Обучающая программа по дисциплине "Архитектура и организация ЭВМ"

И так Мы уже рассмотрели классическую структуру ЭВМ в предыдущих разделах, которая соответствует вычислительным машинам первых и вторых поколений. И разумно предполагать что в течении развития технологии производства потерпели колоссальные изменения в ее структуре.

И настало время третьего поколения ЭВМ, что стало шагом к модернизации, и транзисторы заменили интегральными схемами. Колоссальные изменения по миниатюризации схем значительно уменьшали размеры основных узлов ЭВМ, но и способствовали предпосылкой увеличения быстродействия выполняемых операций[3]. В связи с этим встал вопрос о проблеме между высокой скоростью обработки информации и очень медлительной работы устройств ввода-вывода, так как многие имели механическую движущую часть. Процессору, который управляет работой внешних устройств, приходилось довольно большой промежуток времени простаивать, так как информация не поступала с должной скоростью, и это значительно снижало работоспособность ЭВМ. Эта проблема породила тенденцию к необходимости освободить центральный процессор от функции обмена, и заменить его специально предназначенной схеме по управлению работы внешних устройств. Как только не называли эти схемы: и каналами обмена, и процессорами ввода-вывода информации, и периферийными процессорами. Но мы привыкли называть его как «контроллер внешнего устройства» (или же проще: контроллер).

Использование в архитектуре интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой машин третьего и четвертого поколения.

Можно сказать, что контроллер это специализированный процессор, который управляет работой присвоенного ему внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Такие процессоры имеют свою систему команд. Возьмем, к примеру, контроллер накопителя на гибких магнитных дисках (дисковода) он считывает информацию посредством позиционирования головки на нужную дорожку диска, тем самым читает или записывает сектор, форматирует дорожку и т.д. Информация о выполнении каждой операции заносится в память контроллера, и при необходимости могут быть считаны центральным процессором.

Следует, что интеллектуальные внешние устройства могут в корни изменить идею обмена информации, так как при необходимости центральный процессор может дать команду контроллеру на обмен информации. Далее же обмен осуществляется контроллером, и центральный процессор может выполнять другие задачи (в том случае если по этой задаче на данный момент ничего нельзя сделать)[4].

Теперь можем перейти к вопросам о внутренней структуре ЭВМ, содержащие интеллектуальные контроллеры (рисунок 2). Из представленного рисунка можем видеть, что отдельные функциональные узлы ЭВМ для связи используют шины (или как их ещё называют: магистрали). Она состоит из:

* шина адреса, определяющая, куда передаются данные;

* шина управления, регулирующая процесс обмена информацией;

* шина данных, по которой передается информация.

Преимущества данной схемы очевидны, это возможность дополнять или изменять схему новыми устройствами, такую схему называют открытой архитектурой. То есть пользователю открывается возможность самому выбирать «начинку» компьютера, т.е. исходя из решаемых задач подбирать необходимую конфигурацию.

Исходя из рисунка 2 видно, что по сравнению с рисунком 1 имеется новый вид памяти - видеопамять. Его разработка связана с тем, что появился новый вид устройства вывода - дисплей. Его основной частью служит электронно-лучевая трубка, которая отображает информацию, принцип ее работы схож со старыми телевизорами (кстати, как и раньше сейчас имеется возможность подключать телевизор). Имеем, что дисплей как устройство вывода не имеет механически-движущихся частей, что по своей природе является «очень быстрым» устройством вывода информации. Именно исходя из этих качеств для третьего и четвертого поколения ЭВМ он считается неотъемлемой частью (хотя были ЭВМ второго поколения, на которых присутствовали дисплеи).

Рисунок 2 - Шинная архитектура ЭВМ

Для получения на экране монитора стабильной картинки ее надо где-то хранить. Для этого и существует видеопамять. Сначала содержимое видеопамяти формируется компьютером, а затем контроллер дисплея выводит изображение на экран. Объем видеопамяти существенно зависит от характера информации (текстовая или графическая) и от числа цветов изображения. Конструктивно она может быть выполнена как обычное ОЗУ или содержаться непосредственно в контроллере дисплея (именно поэтому на рисунке 2 она показана пунктиром)[1].

Обратим внимание на ещё один важный аспект структуры современных ЭВМ. Так как процессор теперь перестал быть центром конструкции, открылась возможность реализовывать прямые связи между устройствами ЭВМ. Так на практике чаще всего используют передачу данных из внешних устройств в ОЗУ и наоборот. Режим, при котором внешнее устройство обменивается непосредственно с ОЗУ без участия центрального процессора, называется прямым доступом к памяти (ПДП). Для его реализации необходим специальный контроллер. Так же отметим, что режим ПДП в машинах первого и второго поколений не существовал. Поэтому встречающаяся иногда схема ЭВМ, на которой данные из устройств ввода напрямую поступают в ОЗУ, не соответствует действительности: данные при отсутствии контроллера ПДП всегда, сначала принимались во внутренние регистры процессора и лишь затем в память.

Ранее, при описании магистральной структуры мы были склонны предполагать, что все устройства связываются между собой через одну общую шину. Такая структура вполне приемлема с точки зрения архитектуры, и она даже применялась для машин с небольшим количеством внешних устройств. Но со временем увеличивалось количество потоков информации между устройствами ЭВМ, и единственная магистраль перегружалась, что значительно снижало работу компьютера. Именно это стало толчком к использованию дополнительных шин. К примеру одна шина могла использоваться для памяти, вторая - для связи с «быстрыми», а третья - с «медленными» внешними устройствами. Так же отметим, что высокоскоростная шина данных ОЗУ обязательно требуется при наличии режима ПДП[4].

И так мы подходим к концу обсуждения особенностей внутренней структуры современных ЭВМ, и хотелось бы отметить несколько важных тенденций в ее развитии. Во-первых, это постоянное расширение и совершенствования наборов внешних устройств, и это как уже было сказано приводит к усложнению архитектуры связей между узлами ЭВМ. Во-вторых, это то, что вычислительные машины перестают быть однопроцессорными. Так как помимо центрального процессора, в компьютеры оснащают специализированными процессорами для вычислений с плавающей запятой (так называемые математические сопроцессоры), видеопроцессорами для ускорения вывода информации на экран дисплея и т.п. Так же развитие методов параллельных вычислений также призывает к жизни вычислительные системы с довольно таки сложной структурой, в которых одна операция может выполняться сразу несколькими процессорами. В-третьих, это непреодолимое стремление владеть быстродействующей машиной не только для вычислений, а также для логического анализа информации, что может привести в ближайшие годы к серьезному пересмотру традиционной фон-неймановской архитектуры.

Так же стоит отметить очень важный аспект развития современных ЭВМ, это ускоряющееся возрастание роли межкомпьютерных коммуникаций. Все больше и больше компьютеров объединяются в сети и обрабатывают имеющуюся информацию совместно.

В конце этого раздела хотелось бы сказать, что структура и архитектура ЭВМ не стоит на месте, а развивалась и будет развиваться и совершенствоваться (стоит отметить, что в последние годы она набрала просто бешеные обороты). И все же современная вычислительная техника и потерпела много изменений и модификаций, она все равно состоит из тех же узлов и в них заложены основы общих принципов фон-неймановской архитектуры.

1.4 Основной цикл работы ЭВМ

Одной из важнейших составных частей фон-неймановской архитектуры является счетчик адреса команд. Этот специальный внутренний регистр процессора всегда указывает на ячейку памяти, в которой хранится следующая команда программы. При включении питания или при нажатии на кнопку сброса в счетчик аппаратно заносится стартовый адрес находящейся в ПЗУ программы инициализации всех устройств и начальной загрузки. Последующая работа компьютера определяется программой. И так, получаем что, вся деятельность ЭВМ - это непрерывное выполнение тех или иных программ, причем программы эти могут в свою очередь загружать новые программы и т.д.[1].

Каждую программу можно рассматривать как совокупность отдельных машинных команд. Каждая машинная команда разделяется на ряд элементарных унифицированных составных частей, которые принято называть тактами. В зависимости от сложности команды она может быть реализована за разное число тактов. Как пример можно рассматривать, пересылку информации из одного внутреннего регистра процессора в другой выполняемую за несколько тактов, а для перемножения двух целых чисел их потребуется куда больше. Существенное удлинение команды происходит, если данные которые обрабатываются еще не находятся внутри процессора и их приходится считывать из ОЗУ.

И так выполнение каждой команды ЭВМ осуществляет определенные стандартные действия:

1) согласно содержимому счетчика адреса команд, считывается необходимая команда программы (ее код, как правило заносится на хранение в специальный регистр УУ, который именуется как регистр команд);

2) счетчик команд автоматически изменяется таким образом, чтобы в нем содержался адрес следующей команды (в простейших случаях для этой цели необходимо всего лишь к текущему значению счетчика прибавить некоторую константу, которая определяется длиной команды);

3) Операция, которая считана в регистр команд, расшифровывается, далее извлекаются необходимые данные и уже над ними выполняются необходимые операции.

Впоследствии, за исключением команды останова или наступления прерывания, все описанные действия циклически повторяются[3].

Далее выборка команды останова ЭВМ прекращает обработку программы. И чтобы выйти из этого состояния, необходим запрос от внешних устройств, либо перезапуск машины.

И так алгоритм работы ЭВМ который мы рассмотрели, позволяет шаг за шагом выполнить хранящуюся в ОЗУ линейную программу. При необходимости мы можем изменить порядок вычислений для реализации развилки или цикла, для этого достаточно в счетчик команд занести требуемый адрес (на заметку: так и происходит условный или безусловный переход).

В компьютерах, которые разрабатывались на базе микропроцессоров INTEL 80286 и более поздних моделей для увеличения скорости основного цикла выполнения команды применяется метод конвейеризации (так же применяется термин «опережающая выборка»). Суть всей идеи в том, что внутренние устройства процессора могли работать параллельно: первое считывает команду, второе дешифрует операцию, третье вычисляет адреса используемых операндов и т.п. В конечном итоге по окончанию команды в большинстве случаев оказывается, что последующая команда уже выбрана из ОЗУ, дешифрована и подготовлена к выполнению. Так же стоит отметить, если в результате выполнения команды нарушается естественный порядок программы (к примеру, при безусловном переходе), то опережающая выборка оказывается бессмысленной и конвейер очищается. Команда которая следует за переходом выполняется дольше, так как, чтобы конвейер «заработал на полную мощность», нужно его предварительно заполнить[5]. Другими словами, в конвейерной машине время на выполнение программы может зависеть не только от составляющих ее команд, но и от их взаимного расположения.

1.5 Система команд ЭВМ и способы обращения к данным

Так же основным аспектом архитектуры ЭВМ является система команд. Несмотря на колоссальное число разновидностей ЭВМ, на самом низком («машинном») уровне они во многом схожи. Система команд любой ЭВМ непременно содержит следующие группы команд обработки информации.

1. Команды передачи данных (перепись), которые копируют информацию из одного места в другое.

2. Арифметические операции, которым фактически обязана своим названием вычислительная техника. Конечно же, не стоит упускать из вида долю вычислительных действий, которая в современном компьютере заметно уменьшилась, но они по-прежнему служат в программах немаловажную роль. Стоит отметить, что к основным арифметическим действиям, как правило, относятся сложение и вычитание (в конечном счете, вычитание в большинстве случаях тем или иным способом сводится к сложению). А операции касаемые умножения и деления, то они в большинстве ЭВМ выполняются по специально предназначенным программам.

3. Логические операции, которые позволяют компьютеру анализировать и обрабатывать информацию. Как элементарный пример можно использовать сравнение, а также известные логические операции И, ИЛИ, НЕ (инверсия). Помимо всего прочего к ним очень часто добавляются анализ отдельных битов кода, их сброс и последующая установка.

4. Сдвиги двоичного кода как влево, так и вправо. Чтобы доказать важность этой группы команд достаточно всего лишь вспомнить правило умножения столбиком: каждое последующее произведение записывается в таком виде со сдвигом на одну цифру влево. Также в частных случаях умножение и деление может быть заменено сдвигом (например, дописав или убрав ноль справа, мы фактически осуществляем сдвиг десятичного числа, тем самым можно увеличить или уменьшить его в 10 раз).

5. Команды ввода и вывода как средство обмена информации с внешними устройствами. В отдельно взятых ЭВМ внешние устройства могут служить специальными служебными адресами памяти, и как следствие ввод и вывод осуществляется при помощи команд переписи.

6. Команды управления, которые реализуют нелинейные алгоритмы. К ним прежде всего следует записать условный и безусловный переход, и команды обращения к подпрограмме (переход с возвратом). Некоторые ЭВМ обладают специализированными командами для организации циклов, но это не обязательно: цикл может быть сведен к той или иной комбинации условного и безусловного переходов. Как правило, к этой же группе команд относят небольшая группа операций по управлению процессором - типа «останов» или НОП («нет операции»). Также в честных случаях их выделяют в особую группу[1].

С постоянно растущим уровнем сложности устройства процессора увеличивается и число команд, анализирующих состояние управляющих битов и воздействующих на них. Здесь как пример можно привести биты режима работы процессора и биты управления механизмами прерываний от внешних устройств.

С течением времени все больше и больше важную роль в наборе команд исполняют команды для преобразования формата данных в другой (например, из 8-битного в 16-битный и т.п.), которые в свою очередь существенно упрощают обработку данных разного типа, но по сути могут быть заменены последовательностью из некоторого набора более простых команд.

Если рассматривать систему команд, нельзя не упомянуть о двух современных взаимно конкурирующих направлениях в ее построении: компьютер с полным набором команд CISC (Complex Instruction Set Computer) и с ограниченным набором - RISC (Reduced Instruction Set Computer). Это разделение произошло из-за того, что большую часть времени компьютер вынужден выполнять лишь малую часть из имеющегося набора команд, в то время остальные же используются эпизодически (в одной из популярных статей этот факт в шутку сформулировали в виде следующей наглядной аналогии: «20% населения выпивают 80% пива»). Тем самым, если существенно сократить набор операций до уровня простых и в то же время коротких, и очень тщательно оптимизировать их, в итоге мы получим достаточно эффективную и быстродействующую RISC-машину[5]. Правда за высокую скорость нам придется поплатиться необходимостью программной реализации «отброшенных» команд, но зачастую эта плата в итоге оказывается оправданной: так как для научных расчетов или машинной графики быстродействие компьютера существенно важнее проблемы программирования. Подробно эти вопросы, связанные с системой команд современных микропроцессоров, будут рассмотрены ниже в этой главе.

Подводя итог, хотелось бы еще раз подчеркнуть, что основной набор команд не сильно изменился в этой бурной эволюции ЭВМ. И параллельно с этим способы указания адреса расположения информации в памяти с точностью до наоборот значительно изменились и заслуживают более тщательного рассмотрения.

Как правило, команды ЭВМ обычно состоят из двух частей - операционной и адресной. Операционная часть (иначе она еще называется кодом операции (КОП)) указывает, какое действие необходимо выполнить с той или иной информацией. В то время как адресная часть описывает, где используемая информация хранится на данный момент. Так же у некоторых команд управления работой машины адресная часть может отсутствовать (например, в команде останова; операционная часть имеется, всегда).

Код операции можно представить как некий условный номер в общем списке системы команд. Как правило, этот список построен в соответствии с определенными внутренними закономерностями, но бывают случаи, что они не всегда очевидны[4].

Адресная часть обладает значительным разнообразием, и именно поэтому рассмотрим более подробно.

Прежде всего, стоит отметить, что команды могут быть одно-, двух- и трехадресные в зависимости от числа участвующих в них операндов.

Так, например первые ЭВМ имели самую простую и наглядную трехадресную систему команд. Допустим: берем числа из адресов памяти а1 и а2, сложив их и сумму поместим в адрес а3. В случае если же для операции необходимо меньшее число адресов, то лишние просто не использовались (на пример: в операции переписи указывается лишь ячейки источника и приемника информации а1 и а3, тогда содержимое ячейки а2 не имело никакого значения.

Так же трехадресная команда очень легко расшифровывалась и была удобна в использовании, но в связи с развитием и ростом объемов ОЗУ ее длина становилась очень большой. Действительно, длина команды складывается из длины трех адресов и кода операции. Следовательно, например, что для небольшого ОЗУ из 1024 ячеек только для записи адресной части одной команды требуется 3*10 = 30 двоичных разрядов, что для технической реализации не вполне удобно. Исходя из этого, появились двухадресные машины, длина команды в которых сокращалась за счет исключения адреса записи результата[1]. В этих ЭВМ результат операции оставался в специальном регистре (сумматоре) и был пригоден для использования в последующих вычислениях. В некоторых машинах результат записывался вместо одного из операндов.

В результате развития и упрощения команды привело к созданию одноадресных машин. Рассмотрим систему команд такой ЭВМ на конкретном простом примере. Допустим нам необходимо сложить числа, хранящиеся в ячейках с адресами ОЗУ а1 и а2, а их сумму поместить в ячейку с адресом а3. Для решения этой задачи одноадресной машине потребуется выполнить три шага (команды):

* извлечь содержимое ячейки а1 в сумматор;

* сложить сумматор с числом из а2;

* записать результат из сумматора в а3.

На первый взгляд нам может показаться, что одноадресной машине для решения данной задачи потребуется в три раза больше команд, чем трехадресной. Но на самом же деле это не всегда так. Попробуйте самостоятельно создать программу вычисления выражения а5 = (а1 + а2)*аЗ/а4 и вы поймете, что потребуется три трехадресных команды и всего пять одноадресных[4]. Тем самым ясно что, одноадресная машина в некоторых моментах даже эффективнее, так как она не производит ненужной записи в память промежуточных результатов.

Ради полноты изложения стоит так же сказать о возможности реализации безадресной (нуль-адресной) машины, использующей особый способ организации памяти - стек. Понимание принципов устройства такой машины потребовало бы некоторых достаточно подробных разъяснений. Сейчас безадресные ЭВМ фактически не применяются. Поэтому мы ограничимся лишь изложением того факта, что устроенная подобным образом система команд лежала в основе некоторых программируемых микрокалькуляторов (типа «БЗ-21» и «БЗ-34» и подобных им)[5].

До сих пор в описании структуры машинной команды мы пользовались интуитивным понятием об адресе информации. Рассмотрим теперь вопрос об адресации элементов ОЗУ более подробно и строго. Наиболее просто была организована память в ЭВМ первых двух поколений. Она состояла из отдельных ячеек, содержимое каждой из которых считывалось или записывалось как единое целое. Каждая ячейка памяти имела свой номер, который и получил название адреса. Очевидно, что адреса соседних ячеек ОЗУ являются последовательными целыми числами, т.е. отличаются на единицу. В рассматриваемых ЭВМ использовались данные только одного типа (вещественные числа), причем их длина равнялась длине машинной команды и совпадала с разрядностью памяти и всех остальных устройств машины. Для примера укажем, что ячейка типичной ЭВМ второго поколения состояла из 36 двоичных разрядов.

Очень часто программа предназначалась для обработки по одним и тем же формулам определенного количества содержимого последовательно расположенных ячеек (в языках высокого уровня такого рода структуры получили впоследствии название массивов). В ЭВМ первых двух поколении были предусмотрены особые механизмы циклической обработки массивов информации. С этой целью в машинных командах помимо обычных адресов можно было использовать модифицируемые, у которых специальный управляющий бит был установлен в единицу. К помеченным таким образом, модифицируемым адресам при выполнении команды прибавлялось значение из специальных индексных ячеек. Меняя содержимое индексных ячеек, можно было получать доступ к различным элементам массива. Особо подчеркнем, что формирование результирующего адреса осуществлялось в УУ в момент исполнения команды, поэтому исходная команда в ОЗУ сохранялась без изменений.

Описанный механизм модификации адресов существенно упрощал написание циклических программ, таких как нахождение суммы последовательных ячеек ОЗУ, копирование отдельных участков памяти и т.п.

В ЭВМ третьего поколения идеология построения памяти существенно изменилась: минимальная порция информации для обмена с ОЗУ была установлена равной 8 двоичных разрядов, т.е. один байт. Стало возможным обрабатывать несколько типов данных: символы текста (1 байт), целые числа (2 байта), вещественные числа обычной или двойной точности (4 или 8 байт соответственно). В связи с этим была введена новая условная единица измерения информации - машинное слово. Оно равнялось 4 байтам и соответствовало длине стандартного вещественного числа. Все объемы информации начали измеряться в единицах, кратных слову: двойное слово, полуслово и т.п. Естественно, что адрес (номер ячейки ОЗУ) в машинах с байтовой организацией стал относиться к отдельному байту; байты памяти имеют возрастающие на единицу номера. Слово состоит из нескольких последовательно расположенных байтов. В качестве адреса слова удобно принимать адрес одного из образующих его байтов (обычно применяется младший байт, имеющий наименьший номер)[3]. Таким образом, адреса слов меняются уже не через единицу; их приращение зависит от длины машинного слова в байтах и равняется четырем.

Размер машинного слова был, по-видимому, выбран исходя из форматов обрабатываемой информации, а не в связи с разрядностью каких-либо устройств. Для подтверждения этого приведем несколько фактов о типичных ЭВМ третьего поколения из семейства ЕС. Арифметико-логическое устройство модели «ЕС-1022» имело 16 двоичных разрядов, «ЕС-1033» - 32 разряда, а «ЕС-1050» - 64 разряда. В то же время за одно обращение к оперативной памяти в «ЕС-1022» и «ЕС-1033» выбиралось 4 байта, в «ЕС-1050» - 8 байт (а в «ЕС-1045» - 16 байт)[5]. Таким образом, разнообразие цифр свидетельствует, что 32 разряда (4 байта) не являлись каким-то технически выделенным объемом информации.

В машинах третьего поколения появились и еще несколько особенностей: разная длина команд в зависимости от способа адресации данных, наличие специальной сверхоперативной регистровой памяти, вычисление эффективного адреса ОЗУ как суммы нескольких регистров и т.п. Все это получило дальнейшее развитие в компьютерах четвертого поколения, для которых разрядность микропроцессора стала одной из важнейших характеристик. Рассмотрение особенностей строения памяти ЭВМ четвертого поколения отложим до следующего раздела.

1.6 Поколения ЭВМ

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 (ЭЛТ). 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 и "умирали" вместе с этими моделями[3].

В середине 1950-х годов появились машинно-ориентированные языки типа языков символического кодирования (ЯСК), позволявшие вместо двоичной записи команд и адресов использовать их сокращенную словесную (буквенную) запись и десятичные числа. В 1956 году был создан первый язык программирования высокого уровня для математических задач - язык Фортран, а в 1958 году - универсальный язык программирования Алгол.

ЭВМ, начиная от UNIVAC и заканчивая БЭСМ-2 и первыми моделями ЭВМ "Минск" и "Урал", относятся к первому поколению вычислительных машин[4].

Второе поколение ЭВМ: 1960-1970-е годы

Логические схемы строились на дискретных полупроводниковых и магнитных элементах (диоды, биполярные транзисторы, тороидальные ферритовые микротрансформаторы). В качестве конструктивно-технологической основы использовались схемы с печатным монтажом (платы из фольгированного гетинакса). Широко стал использоваться блочный принцип конструирования машин, который позволяет подключать к основным устройствам большое число разнообразных внешних устройств, что обеспечивает большую гибкость использования компьютеров. Тактовые частоты работы электронных схем повысились до сотен килогерц.

Стали применяться внешние накопители на жестких магнитных дисках1 и на флоппи-дисках - промежуточный уровень памяти между накопителями на магнитных лентах и оперативной памятью.

В 1964 году появился первый монитор для компьютеров - IBM 2250. Это был монохромный дисплей с экраном 12 х 12 дюймов и разрешением 1024 х 1024 пикселов. Он имел частоту кадровой развертки 40 Гц.

Создаваемые на базе компьютеров системы управления потребовали от ЭВМ более высокой производительности, а главное - надежности. В компьютерах стали широко использоваться коды с обнаружением и исправлением ошибок, встроенные схемы контроля.

В машинах второго поколения были впервые реализованы режимы пакетной обработки и телеобработки информации.

Первой ЭВМ, в которой частично использовались полупроводниковые приборы вместо электронных ламп, была машина SEAC (Standarts Eastern Automatic Computer), созданная в 1951 году[5].

В начале 60-х годов полупроводниковые машины стали производиться и в СССР.

Третье поколение ЭВМ: 1970-1980-е годы

В 1958 году Роберт Нойс изобрел малую кремниевую интегральную схему, в которой на небольшой площади можно было размещать десятки транзисторов. Эти схемы позже стали называться схемами с малой степенью интеграции (Small Scale Integrated circuits - SSI). А уже в конце 60-х годов интегральные схемы стали применяться в компьютерах.

Логические схемы ЭВМ 3-го поколения уже полностью строились на малых интегральных схемах. Тактовые частоты работы электронных схем повысились до единиц мегагерц. Снизились напряжения питания (единицы вольт) и потребляемая машиной мощность[3]. Существенно повысились надежность и быстродействие ЭВМ.

В оперативных запоминающих устройствах использовались миниатюрнее ферритовые сердечники, ферритовые пластины и магнитные пленки с прямоугольной петлей гистерезиса. В качестве внешних запоминающих устройств широко стали использоваться дисковые накопители.

Появились еще два уровня запоминающих устройств: сверхоперативные запоминающие устройства на триггерных регистрах, имеющие огромное быстродействие, но небольшую емкость (десятки чисел), и быстродействующая кэш-память.

Начиная с момента широкого использования интегральных схем в компьютерах, технологический прогресс в вычислительных машинах можно наблюдать, используя широко известный закон Мура. Один из основателей компании Intel Гордон Мур в 1965 году открыл закон, согласно которому количество транзисторов в одной микросхеме удваивается через каждые 1,5 года.

Ввиду существенного усложнения как аппаратной, так и логической структуры ЭВМ 3-го поколения часто стали называть системами.

Так, первыми ЭВМ этого поколения стали модели систем IBM (ряд моделей IBM 360) и PDP (PDP 1). В Советском Союзе в содружестве со странами Совета Экономической Взаимопомощи (Польша, Венгрия, Болгария, ГДР и др1.) стали выпускаться модели единой системы (ЕС) и системы малых (СМ) ЭВМ[3].

В вычислительных машинах третьего поколения значительное внимание уделяется уменьшению трудоемкости программирования, эффективности исполнения программ в машинах и улучшению общения оператора с машиной. Это обеспечивается мощными операционными системами, развитой системой автоматизации программирования, эффективными системами прерывания программ, режимами работы с разделением машинного времени, режимами работы в реальном времени, мультипрограммными режимами работы и новыми интерактивными режимами общения. Появилось и эффективное видеотерминальное устройство общения оператора с машиной - видеомонитор, или дисплей.

Большое внимание уделено повышению надежности и достоверности функционирования ЭВМ и облегчению их технического обслуживания. Достоверность и надежность обеспечиваются повсеместным использованием кодов с автоматическим обнаружением и исправлением ошибок (корректирующие коды Хемминга и циклические коды).

Модульная организация вычислительных машин и модульное построение их операционных систем создали широкие возможности для изменения конфигурации вычислительных систем. В связи с этим возникло новое понятие "архитектура" вычислительной системы, определяющее логическую организацию этой системы с точки зрения пользователя и программиста.

Четвертое поколение ЭВМ: 1980-1990-е годы

Революционным событием в развитии компьютерных технологий третьего поколения машин было создание больших и сверхбольших интегральных схем (Large Scale Integration - LSI и Very Large Scale Integration - VLSI), микропроцессора (1969 г.) и персонального компьютера[5]. 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, работающими с меньшими амплитудами электрических напряжений (единицы вольт), потребляющими меньше мощности, нежели биполярные, и тем самым позволяющими реализовать более прогрессивные нанотехнологии (в те годы - масштаба единиц микрон).

Оперативная память стала строиться не на ферритовых сердечниках, а также на интегральных CMOS-транзисторных схемах, причем непосредственно запоминающим элементом в них служила паразитная емкость между электродами (затвором и истоком) этих транзисторов.

Первый персональный компьютер создали в апреле 1976 года два друга, Стив Джобе (1955 г. р.) - сотрудник фирмы Atari, и Стефан Возняк (1950 г. р.), работавший на фирме Hewlett-Packard. На базе интегрального 8-битного контроллера жестко запаянной схемы популярной электронной игры, работая вечерами в автомобильном гараже, они сделали простенький программируемый на языке Бейсик игровой компьютер "Apple", имевший бешеный успех. В начале 1977 года была зарегистрирована Apple Сотр., и началось производство первого в мире персонального компьютера Apple.

Пятое поколение ЭВМ: 1990-настоящее время

Кратко основную концепцию ЭВМ пятого поколения можно сформулировать следующим образом:

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

Компьютеры с многими сотнями параллельно работающих процессоров, позволяющих строить системы обработки данных и знаний, эффективные сетевые компьютерные системы.

Шестое и последующие поколения ЭВМ

Электронные и оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом, нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

1.7 Синтаксис ассемблера