Вопрос. Особенности реализации микропроцессорной техники

Особенности реализации микропроцессорной техники. Эволюция персональных компьютеров. Персональные компьютеры WIntel (IBM PC). Реализация принципов фон-Неймана в персональных компьютерах. Принцип открытой архитектуры.

В середине 40-х годов появились теоретические разработки, указывающие, что более эффективными могут быть машины с хранимой программой. По этому на­правлению следует отметить в первую очередь работы Н. Винера и Дж. фон Неймана.

Основные принципы организации ЭВМ Дж. фон Неймана:

1. Принцип двоичного кодирования. Электронные машины должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления.

2. Принцип программного управления. Машина выполняет вычисления по про­грамме, которая состоит из набора команд, которые исполняются автомати­чески друг за другом в определенной последовательности.

3. Принцип хранимой программы. В процессе решения задачи программа ее ис­полнения должна размещаться в запоминающем устройстве машины, обладаю­щем высокой скоростью выборки и записи.

4. Принцип однотипности представления чисел и команд. Программа, так же как и числа, с которыми оперирует машина, записывается в двоичном коде. Таким образом, по форме представления команды и числа однотипны, а это дает воз­можность машине исполнять операции над командами программы.

5. Принцип иерархичности памяти. Сложность реализации единого емкого быстро­действующего запоминающего устройства требует иерархического построения памяти. По меньшей мере, должно быть два уровня иерархии: основная память и внешняя память.

6. Принцип адресности основной памяти. Основная память должна состоять из про­нумерованных ячеек, каждая из которых доступна программе в любой момент времени по ее двоичному адресу или по присвоенному ей имени.

Структура ЭВМ, предложенная Дж. фон Нейманом, должна содержать следую­щие устройства: управляющее устройство, арифметическое устройство, основную (оперативную) и внешнюю память, устройство ввода программ и данных, устройст­во вывода результатов расчетов, пульт ручного управления.

Начиная с 1950 года каждые 7-10 лет кардинально обновлялись принципы построения и ис­пользования ЭВМ. Условно каждому поколению можно отвести 10 лет.

Первое поколение ЭВМ: 1950-1960-е годы

Логические схемы создавались на дискретных радиодеталях и электронных ва­куумных лампах с нитью накала. В оперативных запоминающих устройствах использовались магнитные барабаны, акустические ультразвуковые ртутные и электромагнитные линии задержки, электронно-лучевые трубки. В качестве внешних запоминающих устройств применя­лись накопители на магнитных лентах, перфокартах, перфолентах и штекерные коммутаторы.

Программирование работы ЭВМ этого поколения выполнялось в двоичной сис­теме счисления на машинном языке, то есть программы были жестко ориентирова­ны на конкретную модель машины.

Только в середине 50-х годов появились машинно-ориентированные языки типа языков символического кодирования, позволявшие вместо двоичной записи команд и адресов использовать их сокращенную словесную (буквенную) запись и десятичные числа.

Второе поколение ЭВМ: 1960-1970-е годы

Логические схемы строились на дискретных полупроводниковых и магнитных элементах (диоды, биполярные транзисторы. В качестве конструктивно-технологической основы использо­вались схемы с печатным монтажом. Ши­роко стал использоваться блочный принцип конструирования машин, который позволяет подключать к основным устройствам большое число разнообразных внешних устройств, что обеспечивало большую гибкость использования компью­теров.

Стали применяться внешние накопители на жестких магнитных дисках и на флоппи-дисках.

Появились первые операционные системы, новые языки программирования. Программы стали переносимыми с одного типа компьютера на другой.

Третье поколение ЭВМ: 1970-1980-е годы

Это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно совместимых. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы, которые также называются микросхемами.

Машины имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же сама машина.

Примеры машин третьего поколения — семейства IBM—360, IBM—370, Единая система ЭВМ, Семейство малых ЭВМ.

Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.

Четвертое поколение ЭВМ: 1980-1990-е годы

Создание больших и сверхбольших интегральных схем (LSI и VLSI), микропроцессора (1969 г.) и персонального компьютера.

Начиная с 1980 года практически все ЭВМ стали создаваться на основе микро­процессоров. Самым востребованным компьютером стал персональный.

Логические интегральные схемы в компьютерах стали создаваться на основе униполярных полевых CMOS-транзисторов с непосредственными связями, кото­рые работали с меньшими амплитудами электрических напряжений (единицы вольт), потребляли меньше мощности, и тем самым позволяли реализовать более прогрессивные нанотехнологии.

Первый персональный компьютер создали в апреле 1976 года два друга: Стив Джобс и Стефан Возняк.

Пятое поколение ЭВМ: 1990-2000 гг.

Основную концепция ЭВМ пятого поколения:

1. Компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструк­ций программы.

2. Компьютеры со многими сотнями параллельно работающих процессоров, позво­ляющие строить системы обработки данных и знаний, эффективные сетевые компьютерные системы.

Шестое и последующие поколения ЭВМ

Электронные и оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом, с рас­пределенной сетью большого числа микропроцессоров, модели­рующих архитектуру нейронных биологических систем.