Приоритет логических операций

Логические операции выполняются в формулах по следующим правилам приоритета:

1) первыми выполняются операции отрицания (НЕ);

2) вторыми выполняются операции конъюнкции (И);

3) затем выполняются операции дизъюнкции (ИЛИ);

4) в последнюю очередь выполняются операции импликации и эквивалентности.

При этом у операций в скобках приоритет выше, чем у операций вне скобок.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ И ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ

Первые проекты электронных вычислительных машин появились в конце 1930-х - начале 1940-х гг. Технические предпосылки для этого уже были созданы. В 1904 г. был изобретен первый ламповый диод, а в 1906 г. – первый триод (соответственно двух- и трехэлектродные электронные лампы); в 1914 г. было изобретено электронное реле (ламповый триггер). Триггерные схемы стали широко применяться в электронике для переключения и релейной коммутации.

Благодаря развитию вычислительной техники в середине 1930-х гг. стало возможным создание программно-управляемых вычислительных машин, а построение ВМ на электронных схемах открывало широкие перспективы, связанные с увеличением их надежности и быстродействия.

ЭВМ появились, когда возникла острая необходимость в проведении трудоемких и точных расчетов. Уровень прогресса в таких областях науки и техники, как, например, атомная энергетика и аэрокосмические исследования, во многом зависел от возможности выполнения сложных расчетов, которые нельзя было осуществить на электромеханических счетных машинах.

Требовался переход к вычислительным машинам, работающим с большей производительностью.

Во все времена людям необходимо было считать. Сначала для счета использовали пальцы рук или камешки. Но даже простые арифметические операции с большими числами трудны для мозга человека. Поэтому уже более пятнадцати веков назад в странах Средиземноморья был придуман простейший инструмент для счета – абак, представляющий собой набор костяшек, нанизанных на стержни. Этот прообраз современных счетов широко использовали купцы.

В 1614 г математик Дж. Непер изобрел логарифмы. Открытие Непера состояло в том, что таким способом можно выразить любое число и что сумма логарифмов двух любых чисел равна логарифму произведения этих чисел. Это дало возможность свести действие умножения к более простому действию сложения. Непер создал таблицы логарифмов. Чтобы перемножить два числа, нужно найти в этой таблице их логарифмы, сложить их и отыскать число, соответствующее этой сумме, в обратной таблице таблице антилогарифмов. На основе этих таблиц в 1654 г. Р. Биссакар и в 1657 г. – независимо от него – С. Партридж разработали прямоугольную логарифмическую линейку – основной счетный прибор инженера до середины XX в.

В 1642 г. Блез Паскаль изобрел механическую суммирующую машину, использующую десятичную систему счисления. Каждый десятичный разряд представляло колесико с десятью зубцами, обозначавшими цифры от 0 до 9. Всего колесиков было восемь, т. е. машина Паскаля была восьмиразрядной.

В 1673 г. Готфрид Лейбниц построил механический арифмометр, выполнявший все четыре арифметических действия. В нем использовалась двоичная система счисления.

В 1804 г. Жозеф Жаккар создал ткацкую машину для выработки тканей с крупным узором. Этот узор программировался с помощью целой колоды перфокарт – прямоугольных карточек из картона. На них информация об узоре записывалась пробивкой отверстий (перфораций), расположенных в определенном порядке. При работе машины эти перфокарты «ощупывались» специальными штырями. Именно таким механическим способом с них считывалась информация для плетения запрограммированного узора ткани. Машина Жаккара явилась прообразом машин с программным управлением, созданных в XX в.

В 1820 г. Томас де Кольмар разработал первый коммерческий арифмометр, способный умножать и делить. Арифмометры получили широкое распространение при выполнении сложных расчетов.

В 1830г. Чарльз Бэббидж попытался создать универсальную аналитическую машину, которая должна была выполнять вычисления без участия человека. Для этого в нее вводились программы, заранее записанные на перфокарты из плотной бумаги посредством отверстий, сделанных на них в определенном порядке. Принципы программирования для аналитической машины Бэббиджа разработала в 1843 г. Ада Лавлейс – дочь английского поэта Байрона.

Аналитическая машина должна была запоминать данные и промежуточные результаты вычислений, т. е. иметь память. Эта машина содержала три основные части: устройство для хранения чисел, набиравшихся с помощью зубчатых колес (память), устройство для операций над числами (арифметическое устройство) и устройство для операций над числами с помощью перфокарт (устройство программного управления). Работа по созданию аналитической машины не была завершена, но заложенные идеи помогли в XX в. построить первые компьютеры (напомним: в переводе с английского «компьютер» означает «вычислитель»).

В 1880 г. в России Вильгодт Однер изобрел механический арифмометр с зубчатыми колесами, а в 1890г. начался его массовый выпуск. Под названием «Феликс» этот арифмометр выпускался вплоть до 1950г.

В 1888 г. Герман Холлерит создал первую электромеханическую счетную машину – табулятор, в котором нанесенная на перфокарты информация расшифровывалась электрическим током. В 1890 г. изобретение Холлерита было впервые использовано во второй американской переписи населения. Работа, которую 500 сотрудников раньше выполняли целых семь лет, Холлерит с 43 помощниками на 43 табуляторах выполнили всего за один месяц.

В 1937 г. Джордж Стибиц из обыкновенных электромеханических реле создал двоичный сумматор – устройство, способное выполнять операцию сложения чисел в двоичном коде. И сегодня двоичный сумматор является одним из главных компонентов любого компьютера, основой его арифметического устройства.

В 1937-1942 гг. Джордж Атанасофф работал над моделью вычислительной машины на вакуумных электронных лампах. В ней использовалась двоичная система счисления. Для ввода данных и вывода результатов вычислений применялись перфокарты. В 1942 г. работа над этой машиной была практически завершена, но из-за войны финансирование исследований прекратилось.

В 1937 г. Конрад Цузе сконструировал на основе электромеханических реле свою первую вычислительную машину – Z1. Исходные данные вводились в нее с помощью клавиатуры, а результат вычислений высвечивался на панели с множеством электрических лампочек. В 1938 г. К. Цузе создал усовершенствованную модель – Z2. Программы в нее вводились с помощью перфоленты. Перфоленту изготавливали, пробивая отверстия в использованной 35-миллиметровой фотопленке. В 1941 г. К. Цузе построил действующий компьютер Z3, а позднее – и Z4, основанный на двоичной системе счисления. Они использовались для расчетов при создании самолетов и ракет. В 1942 г. Конрад Цузе и Хельмут Шрайер задумали перевести Z3 c электромеханических реле на вакуумные электронные лампы. Такая машина должна была работать в тысячу раз быстрее, но создать ее не удалось – помешала война.

В 1943-1944 гг. на одном из предприятий в сотрудничестве с учеными Гарвардского университета во главе с Говардом Эйкеном была создана вычислительная машина «Марк-1». Весила она около 35 т. В «Марк-1» использовались идеи, заложенные Ч. Бэббиджем в его аналитической машине. В отличие от Стибица и Цузе, Эйкен не осознал преимуществ двоичной системы счисления и в своей машине использовал десятичную систему. Машина могла манипулировать числами длиной до 23 разрядов. Для перемножения двух таких чисел ей было необходимо затратить 4 с. В 1947 г. была создана машина «Марк-2», в которой использовалась уже двоичная система счисления. В этой машине операции сложения и вычитания занимали в среднем 0, 125 с, а умножение – 0, 25 с.

Электромеханические реле работали слишком медленно. Поэтому уже в 1943 г. американцы начали разработку вычислительной машины на основе электронных ламп. В 1946 г. Преспер Эккерт и Джон Мочли построили первую электронную цифровую вычислительную машину – ENIAC. Ее вес составлял 30 т, она занимала площадь 170 м². Вместо огромного числа электромеханических реле, в ENIAC работало 18 тыс. электронных ламп. Считала машина в двоичной системе и производила 5000 операций сложения или 300 операций умножения в секунду. На электронных лампах было построено не только арифметическое, но и запоминающее устройство. Числовые данные вводились с помощью перфокарт, а программы – с помощью штекеров и наборных полей, т. е. для каждой новой программы приходилось соединять тысячи контактов. Поэтому для подготовки к решению новой задачи требовалось несколько дней, хотя сама задача решалась за несколько минут. Это был один из основных недостатков машины.

I этап продолжался до начала 60-х гг. Эксплуатировались ЭВМ первого и второго поколений ( ламповые и полупроводниковые ). Основным критерием создания информационных технологий являлась экономия машинных ресурсов. Цель – максимальная загрузка оборудования. Характерные черты этого этапа: программирование в машинных кодах, появление блок-схем, программирование в символьных адресах, разработка библиотек стандартных программ, машинно-ориентированных языков и Ассемблера. В конце 50-х гг. появляются первые разработки алгоритмических языков (ALGOL, COBOL, FORTRAN) и управляющих программ. Достижением в технологии программирования явилась разработка оптимизирующих трансляторов и появление первых управляющих программ реального времени и пакетного режима Управляющие программыреального времени следили за появлением сигнала прерывания, приходящего по каналам связи (от спутника, датчиков и т д.), и сразу же включали программу его обработки.

В пакетном режиме программы, обрабатываемые ими данные и управляющая информация объединялись в задание, задания объединялись в пакет. Управляющая информация оформлялась в виде языка управления заданиями и содержала сведения об именах задания, программ, данных, их местонахождении, порядке следования и др. Задания автоматически вызывались на выполнение в порядке очередности или по приоритету Пакетный режим резко повысил производительность использования ЭВМ, но затруднил процесс отладки программ и создания новых программных продуктов.

II этап длился до начала 80-х гг. Появились мини-ЭВМ и ЭВМ третьего поколения на больших интегральных схемах. Основным критерием создания информационных технологий стала экономия труда программиста. Цель – разработка инструментальных средств программиста. Появились операционные системы второго поколения, работающие в трех режимах: реального времени, разделения времени и в пакетном режиме. Системы разделения времени позволили пользователю работать в диалоговом режиме, так как ему выделялся квант времени, в течение которого он имел доступ ко всем ресурсам системы. Появились языки программирования высокого уровня (PL, PASCAI. и др.), пакеты прикладных программ (ППП), системы управления базами данных (СУБД), системы автоматизации проектирования (САПР), диалоговые средства общения с ЭВМ, новые технологии программирования (структурное и модульное), появились глобальные и локальные сети ЭВМ. Появились наукоемкие изделия, в себестоимости которых научные исследования составляли от 3, 5 до 5 %, а в производстве ЭВМ – 10-20 %.

III этап продолжался до начала 90-х гг. В конце 70-х гг. был сконструирован персональный компьютер – инструмент, позволяющий формализовать и сделать широкодоступными для автоматизации многие из трудноформализуемых процессов человеческой деятельности. Отсюда критерии – создание информационных технологий для формализации знаний, цель – проникновение информационных технологий во все сферы человеческой деятельности. Широкое распространение получили диалоговые операционные системы автоматизированные рабочие места (АРМ), экспертные системы, базы знаний, локальные вычислительные сети, гибкие автоматизированные производства, распределенная обработка данных

Появление персонального компьютера произвело вторую информационную революцию. Стали возможными персональные вычисления. Персональные вычисления – это режим работы специалиста в предметной области непосредственно с персональным компьютером на своем рабочем месте. Впервые за ЭВМ сел непрограммист (пользователь). Информация становится ресурсом наравне с материалами, энергией и капиталом. Появилась новая экономическая категория – национальные информационные ресурсы. Профессиональные знания в наукоемких изделиях на базе персональных компьютеров составляют уже приблизительно 70 % себестоимости, а число занятых в сфере обработки информации – 60-80 % трудового населения развитых стран Профессиональные знания экспортируются посредством продажи наукоемкой продукции.

IV этап – 90-е годы. В этот период разрабатываются информационные технологии для автоформализации знаний, цель – информатизация общества. Появляются машины с параллельной обработкой данных – транспьютеры. Для них создан новый язык – язык параллельного программирования ОККАМ. Появились портативные ЭВМ, не уступающие по мощности большим: RISC-ЭВМ, а также графические операционные системы WINDOWS, OS-2, новые технологии: гипертекст, мультимедиа, объектно-ориентированные, CASE-технология, последние две относятся к новым технологиям программирования.

Телекоммуникация становится средством общения между людьми. Создались предпосылки формирования общего рынка знаний посредством дистанционного обучения, электронной памяти человечества по культуре, искусству, народонаселению, науке, архивам и т.д. Информация становится стратегическим ресурсом. Внедряются дистанционное обучение, автоматизированные офисы, всемирные каталоги изделий. Проектируются геоинформационные системы по управлению природными богатствами, экологией. Создается виртуальная реальность, позволяющая моделировать сложные процессы и системы. Происходит информатизация общества.

Информационная инфраструктура включает телефонную сеть, кабельное телевидение и другие виды коммуникаций, множительную технику, книгоиздательство, видео- и аудиоаппаратуру, паркЭВМ и программного обеспечения, достаточного для обеспечения всех информационных услуг, сети ЭВМ и электронной почты, а также замену бумагоносителей магнитными и оптическими, выпуск обучающих программ, развитие культуры и искусства, новых видов искусства и средств производства.

ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ КОМПЬЮТЕРА

Компьютер (англ. computer – вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами.

Существует два основных класса компьютеров:

· цифровые компьютеры, обрабатывающие данные в виде числовых двоичных кодов;

· аналоговые компьютеры, обрабатывающие непрерывно меняющиеся физические величины (электрическое напряжение, время и т.д.), которые являются аналогами вычисляемых величин.

Поскольку в настоящее время подавляющее большинство компьютеров являются цифровыми, далее будем рассматривать только этот класс компьютеров и слово «компьютер» употреблять в значении «цифровой компьютер».

Основу компьютеров образует аппаратура (HardWare), построенная, в основном, с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств. Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ (SoftWare) – заранее заданных, четко определённых последовательностей арифметических, логических и других операций.

Основы устройства компьютера

Разнообразие современных компьютеров очень велико. Но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие главные устройства:

· память (запоминающее устройство, ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек;

· процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ);

· устройство ввода;

· устройство вывода.

Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация.

Основные устройства компьютера и связи между ними представлены на схеме. Жирными стрелками показаны пути и направления движения информации, а простыми стрелками – пути и направления передачи управляющих сигналов.

Общая схема компьютера

Функции памяти:

· приём информации из других устройств;

· запоминание информации;

· выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Функции процессора:

· обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;

· программное управление работой устройств компьютера.

Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления (УУ).

Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами.

Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, «вырезать» отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами.

Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд).

Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления.

Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций.

Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

· сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции;

· счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;

· регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.

Принципы построения компьютеров

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.

1. Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды.

А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.

Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп».

Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм).

Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции – перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских.

Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без «счетчика команд», указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

Команды

Команда — это описание элементарной операции, которую должен выполнить компьютер.

В общем случае, команда содержит следующую информацию:

· код выполняемой операции;

· указания по определению операндов (или их адресов);

· указания по размещению получаемого результата.

В зависимости от количества операндов, команды бывают:

· одноадресные;

· двухадресные;

· трехадресные;

· переменноадресные.

Команды хранятся в ячейках памяти в двоичном коде.

В современных компьютерах длина команд переменная (обычно от двух до четырех байтов), а способы указания адресов переменных весьма разнообразные.

В адресной части команды может быть указан, например:

· сам операнд (число или символ);

· адрес операнда (номер байта, начиная с которого расположен операнд);

· адрес адреса операнда (номер байта, начиная с которого расположен адрес операнда), и др.

Рассмотрим несколько возможных вариантов команды сложения (англ. add – сложение), при этом вместо цифровых кодов и адресов будем пользоваться условными обозначениями:

· одноадресная команда add x (содержимое ячейки x сложить с содержимым сумматора, а результат оставить в сумматоре)

add

· двухадресная команда add x, y (сложить содержимое ячеек x и y, а результат поместить в ячейку y )

add

· трехадресная команда add x, y, z (содержимое ячейки x сложить с содержимым ячейки y, сумму поместить в ячейку z )

add

Выполнение команд

Как пpавило, этот процесс разбивается на следующие этапы:

· из ячейки памяти, адрес которой хранится в счетчике команд, выбирается очередная команда; содержимое счетчика команд при этом увеличивается на длину команды;

· выбранная команда передается в устройство управления на регистр команд;

· устройство управления расшифровывает адресное поле команды;

· по сигналам УУ операнды считываются из памяти и записываются в АЛУ на специальные регистры операндов;

· УУ расшифровывает код операции и выдает в АЛУ сигнал выполнить соответствующую операцию над данными;

· результат операции либо остается в процессоре, либо отправляется в память, если в команде был указан адрес результата;

· все предыдущие этапы повторяются до достижения команды «стоп».

Архитектура и структура компьютера

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру.

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства – от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Наиболее распространены следующие архитектурные решения.

Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) – одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд – программа. Это однопроцессорный компьютер.

К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры – устройства управления периферийными устройствами.

Контроллер – устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров, представлена на рисунке

Архитектура многопроцессорного компьютера

Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко.

Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.

Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе – то есть по одному потоку команд.

Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных. Структура таких компьютеров представлена на рисунке

Архитектура с параллельным процессором

В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и такие архитектурные решения, которые радикально отличаются от рассмотренных выше.

УСТРОЙСТВА, ВХОДЯЩИЕ В СОСТАВ КОМПЬЮТЕРА

Центральный процессор

Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) – это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

· арифметико-логическое устройство;

· шины данных и шины адресов;

· регистры;

· счетчики команд;

· кэш – очень быструю память малого объема (до 8 Мбайт);

· математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему – тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными.

История развития производства процессоров полностью соответствует истории развития технологии производства прочих электронных компонентов и схем.

Первым этапом, затронувшим период с 40-х по конец 50-х годов, было создание процессоров с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников (устройств памяти) и вакуумных ламп. Они устанавливались в специальные разъёмы на модулях, собранных в стойки. Большое количество таких стоек, соединённых проводниками, в сумме представляли процессор. Отличительной особенностью была низкая надёжность, низкое быстродействие и большое тепловыделение.

Вторым этапом, с середины 50-х до середины 60-х, стало внедрение транзисторов. Транзисторы монтировались уже на близкие к современным по виду платам, устанавливаемым в стойки. Как и ранее, в среднем процессор состоял из нескольких таких стоек. Возросло быстродействие, повысилась надёжность, уменьшилось энергопотребление.

Третьим этапом, наступившим в середине 60-х годов, стало использование микросхем. Первоначально использовались микросхемы низкой степени интеграции, содержащие простые транзисторные и резисторные сборки, затем по мере развития технологии стали использоваться микросхемы, реализующие отдельные элементы цифровой схемотехники (сначала элементарные ключи и логические элементы, затем более сложные элементы – элементарные регистры, счётчики, сумматоры). Позднее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора – микропрограммное устройство, арифметико-логическое устройство, регистры, устройства работы с шинами данных и команд.

Четвёртым этапом, в начале 70-х годов, стало создание, благодаря прорыву в технологии создания БИС и СБИС ( больших и сверхбольших интегральных схем, соответственно), микропроцессора – микросхемы, на кристалле которой физически были расположены все основные элементы и блоки процессора. Фирма Intel в 1971 году создала первый в мире 4-х разрядный микропроцессор 4004, предназначенный для использования в микрокалькуляторах. Постепенно практически все процессоры стали выпускаться в формате микропроцессоров. Исключением долгое время оставались только малосерийные процессоры, аппаратно оптимизированные для решения специальных задач (например, суперкомпьютеры или процессоры для решения ряда военных задач), либо процессоры, к которым предъявлялись особые требования по надёжности, быстродействию или защите от электромагнитных импульсов и ионизирующей радиации.

Важнейшим параметром, определяющим скорость работы любого процессора, является тактовая частота. Она представляет собой импульсы прямоугольной формы, с которой синхронизируются все операции процессора. По другому тактовая частота называется частотой синхроимпульсов. Тактовой же частотой она называется потому, что любая операция в процессоре не может быть выполнена быстрее, чем за один такт (период) синхроимпульсов.

С объединением элементов процессора в один кристалл наиболее узким местом в производительности процессора стала не пересылка данных между элементами процессора, а скорость обмена данными между процессором и остальными устройствами по шине. Поскольку любая операция, в том числе и пересылка данных, не может происходить быстрее, чем за такт, логично предположить, что желательно передавать как можно больше информации за один такт. Так как единицей информации является один бит (двоичный разряд), то, чем больше передается разрядов за один такт (по шине данных), тем быстрее работает процессор.

Разрядность шины адреса определяет максимальный номер байта, который может быть затребован процессором. Так, при 8-ми разрядной шине возможна адресация 256 байт, при 16-ти разрядной – 64 Кбайт, а при 32-х разрядной – 4 Гбайт.

Память

Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов – битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами. (Единицы измерения памяти совпадают с единицами измерения информации). Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.

Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова – два, четыре или восемь байтов. Это не исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово).

Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда. Однако, допускаются переменные форматы представления информации.

Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых компьютеров представлено в таблице:

Байт 0	Байт 1	Байт 2	Байт 3	Байт 4	Байт 5	Байт 6	Байт 7
ПОЛУСЛОВО	ПОЛУСЛОВО	ПОЛУСЛОВО	ПОЛУСЛОВО
СЛОВО	СЛОВО
ДВОЙНОЕ СЛОВО

Широко используются и более крупные производные единицы объема памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а также, в последнее время, Терабайт и Петабайт.

Современные компьютеры имеют много разнообразных запоминающих устройств, которые сильно отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объёму хранимой информации и стоимости хранения одинакового объёма информации.

Различают два основных вида памяти — внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя память

⇐ Предыдущая 123 Следующая ⇒