.

1 – гніздо процесора; 2 – фронтальна шина; 3 – північний міст; 4 – тактовий генератор; 5 – шина пам'яті; 6 – роз'єми оперативної пам'яті; 7 – роз'єми IDE (ATA); 8 – роз'єми SATA; 9 – південний міст; 10 - роз'єми IEEE 1394; 11 – роз'єми USB; 12 – роз'єм мережі Ethernet; 13 – аудіороз'єми; 14 – шина LPC; 15 - контролер Super I/O; 16 – порт PS/2;

17 – паралельний порт; 18 – послідовні порти; 19 – роз'єм Floppy Disk;

20 - BIOS; 21 – шина PCI; 22 - роз'єми PCI; 23 – роз'єми AGP або PCI Express;

24 – внутрішня шина; 25 – Шина AGP/PCI Express; 26 - роз'єм VGA

FPM (Fast Page Mode) – вид динамічної пам'яті.
Його назва відповідає принципу роботи, оскільки модуль дозволяє швидше отримувати доступ до даних, що знаходяться на тій же сторінці, що і дані, передані під час попереднього циклу.
Ці модулі використовувалися на більшості комп'ютерів із процесорами 486 та в ранніх системах із процесорами Pentium, орієнтовно в 1995 році.

Модулі EDO (Extended Data Out) з'явилися в 1995 як новий тип пам'яті для комп'ютерів з процесорами Pentium.
Це модифікований варіант FPM.
На відміну від своїх попередників, EDO починає вибірку наступного блоку пам'яті в той же час, коли відправляє попередній блок центральному процесору.

SDRAM (Synchronous DRAM) - вид пам'яті з випадковим доступом, що працює настільки швидко, щоб його можна було синхронізувати з частотою роботи процесора, виключаючи режими очікування.
Мікросхеми розділені на два блоки осередків так, щоб під час звернення до біта в одному блоці йшла підготовка до звернення до біта в іншому блоці.
Якщо час звернення до першої порції інформації становив 60 нс, усі подальші інтервали вдалося скоротити до 10 нс.
Починаючи з 1996 більшість чіпсетів Intel стали підтримувати цей вид модулів пам'яті, зробивши його дуже популярним аж до 2001 року.

SDRAM може працювати на частоті 133 МГц, що майже втричі швидше, ніж FPM і вдвічі швидше за EDO.
Більшість комп'ютерів з процесорами Pentium і Celeron, випущених 1999 року, використовували саме цей вид пам'яті.

DDR (Double Data Rate) став розвитком SDRAM.
Цей вид модулів пам'яті вперше з'явився на ринку у 2001 році.
Основна відмінність між DDR та SDRAM полягає в тому, що замість подвоєння тактової частоти для прискорення роботи ці модулі передають дані двічі за один такт.
Зараз це основний стандарт пам'яті, але він уже починає поступатися своїми позиціями DDR2.

DDR2 (Double Data Rate 2) - новий варіант DDR, який теоретично повинен бути вдвічі швидшим.
Вперше пам'ять DDR2 з'явилася в 2003 році, а чіпсети, які її підтримують - в середині 2004 року.
Ця пам'ять, також як DDR, передає два набори даних за такт.
Основна відмінність DDR2 від DDR - здатність працювати на значно більшій тактовій частоті завдяки удосконаленням у конструкції.
Але змінена схема роботи, що дозволяє досягти високих тактових частот, водночас збільшує затримки під час роботи з пам'яттю.

DDR3 SDRAM (синхронна динамічна пам'ять з довільним доступом і подвоєною швидкістю передачі даних, третє покоління) - це тип оперативної пам'яті, що використовується в обчислювальній техніці як оперативна та відео-пам'ять.
Прийшла зміну пам'яті типу DDR2 SDRAM.

У DDR3 зменшено на 40% споживання енергії в порівнянні з модулями DDR2, що обумовлено зниженим (1,5 В, порівняно з 1,8 В для DDR2 і 2,5 В для DDR) напругою живлення комірок пам'яті.
Зниження напруги живлення досягається за рахунок використання 90-нм (спочатку, надалі 65-, 50-, 40-нм) техпроцесу при виробництві мікросхем та застосування транзисторів з подвійним затвором Dual-gate (що сприяє зниженню струмів витоку).

Модулі DIMM з пам'яттю DDR3 механічно не сумісні з такими ж модулями пам'яті DDR2 (ключ розташований в іншому місці), тому DDR2 не можуть бути встановлені в слоти під DDR3 (це зроблено з метою запобігання помилковому встановлення одних модулів замість інших - ці типи пам'яті не збігаються за електричними параметрами).

RAMBUS (RIMM)

RAMBUS (RIMM) – це вид пам'яті, який з'явився на ринку у 1999 році.
Він заснований на традиційній DRAM, але з кардинально зміненою архітектурою.
Дизайн RAMBUS робить звернення до пам'яті «розумнішим», дозволяючи отримувати попередній доступ до даних, трохи розвантажуючи центральний процесор.
Основна ідея, використана в цих модулях пам'яті, полягає в отриманні даних невеликими пакетами, але на дуже високій тактовій частоті.
Наприклад, SDRAM може передавати 64 біт інформації за частоти 100 МГц, а RAMBUS - 16 біт за частоти 800 МГц.
Ці модулі не стали успішними, тому що у Intel було багато проблем із їх впровадженням.
Модулі RDRAM з'явилися в ігрових консолях Sony Playstation 2 та Nintendo 64.

RAM означає Random Access Memory – Пам'ять Довільного Доступу – пам'ять, доступ до якої здійснюється за адресою. Адреси при послідовному доступі можуть набувати будь-яких значень, тому можна отримати незалежний доступ до будь-якої адреси (або "комірки").

Статистична пам'ять - це пам'ять, побудована зі статичних перемикачів. Вона зберігає інформацію доти, доки подається харчування. Зазвичай потрібно не менше шести транзисторів для зберігання одного біта в схемі SRAM. SRAM використовується в малих системах (до декількох сотень Кб RAM) і застосовується там, де критична швидкість доступу (як кеш всередині процесорів або на материнських платах).

Динамічна пам'ять (DRAM) зародилася на початку 70-х. Вона заснована на ємнісних елементах. Ми можемо думати про DRAM як про набір конденсаторів, керованих транзисторами, що перемикаються. Тільки один "конденсаторний транзистор" необхідний для зберігання одного біта, тому DRAM має більшу ємність ніж SRAM (і вона дешевша).
DRAM організована у вигляді прямокутного масиву осередків. Щоб звернутися до осередку, нам потрібно вибрати ряд і колонку, в якій знаходиться цей осередок. Зазвичай це реалізується таким чином, що старша частина адреси вказує на ряд, а молодша частина адреси вказує на комірку в ряду (колонку). Історично склалося так (через повільну швидкість і маленьких IC пакетів на початку 70"х), що адреса подається на DRAM чіп у дві фази - адреса ряду з адресою колонки по однакових лініях. Спершу чіп приймає адресу ряду і потім через кілька наносекунд по Тієї ж лінії передається адреса колонки.Чип зчитує дані і передає їх на висновок.При циклі запису дані приймаються чіпом разом з адресою колонки.Для управління чіпом використовується кілька керуючих ліній.RAS (Row Address Strobe) сигнали якими передається адреса ряду і також активується весь чіп CAS (Column Address Strobe) сигнали якими передається адреса колонки.WE (Write Enable) вказує, що зроблений доступ - це доступ запису. .
FP DRAM

Так як кожен доступ до класичної DRAM вимагає передачі двох адрес, він був надто повільним для 25 МГц машин. FP (Fast Page) DRAM - це варіант класичної DRAM, в якому немає необхідності передавати адресу ряду в кожному циклі доступу. Доки RAS лінія активна, ряд залишається вибраним і індивідуальні осередки з цього ряду можна вибрати передачею тільки адреси колонки. Отже, в той час як осередок пам'яті залишається тією ж, час доступу менше, тому що тільки одна фаза передачі адреси необхідна в більшості випадків.

EDO (Extended Data Out) DRAM – це варіант FP DRAM. У FP DRAM адреса колонки повинна залишатися вірною під час всього періоду передачі даних. Буфери даних активуються тільки під час циклу передачі адреси колонки, за сигналом рівня активності сигналу CAS. Дані повинні бути зчитані з шини даних пам'яті до того, як у чіп надійде нова адреса колонки. EDO пам'ять зберігає дані в буферах виведення після того, як CAS сигнал повертається в неактивний стан і адресу колонки забирається. Адреса наступного стовпчика може передаватися паралельно з читанням даних. Це дозволяє використовувати частковий збіг при читанні. У той час як осередки пам'яті EDO RAM однакові за швидкістю з FP DRAM, послідовний доступ може здійснюватися швидше. Отже EDO повинні бути чимось швидшим, ніж FP, особливо для масивного доступу (наприклад, у графічних додатках).

Video RAM може ґрунтуватися на будь-якій із перерахованих вище DRAM архітектур. Крім "звичайного" механізму доступу, описаного нижче, VRAM має один або два спеціальні серійні порти. VRAM часто згадується як двопортова чи трипортова пам'ять. Серійні порти містять регістри, які можуть зберігати вміст цілого ряду. Можливо передати дані з цілого ряду масиву пам'яті регістр (або навпаки) за один цикл доступу. Далі можуть бути зчитані або записані в регістр серійного доступу порціями будь-якої довжини. Оскільки регістр складається з швидких, статичних осередків, доступ до нього дуже швидкий, зазвичай у кілька разів швидше, ніж до масиву пам'яті. У більшості типових програм VRAM використовується як буфер екранної пам'яті. Паралельний порт (стандартний інтерфейс) використовується процесором, а серійний порт використовується передачі даних про точках на дисплеї (або зчитуванні даних із відео джерела).

WRAM це патентована архітектура пам'яті розроблена Matrox і (хто ж ще, дайте згадати... Samsung?, MoSys?...). Вона схожа на VRAM, але дозволяє хосту робити швидший доступ. WRAM використовувалася на графічних платах Millenium і Millenium II Matrox (але не на сучасних Millenium G200).

SDRAM це повна переробка DRAM, представлена ​​в 90"х. "S" означає Synchronous (Синхронна), тому що в SDRAM реалізований повністю синхронний (і отже дуже швидкий) інтерфейс. Усередині SDRAM містить (зазвичай два) DRAM масиву. У кожного масиву свій власний Page Register (Регістр Сторінки), який (трохи) нагадує регістр серійного доступу на VRAM SDRAM працює набагато розумніше ніж звичайна DRAM Весь контур синхронізується з сигналом зовнішніх годин. Назви командних ліній залишилися тими ж, що й у класичних DRAM чіпах, але їх функції тільки схожі на оригінал. сучасні SDRAMи можуть передавати нове слово даних кожні 6.10 нс.

Synchronous Graphics RAM - це варіант SDRAM, розрахований на графічні програми. Апаратна структура майже ідентична, тому в більшості випадків ми можемо змінювати SDRAM та SGRAM (дивіться Matrox G200-карти – деякі з них використовують SD, інші SG). Різниця у функціях здійснюваних регістром сторінки. SG може записати кілька розміщень в одиночний цикл (це дозволяє дуже швидко проводити заповнення кольором і очищення екрану), і може записати лише кілька біт у слові (біти вибираються бітовою маскою інтерфейсним контуром, що зберігається). Тому SG швидше у графічних додатках, хоча фізично не швидше ніж SD при "нормальному" використанні. Додаткові можливості SG використовуються графічними акселераторами. Я думаю що, зокрема, дуже корисні можливості очищення екрану та Z-буфера.

RAMBUS (RDRAM)

RAMBUS (торгова марка RAMBUS, Inc.) почав розроблятися з 80"х, так що він не нов. DRAM, вбудовуємо в чіп статичний буфер (як у VRAM і SGRAM), і надаємо спеціальний інтерфейс, що електронно налаштовується, працює на 250..400 МГц.Інтерфейс як мінімум удвічі швидше ніж застосовується в SDRAM, і в той час як час випадкового доступу зазвичай повільніше , послідовний доступ проводиться дуже, дуже, дуже швидко Пам'ятайте, що коли були представлені 250 МГц RDRAMи, більшість DRAMів працювали на частотах 12..25 МГц RDRAM вимагає спеціального інтерфейсу і дуже обережного фізичного розміщення на PCB. інші DRAMи: у всіх вони всі сигнальні лінії знаходяться на одній стороні корпусу (щоб вони були однакової довжини), і тільки 4 лінії живлення на іншій стороні. RDRAMи використовуються у графічних картах на чіпах Cirrus 546x. Незабаром ми побачимо RDRAMи, які використовуються як головна пам'ять на ПК.

Влаштування жорстких дисків.

Вінчестер містить набір пластин, що представляють найчастіше металеві диски, вкриті магнітним матеріалом – платтером (гама-ферит-оксид, ферит барію, окис хрому…) та з'єднані між собою за допомогою шпинделя (валу, осі).

Самі диски (товщина приблизно 2мм) виготовляються з алюмінію, латуні, кераміки або скла. (Див. Рис)

Для запису використовуються обидві поверхні дисків. Використовується 4-9 пластин. Вал обертається з високою постійною швидкістю (3600-7200 оборотів/хв.)

Обертання дисків та радикальне переміщення головок здійснюється за допомогою 2-х електродвигунів.

Дані записуються або зчитуються за допомогою головок запису/читання по одній на кожну поверхню диска. Кількість головок дорівнює кількості робочих поверхонь всіх дисків.

Запис інформації на диск ведеться по певних місцях - концентричних доріжках (трекам). Доріжки діляться на сектори. В одному секторі 512 байт інформації.

Обмін даними між ОЗП та НМД здійснюється послідовно цілим числом (кластером). Кластер - ланцюжки послідовних секторів (1,2,3,4,...)

Спеціальний двигун за допомогою кронштейна позиціонує головку читання/запису над заданою доріжкою (переміщає її у радіальному напрямку).

При повороті диска головка знаходиться над потрібним сектором. Очевидно, що всі головки переміщуються одночасно і зчитують інфоголовки переміщуються одночасно і зчитують інформацію з однакових доріжок різних ро-мацію з однакових доріжок різних дисків.

Доріжки вінчестера з однаковим порядковим номером на різних дисках вінчестера називають циліндром.

Головки читання запису переміщаються вздовж поверхні платтера. Чим ближче до поверхні диска знаходиться головка при цьому не торкаючись її, тим вище допустима щільність запису .

Інтерфейси жорстких дисків.

IDE (АТА – Advanced Technology Attachment) – паралельний інтерфейс підключення накопичувачів, саме тому був змінений (з виходом SATA) на PATA (Parallel ATA). Раніше використовувався для підключення вінчестерів, але був витіснений інтерфейсом SATA. В даний час використовується для підключення оптичних накопичувачів.

SATA (Serial ATA) – послідовний інтерфейс обміну даними із накопичувачами. Для підключення використовується 8-pin роз'єм. Як і у випадку з PATA – є застарілим і використовується тільки для роботи з оптичними накопичувачами. Стандарт SATA (SATA150) забезпечував пропускну здатність рівну 150 МБ/с (1,2 Гбіт/с).

SATA 2 (SATA300) Стандарт SATA 2 збільшував пропускну здатність у двоє, до 300 МБ/с (2,4 Гбіт/с), і дозволяє працювати на частоті 3 ГГц. Стандартні SATA та SATA 2 сумісні між собою, проте для деяких моделей необхідно вручну встановлювати режими, переставляючи джампери.

SATA 3, але на вимогу специфікацій правильно називати SATA 6Gb/s. Цей стандарт у два збільшив швидкість передачі даних до 6 Гбіт/с (600 МБ/с). Також до позитивних нововведень відноситься функція програмного управління NCQ та команди для безперервної передачі даних для процесу з високим пріоритетом. Хоча інтерфейс і був представлений у 2009 році, особливою популярністю у виробників він поки що не користується і в магазинах не так часто зустрічає. Крім жорстких дисків, цей стандарт використовується в SSD (твердотільні диски). Варто зауважити, що на практиці пропускна здатність інтерфейсів SATA не відрізняється швидкістю передачі даних. Практично швидкість запису та читання дисків не перевищує 100 Мб/с. Збільшення показників впливає лише пропускну здатність між контролером та кеш-пам'яттю накопичувача.

SCSI (Small Computer System Interface) – стандарт застосовується на серверах, де необхідна підвищена швидкість передачі.

SAS (Serial Attached SCSI) – покоління, що прийшло на зміну стандарту SCSI, що використовує послідовну передачу даних. Як і SCSI використовується у робочих станціях. Повністю поєднавши з інтерфейсом SATA.

CF (Compact Flash) – Інтерфейс для підключення карток пам'яті, а також для 1,0 дюймових вінчестерів. Розрізняють 2 стандарти: Compact Flash Type I та Compact Flash Type II, відмінність у товщині.

FireWire - альтернативний інтерфейс повільнішому USB 2.0. Використовується для підключення портативних жорстких дисків. Підтримує швидкість до 400 Мб/с, проте фізична швидкість нижча, ніж у звичайних. При читанні та запису максимальний порг 40 Мб/с.

Типи відеокарт

Сучасні комп'ютери (ноутбуки) випускаються з різними типами відеокарт, від яких безпосередньо залежить продуктивність у графічних програмах, відтворення відео тощо.

В даний час використовується 3 типи адаптерів, які можуть поєднуватися.

Розглянемо докладніше типи відеокарт:

• інтегрована;
• дискретна;
• гібридна;
• дві дискретні;
• Hybrid SLI.

Інтегрована відеокарта- Це недорогий варіант. У ній немає відеопам'яті та графічного процесора. За допомогою чіпсету графіку обробляє центральний процесор, оперативна пам'ять використовується замість відеопам'яті. Така система пристрою значно знижує і продуктивність комп'ютера загалом, і графічну обробку зокрема.

Часто застосовується у бюджетних комплектаціях ПК чи ноутбука. Дозволяє працювати з офісними програмами, дивитися та редагувати фото та відео, але неможливо грати в сучасні ігри. Доступні лише застарілі варіанти з мінімальними вимогами до системи.

Джон фон Нейман вже у восьмирічному віці володів основами вищої математики та кількома іноземними та класичними мовами. Закінчивши в 1926 Будапештський університет, фон Нейман викладав у Німеччині, а в 1930 емігрував до США і став співробітником Прінстонського інституту перспективних досліджень.

У 1944 році фон Нейман та економіст О. Моргенштерн написали книгу «Теорія ігор та економічна поведінка». Ця книга містить не лише математичну теорію ігор, а й її застосування до економічних, військових та інших наук. Джон фон Нейман був направлений до групи розробників ENIAC консультантом з математичних питань, з якими ця група зустрілася.

У 1946 році разом з Г. Гольдстейном і А. Беркс він написав і випустив звіт «Попереднє обговорення логічної конструкції електронної обчислювальної машини». Оскільки ім'я фон Неймана як видатного фізика та математика було вже добре відоме у широких наукових колах, усі висловлені положення у звіті приписувалися йому. Більше того, архітектура перших двох поколінь ЕОМ із послідовним виконанням команд у програмі отримала назву «фон Неймановської архітектури ЕОМ».

1. Принцип програмного управління

Цей принцип забезпечує автоматизацію процесів обчислень на ЕОМ.

Програма складається з набору команд, які виконуються процесором автоматично один за одним у певній послідовності. Вибір програми з пам'яті здійснюється за допомогою лічильника команд. Цей регістр процесора послідовно збільшує адресу чергової команди, що зберігається в ньому, на довжину команди. Так як команди програми розташовані в пам'яті один за одним, то цим організується вибірка ланцюжка команд із послідовно розташованих осередків пам'яті. Якщо ж потрібно після виконання команди перейти не до наступної, а до якоїсь іншої, використовуються команди умовного або безумовного переходів, які заносять до лічильника команди номер комірки пам'яті, що містить наступну команду. Вибірка команд із пам'яті припиняється після досягнення та виконання команди “стоп”. Таким чином, процесор виконує програму автоматично, без втручання людини

2. Принцип однорідності пам'яті

Відсутність принципової різниці між програмою та даними дала можливість ЕОМ самій формувати собі програму відповідно до результатом обчислень.

Програми та дані зберігаються в одній і тій же пам'яті. Тому комп'ютер не розрізняє, що зберігається в цій клітинці пам'яті - число, текст чи команда. Над командами можна виконувати такі самі дії, як і над даними. Це відкриває цілу низку можливостей. Наприклад, програма в процесі свого виконання також може перероблятися, що дозволяє задавати в самій програмі правила отримання деяких її частин (так у програмі організується виконання циклів і підпрограм). Більше того, команди однієї програми можуть бути отримані як результати виконання іншої програми. На цьому принципі засновані методи трансляції - переклад тексту програми з мови програмування високого рівня на мову конкретної машини.

3. Принцип адресності

Структурно основна пам'ять складається з перенумерованих осередків. Процесору в довільний момент часу доступна будь-яка комірка. Звідси можна давати імена областям пам'яті, щоб до запам'ятованим у яких значенням можна було згодом звертатися чи змінювати в процесі виконання програм з допомогою присвоєних імен.

Фон Нейман описав, яким має бути комп'ютер, щоб він був універсальним та зручним засобом для обробки інформації. Він насамперед повинен мати такі пристрої:

Арифметично-логічний пристрій, який виконує арифметичні та логічні операції Пристрій управління, який організовує процес виконання програм Запам'ятовуючий пристрій для зберігання програм та даних Зовнішні пристрої для введення-виведення інформації.

Комп'ютери, побудовані цих принципах, відносять до типу фон-неймановских.

На сьогоднішній день це переважна більшість комп'ютерів, у тому числі IBM PC – сумісні. Але є й комп'ютерні системи з іншою архітектурою – наприклад, системи для паралельних обчислень.

Магістрально-модульний принцип побудови ЕОМ

Під архітектурою комп'ютера розуміється його логічна організація, структура, ресурси, т. е. кошти обчислювальної системи. Архітектура сучасних ПК базується на магістрально-модульному принципі.

Модульний принцип дозволяє споживачеві самому підібрати необхідну йому конфігурацію комп'ютера і проводити за необхідності модернізацію. p align="justify"> Модульна організація системи спирається на магістральний (шинний) принцип обміну інформації. Магістраль або системна шина - це набір електронних ліній, що зв'язують за адресацією пам'яті, передачі даних і службових сигналів процесор, пам'ять і периферійні пристрої.

Обмін інформацією між окремими пристроями ЕОМ проводиться за трьома багаторозрядними шинами, що з'єднують всі модулі, - шині даних, шині адрес і шині управління.

Підключення окремих модулів комп'ютера до магістралі фізично здійснюється з допомогою контролерів, але в програмному забезпечується драйверами. Контролер приймає сигнал від процесора та дешифрує його, щоб відповідний пристрій зміг прийняти цей сигнал та відреагувати на нього. За реакцію пристрою процесор не відповідає – це функція контролера. Тому зовнішні пристрої ЕОМ замінюються, і набір таких модулів довільний.

Розрядність шини даних визначається розрядністю процесора, тобто кількістю двійкових розрядів, які процесор обробляє за один такт.

Дані по шині даних можуть передаватися як від процесора до якогось пристрою, так і у зворотний бік, тобто шина даних є двоспрямованою. До основних режимів роботи процесора з використанням шини передачі даних можна віднести наступні: запис/читання даних з оперативної пам'яті та зовнішніх пристроїв, читання даних з пристроїв введення, пересилання даних на пристрої виведення.

Вибір абонента з обміну даними виробляє процесор, який формує код адреси цього пристрою, а ОЗУ - код адреси комірки пам'яті. Код адреси передається адресною шиною, причому сигнали передаються в одному напрямку, від процесора до пристроїв, тобто ця шина є односпрямованою.

По шині управління передаються сигнали, що визначають характер обміну інформацією, і сигнали, що синхронізують взаємодію пристроїв, що беруть участь в обміні інформацією.

Зовнішні пристрої до шин підключаються за допомогою інтерфейсу. Під інтерфейсом розуміють сукупність різних характеристик будь-якого периферійного пристрою ПК, що визначають організацію обміну інформацією між ним і центральним процесором. У разі несумісності інтерфейсів (наприклад, інтерфейс системної шини та інтерфейс вінчестера) використовують контролери.

Щоб пристрої, що входять до складу комп'ютера, могли взаємодіяти з центральним процесором, IBM-сумісних комп'ютерах передбачена система переривань (Interrupts). Система переривань дозволяє комп'ютеру призупинити поточну дію і перейти на інші у відповідь на запит, наприклад, натискання клавіші на клавіатурі. Адже з одного боку, бажано, щоб комп'ютер був зайнятий покладеною на нього роботою, а з іншого - необхідна його миттєва реакція на запит, що потребує уваги. Переривання забезпечують негайну реакцію системи.

Прогрес комп'ютерних технологій іде семимильними кроками. Щороку з'являються нові процесори, плати, накопичувачі та інші периферійні пристрої. Зростання потенційних можливостей ПК та поява нових більш продуктивних компонентів неминуче викликає бажання модернізувати свій комп'ютер. Проте не можна повною мірою оцінити нові досягнення комп'ютерної технології без порівняння з існуючими стандартами.

Розробка нового в області ПК завжди базується на старих стандартах та принципах. Тому знання їх є основним чинником (або проти) вибору нової системи.

До складу ЕОМ входять такі компоненти:

центральний процесор (CPU); оперативна пам'ять (memory);

пристрої зберігання інформації (storage devices);

пристрої введення (input devices);

пристрої виведення (output devices);

пристрої зв'язку (communication devices).

Першим арифмометром, здатним виконувати чотири основні арифметичні дії, став арифмометр знаменитого французького вченого та філософа Блеза Паскаля. Основним елементом у ньому було зубчасте колесо, винахід якого вже сам собою став ключовою подією в історії обчислювальної техніки. Хотілося б відзначити, що еволюція в галузі обчислювальної техніки носить нерівномірний, стрибкоподібний характер: періоди накопичення сил змінюються проривами в розробках, після чого настає період стабілізації, під час якого досягнуті результати використовуються практично і одночасно накопичуються знання та сили для чергового ривка вперед. Після кожного витка процес еволюції виходить на новий, більш високий щабель.

У 1671 році німецький філософ і математик Густав Лейбніц також створює арифмометр на основі зубчастого колеса особливої ​​конструкції - зубчастого колеса Лейбніца. Арифмометр Лейбніца, як і арифмометри його попередників, виконував чотири основні арифметичні дії. На цьому цей період закінчився, і людство протягом майже півтора століття накопичувало сили та знання для наступного витка еволюції обчислювальної техніки. XVIII і XIX століття були часом, коли бурхливо розвивалися різні науки, зокрема математика та астрономія. Вони часто виникали завдання, потребують тривалих і трудомістких обчислень.

Ще однією відомою людиною в історії обчислювальної техніки став англійський математик Чарльз Беббідж. У 1823 році Беббідж почав працювати над машиною для обчислення поліномів, але, що цікавіше, ця машина мала, окрім безпосереднього виробництва обчислень, видавати результати - друкувати їх на негативній пластині для фотодруку. Планувалося, що машина приводитиметься в дію паровим двигуном. Через технічні труднощі Беббідж до кінця не вдалося реалізувати свій проект. Тут уперше виникла ідея використати деякий зовнішній (периферійний) пристрій для видачі результатів обчислень. Зазначимо, що інший вчений, Шойц, у 1853 році все ж таки реалізував машину, задуману Беббіджем (вона вийшла навіть менше, ніж планувалася). Напевно, Бэббиджу більше подобався творчий процес пошуку нових ідей, ніж втілення в щось матеріальне. В 1834 він виклав принципи роботи чергової машини, яка була названа ним «Аналітичної». Технічні проблеми знову дозволили йому остаточно реалізувати свої ідеї. Беббідж зміг довести машину лише до стадії експерименту. Але саме ідея є рушієм науково-технічного прогресу. Чергова машина Чарльза Бебіджа була втіленням наступних ідей:

Управління виробничим процесом. Машина керувала роботою ткацького верстата, змінюючи візерунок створюваної тканини в залежності від поєднання отворів на спеціальній паперовій стрічці. Ця стрічка стала попередницею таких знайомих нам усім носіїв інформації, як перфокарти та перфострічки.

Програмованість. Роботою машини також керувала спеціальна паперова стрічка з отворами. Порядок проходження отворів на ній визначав команди та оброблювані цими командами дані. Машина мала арифметичний пристрій та пам'ять. До складу команд машини входила навіть команда умовного переходу, що змінює перебіг обчислень залежно від деяких проміжних результатів.

У розробці цієї машини брала участь графиня Ада Августа Лавлейс, яку вважають першою програмістом у світі.

Ідеї ​​Чарльза Беббіджа розвивалися та використовувалися іншими вченими. Так, у 1890 році, на рубежі XX століття, американець Герман Холлеріт розробив машину, що працює з таблицями даних (перший Excel?). Машина керувалась програмою на перфокартах. Вона використовувалася під час проведення перепису населення США 1890 року. У 1896 році Холлеріт заснував фірму, яка стала попередницею корпорації IBM. Зі смертю Беббіджа в еволюції обчислювальної техніки настала чергова перерва аж до 30-х років XX століття. Надалі весь розвиток людства став немислимим без комп'ютерів.

В 1938 центр розробок ненадовго зміщується з Америки до Німеччини, де Конрад Цузе створює машину, яка оперує, на відміну від своїх попередниць, не десятковими числами, а двійковими. Ця машина також була все ще механічною, але її безперечною перевагою було те, що в ній була реалізована ідея обробки даних у двійковому коді. Продовжуючи свої роботи, Цузе в 1941 створив електромеханічну машину, арифметичне пристрій якої було виконано на базі реле. Машина вміла виконувати операції з плаваючою точкою.

За океаном, в Америці, у цей період також точилися роботи зі створення подібних електромеханічних машин. В 1944 Говард Ейкен спроектував машину, яку назвали Mark-1 . Вона, як і машина Цузе, працювала на реле. Але через те, що ця машина була створена під впливом робіт Беббіджа, вона оперувала з даними в десятковій формі.

Звичайно, через велику питому вагу механічних елементів ці машини були приречені.

Чотири покоління ЕОМ

До кінця тридцятих років XX століття потреба в автоматизації складних обчислювальних процесів сильно зросла. Цьому сприяв бурхливий розвиток таких галузей, як літакобудування, атомна фізика та інші. З 1945 року по наші дні обчислювальна техніка пройшла 4 покоління у своєму розвитку:

Перше покоління

Перше покоління (1945-1954) – комп'ютери на електронних лампах. Це доісторичні часи, епоха становлення обчислювальної техніки. Більшість машин першого покоління були експериментальними пристроями та будувалися з метою перевірки тих чи інших теоретичних положень. Вага та розміри цих комп'ютерних динозаврів, які нерідко вимагали для себе окремих будівель, давно стали легендою.

Починаючи з 1943 року, група фахівців під керівництвом Говарда Айткена, Дж. Моучлі та П. Еккерта у США почала конструювати обчислювальну машину на основі електронних ламп, а не на електромагнітних реле. Ця машина була названа ENIAC (Electronic Numeral Integrator And Computer) і працювала вона у тисячу разів швидше, ніж "Марк-1". ENIAC містив 18 тисяч вакуумних ламп, займав площу 9х15 метрів, важив 30 тонн та споживав потужність 150 кіловат. ENIAC мав і істотний недолік - управління ним здійснювалося за допомогою комутаційної панелі, у нього була відсутня пам'ять, і для того, щоб задати програму, доводилося протягом декількох годин або навіть днів під'єднувати потрібним чином дроти. Найгіршим із усіх недоліків була жахлива ненадійність комп'ютера, оскільки за день роботи встигало вийти з ладу близько десятка вакуумних ламп.

Щоб спростити процес завдання програм, Моучлі та Еккерт стали конструювати нову машину, яка могла б зберігати програму у своїй пам'яті. У 1945 році до роботи було залучено знаменитого математика Джона фон Неймана, який підготував доповідь про цю машину. У цьому доповіді фон Нейман ясно і сформулював загальні принципи функціонування універсальних обчислювальних пристроїв, тобто. комп'ютерів. Це перша машина, що діє, побудована на вакуумних лампах, офіційно була введена в експлуатацію 15 лютого 1946 року. Цю машину намагалися використати для вирішення деяких завдань, підготовлених фон Нейманом та пов'язаних із проектом атомної бомби. Потім її було перевезено на Абердинський полігон, де працювала до 1955 року.

ENIAC став першим представником 1-го покоління комп'ютерів. Будь-яка класифікація умовна, але більшість фахівців погодилося з тим, що розрізняти покоління слід, виходячи з тієї елементної бази, на основі якої будуються машини. Таким чином, перше покоління є ламповими машинами.

Необхідно відзначити величезну роль американського математика фон Неймана у становленні техніки першого покоління. Потрібно було осмислити сильні та слабкі сторони ENIAC та дати рекомендації для подальших розробок. У звіті фон Неймана та його колег Г. Голдстайна та А.Беркса (червень 1946 року) було чітко сформульовано вимоги до структури комп'ютерів. Багато положень цього звіту отримали назву принципів Фон Неймана.

Перші проекти вітчизняних ЕОМ було запропоновано С.А. Лебедєвим, Б.І. Рамєєвим у 1948р. У 1949-51гг. за проектом С.А. Лебедєва було побудовано МЭСМ (мала електронно-лічильна машина). Перший пробний запуск макету машини відбувся в листопаді 1950 року, а в експлуатацію машина була здана в 1951 році. МЭСМ працювала в двійковій системі, з триадресною системою команд, причому програма обчислень зберігалася в пристрої оперативного типу. Машина Лебедєва з паралельною обробкою слів була принципово новим рішенням. Вона була однією з перших у світі і першою на європейському континенті ЕОМ із програмою, що зберігається в пам'яті.

До ЕОМ 1-го покоління належить і БЭСМ-1 (велика електронно-лічильна машина), розробка якої під керівництвом С.А. Лебедєва було закінчено 1952 р., вона містила 5 тис. ламп, працювала без збоїв протягом десяти годин. Швидкодія досягала 10 тис. операцій на секунду (Додаток 1).

Майже одночасно проектувалась ЕОМ «Стріла» (Додаток 2) під керівництвом Ю.Я. Базилевського, 1953р. вона була запущена у виробництво. Пізніше з'явилася ЕОМ "Урал - 1" (Додаток 3), що започаткувала велику серію машин "Урал", розроблених і впроваджених у виробництво під керівництвом Б.І. Рамєєва. У 1958р. запущено в серійне виробництво ЕОМ першого покоління М - 20 (швидкість до 20 тис. операцій / с).

ЕОМ першого покоління мали швидкодію кілька десятків тисяч операцій на секунду. Як внутрішній пам'яті застосовувалися феритові сердечники, а АЛУ і УУ були побудовані на електронних лампах. Швидкодія ЕОМ визначалося повільнішим компонентом – внутрішньої пам'яттю і це знижувало загальний ефект.

ЕОМ першого покоління була орієнтація виконання арифметичних операцій. При спробах пристосування завдань аналізу вони виявлялися неефективними.

Мови програмування як таких ще не було, і для кодування своїх алгоритмів програмісти використовували машинні команди або асемблери. Це ускладнювало та затягувало процес програмування.

До кінця 50-х років засоби програмування зазнають принципових змін: здійснюється перехід до автоматизації програмування за допомогою універсальних мов та бібліотек стандартних програм. Використання універсальних мов спричинило виникнення трансляторів.

Програми виконували завдання завданням, тобто. оператору треба було стежити за ходом розв'язання задачі та при досягненні кінця самому ініціювати виконання наступного завдання.

Друге покоління

У другому поколінні комп'ютерів (1955-1964) замість електронних ламп використовувалися транзистори, а як пристрої пам'яті стали застосовуватися магнітні сердечники і магнітні барабани - далекі предки сучасних жорстких дисків. Все це дозволило різко зменшити габарити та вартість комп'ютерів, які тоді вперше почали будуватися на продаж.

Але головні здобутки цієї епохи належать до галузі програм. На другому поколінні комп'ютерів уперше з'явилося те, що сьогодні називають операційною системою. Тоді ж було розроблено перші мови високого рівня — Фортран, Алгол, Кобол. Ці два важливі вдосконалення дозволили значно спростити та прискорити написання програм для комп'ютерів; програмування, залишаючись наукою, набуває рис ремесла.

Відповідно, розширювалася і сфера застосування комп'ютерів. Тепер уже не лише вчені могли розраховувати на доступ до обчислювальної техніки; комп'ютери знайшли застосування в плануванні та управлінні, а деякі великі фірми навіть комп'ютеризували свою бухгалтерію, передбачаючи моду на двадцять років.

Елементною базою другого покоління стали напівпровідники. Безперечно, транзистори можна вважати одним із найбільш вражаючих чудес XX століття.

Патент на відкриття транзистора було видано 1948 року американцям Д.Бардіну та У.Браттейну, а через вісім років вони разом із теоретиком В. Шоклі стали лауреатами Нобелівської премії. Швидкості перемикання вже перших транзисторних елементів виявилися в сотні разів вищими, ніж лампових, надійність та економічність – теж. Вперше стала широко застосовуватися пам'ять на феритових сердечниках та тонких магнітних плівках, були випробувані індуктивні елементи – параметрони.

Перша бортова ЕОМ для установки на міжконтинентальній ракеті - "Атлас" - була введена в експлуатацію в 1955 році. У машині використовувалося 20 тисяч транзисторів і діодів, вона споживала 4 кіловати. У 1961 році наземні комп'ютери "стретч" фірми "Берроуз" керували космічними польотами ракет "Атлас", а машини фірми IBM контролювали політ астронавта Гордона Купера. Під контролем ЕОМ проходили польоти безпілотних кораблів типу «Рейнджер» до Місяця 1964 року, і навіть корабля «Марінер» до Марса. Аналогічні функції виконували і радянські комп'ютери.

У 1956 р. фірмою IBM було розроблено плаваючі магнітні головки на повітряній подушці. Винахід їх дозволило створити новий тип пам'яті - дискові пристрої, значимість яких була повною мірою оцінена в наступні десятиліття розвитку обчислювальної техніки. Перші пристрої на дисках з'явилися в машинах IBM-305 і RAMAC (Додаток 4). Остання мала пакет, що складався з 50 металевих дисків з магнітним покриттям, що оберталися зі швидкістю 12000 об/хв. На поверхні диска розміщувалося 100 доріжок для запису даних, 10000 знаків кожна.

Перші серійні універсальні ЕОМ на транзисторах було випущено 1958 року одночасно у США, ФРН та Японії.

З'являються перші міні-ЕОМ (наприклад, PDP-8 (Додаток 5)).

У Радянському Союзі перші безлампові машини "Сетунь", "Роздан" та "Раздан-2" були створені у 1959-1961 роках. У 60-х роках радянські конструктори розробили близько 30 моделей транзисторних комп'ютерів, більшість яких почали випускатись серійно. Найпотужніший із них – «Мінськ-32» виконував 65 тисяч операцій на секунду. З'явилися цілі родини машин: "Урал", "Мінськ", БЕСМ.

Рекордсменом серед ЕОМ другого покоління стала БЭСМ-6 (Додаток 6), що мала швидкодію близько мільйона операцій на секунду – одна з найпродуктивніших у світі. Архітектура та багато технічних рішень у цьому комп'ютері були настільки прогресивними та випереджаючими свій час, що він успішно використовувався майже до нашого часу.

Спеціально для автоматизації інженерних розрахунків Інституту кібернетики Академії наук УРСР під керівництвом академіка В.М. Глушкова були розроблені комп'ютери МИР (1966) та МИР-2 (1969). Важливою особливістю машини МИР-2 стало використання телевізійного екрану для візуального контролю інформації та світлового пера, за допомогою якого можна було коригувати дані прямо на екрані.

Побудова таких систем, що мали у своєму складі близько 100 тисяч перемикальних елементів, була б просто неможлива на основі лампової техніки. Таким чином, друге покоління народжувалося в надрах першого, переймаючи багато його рис. Однак до середини 60-х років бум у галузі транзисторного виробництва досяг максимуму – відбулося насичення ринку. Справа в тому, що складання електронного обладнання являло собою дуже трудомісткий і повільний процес, який погано піддавався механізації та автоматизації. Таким чином, дозріли умови для переходу до нової технології, яка дозволила б пристосуватися до складності схем, що зростає, шляхом виключення традиційних з'єднань між їх елементами.

Третє покоління

Нарешті, у третьому поколінні ЕОМ (1965-1974) вперше стали використовуватися інтегральні схеми — цілі пристрої та вузли з десятків і сотень транзисторів, виконані одному кристалі напівпровідника (те, що зараз називають мікросхемами). В цей же час з'являється напівпровідникова пам'ять, яка і по всій день використовується в персональних комп'ютерах як оперативна. Пріоритет у винаході інтегральних схем, що стали елементною базою ЕОМ третього покоління, належить американським ученим Д. Кілбі та Р.Нойсу, які зробили це відкриття незалежно один від одного. Масовий випуск інтегральних схем почався 1962 року, а 1964 почав швидко здійснюватися перехід від дискретних елементів до інтегральним. Згадуваний ENIAK, розмірами 9х15 метрів, 1971 року міг би бути зібраний на пластині 1,5 квадратних сантиметра. Почалося перетворення електроніки на мікроелектроніку.

У ці роки виробництво комп'ютерів набуває промислового розмаху. Фірма IBM, що пробилася в лідери, першою реалізувала сімейство ЕОМ — серію повністю сумісних один з одним комп'ютерів від найменших, розміром з невелику шафу (менше тоді ще не робили), до найпотужніших і найдорожчих моделей. Найбільш поширеним у роки було сімейство System/360 фірми IBM, з урахуванням якого у СРСР розробили серія ЄС ЕОМ. У 1973 була випущена перша модель ЕОМ серії ЄС, а з 1975 з'явилися моделі ЄС-1012, ЄС-1032, ЄС-1033, ЄС-1022, а пізніше потужніша ЄС-1060.

У рамках третього покоління в США було побудовано унікальну машину «ІЛЛІАК-4», у складі якої в первісному варіанті планувалося використовувати 256 пристроїв обробки даних, виконаних на монолітних інтегральних схемах. Пізніше проект було змінено через досить високу вартість (понад 16 мільйонів доларів). Число процесорів довелося скоротити до 64, а також перейти до інтегральних схем з малим ступенем інтеграції. Скорочений варіант проекту було завершено 1972 року, номінальна швидкодія «ІЛЛІАК-4» склала 200 мільйонів операцій на секунду. Майже рік цей комп'ютер був рекордсменом у швидкості обчислень.

Ще на початку 60-х з'являються перші мінікомп'ютери - невеликі малопотужні комп'ютери, доступні за ціною невеликих фірм або лабораторій. Мінікомп'ютери були першим кроком на шляху до персональних комп'ютерів, пробні зразки яких були випущені лише в середині 70-х років. Відоме сімейство мінікомп'ютерів PDP фірми Digital Equipment послужило прототипом для радянської серії машин РМ.

Тим часом кількість елементів і з'єднань між ними, що уміщаються в одній мікросхемі, постійно зростала, і в 70-ті роки інтегральні схеми містили тисячі транзисторів. Це дозволило об'єднати в єдиній маленькій детальці більшість компонентів комп'ютера - що і зробила в 1971 р. фірма Intel, випустивши перший мікропроцесор, який призначався для щойно з'явилися настільних калькуляторів. Цьому винаходу судилося зробити в наступному десятилітті справжню революцію — адже мікропроцесор є серцем і душею нашого з вами персонального комп'ютера.

Але й це ще не все — воістину, рубіж 60-х та 70-х років був доленосним часом. 1969 р. зародилася перша глобальна комп'ютерна мережа — зародок того, що ми називаємо Інтернетом. І в тому ж 1969 р. одночасно з'явилися операційна система Unix і мова програмування С («Сі»), які вплинули на програмний світ і досі зберігають своє передове положення.

Четверте покоління

Ще одна зміна елементної бази призвела до зміни поколінь. У 70-ті роки активно ведуться роботи зі створення великих та надвеликих інтегральних схем (ВІС та НВІС), які дозволили розмістити на одному кристалі десятки тисяч елементів. Це спричинило подальше істотне зниження розмірів та вартості ЕОМ. Робота з програмним забезпеченням стала більш дружньою, що спричинило зростання кількості користувачів.

В принципі, за такого ступеня інтеграції елементів стало можливим спробувати створити функціонально повну ЕОМ на одному кристалі. Відповідні спроби було зроблено, хоча вони й зустрічалися здебільшого недовірливою усмішкою. Напевно, цих усмішок стало б менше, якби можна було передбачити, що саме ця ідея стане причиною вимирання великих ЕОМ через півтора десятка років.

Тим не менш, на початку 70-х років фірмою Intel був випущений мікропроцесор (МП) 4004. І якщо до цього у світі обчислювальної техніки були тільки три напрямки (супер-ЕОМ, великі ЕОМ (мейнфрейми) та міні-ЕОМ), то тепер до них додалося ще одне - мікропроцесорне. Загалом під процесором розуміють функціональний блок ЕОМ, призначений для логічної та арифметичної обробки інформації на основі принципу мікропрограмного управління. По апаратної реалізації процесори можна поділити на мікропроцесори (повністю інтегровані всі функції процесора) та процесори з малою та середньою інтеграцією. Конструктивно це виявляється у тому, що мікропроцесори реалізують всі функції процесора одному кристалі, а процесори інших типів реалізують їх шляхом з'єднання великої кількості мікросхем.

Отже, перший мікропроцесор 4004 створили фірмою Intel межі 70-х. Він був 4-розрядним паралельним обчислювальним пристроєм, і його можливості були сильно обмежені. 4004 міг проводити чотири основні арифметичні операції та застосовувався спочатку лише в кишенькових калькуляторах. Пізніше сфера його застосування була розширена за рахунок використання в різних системах керування (наприклад, керування світлофорами). Фірма Intel, правильно передбачивши перспективність мікропроцесорів, продовжила інтенсивні розробки, і один з її проектів зрештою призвів до великого успіху, який визначив майбутній шлях розвитку обчислювальної техніки.

Ним став проект із розробки 8-розрядного процесора 8080 (1974 р.). Цей мікропроцесор мав досить розвинену систему команд та вмів ділити числа. Саме він був використаний при створенні персонального комп'ютера "Альтаїр", для якого молодий Білл Гейтс написав один зі своїх перших інтерпретаторів мови BASIC. Напевно, саме з цієї миті слід вести відлік 5-го покоління.

П'яте покоління

Єрохід до комп'ютерів п'ятого покоління передбачав перехід до нових архітектур, орієнтованих створення штучного інтелекту.

Вважалося, що архітектура комп'ютерів п'ятого покоління міститиме два основні блоки. Один із них — власне комп'ютер, у якому зв'язок із користувачем здійснює блок, який називають «інтелектуальним інтерфейсом». Завдання інтерфейсу - зрозуміти текст, написаний природною мовою або мовлення, і викладена таким чином умова завдання перевести в програму, що працює.

Основні вимоги до комп'ютерів 5-го покоління: створення розвиненого людино-машинного інтерфейсу (розпізнавання мови, образів); Розвиток логічного програмування для створення баз знань та систем штучного інтелекту; створення нових технологій у виробництві обчислювальної техніки; Створення нових архітектур комп'ютерів та обчислювальних комплексів.

Нові технічні можливості обчислювальної техніки мали розширити коло розв'язуваних завдань, і дозволити перейти до завдань створення штучного інтелекту. Як одна з необхідних для створення штучного інтелекту складових є бази знань (бази даних) з різних напрямів науки і техніки. Для створення та використання баз даних потрібна висока швидкодія обчислювальної системи та великий обсяг пам'яті. Універсальні комп'ютери здатні виконувати високошвидкісні обчислення, але не придатні для виконання з високою швидкістю операцій порівняння та сортування великих обсягів записів, які зазвичай зберігаються на магнітних дисках. Для створення програм, що забезпечують заповнення, оновлення баз даних та роботу з ними, були створені спеціальні об'єктно орієнтовані та логічні мови програмування, що забезпечують найбільші можливості, порівняно із звичайними процедурними мовами. Структура цих мов вимагає переходу від традиційної фон-нейманівської архітектури комп'ютера до архітектур, які враховують вимоги створення штучного інтелекту.

До класу суперкомп'ютерів відносять комп'ютери, які мають максимальну на час їхнього випуску продуктивність, або так звані комп'ютери 5-го покоління.

Перші суперкомп'ютери з'явилися вже серед комп'ютерів другого покоління (1955 - 1964, див. комп'ютери другого покоління), вони були призначені для вирішення складних завдань, що вимагали високої швидкості обчислень. Це LARC фірми UNIVAC, Stretch фірми IBM і "CDC-6600" (родина CYBER) фірми Control Data Corporation, в них були застосовані методи паралельної обробки (що збільшують кількість операцій, що виконуються в одиницю часу), конвеєризація команд (коли під час виконання однієї команди друга зчитується з пам'яті і готується до виконання) і паралельна обробка за допомогою процесора складної структури, що складається з матриці процесорів обробки даних та спеціального процесора керуючого, який розподіляє завдання і управляє потоком даних в системі. Комп'ютери, що виконують паралельно кілька програм за допомогою кількох мікропроцесорів, отримали назву мультипроцесорних систем. До середини 80-х у списку найбільших виробників суперкомп'ютерів у світі були фірми Sperry Univac та Burroughs. Перша відома, зокрема, своїми мейнфреймами UNIVAC-1108 та UNIVAC-1110, які широко використовувалися в університетах та державних організаціях.

Після злиття Sperry Univac та Burroughs об'єднана фірма UNISYS продовжувала підтримувати обидві лінії мейнфреймів зі збереженням сумісності знизу догори в кожній. Це є яскравим свідченням непорушного правила, яке підтримувало розвиток мейнфреймів — збереження працездатності раніше розробленого програмного забезпечення.

У світі суперкомп'ютерів відома компанія Intel. Багатопроцесорні комп'ютери Paragon фірми Intel у сімействі багатопроцесорних структур із розподіленою пам'яттю стали такою ж класикою.

Принципи Фон-Неймана

У 1946 році Д. фон Нейман, Г. Голдстайн і А. Беркс у своїй спільній статті виклали нові принципи побудови та функціонування ЕОМ. У результаті основі цих принципів вироблялися перші два покоління комп'ютерів. У пізніших поколіннях відбувалися деякі зміни, хоча принципи Неймана є актуальними й сьогодні. По суті, Нейману вдалося узагальнити наукові розробки та відкриття багатьох інших учених та сформулювати на їх основі принципово нові засади:
1. Принцип подання та зберігання чисел.
Для представлення та зберігання чисел використовується двійкова система числення. Перевага перед десятковою системою числення полягає в тому, що біт легко реалізується, пам'ять на бітах великого обсягу досить дешева, пристрої можна робити досить простими, арифметичні та логічні операції у двійковій системі числення також виконуються досить просто.
2. Принцип програмного управління ЕОМ.
Роботою ЕОМ управляє програма, що з набору команд. Команди виконуються послідовно один за одним. Команди обробляють дані, що зберігаються у пам'яті комп'ютера.
3. Принцип програми, що зберігається.
Пам'ять комп'ютера використовується як для зберігання даних, а й програм. У цьому команди програми та дані кодуються в двійковій системі числення, тобто. їх спосіб запису однаковий. Тому в певних ситуаціях над командами можна виконувати ті самі дії, що над даними.
4. Принцип прямого доступу до пам'яті.
Осередки оперативної пам'яті ЕОМ мають послідовно пронумеровані адреси. У будь-який момент можна звернутися до будь-якої комірки пам'яті на її адресу.
5. Принцип розгалуження та циклічних обчислень.
Команди умовного переходу дозволяють реалізувати перехід до будь-якої ділянки коду, забезпечуючи цим можливість організації розгалуження та повторного виконання деяких ділянок програми.
Найголовнішим наслідком цих принципів можна назвати те, що тепер програма вже була постійною частиною машини (як, наприклад, у калькулятора). Програму можна було легко змінити. А ось апаратура, звичайно ж, залишається незмінною, і дуже простою. Для порівняння, програма комп'ютера ENIAC (де не було збереженої у пам'яті програми) визначалася спеціальними перемичками на панелі. Щоб перепрограмувати машину (встановити перемички по-іншому), міг знадобитися далеко не один день.
І хоча програми для сучасних комп'ютерів можуть розроблятися місяцями, їх установка (установка на комп'ютері) займає навіть для великих програм кілька хвилин. Така програма може бути встановлена ​​на мільйонах комп'ютерів і працювати на кожному з них роками.

Програми

Додаток 1

Додаток 2

ЕОМ "Урал"

Додаток 3

ЕОМ "Стріла"

Додаток 4

IBM-305 та RAMAC

Додаток 5

міні-ЕОМ PDP-8

Додаток 6

Література:

1) Бройдо В.Л. Обчислювальні системи, мережі та телекомунікації. Підручник для вишів. 2-ге вид. - СПб.: Пітер, 2004

2) Жмакін А.П. Архітектура ЕОМ. - СПб.: БХВ - Петербург, 2006

3) Семененко В.О. та ін. Електронні обчислювальні машини. Навчальний посібник для ПТУ - М.: Вища школа, 1991

Сьогодні важко повірити, але комп'ютери, без яких багато хто вже не може уявити своє життя, з'явилися всього якихось 70 років тому. Одним із тих, хто зробив вирішальний внесок у їхнє створення, був американський вчений Джон фон Нейман. Він запропонував принципи, у яких і до сьогодні працює більшість ЕОМ. Розглянемо як працює машина фон Неймана.

Коротка біографічна довідка

Янош Нейман народився 1930 року в Будапешті, в дуже заможній єврейській сім'ї, якій згодом вдалося здобути дворянський титул. Він з дитинства вирізнявся визначними здібностями у всіх областях. У 23 роки Нейман вже захистив кандидатську дисертацію в галузі експериментальної фізики та хімії. У 1930-му молодого вченого запросили на роботу в США, водночас Нейман став одним із перших співробітників Інституту перспективних досліджень, де пропрацював професором до кінця життя. Наукові інтереси Неймана були досить великі. Зокрема, він є одним із творців матапарату квантової механіки та концепції клітинних автоматів.

Внесок в інформатику

Перш ніж з'ясувати, якому принципу відповідає архітектура фон Неймана, буде цікаво дізнатися у тому, як учений дійшов ідеї створення обчислювальної машини сучасного типу.

Будучи експертом з математики вибухів і ударних хвиль, на початку 1940-х фон Нейман був науковим консультантом в одній з лабораторій Управління боєприпасів Армії Сполучених Штатів. Восени 1943 року він прибув до Лос-Аламос для участі в розробці Манхеттенського проекту на особисте запрошення його керівника. Перед ним було поставлено завдання розрахувати силу імплозійного стиснення заряду атомної бомби до критичної маси. Для її вирішення були потрібні великі обчислення, які спочатку здійснювалися на ручних калькуляторах, а пізніше на механічних табуляторах фірми IBM, з використанням перфокарт.

Ознайомився з інформацією про хід створення електронно-механічних та повністю електронних комп'ютерів. Незабаром його залучили до розробки комп'ютерів EDVAC і ENIAC, в результаті чого він почав писати роботу «Перший проект звіту про EDVAC», що залишилася незакінченою, в якій представив науковому співтовариству нову ідею про те, якою має бути комп'ютерна архітектура.

Принципи фон Неймана

Інформатика як наука до 1945 року зайшла в глухий кут, тому що всі зберігали в своїй пам'яті оброблювані числа в 10-му вигляді, а програми для здійснення операцій задавалися за допомогою установки перемичок на комутаційній панелі.

Це значно обмежувало можливості комп'ютерів. Справжнім проривом стали засади фон Неймана. Коротко їх можна висловити однією пропозицією: перехід до двійкової системи числення та принцип програми, що зберігається.

Аналіз

Розглянемо, яких принципах заснована класична структура машини фон Неймана, докладніше:

1. Перехід до двійкової системи від десятирічної

Цей принцип неймановської архітектури дозволяє використовувати досить прості логічні устрою.

2. Програмне керування електронною обчислювальною машиною

Робота ЕОМ контролюється набором команд, що виконуються послідовно один за одним. Розробка перших машини з програмою, що зберігається в пам'яті, започаткувала сучасне програмування.

3. Дані та програми в пам'яті комп'ютера зберігаються спільно

При цьому і дані, і команди програми мають однаковий спосіб запису в двійковій системі числення, тому в певних ситуаціях над ними можливе виконання тих самих дій, що над даними.

Наслідки

Крім того, архітектура Фоннейманівської машини має такі особливості:

1. Осередки пам'яті мають адреси, які пронумеровані послідовно

Завдяки застосуванню цього принципу стало можливим використання змінних програмування. Зокрема, у будь-який момент можна звернутися до того чи іншого осередку пам'яті на її адресу.

2. Можливість умовного переходу під час виконання програми

Як було зазначено, команди у програмах повинні виконуватися послідовно. Однак передбачена можливість зробити перехід до будь-якої ділянки коду.

Як працює машина фон Неймана

Така математична модель складається з пам'яті (ЗУ), керуючого, а також пристроїв введення та виведення. Усі команди програми записуються в осередках пам'яті, розташованих поруч, а дані їхньої обробки — у довільних осередках.

Будь-яка команда повинна складатися з:

• вказівки, яка операція має бути виконана;
• адрес осередків пам'яті, в яких зберігаються вихідні дані, що зачіпаються зазначеною операцією;
• адрес осередків, у які слід записати результат.

Вказані командами операції над конкретними вихідними даними виконуються АЛУ, а результати записуються в осередках пам'яті, тобто зберігаються у вигляді, зручному для подальшої машинної обробки, або передаються на пристрій виведення (монітор, принтер тощо) і стають доступними людині.

УУ управляє усіма частинами ЕОМ. Від нього на інші пристрої надходять сигнали-накази «що робити», а від інших пристроїв воно отримує інформацію про те, в якому стані вони знаходяться.

У пристрою є спеціальний регістр, званий «лічильником команд» СК. Після завантаження вихідних даних та програми на згадку про СК записується адреса її 1-ї команди. УУ зчитує з пам'яті ЕОМ вміст осередку, адреса якої перебуває у СК, і поміщає їх у «Регістр команд». Керуючий пристрій визначає операцію, яка відповідає конкретній команді, і «відзначає» у пам'яті комп'ютера дані, адреси яких у ній вказані. Далі АЛУ чи ЕОМ приступають до виконання операції, після завершення якої вміст СК змінюється на одиницю, тобто вказує на наступну команду.

Критика

Недоліки та сучасні перспективи залишаються предметом дискусій. Те, що машини, створені на принципах, висунутих цим видатним ученим, не досконалі, було помічено дуже давно.

Тому в екзаменаційних квитках з інформатики нерідко можна зустріти питання "якому принципу не відповідає архітектура фон Неймана та які недоліки у неї є".

При відповіді на другу частину обов'язково слід вказати:

• на наявність семантичного розриву між мовами програмування високого рівня та системою команд;
• на проблему узгодження ВП та пропускної спроможності процесора;
• на кризу програмного забезпечення, що намічається, викликана тим, що витрати на її створення є набагато нижчою за вартість розробки апаратних засобів, і немає можливості повного тестування програми;
• відсутність перспектив з погляду швидкодії, оскільки вже досягнуто його теоретичний ліміт.

Що стосується того, якому принципу не відповідає архітектура фон Неймана, то йдеться про паралельність організації великої кількості потоків даних та команд, властиву багатопроцесорній архітектурі.

Висновок

Тепер вам відомо, якому принципу відповідає архітектура фон Неймана. Очевидно, що наука і технології не стоять на місці, і, можливо, дуже скоро в кожному будинку з'являться комп'ютери нового типу, завдяки яким людство вийде на новий рівень свого розвитку. До речі, підготуватись до іспиту допоможе програма-тренажер "Архітектура фон Неймана". Такі цифрові освітні ресурси полегшують засвоєння матеріалу та дають змогу оцінити свої знання.