Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Бийский технологический институт (филиал)

Ф.А. Попов

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ:
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
И АРХИТЕКТУРЫ
Учебное пособие

по части курса «Вычислительные системы, сети

и телекоммуникации» для студентов специальности 080801

Бийск

2007

УДК 004.2 /.6(07)

Попов, Ф.А. Вычислительные машины: общие принципы построения и архитектуры: учебное пособие по части курса «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации» для студентов специальности 080801 / Ф.А. Попов.

Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск:

Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2007. – 151 с.

Учебное пособие по части курса предназначено для студентов вузов специальности 080801, изучающих основы построения электронных вычислительных машин в рамках курса «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации», и содержит в сжатом виде комплекс сведений, необходимых для наилучшего понимания данного предмета.

Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры

«Информационные и управляющие системы».

Протокол № 1 от 24.01. 2007 г.
Рецензенты:

Семенов А.В., к.т.н., директор Алтайского краевого центра

новых информационных технологий

Замятин В.С., к.т.н., доцент кафедры МСИА БТИ АлтГТУ
© БТИ АлтГТУ, 2007

© Попов Ф.А., 2007

Содержание

ВВЕДЕНИЕ .......................................................................……...	4
1 Историческая справка ……………………………………….	5
Периоды создания и развития вычислительной техники ……………………………………………………..	5
1.2 Поколения ЭВМ ………………………………………	16
2 КОМПЬЮТЕР ФОН НЕЙМАНА ……………………...….....	33
3 ДАННЫЕ, ТИПЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ДАННЫХ ………….	37
4 СТРУКТУРЫ ДАННЫХ И СТРУКТУРИРОВАННАЯ ПАМЯТЬ………………………………………………………….	41
5 ВИДЫ ПАМЯТИ И ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ……………...	43
6 ПРОЦЕССОРЫ …………………………..……………………	46
6.1 Типы процессоров ……………………………...……..	48
6.2 Оценка производительности процессоров …………..	49
6.3 Мультипроцессирование …………………………...…	50
7 РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭВМ …………………………....………	52
8 ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ……………………………..	53
8.1 Назначение операционной системы ………………....	53
8.2 Эволюция операционных систем …………………….	54
8.3 Классификация операционных систем ………………	60
8.4 Основные понятия операционных систем …………..	62
8.5 Основные подсистемы операционных систем ………	64
Литература.........................…….....................................................	106

ВВЕДЕНИЕ
Благодаря огромному влиянию, которое оказывают на общество
в настоящее время компьютеры и компьютерные сети, данный исторический период принято называть «информационным веком». С помощью этих революционных средств были значительно увеличены производительность труда и экономическая эффективность как целых организаций, так и отдельных людей, на их основе были созданы принципиально новые технологии обработки данных и информационного обмена.

Существует два основных класса компьютеров: циф­ровые компьютеры, обрабатывающие данные в виде числовых двоичных кодов; аналого­вые компьютеры, обрабатывающие непрерывно меняющиеся физические вели­чины, являющиеся аналогами вычисляе­мых величин. Поскольку в настоящее время большинство компьютеров являются цифро­выми, далее будем рассматривать только их и слово «компьютер» употреблять в значении «цифровой компьютер», ЭВМ или ЦВМ.

В данном пособии рассмотрены вопросы, непосредственно связанные с принципами построения и функционирования ЭВМ и операционных систем (ОС) для них, при этом наряду с основными положениями уделено внимание также историческим аспектам создания и развития вычислительных машин. В пособии приводится комплекс сведений, необходимых для понимания основ построения и архитектуры ЭВМ, обеспечивающих информационный базис для изучения курсов по конкретным архитектурам и программному обеспечению современных компьютеров. В нем содержится исторический обзор создания и развития ЭВМ, рассмотрена архитектура компьютера фон Неймана, приведены описания и виды основных узлов ЭВМ, а также описание особенностей ОС, отражены основные этапы их эволюции.

1 ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА
1.1 Периоды создания и развития вычислительной техники
В истории развития вычислительных машин различают домеханический, механический, электрический и электронный периоды. Рассмотрим каж­дый из них подробнее.

1. 
   Домеханический период
   

Простым и эффективным приспособлением для счета, из­вестным уже в V−IV вв. до н.э. в Греции и Западной Европе, был ­так называемый абак, представляющий собой пластину, выполненную из различных материалов, покрытую слоем пыли. На ней острой палочкой проводили линии и в получившихся колонках по по­зиционному принципу размещали какие–нибудь предметы, например, камешки или па­лочки. В Древнем Риме абак представлял собой пластину, имеющую полосковые углуб­ления, в которых располагались счетные кости или шарики. Вычисления производились пу­тем перекладывания в определенном порядке камешков, костей и т.п. Китайцы на аналогичном приспо­соблении (суан–пан) в XII−XIII вв. научились выполнять такие сложные математические операции, как извлечение корня квадратного и корня кубического. С его помощью они решали линейные уравнения и считали, что таким образом можно выполнить любую ма­темати­ческую операцию. Они же пришли к выводу, что для выполнения операций необ­ходимы определенные правила — алгоритмы. От абака на рубеже XVI−XVII вв. про­изошли и русские счеты, которыми пользовались чуть не до конца XX века.

Великим творцом эпохи Возрождения Леонардо да Винчи (1452−1519 гг.) был раз­работан эскиз тринадцатиразрядного суммирующего устройства с десятизубыми коле­сами. Позднее по этому эскизу фирма IBM в целях рекламы по­строила работоспособную машину.

Знаменательным событием в области усовершенст­вования инструментального счета было изобретение логарифмов. В 1614 г. шот­ландский математик Джон Непер (1550−1617 гг.) опубликовал трактат «Описание удивительных таблиц логарифмов» — первое руководство по вычислениям с помощью логарифмов. Изобретение логарифмов позволило сущест­венно упростить вы­полнение операций умножения и деления, которые были сведены к более простым арифме­тическим операциям сложения и вычитания. Непер изобрел также палочки для счета, кото­рые впоследствии получили название палочек Не­пера. Палочки

Непера, как и сам метод, быстро получили распространение в Ев­ропе
и были одно время даже более популярны, чем логарифмы.

Открытие логарифмов послужило основой для создания логарифмической ли­нейки, появление прототипа которой относят к началу XVII века. Первые логариф­мические ли­нейки были изобретены в Англии. Почти 3,5 столетия лога­рифмическая линейка господ­ствовала среди всех счетных средств.

1.1.2 Механический период
Биографии механических вычислительных машин ведутся от ма­шины восемнадцатилетнего французского ма­тематика и физика Блеза Паскаля (1623–1662 гг.). Первую модель вычислительной машины, которая получила рас­пространение и могла вы­полнять арифмети­ческие операции сложения и вычитания, он создал в 1642 г. В 1645 г. арифметическая машина «Паскалина», или «Паскалево колесо», получает законченный вид. До настоящего времени сохранилось восемь его машин. Одна из них находится в Музее ис­кусств и ремесел в Париже, где собрана полная коллекция математических инструментов (в том числе и модель арифмометра русского ученого П.Л. Чебышева).

Первая счетная машина, которая механически производила сложение, вычи­тание, умножение и деление была изобретена в 1670 г. немецким математи­ком, физиком, философом и изобретателем Готфридом Вильгельмом Лейбницем (1646–1716 гг.). Машина получила название арифмометр, ее окончательный вариант был завершен в 1710 г. Но машина была еще несовершенна, а потому не по­лучила широкого распространения. Однако арифмо­метр Лейбница содержал уже почти все принципы работы позднейших механиче­ских арифмометров.

В XIX веке были сделаны открытия в области физики, станкостроения и ав­томатизации производства, которые положили начало интенсивному развитию вы­числи­тельной техники. В 1801–1804 гг. французский изобретатель Ж.М. Жаккар впервые ис­пользовал перфокарты для управления автоматическим ткацким станком.

Самым значительным событием XIX века в области создания вычислительной тех­ники стал проект разностной машины английского математика Чарльза Бэббиджа (1791–1871 гг.), впервые в истории высказавшего идею создания вычис­лительных машин с про­граммным управлением. Работать над машиной Ч. Бэббидж начал в 1812 г., к 1822 г. он по­строил дейст­вующую разностную машину и рассчитал на ней таблицу квадра­тов. Но более совершенную машину изготовить не удалось, поскольку в то время разви­тие техники и производство точных механизмов нахо­дились на недостаточно высоком уровне.

Совершенствуя разностную машину, ученый увидел возможность создания нового устройства, способного выполнять сложные вычислительные алгоритмы. В 1833 г. он при­ступил к работе над машиной, которую назвал аналитической. Она должна была отли­чаться большей скоростью и иметь более простую конструкцию, чем разностная машина.

Аналитическая машина состояла из трех основных блоков: устройства для хране­ния чисел и системы, которая передает эти числа от одного узла машины к другому (склад); устройства, позволяющего выполнять арифметические операции (фабрика); устройства для управле­ния последовательностью действий машины. В конструкцию аналитической ма­шины входило также устройство для ввода исходных данных и печати получен­ных ре­зультатов, т. е. ввод–вывод. Предполагалось, что машина будет действовать по программе, которая задавала бы последовательность операций и последователь­ность передач чисел со склада на фабрику и обратно.

С 1841 г. занялась изучением аналитической машины Ч. Бэббиджа Ада Августа Байрон (1815–1852 гг.), по мужу Лавлейс.
О машине Ч. Бэббиджа Ада Лавлейс пи­сала, что «аналитическая ма­шина вышивает алгебраические узоры так же, как станок Жак­кара вышивает цветочки и листочки». А. Лавлейс разработала первые программы для ана­литиче­ской машины, заложив тем самым теоретические основы программирования. Она впервые ввела понятие цикла операции. Ей принадлежат некоторые термины, упот­ребляе­мые программистами и сейчас, например, рабочие ячейки. В единственном своем труде —
в «Комментариях» она высказала очень важную мысль о том, что аналитическая машина может ре­шать такие задачи, которые из–за трудности вычислений практически невоз­можно решить вручную. Так впервые машина была рассмотрена не только как механизм, заменяющий человека, но и как устройство, способное выполнить работу, превы­шающую возможности человека. В наши дни А. А. Лавлейс по праву называют са­мым первым про­граммистом в мире.

Ч. Бэббиджу так и не удалось реализовать свой проект по созданию уни­вер­сальной вычислительной машины: cлиш­ком сложной оказалась задача ее построения на основе средств той эпохи — штифтов, рычагов, зубчатых колес, объеди­ненных сложнейшими кинематическими связями. Задолго до появления электронных вы­числительных машин он заложил их теоретические основы, разработал принципы их по­строения, их главные узлы, пред­сказал пути развития вычислительной техники.

В XIX веке создаются счетные устройства и машины в России.
В 1828 г. гене­рал–майор русской армии Ф.М. Слободской создает счетные приборы, которые вме­сте со спе­циальными таблицами позволяли сводить арифметические действия к сло­жению и вычита­нию. В 1845 г. З.Я. Слонимский получает патент на счетный прибор — суммирующую ма­шину «Снаряд для сложения и вычитания». В 1867 г. российский ученый В.Я. Буняковский создает счетный механизм, осно­ванный на принципе действий русских счетов. Русские ученые и инженеры внесли значи­тельную лепту и в разработку конструкции арифмометров. Крупнейший русский матема­тик и механик П.Л. Чебышев создает
в 1878 г. оригинальный арифмометр с непрерывной передачей десятков. Этот аппарат выполнял суммирование и вычитание. В 1881 г. он изобрел приставку к своему прибору для умножения и деления. В 1880 г. пе­тербургский инженер В.Т. Однер создает в России арифмометр с зуб­чаткой с переменным числом зубцов, а в 1890 г. налаживает массовый выпуск усо­вершенствованных арифмо­метров, нашедших применение во всем мире. Данные в арифмометр вводились вручную, а привод осуществлялся вращением рукоятки. Простота работы с ариф­мометрами и доста­точная надежность сделали их популяр­ными. Их модификация «Феликс» выпускалась в СССР до 50–х годов XX века. До 70–х гг. XX века выпускались электромеханические арифмометры (так называемые клавишные машины), отличав­шиеся от своих предков тем, что их не требовалось вращать вручную. Все они были снабжены электроприводами и работали автоматически, делая нужное число оборотов и передвигая каретку без участия оператора.

В XIX столетии рост промышленности и транспорта и расширение коммерче­ской деятельности банков сделали построение быстродействующих счетных машин актуальной задачей. Но по–настоящему удачная конст­рукция многоразрядной клавишной суммирующей машины была предложена лишь в 1885 г. в США. Это сделал механик Дорр Э. Фелт (Фельт), назвавший свою машину комптометром. Практически одновременно с ним начинает работу над бухгалтерской машиной Уильям С. Бэрроуз. В конце 1885 г. ему удалось создать машину, которая печатала вводимые числа, суммировала их и затем печа­тала резуль­тат. В 1886 г. У.С. Бэрроуз соз­дает первую в мире фирму по производству счет­ных машин.

Важный шаг на пути автоматизации вычислений был сделан американцем Г. Холлеритом (1860–1929 гг.), который изобрел электромеханические машины для вычис­лений с помощью перфокарт, получившие название счетно–аналитических машин. Работая с 1882 г.
в Массачусетском техноло­гическом институте и затем в Бюро патентов

США, он начал разраба­тывать машины для механизации обработки данных переписи. В 1888 г. он создает особое устройство — табулятор, в котором обрабатывается информация, нанесенная на перфокарты. Перфокарты на специальной машине могли сор­тироваться по выбранному признаку, числа, пробитые в перфокартах, могли суммиро­ваться, а сумма — пробиваться в перфокарте или печа­таться. В 1884–1889 гг. он оформил ряд патентов на устройства для статистиче­ской обработки информации. Система Г. Холлерита включала перфокарту, перфоратор, сортировальную ма­шину и табулятор. В 1896 г. Г. Холлерит основал фирму по выпуску перфокарт и счетно–перфорационных машин (СПМ). В дальнейшем она была пре­образована в из­вестную фирму–производитель вычислительной техники — IBM. Развитие СПМ шло до 50–х годов. С появлением электронной техники возникли комбинированные системы, в которых вычислитель­ные функции были расширены за счет введения в ком­плект машин элек­тронных вычислителей, а носителем информации по–прежнему остава­лась перфо­карта. Такие гибридные машины выпускались как за рубежом, так и в нашей стране:

IBM–604 (США), ЭВ–80, «Рута», М–5000 (СССР). В 1892 г. У. Барроуз выпускает пер­вый коммерческий сумматор.

В 1904 г. известный русский математик, академик А.Н. Крылов предложил конструкцию машины для решения обыкновенных диффе­ренциальных уравне­ний, которая была построена в 1912 г. В своих «Лекциях о приближенных вычислениях» он углубил теорию и привел описание различных ме­ханических систем для вычисления интегралов, гармонического анализа. Академик А.Н. Крылов изобрел также механический интегратор, развивающий принцип пла­ниметра — прибора для вычисления площадей.

В 1919 г. академик Н.Н. Павловский создал метод исследования при по­мощи ана­лого–математического моделирования и дал ему полное теоретическое обоснование. Он же успешно применил новое средство вычислительной техники — аналоговую вычислитель­ную машину (АВМ), которая была создана для реализации разработанного метода. Этот метод успешно развивался и действовал до 60–х гг., ко­гда он был заменен цифровым моде­лированием на ЭВМ. Таким образом, развитие аналоговых вычислительных машин в 20–30–х гг. XX века обогнало развитие цифровой техники, так как в этот период еще не было техно­логической базы, необходимой для создания универсальных ЭВМ.
В области цифро­вой техники продолжала развиваться линия арифмометров и СПМ для выполнения учет­ных и статистических расчетных работ.

Одной из технических предпосылок создания вычислительных машин было изо­бретение лампового диода и триода. В 1904 г. Дж. Флеминг (Великобритания) изобрел пер­вый ламповый диод, а в 1906 г. Ли де Форест и Р. Либен (США) — первый триод. Но эра ЭВМ начинается с изобретения лампового триггера. В 1918 г. русский ученый М.А. Бонч–Бруевич изобрел триггер, имевший только два устой­чивых положения равнове­сия: «открыто», «закрыто». Это изобретение имело большое значение для создания в дальнейшем совре­менных вычислительных машин. В 1919 г. независимо от М.А. Бонч–Бруевича такой же прибор изобрели американцы У. Икклз (Экклз) и Ф. Джордан. Триг­герные схемы постепенно стали широко применяться в электро­нике для переключения и релейной коммутации.

В 1931 г. французский инженер Р.–Л.В. Валтат выдвинул идею использования двоич­ной системы счисления при создании механических счетных устройств.

В начале XX века были проведены исследования в области полупроводников и скон­струирована первая электронно–лучевая трубка.

В 1907 г. русский ученый Б.Л. Розинг зая­вил патент на использование
в телевидении электроннолучевой трубки. К середине 30–х гг. XX столетия в результате разработок В.К. Зворыкина и Ф. Франсуорта в США, К. Свинтона в Великобритании, В.П. Грабовского, С.И. Катаева, А.П. Константинова, Б.Л. Розинга, П.В. Тимофеева и П.В. Шмакова в СССР появляются первые системы электронного телеви­дения.

В 1936 г. английский математик Алан Тьюринг (1912–1954 гг.)

и независимо от него американский математик и логик Э.Л. Пост (1879–1954 гг.) выдвинули и разработали концепцию абстрактной вычислительной машины.

А. Тьюринг опубликовал в 1936 г. статью с доказательством того, что любой алгоритм может быть реализован с помощью дискретного автомата. Он предло­жил абстрактную схему такого автомата, получившего название машины Тьюринга и положившего начало целому направлению в теории автома­тов. Машина Тьюринга — гипотетический универсальный преобразователь дискретной ин­формации, теорети­ческая вычислительная система. Тьюринг и Пост показали принципи­альную воз­можность решения автоматами любой проблемы при условии возможности ее алго­ритмизации с учетом выполняемых им операций. Этими работами теоретически была доказана возможность создания универсальной цифровой вычислительной машины (ЦВМ).

Перед второй мировой войной А. Тьюринг на­чал разрабатывать вычислительную машину с широкими логическими воз­можно­стями.
За три года он разработал первый проект электронного мозга —

автоматиче­ской вычислительной машины АСЕ — и первым подготовил ряд программ. В 1947 г. он занимается изучением проблемы обучения вычислительной машины.

В 1936 г. немецкий инженер–кибернетик К. Зюс начал работы по соз­данию универсальных автоматических цифровых машин с программным управле­нием на механи­ческих элементах. Это была последняя разработка, относящаяся к механическому периоду в истории развития вычислитель­ных машин.
1.1.3 Электрический период
К 30–м годам XX века стала очевидной связь между релей­ными схемами и ал­геброй логики (булевой алгеброй), основы которой заложил англий­ский математик и логик Джордж Буль (1815–1864 гг.) в работе 1847 г. «Математический анализ логики». Идеи своей алгебры он развил в вышедшей в свет в 1854 г. работе «Ис­следование законов мышления». Когда появилась принципиальная воз­можность создания средств вычислительной техники на электрической базе, логические опера­ции, введенные Дж. Булем, оказались весьма полезны. Они изначально ориентиро­ваны на работу только с двумя сущностями: истина
и ложь. Нетрудно понять, как они пригодились для работы с двоичным кодом, который в вычислительных машинах представляется всего двумя сигна­лами: выключено и включено (ноль и единица). На­чиная с 30–х гг. XX века появляются вы­числительные машины, использующие логи­ческие схемы для электромагнитных реле и оперирующие перфокартами. Эти ма­шины могли выполнять довольно сложные арифмети­ческие вычисления.

Первая удачная попытка построить универсальную цифро­вую машину была предпринята в 1937 г. в США математиком Говардом Айткеном. Эта машина получила название вычисли­тельной машины с автоматическим управлением после­довательностью операций и из­вестна под именем «Марк–1». Над первым вариантом машины Г. Айткен работал до 1944 г., машина создавалась на базе фирмы IBM и имела программное управление, программа на­биралась на коммутаци­онных досках и переключателях. Машина была выполнена на релей­ных

и механиче­ских элементах. Это еще не была машина с хранимой и гибко изме­няющейся программой, однако она уже показала возможность построения ав­томатических вычислительных машин, состоящих из большого числа логических эле­мен­тов. Ариф­метическое и запоминающее
устройства были выполнены на электромеханических устройствах. Основным логическим элементом в схемах, как и в СПМ, были реле. По

сравнению с СПМ машина «Марк–1» имела дос­таточно длинную по­следовательность программных кодов и хорошее для своего времени быстродействие. Но, как и всякое механическое устрой­ство, машина не обладала тем быстродействием, кото­рое позволило бы осуществить качественный скачок в технологии вычислений. Улучшен­ная конструкция на реле повышенной надежности легла в основу ЦВМ «Марк–2».

Наряду с работами Г. Айткена приблизительно в то же время велась ра­бота других групп, в результате которой было создано еще несколько электромехани­ческих ре­лейных машин. Так, в 1939 г. была закончена и в 1940 г. демонстриро­валась релейная ма­шина американского математика Дж. Штибитца «Модель–Г», кото­рая выполняла 4 арифме­тических действия над комплексными числами. Дальнейшая успешная разработка малых специализированных машин на тех же принципах привела к созданию в 1944–1946 гг. универсальной релейной вычислительной машины «Модель–V».

В 1937 г. американский физик Джон В. Атанасов формулирует принципы автомати­ческой вы­числительной машины на ламповых схемах для решения систем линейных урав­не­ний. В 1939 г. он создал вместе со своим аспирантом Кл. Берри работающую на­стольную модель ЭВМ. Две малые ЭВМ, созданные ими в период 1937–1942 гг., были прототипами большой ЭВМ для решения систем линейных уравнений, которая была готова в декабре 1941 г. В машине Д. Атанасова были разделены блоки арифмети­ческого и оперативно–запоминающего устройств. Первое было выполнено на радиолам­пах,

а второе — на вращающемся барабане с конденсаторами. Внешняя память была выпол­нена на ти­повом перфокарточном оборудовании. Работала машина в двоичной системе счисления. Переводы из десятичной системы в двоичную и обратно были решены схемно.

В конце 30–х гг. С.А. Лебедев (1902–1974 гг.) в Институте электротехники АН УССР приступил к конструированию ЭВМ, работающей в двоичной системе счисле­ния. В 1941 г. работа была прервана.

В 1939 г. в США Дж. Стибниц закончил работу над релейной машиной фирмы «Белл», начатую в 1937 г. Машина выполняла арифметические операции над комплекс­ными числами в двоично–пятеричной системе их представления. Это был релейный интер­претатор, управляемый программной перфолентой. В 1940 г. был проведен экспери­мент по управлению на расстоянии вычислительной машиной «Белл–1». А в 1942 г. Дж. Стибниц сконструировал вычислительное устройство
с программным управле­нием «Белл–2».

В 1940 г. в США под руководством Джона (Яноша) фон Неймана (1903–1957 гг.) разработан компьютер MANIAC (Mathematical Analyzer Numerical and Computer).

К первым универсальным ЦВМ с программным управлениям на электромеха­ниче­ских элементах относят также машины, разработанные в Германии К. Зюсом к 1941 г. — «Зюс–2» и «Зюс–3». Машина «Зюс–3» была релейной, для нее был разработан язык программирова­ния, она использовалась при расчетах ракет.

Одной из наиболее совершенных релейных вычислительных машин была со­ветская машина РВМ–1, сконструированная в начале 50–х гг. выдающимся инженером Н.И. Бессоновым (1906–1963 гг.)

и построенная в 1956 г. Эта машина успешно работала до 1966 г.

Главными недостатками релейных машин являлось отсутствие хранимой про­граммы, что обусловливалось небольшим объемом оперативной памяти, и невысокая ско­рость работы, вызванная низким быстродействием электромеханических релей­ных пере­ключателей.

следующая страница>