Aké sú von Neumannove princípy? Princípy Johna von Neumanna. počítačové generácie Klasifikácia moderných počítačov

Von Neumannove princípy (Von Neumannova architektúra)

Počítačová architektúra

V roku 1946 D. von Neumann, G. Goldstein a A. Berks vo svojom spoločnom článku načrtli nové princípy konštrukcie a prevádzky počítačov. Následne boli na základe týchto princípov vyrobené prvé dve generácie počítačov. V neskorších generáciách došlo k určitým zmenám, hoci Neumannove princípy sú aktuálne aj dnes.

Neumannovi sa v skutočnosti podarilo zhrnúť vedecký vývoj a objavy mnohých iných vedcov a na ich základe sformulovať niečo zásadne nové.

Von Neumannove princípy

Použitie binárneho číselného systému v počítačoch. Výhodou oproti desiatkovej číselnej sústave je, že zariadenia môžu byť vyrobené celkom jednoducho a aritmetické a logické operácie v binárnej číselnej sústave sa tiež vykonávajú celkom jednoducho.

Ovládanie počítačového softvéru. Činnosť počítača riadi program pozostávajúci zo sady príkazov. Príkazy sa vykonávajú postupne jeden po druhom. Vytvorenie stroja s uloženým programom bolo začiatkom toho, čo dnes nazývame programovanie.

Pamäť počítača slúži nielen na ukladanie dát, ale aj programov.. V tomto prípade sú programové príkazy aj dáta kódované v binárnej číselnej sústave, t.j. ich spôsob nahrávania je rovnaký. Preto v určitých situáciách môžete vykonávať rovnaké akcie s príkazmi ako s údajmi.

Pamäťové bunky počítača majú adresy, ktoré sú očíslované postupne. Kedykoľvek máte prístup k akejkoľvek pamäťovej bunke podľa jej adresy. Tento princíp otvoril možnosť využitia premenných v programovaní.

Možnosť podmieneného skoku počas vykonávania programu. Napriek skutočnosti, že príkazy sú vykonávané postupne, programy môžu implementovať schopnosť skočiť na ľubovoľnú časť kódu.

Najdôležitejším dôsledkom týchto princípov je, že program už nebol trvalou súčasťou stroja (ako napríklad kalkulačka). Bolo možné ľahko zmeniť program. Výbava ale samozrejme zostáva nezmenená a veľmi jednoduchá.

Pre porovnanie, program počítača ENIAC (ktorý nemal uložený program) určovali špeciálne prepojky na paneli. Preprogramovanie stroja (odlišné nastavenie prepojok) môže trvať viac ako jeden deň. A hoci písanie programov pre moderné počítače môže trvať roky, po niekoľkých minútach inštalácie na pevný disk fungujú na miliónoch počítačov.

Ako funguje von Neumannov stroj?

Von Neumannov stroj sa skladá z pamäťového zariadenia (pamäť) - pamäte, aritmeticko-logickej jednotky - ALU, riadiaceho zariadenia - CU, ako aj vstupných a výstupných zariadení.

Programy a dáta sa vkladajú do pamäte zo vstupného zariadenia cez aritmetickú logickú jednotku. Všetky príkazy programu sa zapisujú do susedných pamäťových buniek a dáta na spracovanie môžu byť obsiahnuté v ľubovoľných bunkách. Pre každý program musí byť posledným príkazom príkaz na vypnutie.

Príkaz pozostáva z označenia, aká operácia sa má vykonať (z možných operácií na danom hardvéri) a adries pamäťových buniek, kde sú uložené dáta, na ktorých sa má zadaná operácia vykonať, ako aj adresy bunky. kde sa má zapísať výsledok (ak ho treba uložiť do pamäte).

Aritmetická logická jednotka vykonáva operácie špecifikované inštrukciami na špecifikovaných údajoch.

Z aritmetickej logickej jednotky sú výsledky odosielané do pamäte alebo výstupného zariadenia. Základný rozdiel medzi pamäťou a výstupným zariadením je v tom, že v pamäti sú dáta uložené vo forme vhodnej na spracovanie počítačom a odosielajú sa do výstupných zariadení (tlačiareň, monitor atď.) pohodlným spôsobom. pre osobu.

Riadiaca jednotka ovláda všetky časti počítača. Z riadiaceho zariadenia prijímajú ostatné zariadenia signály „čo robiť“ a z iných zariadení riadiaca jednotka dostáva informácie o ich stave.

Riadiace zariadenie obsahuje špeciálny register (bunku) nazývaný „počítadlo programov“. Po načítaní programu a dát do pamäte sa do programového počítadla zapíše adresa prvej inštrukcie programu. Riadiaca jednotka načíta z pamäte obsah pamäťovej bunky, ktorej adresa je v programovom počítadle, a umiestni ju do špeciálneho zariadenia - „Command Register“. Riadiaca jednotka určuje činnosť príkazu, „označuje“ v pamäti údaje, ktorých adresy sú uvedené v príkaze, a riadi vykonanie príkazu. Operáciu vykonáva ALU alebo hardvér počítača.

V dôsledku vykonania ľubovoľného príkazu sa počítadlo programu zmení o jednotku, a preto ukazuje na nasledujúci príkaz programu. Keď je potrebné vykonať príkaz, ktorý nie je ďalší v poradí za aktuálnym, ale je od daného oddelený určitým počtom adries, potom špeciálny skokový príkaz obsahuje adresu bunky, na ktorú je potrebné preniesť riadenie. .

Von Neumannove princípy[upraviť | upraviť zdrojový text]

Princíp homogenity pamäte

Príkazy a dáta sú uložené v rovnakej pamäti a sú v pamäti externe nerozoznateľné. Možno ich rozpoznať iba podľa spôsobu použitia; to znamená, že rovnaká hodnota v pamäťovej bunke môže byť použitá ako dáta, ako príkaz a ako adresa, v závislosti len od spôsobu, akým sa k nej pristupuje. To vám umožňuje vykonávať rovnaké operácie s príkazmi ako s číslami, a teda otvára množstvo možností. Cyklickou zmenou adresovej časti príkazu je teda možné pristupovať k po sebe nasledujúcim prvkom dátového poľa. Táto technika sa nazýva modifikácia príkazov a z hľadiska moderného programovania sa neodporúča. Užitočnejší je ďalší dôsledok princípu homogenity, keď inštrukcie z jedného programu možno získať ako výsledok vykonávania iného programu. Táto možnosť je základom prekladu – prekladu programového textu z jazyka vysokej úrovne do jazyka konkrétneho počítača.

Princíp zacielenia

Štrukturálne sa hlavná pamäť skladá z očíslovaných buniek a ľubovoľná bunka je procesoru kedykoľvek k dispozícii. Binárne kódy príkazov a dát sú rozdelené do jednotiek informácií nazývaných slová a uložené v pamäťových bunkách a na prístup k nim sa používajú čísla zodpovedajúcich buniek - adresy.

Princíp ovládania programu

Všetky výpočty, ktoré poskytuje algoritmus na riešenie problému, musia byť prezentované vo forme programu pozostávajúceho zo sekvencie riadiacich slov - príkazov. Každý príkaz predpisuje nejakú operáciu zo súboru operácií realizovaných počítačom. Programové príkazy sú uložené v sekvenčných pamäťových bunkách počítača a sú vykonávané v prirodzenom poradí, to znamená v poradí ich pozície v programe. Ak je to potrebné, pomocou špeciálnych príkazov je možné túto postupnosť zmeniť. Rozhodnutie o zmene poradia vykonávania príkazov programu sa robí buď na základe analýzy výsledkov predchádzajúcich výpočtov, alebo bezpodmienečne.

Princíp binárneho kódovania

Podľa tohto princípu sú všetky informácie, údaje aj príkazy, kódované binárnymi číslicami 0 a 1. Každý typ informácie je reprezentovaný binárnou postupnosťou a má svoj vlastný formát. Postupnosť bitov vo formáte, ktorý má špecifický význam, sa nazýva pole. V číselných informáciách je zvyčajne pole so znakom a pole s významnými číslicami. Vo formáte príkazu možno rozlíšiť dve polia: pole operačného kódu a pole adresy.

Ďalšou skutočne revolučnou myšlienkou, ktorej dôležitosť je ťažké preceňovať, je princíp „uloženého programu“, ktorý navrhol Neumann. Spočiatku bol program nastavený inštaláciou prepojok na špeciálny patch panel. Bola to veľmi náročná úloha: napríklad zmena programu stroja ENIAC trvala niekoľko dní (zatiaľ čo samotný výpočet nemohol trvať dlhšie ako niekoľko minút – lampy zlyhali). Neumann bol prvý, kto si uvedomil, že program možno uložiť aj ako sériu núl a jednotiek, v rovnakej pamäti ako čísla, ktoré spracovával. Absencia zásadného rozdielu medzi programom a údajmi umožnila počítaču vytvoriť si program pre seba v súlade s výsledkami výpočtov.

Von Neumann nielenže predložil základné princípy logickej štruktúry počítača, ale navrhol aj jeho štruktúru, ktorá bola reprodukovaná počas prvých dvoch generácií počítačov. Hlavnými blokmi podľa Neumanna sú riadiaca jednotka (CU) a aritmeticko-logická jednotka (ALU) (zvyčajne spojená do centrálneho procesora), pamäť, externá pamäť, vstupné a výstupné zariadenia. Schéma návrhu takéhoto počítača je na obr. 1. Treba poznamenať, že externá pamäť sa líši od vstupných a výstupných zariadení tým, že údaje sa do nej vkladajú vo forme vhodnej pre počítač, ale neprístupnej pre priame vnímanie osobou. Jednotka magnetického disku teda označuje externú pamäť a klávesnica je vstupné zariadenie, displej a tlač sú výstupné zariadenia.

Ryža. 1. Architektúra počítača postavená na von Neumannových princípoch. Plné čiary so šípkami označujú smer informačných tokov, bodkované čiary označujú riadiace signály z procesora do iných počítačových uzlov

Riadiace zariadenie a aritmeticko-logická jednotka v moderných počítačoch sú spojené do jednej jednotky - procesora, ktorý je prevodníkom informácií prichádzajúcich z pamäte a externých zariadení (sem patrí získavanie inštrukcií z pamäte, kódovanie a dekódovanie, vykonávanie rôznych, vrátane aritmetických , operácie, koordinácia prevádzky počítačových uzlov). Funkcie procesora budú podrobnejšie popísané nižšie.

Pamäť (pamäť) ukladá informácie (údaje) a programy. Pamäťové zariadenie v moderných počítačoch je „viacvrstvové“ a obsahuje pamäť s náhodným prístupom (RAM), v ktorej sú uložené informácie, s ktorými počítač priamo v danom čase pracuje (spustiteľný program, časť údajov, ktoré sú na to potrebné, niektoré riadiace programy) a externé úložné zariadenia (ESD). ) oveľa väčšia kapacita ako RAM. ale s výrazne pomalším prístupom (a výrazne nižšími nákladmi na 1 bajt uložených informácií). Klasifikácia pamäťových zariadení nekončí RAM a VRAM - určité funkcie vykonáva SRAM (super-random access memory), ROM (read-only memory) a ďalšie podtypy počítačovej pamäte.

V počítači zostavenom podľa opísanej schémy sa inštrukcie postupne čítajú z pamäte a vykonávajú. Číslo (adresa) nasledujúcej pamäťovej bunky. z ktorého bude extrahovaný nasledujúci programový príkaz je indikovaný špeciálnym zariadením - počítadlom príkazov v riadiacej jednotke. Jeho prítomnosť je tiež jedným z charakteristických znakov predmetnej architektúry.

Základy architektúry výpočtových zariadení vyvinutých von Neumannom sa ukázali byť také zásadné, že v literatúre dostali názov „von Neumannova architektúra“. Drvivá väčšina dnešných počítačov sú von Neumannove stroje. Výnimkou sú len určité typy systémov pre paralelné výpočty, v ktorých nie je počítadlo programov, nie je implementovaná klasická koncepcia premennej a existujú ďalšie podstatné zásadné rozdiely oproti klasickému modelu (príklady zahŕňajú streamovacie a redukčné počítače).

Zrejme dôjde k významnej odchýlke od von Neumannovej architektúry v dôsledku vývoja myšlienky strojov piatej generácie, v ktorých spracovanie informácií nie je založené na výpočtoch, ale na logických záveroch.

.

Prvou sčítačkou, ktorá bola schopná vykonávať štyri základné aritmetické operácie, bola sčítačka slávneho francúzskeho vedca a filozofa Blaisa Pascala. Hlavným prvkom v ňom bolo ozubené koleso, ktorého vynález sa sám o sebe stal kľúčovou udalosťou v histórii výpočtovej techniky. Chcel by som poznamenať, že vývoj v oblasti výpočtovej techniky je nerovnomerný, kŕčovitý: obdobia akumulácie sily sú nahradené prelomovými krokmi vo vývoji, po ktorých začína obdobie stabilizácie, počas ktorého sa dosiahnuté výsledky využívajú prakticky a v praxi. zároveň sa hromadia vedomosti a sila na ďalší skok vpred. Po každej revolúcii proces evolúcie dosiahne novú, vyššiu úroveň.

V roku 1671 vytvoril aj nemecký filozof a matematik Gustav Leibniz sčítací stroj na báze ozubeného kolesa špeciálnej konštrukcie - Leibniz ozubené koleso. Leibnizov sčítací stroj, podobne ako sčítacie stroje jeho predchodcov, vykonával štyri základné aritmetické operácie. Toto obdobie sa skončilo a ľudstvo takmer jeden a pol storočia hromadilo silu a vedomosti pre ďalšie kolo evolúcie výpočtovej techniky. 18. a 19. storočie bolo obdobím rýchleho rozvoja rôznych vied, vrátane matematiky a astronómie. Často zahŕňali úlohy, ktoré si vyžadovali časovo a prácne výpočty.

Ďalšou slávnou osobou v histórii výpočtovej techniky bol anglický matematik Charles Babbage. V roku 1823 začal Babbage pracovať na stroji na počítanie polynómov, ale čo je zaujímavejšie, tento stroj mal okrem priameho vytvárania výpočtov produkovať výsledky – tlačiť ich na negatívnu platňu pre fotografickú tlač. Plánovalo sa, že stroj bude poháňať parný stroj. Kvôli technickým ťažkostiam Babbage nemohol dokončiť svoj projekt. Tu po prvýkrát vznikla myšlienka použiť na výstup výsledkov výpočtu nejaké externé (periférne) zariadenie. Všimnite si, že ďalší vedec, Scheutz, napriek tomu implementoval stroj, ktorý vytvoril Babbage v roku 1853 (ukázalo sa, že je ešte menší, ako sa plánovalo). Babbageovi sa asi viac páčil kreatívny proces hľadania nových nápadov ako ich pretavovanie do niečoho hmotného. V roku 1834 načrtol princípy fungovania ďalšieho stroja, ktorý nazval „Analytický“. Technické ťažkosti mu opäť zabránili v plnej realizácii svojich predstáv. Babbageovi sa podarilo priviesť stroj iba do experimentálnej fázy. No práve myšlienka je motorom vedecko-technického pokroku. Ďalší stroj Charlesa Babbagea bol stelesnením nasledujúcich myšlienok:

Riadenie výrobného procesu. Stroj ovládal činnosť tkáčskeho stavu, menil vzor vytvorenej tkaniny v závislosti od kombinácie otvorov na špeciálnej papierovej páske. Táto páska sa stala predchodcom takýchto nosičov informácií, ktoré všetci poznáme ako dierne štítky a dierne pásky.

Programovateľnosť. Stroj sa ovládal aj špeciálnou papierovou páskou s otvormi. Poradie otvorov na ňom určovalo príkazy a dáta spracovávané týmito príkazmi. Stroj mal aritmetické zariadenie a pamäť. Príkazy stroja dokonca obsahovali príkaz podmieneného skoku, ktorý menil priebeh výpočtov v závislosti od niektorých medzivýsledkov.

Na vývoji tohto stroja sa podieľala grófka Ada Augusta Lovelace, ktorá je považovaná za prvú programátorku na svete.

Myšlienky Charlesa Babbagea rozvinuli a použili iní vedci. A tak v roku 1890, na prelome 20. storočia, vyvinul Američan Herman Hollerith stroj, ktorý pracoval s tabuľkami údajov (prvý Excel?). Stroj bol riadený programom na diernych štítkoch. Bol použitý pri sčítaní ľudu v USA v roku 1890. V roku 1896 Hollerith založil spoločnosť, ktorá bola predchodcom IBM Corporation. Smrťou Babbagea nastal ďalší zlom vo vývoji výpočtovej techniky až do 30. rokov 20. storočia. Následne sa celý vývoj ľudstva stal nemysliteľným bez počítačov.

V roku 1938 sa ťažisko vývoja nakrátko presunulo z Ameriky do Nemecka, kde Konrad Zuse vytvoril stroj, ktorý na rozdiel od svojich predchodcov nepracoval s desatinnými číslami, ale s binárnymi. Tento stroj bol tiež stále mechanický, ale jeho nepochybnou výhodou bolo, že implementoval myšlienku spracovania údajov v binárnom kóde. Pokračovaním vo svojej práci Zuse v roku 1941 vytvoril elektromechanický stroj, ktorého aritmetické zariadenie bolo založené na relé. Stroj môže vykonávať operácie s pohyblivou rádovou čiarkou.

V zámorí, v Amerike, sa v tomto období tiež pracovalo na vytvorení podobných elektromechanických strojov. V roku 1944 Howard Aiken skonštruoval stroj s názvom Mark-1. Rovnako ako Zuseho stroj pracovala na relé. Ale pretože tento stroj bol zjavne vytvorený pod vplyvom Babbageovej práce, pracoval s údajmi v desiatkovej forme.

Prirodzene, pre vysoký podiel mechanických častí boli tieto stroje odsúdené na zánik.

Štyri generácie počítačov

Koncom tridsiatych rokov 20. storočia veľmi vzrástla potreba automatizácie zložitých výpočtových procesov. To bolo uľahčené rýchlym rozvojom takých odvetví, ako je výroba lietadiel, jadrová fyzika a iné. Od roku 1945 až po súčasnosť prešla výpočtová technika vo svojom vývoji 4 generáciami:

Prvá generácia

Prvá generácia (1945-1954) - elektrónkové počítače. Ide o pravek, éru vzniku výpočtovej techniky. Väčšina strojov prvej generácie boli experimentálne zariadenia a boli postavené na testovanie určitých teoretických princípov. Hmotnosť a veľkosť týchto počítačových dinosaurov, ktoré si pre seba často vyžadovali samostatné budovy, sa už dlho stali legendou.

Počnúc rokom 1943 začala skupina špecialistov vedená Howardom Aitkenom, J. Mauchlym a P. Eckertom v USA navrhovať počítač založený skôr na vákuových elektrónkach ako na elektromagnetických relé. Tento stroj sa nazýval ENIAC (Electronic Numeral Integrator And Computer) a fungoval tisíckrát rýchlejšie ako Mark-1. ENIAC obsahoval 18 tisíc vákuových trubíc, zaberal plochu 9x15 metrov, vážil 30 ton a spotreboval výkon 150 kilowattov. ENIAC mal aj podstatnú nevýhodu – ovládal sa pomocou patch panela, nemal pamäť a na nastavenie programu trvalo niekoľko hodín alebo dokonca dní, kým sa káble správne zapojili. Najhoršia zo všetkých nedostatkov bola otrasná nespoľahlivosť počítača, keďže za deň prevádzky sa podarilo zlyhať asi desiatke elektrónok.

Aby sa zjednodušil proces nastavovania programov, Mauchly a Eckert začali navrhovať nový stroj, ktorý by dokázal uložiť program do svojej pamäte. V roku 1945 sa do práce zapojil aj slávny matematik John von Neumann, ktorý o tomto stroji vypracoval správu. V tejto správe von Neumann jasne a jednoducho sformuloval všeobecné princípy fungovania univerzálnych výpočtových zariadení, t.j. počítačov. Išlo o prvý funkčný stroj postavený na vákuových trubiciach a bol oficiálne uvedený do prevádzky 15. februára 1946. Tento stroj sa pokúsili použiť na riešenie niektorých problémov pripravených von Neumannom a súvisiacich s projektom atómovej bomby. Potom bola prevezená do Aberdeen Proving Ground, kde pôsobila do roku 1955.

ENIAC sa stal prvým zástupcom 1. generácie počítačov. Akákoľvek klasifikácia je podmienená, ale väčšina odborníkov sa zhodla na tom, že generácie by sa mali rozlišovať na základe elementárnej základne, na ktorej sú stroje postavené. Zdá sa teda, že prvá generácia sú rúrkové stroje.

Je potrebné poznamenať obrovskú úlohu amerického matematika von Neumanna vo vývoji technológie prvej generácie. Bolo potrebné pochopiť silné a slabé stránky ENIAC a dať odporúčania pre ďalší vývoj. Správa von Neumanna a jeho kolegov G. Goldsteina a A. Burksa (jún 1946) jasne formulovala požiadavky na štruktúru počítačov. Mnohé z ustanovení tejto správy sa nazývali Von Neumannove princípy.

Prvé projekty domácich počítačov navrhol S.A. Lebedev, B.I. Rameev v roku 1948 V rokoch 1949-51. podľa projektu S.A. Lebedev, MESM (malý elektronický počítací stroj) bol postavený. Prvý skúšobný štart prototypu stroja sa uskutočnil v novembri 1950 a stroj bol uvedený do prevádzky v roku 1951. MESM pracoval v binárnom systéme, s trojadresovým príkazovým systémom a výpočtový program bol uložený v operačnom úložnom zariadení. Lebedevov stroj s paralelným spracovaním textu bol zásadne novým riešením. Bol to jeden z prvých počítačov na svete a prvý na európskom kontinente s uloženým programom.

Súčasťou počítača 1. generácie je aj BESM-1 (veľký elektronický počítací stroj), ktorého vývoj pod vedením S.A. Lebedeva bola dokončená v roku 1952, obsahovala 5 000 lámp, pracovala bez porúch 10 hodín. Výkon dosiahol 10 tisíc operácií za sekundu (Príloha 1).

Takmer súčasne bol navrhnutý počítač Strela (príloha 2) pod vedením Yu.Ya. Bazilevskij v roku 1953. bola uvedená do výroby. Neskôr sa objavil počítač Ural - 1 (príloha 3), ktorý znamenal začiatok veľkej série strojov Ural, vyvinutých a uvedených do výroby pod vedením B.I. Rameeva. V roku 1958 Do sériovej výroby bola uvedená prvá generácia počítača M-20 (rýchlosť až 20 tisíc operácií/s).

Počítače prvej generácie mali rýchlosť niekoľko desiatok tisíc operácií za sekundu. Ako interná pamäť boli použité feritové jadrá a ALU a riadiace jednotky boli postavené na elektronických elektrónkach. Rýchlosť počítača bola určená pomalším komponentom – internou pamäťou – a to znižovalo celkový efekt.

Počítače prvej generácie boli orientované na vykonávanie aritmetických operácií. Pri pokuse o ich prispôsobenie analytickým úlohám sa ukázali ako neúčinné.

Zatiaľ neexistovali žiadne programovacie jazyky ako také a programátori používali strojové inštrukcie alebo assemblery na kódovanie svojich algoritmov. To skomplikovalo a oneskorilo proces programovania.

Koncom 50-tych rokov prechádzali programovacie nástroje zásadnými zmenami: prešlo sa na automatizáciu programovania pomocou univerzálnych jazykov a knižníc štandardných programov. Používanie univerzálnych jazykov viedlo k vzniku prekladateľov.

Programy boli vykonávané úloha po úlohe, t.j. operátor musel sledovať priebeh úlohy a po dosiahnutí konca iniciovať ďalšiu úlohu.

Druhá generácia

V druhej generácii počítačov (1955-1964) sa namiesto elektrónok používali tranzistory a ako pamäťové zariadenia sa začali používať magnetické jadrá a magnetické bubny, vzdialení predkovia moderných pevných diskov. To všetko umožnilo výrazne znížiť veľkosť a náklady na počítače, ktoré sa potom prvýkrát začali vyrábať na predaj.

Ale hlavné úspechy tejto éry patria do oblasti programov. Na druhej generácii počítačov sa prvýkrát objavilo to, čo sa dnes nazýva operačný systém. Zároveň boli vyvinuté prvé jazyky na vysokej úrovni - Fortran, Algol, Cobol. Tieto dve dôležité vylepšenia výrazne zjednodušili a zrýchlili písanie počítačových programov; Programovanie, hoci zostáva vedou, nadobúda črty remesla.

V súlade s tým sa rozšíril rozsah počítačových aplikácií. Teraz to už neboli len vedci, ktorí sa mohli spoľahnúť na prístup k výpočtovej technike; počítače sa používali pri plánovaní a riadení a niektoré veľké firmy dokonca počítačové účtovníctvo predvídali o dvadsať rokov.

Polovodiče sa stali elementárnou základňou druhej generácie. Tranzistory možno bezpochyby považovať za jeden z najpôsobivejších zázrakov 20. storočia.

Patent na objav tranzistora dostali v roku 1948 Američania D. Bardeen a W. Brattain a o osem rokov neskôr sa spolu s teoretikom V. Shockleym stali laureátmi Nobelovej ceny. Spínacie rýchlosti úplne prvých tranzistorových prvkov sa ukázali byť stokrát vyššie ako u trubkových prvkov, ako aj spoľahlivosť a účinnosť. Po prvýkrát sa začala široko používať pamäť na feritových jadrách a tenkých magnetických filmoch a testovali sa indukčné prvky – parametre.

Prvý palubný počítač na inštaláciu na medzikontinentálnu raketu Atlas uviedli do prevádzky v USA v roku 1955. Stroj využíval 20 tisíc tranzistorov a diód, spotreboval 4 kilowatty.V roku 1961 riadili pozemné napínacie počítače Barrows vesmírne lety rakiet Atlas a stroje IBM zase let astronauta Gordona Coopera. Počítač riadil v roku 1964 lety bezpilotných lodí typu Ranger na Mesiac, ako aj lode Mariner na Mars. Sovietske počítače vykonávali podobné funkcie.

V roku 1956 IBM vyvinulo plávajúce magnetické hlavy na vzduchovom vankúši. Ich vynález umožnil vytvorenie nového typu pamätí – diskových úložných zariadení, ktorých význam bol naplno ocenený v nasledujúcich desaťročiach vývoja výpočtovej techniky. Prvé diskové úložné zariadenia sa objavili v počítačoch IBM-305 a RAMAC (príloha 4). Ten mal balík pozostávajúci z 50 magneticky potiahnutých kovových diskov, ktoré sa otáčali rýchlosťou 12 000 otáčok za minútu. Povrch disku obsahoval 100 stôp na zaznamenávanie údajov, pričom každá obsahovala 10 000 znakov.

Prvé sériovo vyrábané sálové počítače s tranzistormi boli uvedené na trh v roku 1958 súčasne v USA, Nemecku a Japonsku.

Objavujú sa prvé minipočítače (napríklad PDP-8 (príloha 5)).

V Sovietskom zväze boli prvé stroje bez lampy „Setun“, „Razdan“ a „Razdan-2“ vytvorené v rokoch 1959-1961. V 60. rokoch sovietski dizajnéri vyvinuli asi 30 modelov tranzistorových počítačov, z ktorých väčšina sa začala sériovo vyrábať. Najsilnejší z nich, Minsk-32, vykonal 65 tisíc operácií za sekundu. Objavili sa celé rodiny vozidiel: „Ural“, „Minsk“, BESM.

Rekordérom medzi počítačmi druhej generácie bol BESM-6 (príloha 6), ktorý mal rýchlosť okolo milióna operácií za sekundu – jeden z najproduktívnejších na svete. Architektúra a mnohé technické riešenia v tomto počítači boli také pokrokové a predbehli dobu, že sa úspešne používal takmer až do našej doby.

Najmä pre automatizáciu inžinierskych výpočtov na Ústave kybernetiky Akadémie vied Ukrajinskej SSR pod vedením akademika V.M. Glushkov vyvinul počítače MIR (1966) a MIR-2 (1969). Dôležitou vlastnosťou stroja MIR-2 bolo použitie televíznej obrazovky na vizuálnu kontrolu informácií a svetelného pera, pomocou ktorého bolo možné korigovať údaje priamo na obrazovke.

Konštrukcia takýchto systémov, ktoré obsahovali asi 100 tisíc spínacích prvkov, by bola na základe technológie svietidiel jednoducho nemožná. Druhá generácia sa teda zrodila v hĺbke prvej, pričom si osvojila mnohé z jej vlastností. V polovici 60. rokov však boom v oblasti výroby tranzistorov dosiahol maximum – došlo k nasýteniu trhu. Faktom je, že montáž elektronických zariadení bol veľmi náročný a pomalý proces, ktorý sa nehodil na mechanizáciu a automatizáciu. Podmienky sú teda zrelé na prechod na novú technológiu, ktorá by sa prispôsobila zvyšujúcej sa zložitosti obvodov odstránením tradičných spojení medzi ich prvkami.

Tretia generácia

Napokon, v tretej generácii počítačov (1965-1974) sa prvýkrát začali používať integrované obvody - celé zariadenia a jednotky desiatok a stoviek tranzistorov, vyrobené na jedinom polovodičovom kryštáli (čo sa dnes nazýva mikroobvody). Zároveň sa objavila polovodičová pamäť, ktorá sa dodnes používa v osobných počítačoch ako RAM počas celého dňa. Prioritu vo vynáleze integrovaných obvodov, ktoré sa stali základnou základňou počítačov tretej generácie, majú americkí vedci D. Kilby a R. Noyce, ktorí tento objav urobili nezávisle od seba. Hromadná výroba integrovaných obvodov sa začala v roku 1962 a v roku 1964 sa začal rýchlo uskutočňovať prechod z diskrétnych prvkov na integrované. Spomínaný ENIAK s rozmermi 9x15 metrov mohol byť v roku 1971 zostavený na platničku 1,5 cm2. Začala sa transformácia elektroniky na mikroelektroniku.

Počas týchto rokov nadobudla výroba počítačov priemyselný rozmer. IBM, ktorá sa stala lídrom, bola prvá, ktorá implementovala rodinu počítačov - sériu počítačov, ktoré boli navzájom plne kompatibilné, od tých najmenších, veľkosti malej skrinky (vtedy nikdy nič menšie nevyrábali), k najvýkonnejším a najdrahším modelom. Najrozšírenejšou v tých rokoch bola rodina System/360 od IBM, na základe ktorej bola v ZSSR vyvinutá séria počítačov ES. V roku 1973 vyšiel prvý počítačový model série ES a od roku 1975 sa objavili modely ES-1012, ES-1032, ES-1033, ES-1022 a neskôr aj výkonnejší ES-1060.

V rámci tretej generácie bol v USA zostrojený unikátny stroj „ILLIAK-4“, ktorý vo svojej pôvodnej verzii plánoval využívať 256 zariadení na spracovanie dát vyrobených na monolitických integrovaných obvodoch. Projekt bol neskôr zmenený kvôli pomerne vysokým nákladom (viac ako 16 miliónov dolárov). Počet procesorov sa musel zredukovať na 64 a tiež prejsť na integrované obvody s nízkym stupňom integrácie. Skrátená verzia projektu bola dokončená v roku 1972, nominálny výkon ILLIAC-4 bol 200 miliónov operácií za sekundu. Takmer rok držal tento počítač rekord vo výpočtovej rýchlosti.

Začiatkom 60-tych rokov sa objavili prvé minipočítače - malé počítače s nízkou spotrebou, ktoré boli dostupné pre malé firmy alebo laboratóriá. Minipočítače predstavovali prvý krok k osobným počítačom, ktorých prototypy boli vydané až v polovici 70. rokov. Známa rodina minipočítačov PDP od Digital Equipment slúžila ako prototyp pre sovietsku sériu strojov SM.

Medzitým neustále rástol počet prvkov a spojení medzi nimi, ktoré sa zmestili do jedného mikroobvodu a v 70. rokoch už integrované obvody obsahovali tisíce tranzistorov. To umožnilo skombinovať väčšinu počítačových komponentov do jednej malej časti – čo urobil Intel v roku 1971, keď uvoľnil prvý mikroprocesor, ktorý bol určený pre stolové kalkulačky, ktoré sa práve objavili. Tento vynález bol predurčený na to, aby v nasledujúcom desaťročí spôsobil skutočnú revolúciu – napokon, mikroprocesor je srdcom a dušou nášho osobného počítača.

Ale to nie je všetko – skutočne, prelom 60. a 70. rokov bol osudným obdobím. V roku 1969 sa zrodila prvá globálna počítačová sieť – zárodok toho, čo dnes nazývame internet. A v tom istom roku 1969 sa súčasne objavil operačný systém Unix a programovací jazyk C, čo malo obrovský vplyv na softvérový svet a stále si udržiava svoje vedúce postavenie.

Štvrtá generácia

Ďalšia zmena v základni prvkov viedla k výmene generácií. V 70. rokoch sa aktívne pracovalo na vytvorení veľkých a ultraveľkých integrovaných obvodov (LSI a VLSI), ktoré umožnili umiestniť desaťtisíce prvkov na jeden čip. To viedlo k ďalšiemu výraznému zníženiu veľkosti a nákladov na počítače. Práca so softvérom sa stala užívateľsky príjemnejšou, čo viedlo k zvýšeniu počtu používateľov.

V zásade s takým stupňom integrácie prvkov bolo možné pokúsiť sa vytvoriť funkčne kompletný počítač na jednom čipe. Uskutočnili sa vhodné pokusy, aj keď sa väčšinou stretli s nedôverčivým úsmevom. Pravdepodobne by bolo týchto úsmevov menej, keby bolo možné predvídať, že práve táto myšlienka spôsobí vyhynutie sálových počítačov len za desať a pol dekády.

Začiatkom 70. rokov však Intel vydal mikroprocesor (MP) 4004. A ak predtým existovali len tri smery vo svete výpočtovej techniky (superpočítače, sálové počítače a minipočítače), teraz k nim pribudol ďalší – mikroprocesor. Vo všeobecnosti sa procesorom rozumie funkčná jednotka počítača určená na logické a aritmetické spracovanie informácií na princípe mikroprogramového riadenia. Na základe hardvérovej implementácie možno procesory rozdeliť na mikroprocesory (všetky funkcie procesora sú plne integrované) a procesory s nízkou a strednou integráciou. Štrukturálne sa to prejavuje tým, že mikroprocesory implementujú všetky funkcie procesora na jednom čipe, zatiaľ čo iné typy procesorov ich implementujú pripojením veľkého počtu čipov.

Takže prvý mikroprocesor 4004 vytvoril Intel na prelome 70-tych rokov. Bolo to 4-bitové paralelné výpočtové zariadenie a jeho možnosti boli značne obmedzené. Model 4004 mohol vykonávať štyri základné aritmetické operácie a spočiatku sa používal iba vo vreckových kalkulačkách. Neskôr sa rozsah jeho použitia rozšíril o použitie v rôznych riadiacich systémoch (napríklad na ovládanie semaforov). Intel, ktorý správne predvídal prísľub mikroprocesorov, pokračoval v intenzívnom vývoji a jeden z jeho projektov napokon viedol k veľkému úspechu, ktorý predurčil budúcu cestu vývoja výpočtovej techniky.

Toto bol projekt vývoja 8-bitového procesora 8080 (1974). Tento mikroprocesor mal pomerne vyvinutý systém príkazov a dokázal deliť čísla. Bol použitý na vytvorenie osobného počítača Altair, pre ktorý mladý Bill Gates napísal jedného zo svojich prvých tlmočníkov jazyka BASIC. Pravdepodobne od tohto momentu by sa mala počítať 5. generácia.

Piata generácia

Prechod na počítače piatej generácie znamenal prechod na nové architektúry zamerané na vytváranie umelej inteligencie.

Verilo sa, že počítačová architektúra piatej generácie bude obsahovať dva hlavné bloky. Jedným z nich je samotný počítač, v ktorom komunikáciu s používateľom vykonáva jednotka nazývaná „inteligentné rozhranie“. Úlohou rozhrania je porozumieť textu napísanému v prirodzenom jazyku alebo reči a preložiť takto uvedený problém do funkčného programu.

Základné požiadavky na počítače 5. generácie: Vytvorenie vyvinutého rozhrania človek-stroj (rozpoznávanie reči, rozpoznávanie obrazu); Vývoj logického programovania na vytváranie znalostných báz a systémov umelej inteligencie; Vytváranie nových technológií vo výrobe počítačových zariadení; Tvorba nových počítačových architektúr a výpočtových systémov.

Nové technické možnosti výpočtovej techniky mali rozšíriť okruh úloh na riešenie a umožniť prejsť k úlohám vytvárania umelej inteligencie. Jednou zo zložiek nevyhnutných pre tvorbu umelej inteligencie sú znalostné bázy (databázy) v rôznych oblastiach vedy a techniky. Vytváranie a používanie databáz si vyžaduje vysokorýchlostné výpočtové systémy a veľké množstvo pamäte. Počítače na všeobecné použitie sú schopné vykonávať vysokorýchlostné výpočty, ale nie sú vhodné na vykonávanie operácií vysokorýchlostného porovnávania a triedenia veľkých objemov záznamov, zvyčajne uložených na magnetických diskoch. Na vytváranie programov, ktoré napĺňajú, aktualizujú a pracujú s databázami, boli vytvorené špeciálne objektovo orientované a logické programovacie jazyky, ktoré poskytujú najväčšie možnosti v porovnaní s konvenčnými procedurálnymi jazykmi. Štruktúra týchto jazykov si vyžaduje prechod od tradičnej von Neumannovej počítačovej architektúry k architektúram, ktoré zohľadňujú požiadavky úloh vytvárania umelej inteligencie.

Do triedy superpočítačov patria počítače, ktoré majú v čase svojho vydania maximálny výkon, alebo takzvané počítače 5. generácie.

Prvé superpočítače sa objavili už medzi počítačmi druhej generácie (1955 - 1964, pozri počítače druhej generácie), boli určené na riešenie zložitých problémov vyžadujúcich si rýchle výpočty. Ide o LARC od UNIVAC, Stretch od IBM a „CDC-6600“ (rodina CYBER) od Control Data Corporation; používali metódy paralelného spracovania (zvýšenie počtu operácií vykonaných za jednotku času), reťazenie príkazov (pri vykonávaní jeden príkaz, druhý je načítaný z pamäte a pripravený na vykonanie) a paralelné spracovanie pomocou komplexnej procesorovej štruktúry pozostávajúcej z matice dátových procesorov a špeciálneho riadiaceho procesora, ktorý distribuuje úlohy a riadi tok dát v systéme. Počítače, ktoré spúšťajú viacero programov paralelne pomocou viacerých mikroprocesorov, sa nazývajú viacprocesorové systémy. Až do polovice 80. rokov boli na zozname najväčších výrobcov superpočítačov na svete Sperry Univac a Burroughs. Prvý je známy najmä svojimi sálovými počítačmi UNIVAC-1108 a UNIVAC-1110, ktoré boli široko používané na univerzitách a vo vládnych organizáciách.

Po zlúčení spoločností Sperry Univac a Burroughs kombinovaný UNISYS pokračoval v podpore oboch radov sálových počítačov pri zachovaní vzostupnej kompatibility v každej z nich. Je to jasná indikácia nemenného pravidla, ktoré podporovalo vývoj sálových počítačov – zachovanie funkčnosti predtým vyvinutého softvéru.

Intel je známy aj vo svete superpočítačov. Rovnako klasickými sa stali aj multiprocesorové počítače Paragon od Intelu z rodiny viacprocesorových štruktúr s distribuovanou pamäťou.

Von Neumannove princípy

V roku 1946 D. von Neumann, G. Goldstein a A. Berks vo svojom spoločnom článku načrtli nové princípy konštrukcie a prevádzky počítačov. Následne boli na základe týchto princípov vyrobené prvé dve generácie počítačov. V neskorších generáciách došlo k určitým zmenám, hoci Neumannove princípy sú aktuálne aj dnes. Neumannovi sa v skutočnosti podarilo zhrnúť vedecký vývoj a objavy mnohých ďalších vedcov a na ich základe sformulovať zásadne nové princípy:
1. Princíp reprezentácie a ukladania čísel.
Binárny číselný systém sa používa na reprezentáciu a ukladanie čísel. Výhodou oproti desiatkovej číselnej sústave je, že bit je ľahko implementovateľný, veľkokapacitná bitová pamäť je pomerne lacná, zariadenia sa dajú vyrobiť celkom jednoducho a aritmetické a logické operácie v binárnej číselnej sústave sú tiež celkom jednoduché.
2. Princíp riadenia počítačového programu.
Činnosť počítača riadi program pozostávajúci zo sady príkazov. Príkazy sa vykonávajú postupne jeden po druhom. Príkazy spracovávajú dáta uložené v pamäti počítača.
3. Princíp uloženého programu.
Pamäť počítača slúži nielen na ukladanie dát, ale aj programov. V tomto prípade sú programové príkazy aj dáta kódované v binárnej číselnej sústave, t.j. ich spôsob nahrávania je rovnaký. Preto v určitých situáciách môžete vykonávať rovnaké akcie s príkazmi ako s údajmi.
4. Princíp priameho prístupu do pamäte.
Bunky RAM počítača majú postupne očíslované adresy. Kedykoľvek máte prístup k akejkoľvek pamäťovej bunke podľa jej adresy.
5. Princíp vetvenia a cyklických výpočtov.
Príkazy podmieneného skoku vám umožňujú implementovať prechod na ľubovoľnú časť kódu, čím poskytujú možnosť organizovať vetvenie a znova spustiť určité časti programu.
Najdôležitejším dôsledkom týchto princípov je, že program už nebol trvalou súčasťou stroja (ako napríklad kalkulačka). Bolo možné ľahko zmeniť program. Výbava ale samozrejme zostáva nezmenená a veľmi jednoduchá. Pre porovnanie, program počítača ENIAC (ktorý nemal uložený program) určovali špeciálne prepojky na paneli. Preprogramovanie stroja (odlišné nastavenie prepojok) môže trvať viac ako jeden deň.
A hoci vývoj programov pre moderné počítače môže trvať mesiace, ich inštalácia (inštalácia do počítača) trvá aj pri veľkých programoch niekoľko minút. Takýto program je možné nainštalovať na milióny počítačov a na každom z nich bežať roky.

Aplikácie

Príloha 1

Dodatok 2

Počítač "Ural"

Dodatok 3

Počítač "Strela"

Dodatok 4

IBM-305 a RAMAC

Dodatok 5

minipočítač PDP-8

Dodatok 6

Literatúra:

1) Broido V.L. Výpočtové systémy, siete a telekomunikácie. Učebnica pre vysoké školy. 2. vyd. – Petrohrad: Peter, 2004

2) Zhmakin A.P. Počítačová architektúra. – Petrohrad: BHV - Petrohrad, 2006

3) Semenenko V.A. a iné.Elektronické počítače. Učebnica pre odborné školy - M.: Vyššia škola, 1991

Konštrukcia veľkej väčšiny počítačov je založená na nasledujúcich všeobecných princípoch, ktoré v roku 1945 sformuloval americký vedec John von Neumann (obrázok 8.5). Tieto princípy boli prvýkrát publikované v jeho návrhoch pre stroj EDVAC. Tento počítač bol jedným z prvých uložených programových strojov, t.j. s programom uloženým v pamäti stroja namiesto čítania z dierneho štítku alebo iného podobného zariadenia.

Obrázok 9.5 - John von Neumann, 1945

1. Princíp ovládania programu . Z toho vyplýva, že program pozostáva zo sady príkazov, ktoré procesor vykonáva automaticky jeden po druhom v určitom poradí.

Program sa načíta z pamäte pomocou programového počítadla. Tento register procesora postupne zvyšuje adresu nasledujúcej inštrukcie v ňom uloženej o dĺžku inštrukcie.

A keďže programové príkazy sú umiestnené v pamäti jeden po druhom, reťaz príkazov je takto organizovaná zo sekvenčne umiestnených pamäťových buniek.

Ak je po vykonaní príkazu potrebné prejsť nie do nasledujúceho, ale do nejakej inej pamäťovej bunky, používajú sa príkazy podmieneného alebo nepodmieneného skoku, ktoré do počítadla príkazov zadajú číslo pamäťovej bunky obsahujúcej nasledujúci príkaz. Načítanie príkazov z pamäte sa zastaví po dosiahnutí a vykonaní príkazu „stop“.

Procesor teda vykonáva program automaticky, bez ľudského zásahu.

Podľa Johna von Neumanna by mal počítač pozostávať z centrálnej aritmeticko-logickej jednotky, centrálnej riadiacej jednotky, pamäťového zariadenia a zariadenia na vstup/výstup informácií. Počítač by mal podľa neho pracovať s binárnymi číslami a mal by byť elektronický (nie elektrický); vykonávať operácie postupne.

Všetky výpočty predpísané algoritmom na riešenie problému musia byť prezentované vo forme programu pozostávajúceho zo sekvencie riadiacich slov-príkazov. Každý príkaz obsahuje inštrukcie pre konkrétnu vykonávanú operáciu, umiestnenie (adresy) operandov a množstvo charakteristík služby. Operandy sú premenné, ktorých hodnoty sa podieľajú na operáciách transformácie údajov. Zoznam (pole) všetkých premenných (vstupné údaje, medzihodnoty a výsledky výpočtov) je ďalším integrálnym prvkom každého programu.

Na prístup k programom, inštrukciám a operandom sa používajú ich adresy. Adresy sú čísla pamäťových buniek počítača určených na ukladanie predmetov. Informácie (príkazy a dáta: číselné, textové, grafické atď.) sú kódované binárnymi číslicami 0 a 1.

Preto sú rôzne typy informácií, ktoré sa nachádzajú v pamäti počítača, prakticky nerozoznateľné, ich identifikácia je možná len vtedy, keď sa program vykonáva podľa jeho logiky v kontexte.

2. Princíp homogenity pamäte . Programy a dáta sú uložené v rovnakej pamäti. Počítač teda nerozlišuje medzi tým, čo je v danej pamäťovej bunke uložené – číslom, textom alebo príkazom. S príkazmi môžete vykonávať rovnaké akcie ako s údajmi. To otvára celý rad možností. Program môže byť napríklad spracovávaný aj počas jeho vykonávania, čo umožňuje nastaviť pravidlá pre získanie niektorých jeho častí v samotnom programe (takto je v programe organizované vykonávanie cyklov a podprogramov). Okrem toho príkazy z jedného programu možno získať ako výsledky vykonávania iného programu. Na tomto princípe sú založené metódy prekladu – preklad textu programu z vysokoúrovňového programovacieho jazyka do jazyka konkrétneho stroja.

3. Princíp zacielenia . Štrukturálne pozostáva hlavná pamäť z prečíslovaných buniek; Akákoľvek bunka je procesoru kedykoľvek k dispozícii. To znamená schopnosť pomenovať oblasti pamäte, aby bolo možné k hodnotám v nich uloženým neskôr pristupovať alebo ich zmeniť počas vykonávania programu pomocou priradených názvov.

Von Neumannove princípy možno prakticky realizovať mnohými rôznymi spôsobmi. Tu uvádzame dva z nich: počítač so zbernicou a organizáciou kanálov. Pred popisom princípov fungovania počítača uvádzame niekoľko definícií.

Počítačová architektúra sa nazýva jeho popis na nejakej všeobecnej úrovni, vrátane popisu možností používateľského programovania, príkazových systémov, adresovacích systémov, organizácie pamäte atď. Architektúra určuje princípy fungovania, informačného prepojenia a prepojenia hlavných logických uzlov počítača: procesor, RAM, externé úložisko a periférne zariadenia. Spoločná architektúra rôznych počítačov zabezpečuje ich kompatibilitu z pohľadu používateľa.

Štruktúra počítača je súbor jeho funkčných prvkov a väzieb medzi nimi. Prvky môžu byť najrôznejšie zariadenia - od hlavných logických uzlov počítača až po najjednoduchšie obvody. Štruktúra počítača je graficky znázornená vo forme blokových diagramov, pomocou ktorých môžete opísať počítač na akejkoľvek úrovni detailov.

Termín je veľmi často používaný konfigurácia počítača , ktorým sa rozumie usporiadanie výpočtového zariadenia s jasnou definíciou povahy, množstva, vzťahov a hlavných charakteristík jeho funkčných prvkov. Termín " počítačová organizácia» určuje, ako sa implementujú možnosti počítača,

Tím – zhromažďovanie informácií potrebných na to, aby procesor vykonal konkrétnu činnosť pri vykonávaní programu.

Tím sa skladá z operačný kód, obsahujúce označenie operácie, ktorá sa má vykonať, a niekoľko adresné polia, obsahujúci označenie umiestnenia inštrukčných operandov.

Volá sa metóda výpočtu adresy z informácií obsiahnutých v poli adresy príkazu režim adresovania. Súbor príkazov implementovaných v danom počítači tvorí jeho príkazový systém.

Thuringov stroj

Turingov stroj (MT)- abstraktný interpret (abstraktný počítací stroj). V roku 1936 navrhol Alan Turing formalizovať koncept algoritmu.

Turingov stroj je rozšírením konečného stroja a podľa Church-Turingovej tézy, schopný napodobniť všetkých účinkujúcich(špecifikovaním prechodových pravidiel), ktoré nejakým spôsobom implementujú proces výpočtu krok za krokom, v ktorom je každý krok výpočtu celkom elementárny.

Štruktúra Turingovho stroja[

Turingov stroj obsahuje neobmedzené v oboch smeroch stuha(Sú možné Turingove stroje, ktoré majú niekoľko nekonečných pások), rozdelených na bunky a ovládacie zariadenie(tiež nazývaný hlava na čítanie a zápis(GZCH)), schopný byť v jednom z súbor štátov. Počet možných stavov riadiaceho zariadenia je konečný a presne špecifikovaný.

Ovládacie zariadenie sa môže pohybovať po páske doľava a doprava, čítať a zapisovať do buniek znaky nejakej konečnej abecedy. Vyniká špeciálne prázdny symbol, ktorý vyplní všetky bunky pásky, okrem tých z nich (konečné číslo), na ktoré sú zapísané vstupné dáta.

Riadiace zariadenie funguje podľa pravidlá prechodu, ktoré predstavujú algoritmus, realizovateľné tento Turingov stroj. Každé pravidlo prechodu dáva pokyn stroju, v závislosti od aktuálneho stavu a symbolu pozorovaného v aktuálnej bunke, aby do tejto bunky zapísal nový symbol, prešiel do nového stavu a posunul o jednu bunku doľava alebo doprava. Niektoré stavy Turingovho stroja možno označiť ako terminál a prechod na ktorýkoľvek z nich znamená koniec práce, zastavenie algoritmu.

Volá sa Turingov stroj deterministický, ak každá kombinácia symbolu štátu a stuhy v tabuľke zodpovedá najviac jednému pravidlu. Ak existuje dvojica "symbol stuhy - stav", pre ktorú existujú 2 alebo viac inštrukcií, takýto Turingov stroj sa nazýva nedeterministický.

Popis Turingovho stroja[

Špecifický Turingov stroj je definovaný zoznamom prvkov množiny písmen abecedy A, množiny stavov Q a množiny pravidiel, podľa ktorých stroj funguje. Majú tvar: q i a j →q i1 a j1 d k (ak je hlava v stave q i, a v pozorovanej bunke je napísané písmeno a j, tak hlava prejde do stavu q i1, do bunky sa zapíše a j1 namiesto a j robí hlava pohyb d k, ktorý má tri možnosti: jedna bunka doľava (L), jedna bunka doprava (R), zostať na mieste (N)). Pre každú možnú konfiguráciu existuje presne jedno pravidlo (pre nedeterministický Turingov stroj môže byť pravidiel viac). Neexistujú žiadne pravidlá iba pre konečný stav, v ktorom raz auto zastaví. Okrem toho musíte určiť konečný a počiatočný stav, počiatočnú konfiguráciu na páske a umiestnenie hlavy stroja.

Príklad Turingovho stroja[

Uveďme príklad MT na násobenie čísel v unárnej číselnej sústave. Zadanie pravidla „q i a j →q i1 a j1 R/L/N“ treba chápať takto: q i je stav, v ktorom sa toto pravidlo vykonáva, a j je údaj v bunke, v ktorej sa nachádza hlavička, q i1 je stav, do ktorého sa má prejsť, a j1 - čo je potrebné zapísať do bunky, R/L/N - príkaz na presun.

Počítačová architektúra od Johna von Neumanna

Architektúra von Neumanna- známy princíp spoločného ukladania príkazov a údajov do pamäte počítača. Výpočtové systémy tohto druhu sa často označujú ako „von Neumannove stroje“, ale zhoda týchto pojmov nie je vždy jednoznačná. Vo všeobecnosti, keď ľudia hovoria o von Neumannovej architektúre, majú na mysli princíp ukladania dát a inštrukcií do jednej pamäte.

Von Neumannove princípy

Von Neumannove princípy[

Princíp homogenity pamäte

Príkazy a dáta sú uložené v rovnakej pamäti a sú v pamäti externe nerozoznateľné. Možno ich rozpoznať iba podľa spôsobu použitia; to znamená, že rovnaká hodnota v pamäťovej bunke môže byť použitá ako dáta, ako príkaz a ako adresa, v závislosti len od spôsobu, akým sa k nej pristupuje. To vám umožňuje vykonávať rovnaké operácie s príkazmi ako s číslami, a teda otvára množstvo možností. Cyklickou zmenou adresovej časti príkazu je teda možné pristupovať k po sebe nasledujúcim prvkom dátového poľa. Táto technika sa nazýva modifikácia príkazov a z hľadiska moderného programovania sa neodporúča. Užitočnejší je ďalší dôsledok princípu homogenity, keď inštrukcie z jedného programu možno získať ako výsledok vykonávania iného programu. Táto možnosť je základom prekladu – prekladu programového textu z jazyka vysokej úrovne do jazyka konkrétneho počítača.

Princíp zacielenia

Štrukturálne sa hlavná pamäť skladá z očíslovaných buniek a ľubovoľná bunka je procesoru kedykoľvek k dispozícii. Binárne kódy príkazov a dát sú rozdelené do jednotiek informácií nazývaných slová a uložené v pamäťových bunkách a na prístup k nim sa používajú čísla zodpovedajúcich buniek - adresy.

Princíp ovládania programu

Všetky výpočty, ktoré poskytuje algoritmus na riešenie problému, musia byť prezentované vo forme programu pozostávajúceho zo sekvencie riadiacich slov - príkazov. Každý príkaz predpisuje nejakú operáciu zo súboru operácií realizovaných počítačom. Programové príkazy sú uložené v sekvenčných pamäťových bunkách počítača a sú vykonávané v prirodzenom poradí, to znamená v poradí ich pozície v programe. Ak je to potrebné, pomocou špeciálnych príkazov je možné túto postupnosť zmeniť. Rozhodnutie o zmene poradia vykonávania príkazov programu sa robí buď na základe analýzy výsledkov predchádzajúcich výpočtov, alebo bezpodmienečne.

Typy procesorov

Mikroprocesor- ide o zariadenie, ktoré je jedným alebo viacerými veľkými integrovanými obvodmi (LSI), ktoré plnia funkcie počítačového procesora Klasické výpočtové zariadenie pozostáva z aritmetickej jednotky (AU), riadiaceho zariadenia (CU), pamäťového zariadenia (SU ) a vstupno-výstupné zariadenie (I/O) ).

IntelCeleron 400 Socket 370 v plastovom puzdre PPGA, pohľad zhora.

Existujú procesory rôznych architektúr.

CISC(angl. ComplexInstructionSetComputing) je koncept dizajnu procesora, ktorý sa vyznačuje nasledujúcim súborom vlastností:

· veľké množstvo príkazov rôzneho formátu a dĺžky;

· zavedenie veľkého počtu rôznych režimov adresovania;

· má zložité kódovanie inštrukcií.

Procesor CISC sa musí vysporiadať so zložitejšími inštrukciami nerovnakej dĺžky. Jedna inštrukcia CISC sa môže vykonať rýchlejšie, ale paralelné spracovanie viacerých inštrukcií CISC je zložitejšie.

Uľahčenie ladenia programov v assembleri znamená preplnenie mikroprocesorovej jednotky uzlami. Na zlepšenie výkonu sa musí zvýšiť frekvencia hodín a stupeň integrácie, čo si vyžaduje vylepšenú technológiu a v dôsledku toho drahšiu výrobu.

Výhody architektúry CISC[šou]

Nevýhody architektúry CISC[šou]

RISC(Redukovaná inštrukčná sada Computing). Procesor s redukovanou inštrukčnou sadou. Systém príkazov je zjednodušený. Všetky príkazy majú rovnaký formát s jednoduchým kódovaním. K pamäti sa pristupuje pomocou príkazov load a write, ostatné príkazy sú typu register-register. Príkaz vstupujúci do CPU je už rozdelený do polí a nevyžaduje ďalšie dešifrovanie.

Časť kryštálu sa uvoľní na umiestnenie ďalších komponentov. Stupeň integrácie je nižší ako v predchádzajúcom architektonickom variante, takže pre vysoký výkon sú povolené nižšie takty. Príkaz menej zahlcuje RAM, CPU je lacnejší. Tieto architektúry nie sú softvérovo kompatibilné. Ladenie RISC programov je náročnejšie. Táto technológia môže byť implementovaná v softvéri kompatibilnom s technológiou CISC (napríklad superskalárnou technológiou).

Pretože inštrukcie RISC sú jednoduché, na ich vykonanie je potrebných menej logických brán, čo v konečnom dôsledku znižuje náklady na procesor. Väčšina dnešného softvéru je však napísaná a zostavená špeciálne pre procesory Intel CISC. Ak chcete použiť architektúru RISC, súčasné programy musia byť prekompilované a niekedy prepísané.

Frekvencia hodín

Frekvencia hodín je indikátorom rýchlosti, ktorou centrálny procesor vykonáva príkazy.
Takt je časový úsek potrebný na vykonanie elementárnej operácie.

V nedávnej minulosti sa rýchlosť hodín centrálneho procesora stotožňovala priamo s jeho výkonom, to znamená, že čím vyššia je rýchlosť procesora, tým je produktívnejší. V praxi sa stretávame so situáciou, keď procesory s rôznymi frekvenciami majú rovnaký výkon, pretože dokážu vykonať rôzny počet inštrukcií za jeden takt (v závislosti od konštrukcie jadra, šírky pásma zbernice, vyrovnávacej pamäte).

Frekvencia hodín procesora je úmerná frekvencii systémovej zbernice ( Pozri nižšie).

Bitová hĺbka

Kapacita procesora je hodnota, ktorá určuje množstvo informácií, ktoré je centrálny procesor schopný spracovať za jeden hodinový cyklus.

Napríklad, ak je procesor 16-bitový, znamená to, že je schopný spracovať 16 bitov informácií v jednom hodinovom cykle.

Myslím, že každý chápe, že čím vyššia je bitová hĺbka procesora, tým väčšie objemy informácií dokáže spracovať.

Spravidla platí, že čím vyššia je kapacita procesora, tým vyšší je jeho výkon.

V súčasnosti sa používajú 32- a 64-bitové procesory. Veľkosť procesora neznamená, že je povinný vykonávať príkazy s rovnakou veľkosťou bitov.

Rýchla vyrovnávacia pamäť

Najprv si odpovedzme na otázku, čo je vyrovnávacia pamäť?

Cache pamäť je vysokorýchlostná počítačová pamäť určená na dočasné ukladanie informácií (kódu spustiteľných programov a dát), ktoré potrebuje centrálny procesor.

Aké údaje sú uložené vo vyrovnávacej pamäti?

Najčastejšie používané.

Aký je účel vyrovnávacej pamäte?

Faktom je, že výkon RAM je oveľa nižší v porovnaní s výkonom CPU. Ukazuje sa, že procesor čaká na príchod dát z RAM – čím sa znižuje výkon procesora, a teda aj výkon celého systému. Vyrovnávacia pamäť znižuje latenciu procesora ukladaním údajov a kódu spustiteľných programov, ku ktorým procesor pristupoval najčastejšie (rozdiel medzi vyrovnávacou pamäťou a počítačovou RAM je v tom, že rýchlosť vyrovnávacej pamäte je desaťkrát vyššia).

Vyrovnávacia pamäť, podobne ako bežná pamäť, má kapacitu. Čím vyššia je kapacita vyrovnávacej pamäte, tým väčším objemom dát dokáže pracovať.

Existujú tri úrovne vyrovnávacej pamäte: vyrovnávacia pamäť najprv (L1), druhý (L2) a tretí (L3). V moderných počítačoch sa najčastejšie používajú prvé dve úrovne.

Pozrime sa bližšie na všetky tri úrovne vyrovnávacej pamäte.

Prvá vyrovnávacia pamäťúroveň je najrýchlejšia a najdrahšia pamäť.

Cache L1 je umiestnená na rovnakom čipe ako procesor a pracuje na frekvencii CPU (teda najrýchlejší výkon) a využíva ju priamo jadro procesora.

Kapacita vyrovnávacej pamäte prvej úrovne je malá (kvôli jej vysokým nákladom) a meria sa v kilobajtoch (zvyčajne nie viac ako 128 KB).

L2 cache je vysokorýchlostná pamäť, ktorá vykonáva rovnaké funkcie ako vyrovnávacia pamäť L1. Rozdiel medzi L1 a L2 je v tom, že L2 má nižšiu rýchlosť, ale väčšiu kapacitu (od 128 KB do 12 MB), čo je veľmi užitočné pri vykonávaní úloh náročných na zdroje.

vyrovnávacia pamäť L3 umiestnený na základnej doske. L3 je výrazne pomalší ako L1 a L2, ale rýchlejší ako RAM. Je zrejmé, že objem L3 je väčší ako objem L1 a L2. Vyrovnávacia pamäť úrovne 3 sa nachádza vo veľmi výkonných počítačoch.

Počet jadier

Moderné technológie výroby procesorov umožňujú umiestniť viac ako jedno jadro do jedného obalu. Prítomnosť niekoľkých jadier výrazne zvyšuje výkon procesora, ale to neznamená, že prítomnosť n jadrá poskytujú zvýšený výkon v n raz. Navyše, problémom viacjadrových procesorov je, že dnes je napísaných relatívne málo programov s prihliadnutím na prítomnosť niekoľkých jadier v procesore.

Viacjadrový procesor vám v prvom rade umožňuje implementovať funkciu multitaskingu: distribúciu práce aplikácií medzi jadrá procesora. To znamená, že každé jednotlivé jadro beží svoju vlastnú aplikáciu.

Štruktúra základnej dosky

Pred výberom základnej dosky musíte aspoň povrchne zvážiť jej štruktúru. Aj keď tu stojí za zmienku, že umiestnenie zásuviek a iných častí základnej dosky nehrá zvláštnu úlohu.

Prvá vec, ktorú by ste mali venovať pozornosť, je zásuvka procesora. Toto je malá štvorcová priehlbina so spojovacím prvkom.

Pre tých, ktorí poznajú pojem „overlocking“ (pretaktovanie počítača), by ste mali venovať pozornosť prítomnosti dvojitého radiátora. Základné dosky často nemajú dvojitý chladič. Preto pre tých, ktorí majú v úmysle v budúcnosti pretaktovať svoj počítač, je vhodné zabezpečiť, aby bol tento prvok na doske prítomný.

Predĺžené PCI-Express sloty sú určené pre grafické karty, TV tunery, audio a sieťové karty. Grafické karty vyžadujú veľkú šírku pásma a používajú konektory PCI-Express X16. Pre ostatné adaptéry sa používajú konektory PCI-Express X1.

Odborná rada!PCI sloty s rôznymi šírkami pásma vyzerajú takmer rovnako. Zvlášť pozorne sa oplatí pozrieť sa na konektory a prečítať si štítky pod nimi, aby ste predišli náhlym sklamaniam doma pri inštalácii grafických kariet.

Menšie konektory sú určené pre RAM kľúče. Zvyčajne sú sfarbené do čiernej alebo modrej farby.

Čipset dosky býva ukrytý pod chladičom. Tento prvok je zodpovedný za spoločnú prevádzku procesora a ostatných častí systémovej jednotky.

Na pripojenie pevného disku slúžia malé hranaté konektory na okraji dosky. Na druhej strane sú konektory pre vstupné a výstupné zariadenia (USB, myš, klávesnica atď.).

Výrobca

Mnoho spoločností vyrába základné dosky. Je takmer nemožné vybrať z nich najlepšie alebo najhoršie. Platbu akejkoľvek spoločnosti možno nazvať kvalitnou. Často aj neznámi výrobcovia ponúkajú dobré produkty.

Tajomstvom je, že všetky dosky sú vybavené čipsetmi od dvoch spoločností: AMD a Intel. Navyše rozdiely medzi čipsetmi sú zanedbateľné a zohrávajú úlohu iba pri riešení vysoko špecializovaných problémov.

Faktor tvaru

V prípade základných dosiek záleží na veľkosti. Štandardný formát ATX sa nachádza vo väčšine domácich počítačov. Veľká veľkosť a následne prítomnosť širokej škály slotov vám umožňuje zlepšiť základné vlastnosti počítača.

Menšia mATX verzia je menej bežná. Možnosti zlepšenia sú obmedzené.

Existuje aj mITX. Tento tvarový faktor sa nachádza v rozpočtových kancelárskych počítačoch. Zlepšenie výkonu je buď nemožné, alebo nemá zmysel.

Procesory a dosky sa často predávajú ako súprava. Ak bol však procesor zakúpený skôr, je dôležité zabezpečiť, aby bol kompatibilný s doskou. Pri pohľade na päticu je možné okamžite určiť kompatibilitu procesora a základnej dosky.

Čipová súprava

Spojovacím článkom všetkých komponentov systému je čipset. Čipsety vyrábajú dve spoločnosti: Intel a AMD. Nie je medzi nimi veľký rozdiel. Aspoň pre bežného užívateľa.

Štandardné čipsety pozostávajú zo severného a južného mostíka. Najnovšie modely Intel pozostávajú len zo severských. Nebolo to urobené za účelom šetrenia peňazí. Tento faktor nijako neznižuje výkon čipsetu.

Najmodernejšie čipové sady Intel pozostávajú z jedného mosta, pretože väčšina radičov je teraz umiestnená v procesore, vrátane radiča DD3 RAM, PCI-Express 3.0 a niektorých ďalších.

Analógy AMD sú postavené na tradičnom dvojmostovom dizajne. Napríklad séria 900 je vybavená južným mostom SB950 a severným mostom 990FX (990X, 970).

Pri výbere čipsetu by ste mali vychádzať z možností severného mosta. Northbridge 990FX podporuje súčasnú prevádzku 4 grafických kariet v režime CrossFire. Vo väčšine prípadov je takáto sila nadmerná. Ale pre fanúšikov ťažkých hier alebo tých, ktorí pracujú s náročnými grafickými editormi, bude tento čipset najvhodnejší.

Mierne zmenšená verzia 990X môže stále podporovať dve grafické karty súčasne, ale model 970 pracuje výlučne s jednou grafickou kartou.

Rozloženie základnej dosky

· podsystém spracovania údajov;

· subsystém napájania;

· pomocné (servisné) bloky a jednotky.

Hlavné komponenty subsystému spracovania dát základnej dosky sú znázornené na obr. 1.3.14.

1 – pätica procesora; 2 – predná pneumatika; 3 – severný most; 4 – generátor hodín; 5 – pamäťová zbernica; 6 – konektory RAM; 7 – IDE (ATA) konektory; 8 – SATA konektory; 9 – južný most; 10 – konektory IEEE 1394; 11 – USB konektory; 12 – sieťový konektor Ethernet; 13 – audio konektory; 14 – zbernica LPC; 15 – Super I/O radič; 16 – port PS/2;

17 – paralelný port; 18 – sériové porty; 19 – konektor pre disketu;

20 – BIOS; 21 – zbernica PCI; 22 – PCI konektory; 23 – konektory AGP alebo PCI Express;

24 – interná zbernica; 25 – zbernica AGP/PCI Express; 26 – VGA konektor

FPM (Fast Page Mode) je typ dynamickej pamäte.
Jeho názov zodpovedá princípu činnosti, keďže modul umožňuje rýchlejší prístup k dátam, ktoré sú na rovnakej stránke ako dáta prenesené počas predchádzajúceho cyklu.
Tieto moduly sa používali na väčšine počítačov založených na 486 a skorých systémoch založených na Pentiu okolo roku 1995.

Moduly EDO (Extended Data Out) sa objavili v roku 1995 ako nový typ pamäte pre počítače s procesormi Pentium.
Toto je upravená verzia FPM.
Na rozdiel od svojich predchodcov, EDO začína načítavať ďalší blok pamäte v rovnakom čase, keď posiela predchádzajúci blok do CPU.

SDRAM (Synchronous DRAM) je typ pamäte s náhodným prístupom, ktorá pracuje tak rýchlo, že ju možno synchronizovať s frekvenciou procesora, s výnimkou pohotovostných režimov.
Mikroobvody sú rozdelené do dvoch blokov buniek, takže pri prístupe k bitu v jednom bloku prebiehajú prípravy na prístup k bitu v inom bloku.
Ak bol čas na prístup k prvej informácii 60 ns, všetky nasledujúce intervaly sa skrátili na 10 ns.
Od roku 1996 začala väčšina čipsetov Intel podporovať tento typ pamäťových modulov, vďaka čomu bol až do roku 2001 veľmi populárny.

SDRAM môže pracovať na frekvencii 133 MHz, čo je takmer trikrát rýchlejšie ako FPM a dvakrát rýchlejšie ako EDO.
Väčšina počítačov s procesormi Pentium a Celeron vydanými v roku 1999 používala tento typ pamäte.

DDR (Double Data Rate) bol vývoj SDRAM.
Tento typ pamäťového modulu sa prvýkrát objavil na trhu v roku 2001.
Hlavný rozdiel medzi DDR a SDRAM je v tom, že namiesto zdvojnásobenia rýchlosti hodín, aby sa veci urýchlili, tieto moduly prenášajú dáta dvakrát za cyklus hodín.
Teraz je to hlavný štandard pamäte, ale už začína ustupovať DDR2.

DDR2 (Double Data Rate 2) je novší variant DDR, ktorý by mal byť teoreticky dvakrát rýchlejší.
Pamäť DDR2 sa prvýkrát objavila v roku 2003 a čipsety, ktoré ju podporujú, sa objavili v polovici roku 2004.
Táto pamäť, podobne ako DDR, prenáša dve sady údajov za cyklus hodín.
Hlavným rozdielom medzi DDR2 a DDR je schopnosť pracovať s výrazne vyššími rýchlosťami hodín vďaka vylepšeniam v dizajne.
Ale upravená operačná schéma, ktorá umožňuje dosiahnuť vysoké hodinové frekvencie, zároveň zvyšuje oneskorenia pri práci s pamäťou.

DDR3 SDRAM (dvojitá dátová rýchlosť synchrónna dynamická pamäť s náhodným prístupom, tretia generácia) je typ pamäte s náhodným prístupom používaná vo výpočtovej technike ako RAM a video pamäť.
Nahradila pamäť DDR2 SDRAM.

DDR3 má 40% zníženie spotreby energie oproti DDR2 modulom, čo je spôsobené nižším (1,5 V oproti 1,8 V pre DDR2 a 2,5 V pre DDR) napájacím napätím pamäťových buniek.
Zníženie napájacieho napätia je dosiahnuté použitím 90-nm (pôvodne, neskôr 65-, 50-, 40-nm) procesnej technológie pri výrobe mikroobvodov a použitím tranzistorov Dual-gate (čo pomáha znižovať zvodové prúdy) .

Moduly DIMM s pamäťou DDR3 nie sú mechanicky kompatibilné s rovnakými pamäťovými modulmi DDR2 (kľúč je umiestnený na inom mieste), takže DDR2 nie je možné nainštalovať do slotov DDR3 (to sa robí, aby sa zabránilo chybnej inštalácii niektorých modulov namiesto iných - tieto typy pamätí nie sú rovnaké podľa elektrických parametrov).

RAMBUS (RIMM)

RAMBUS (RIMM) je typ pamäte, ktorý sa objavil na trhu v roku 1999.
Je založený na tradičnej DRAM, ale s radikálne zmenenou architektúrou.
Konštrukcia RAMBUS robí prístup k pamäti inteligentnejším a umožňuje predbežný prístup k údajom pri miernej záťaži CPU.
Hlavnou myšlienkou použitou v týchto pamäťových moduloch je príjem dát v malých paketoch, ale pri veľmi vysokej rýchlosti hodín.
Napríklad SDRAM môže prenášať 64 bitov informácií pri 100 MHz a RAMBUS môže prenášať 16 bitov pri 800 MHz.
Tieto moduly neboli úspešné, pretože Intel mal s ich implementáciou veľa problémov.
Moduly RDRAM sa objavili v herných konzolách Sony Playstation 2 a Nintendo 64.

RAM je skratka pre Random Access Memory - pamäť, ku ktorej sa pristupuje pomocou adresy. Sekvenčne prístupné adresy môžu nadobúdať akúkoľvek hodnotu, takže ku každej adrese (alebo „bunke“) je možné pristupovať nezávisle.

Štatistická pamäť je pamäť vytvorená zo statických prepínačov. Uchováva informácie tak dlho, ako je napájané. Na uloženie jedného bitu v obvode SRAM je zvyčajne potrebných najmenej šesť tranzistorov. SRAM sa používa v malých systémoch (do niekoľkých stoviek KB RAM) a používa sa tam, kde je kritická rýchlosť prístupu (napríklad vyrovnávacia pamäť vo vnútri procesorov alebo na základných doskách).

Dynamická pamäť (DRAM) vznikla začiatkom 70-tych rokov. Je založený na kapacitných prvkoch. DRAM si môžeme predstaviť ako sériu kondenzátorov riadených spínacími tranzistormi. Na uloženie jedného bitu je potrebný iba jeden „kondenzátorový tranzistor“, takže DRAM má väčšiu kapacitu ako SRAM (a je lacnejšia).
DRAM je organizovaná ako obdĺžnikové pole buniek. Na prístup k bunke musíme vybrať riadok a stĺpec, v ktorom sa bunka nachádza. Typicky je to implementované tak, že vysoká časť adresy ukazuje na riadok a nízka časť adresy ukazuje na bunku v riadku ("stĺpec"). Historicky (kvôli nízkym rýchlostiam a malým IC paketom na začiatku 70. rokov) bola adresa dodávaná čipu DRAM v dvoch fázach - riadková adresa s adresou stĺpca na rovnakých riadkoch. Najprv čip prijme adresu riadka a potom po niekoľkých nanosekundách sa adresa stĺpca prenesie na tú istú linku Čip načíta dáta a odošle ich na výstup Počas cyklu zápisu sú dáta prijímané čipom spolu s adresou stĺpca Na to slúži niekoľko riadiacich liniek. kontrolujú čip Signály RAS (Row Address Strobe), ktoré prenášajú adresu riadka a zároveň aktivujú celý čip Signály CAS (Column Address Strobe), ktoré prenášajú adresu stĺpca WE (Write Enable) označujúce, že vykonaný prístup je prístup k zápisu OE ( Output Enable) otvára vyrovnávacie pamäte používané na prenos údajov z pamäťového čipu do „hostiteľa“ (procesora).
FP DRAM

Keďže každý prístup ku klasickej DRAM vyžaduje prenos dvoch adries, bol pre 25 MHz stroje príliš pomalý. FP (Fast Page) DRAM je variant klasickej DRAM, v ktorej nie je potrebné prenášať adresu riadku v každom prístupovom cykle. Pokiaľ je riadok RAS aktívny, riadok zostáva vybratý a jednotlivé bunky z tohto riadku je možné vybrať odovzdaním iba adresy stĺpca. Takže, zatiaľ čo pamäťová bunka zostáva rovnaká, čas prístupu je kratší, pretože vo väčšine prípadov je potrebná iba jedna fáza prenosu adresy.

EDO (Extended Data Out) DRAM je variant FP DRAM. V FP DRAM musí adresa stĺpca zostať správna počas celého obdobia prenosu údajov. Dátové vyrovnávacie pamäte sú aktivované iba počas cyklu prenosu adresy stĺpca signálom úrovne aktivity signálu CAS. Dáta musia byť načítané z pamäťovej dátovej zbernice pred prijatím novej adresy stĺpca na čip. Pamäť EDO ukladá dáta do výstupných vyrovnávacích pamätí po tom, čo sa signál CAS vráti do neaktívneho stavu a adresa stĺpca sa odstráni. Adresa nasledujúceho stĺpca môže byť prenášaná súbežne s čítaním údajov. To poskytuje možnosť použiť čiastočnú zhodu pri čítaní. Zatiaľ čo pamäťové bunky EDO RAM majú rovnakú rýchlosť ako FP DRAM, sekvenčný prístup môže byť rýchlejší. EDO by teda malo byť niečo rýchlejšie ako FP, najmä pre masívny prístup (ako v grafických aplikáciách).

Video RAM môže byť založené na ktorejkoľvek z architektúr DRAM uvedených vyššie. Okrem „normálneho“ prístupového mechanizmu opísaného nižšie má VRAM jeden alebo dva špeciálne sériové porty. VRAM sa často označuje ako dvojportová alebo trojportová pamäť. Sériové porty obsahujú registre, ktoré môžu uchovávať obsah celej série. Dáta z celého radu pamäťového poľa je možné preniesť do registra (alebo naopak) v jednom prístupovom cykle. Dáta je potom možné čítať alebo zapisovať do sériového registra v častiach ľubovoľnej dĺžky. Keďže register pozostáva z rýchlych, statických buniek, prístup k nemu je veľmi rýchly, zvyčajne niekoľkonásobne rýchlejší ako pamäťové pole. Vo väčšine typických aplikácií sa VRAM používa ako vyrovnávacia pamäť obrazovky. Paralelný port (štandardné rozhranie) využíva procesor a sériový port slúži na prenos údajov o bodoch na displeji (alebo čítanie údajov z video zdroja).

WRAM je proprietárna pamäťová architektúra vyvinutá Matroxom a (kto iný, nech si spomeniem... - Samsung?, MoSys?...). Je to podobné ako VRAM, ale umožňuje rýchlejší prístup hostiteľa. WRAM bola použitá na grafických kartách Millenium a Millenium II od Matroxu (nie však na moderných Millenium G200).

SDRAM je kompletný remake DRAM, predstavený v 90. rokoch. „S“ znamená Synchronous, keďže SDRAM implementuje úplne synchrónne (a teda veľmi rýchle) rozhranie. Vo vnútri SDRAM obsahuje (zvyčajne dve) polia DRAM. Každé pole má svoje vlastné vlastný Page Register, ktorý je (trochu) ako register sériového prístupu na VRAM. SDRAM funguje oveľa inteligentnejšie ako bežná DRAM. Celý obvod je synchronizovaný s externým hodinovým signálom. Pri každom takte čip prijme a vykoná vyslaný príkaz pozdĺž príkazových riadkov Názvy príkazových riadkov zostávajú rovnaké ako v klasických DRAM čipoch, ale ich funkcie sú len podobné originálu.Existujú príkazy na prenos údajov medzi pamäťovým poľom a registrami stránok a na prístup k údajom v registroch stránok. Prístup do registra stránok je veľmi rýchly - moderné SDRAM dokážu preniesť nové slovo dát každých 6..10 ns.

Synchrónna grafická pamäť RAM je variant SDRAM určený pre grafické aplikácie. Hardvérová štruktúra je takmer identická, takže vo väčšine prípadov môžeme meniť SDRAM a SGRAM (viď karty Matrox G200 – niektoré používajú SD, iné SG). Rozdiel je vo funkciách, ktoré vykonáva register stránok. SG môže zapísať viacero miest v jednom cykle (to umožňuje veľmi rýchle vyplnenie farieb a vyčistenie obrazovky) a môže zapísať iba niekoľko bitov na slovo (bity sú vybrané bitovou maskou uloženou obvodom rozhrania). Preto je SG rýchlejší v grafických aplikáciách, aj keď nie fyzicky rýchlejší ako SD pri „bežnom“ používaní. Ďalšie funkcie SG využívajú grafické akcelerátory. Myslím si, že najmä funkcie čistenia obrazovky a Z-buffer sú veľmi užitočné.

RAMBUS (RDRAM)

RAMBUS (ochranná známka RAMBUS, Inc.) sa začal vyvíjať v 80-tych rokoch, takže nie je novinkou Moderné technológie RAMBUS spájajú staré, ale veľmi dobré nápady a dnešné technológie výroby pamätí RAMBUS je založený na jednoduchej myšlienke: berieme čokoľvek dobré DRAM zabudovávame do čipu statickú vyrovnávaciu pamäť (ako vo VRAM a SGRAM) a poskytujeme špeciálne, elektronicky konfigurovateľné rozhranie pracujúce na frekvencii 250..400 MHz. Rozhranie je minimálne dvakrát rýchlejšie ako rozhranie používané v SDRAM a čas náhodného prístupu je zvyčajne pomalší, sekvenčný prístup je veľmi, veľmi, veľmi rýchly. Pamätajte, že keď boli zavedené 250 MHz RDRAM, väčšina DRAM pracovala na frekvenciách 12 až 25 MHz. RDRAM si vyžaduje špeciálne rozhranie a veľmi starostlivé fyzické umiestnenie na Väčšina čipov RDRAM vyzerá veľmi odlišne od ostatných DRAM: všetky majú všetky signálne vedenia na jednej strane obalu (takže majú rovnakú dĺžku) a iba 4 napájacie vedenia na druhej strane. Pamäť RDRAM sa používa v grafických kartách založených na čipoch Cirrus 546x. Čoskoro uvidíme RDRAM používané ako hlavná pamäť v PC.

Zariadenie pevného disku.

Pevný disk obsahuje sadu doštičiek, ktoré najčastejšie predstavujú kovové disky, potiahnutých magnetickým materiálom - platňou (gama feritový oxid, bárnatý ferit, chrómoxid...) a navzájom spojených pomocou vretena (hriadeľ, os).

Samotné disky (hrubé približne 2 mm) sú vyrobené z hliníka, mosadze, keramiky alebo skla. (pozri obrázok)

Na záznam sa používajú oba povrchy diskov. Používa sa 4-9 tanierov. Hriadeľ sa otáča vysokou konštantnou rýchlosťou (3600-7200 ot./min.)

Otáčanie diskov a radikálny pohyb hláv sa vykonáva pomocou 2 elektromotorov.

Údaje sa zapisujú alebo čítajú pomocou zapisovacích/čítacích hláv, jednej na každom povrchu disku. Počet hláv sa rovná počtu pracovných plôch všetkých diskov.

Informácie sa zaznamenávajú na disk na presne vymedzených miestach – sústredných stopách (stopách). Trate sú rozdelené do sektorov. Jeden sektor obsahuje 512 bajtov informácií.

Výmena dát medzi RAM a NMD sa uskutočňuje postupne podľa celého čísla (klastra). Klaster – reťazce sekvenčných sektorov (1,2,3,4,…)

Špeciálny motor pomocou konzoly umiestni čítaciu/zapisovaciu hlavu nad danú stopu (pohybuje ju v radiálnom smere).

Pri otáčaní disku sa hlava nachádza nad požadovaným sektorom. Je zrejmé, že všetky hlavy sa pohybujú súčasne a čítajú informácie; dátové hlavy sa pohybujú súčasne a čítajú informácie z rovnakých stôp na rôznych jednotkách.

Stopy pevného disku s rovnakým sériovým číslom na rôznych pevných diskoch sa nazývajú valec.

Čítacie a zapisovacie hlavy sa pohybujú po povrchu platne. Čím bližšie je hlava k povrchu disku bez toho, aby sa ho dotýkala, tým vyššia je povolená hustota záznamu .

Rozhrania pevného disku.

IDE (ATA – Advanced Technology Attachment) je paralelné rozhranie na pripojenie diskov, preto bolo zmenené (s výstupom SATA) na PATA (Parallel ATA). Predtým sa používal na pripojenie pevných diskov, ale bol nahradený rozhraním SATA. V súčasnosti sa používa na pripojenie optických jednotiek.

SATA (Serial ATA) – sériové rozhranie na výmenu dát s diskami. Na pripojenie slúži 8-pinový konektor. Rovnako ako v prípade PATA je zastaraný a používa sa iba na prácu s optickými mechanikami. Štandard SATA (SATA150) poskytoval priepustnosť 150 MB/s (1,2 Gbit/s).

SATA 2 (SATA300). Štandard SATA 2 zdvojnásobil priepustnosť až na 300 MB/s (2,4 Gbit/s) a umožňuje prevádzku na frekvencii 3 GHz. Štandardné SATA a SATA 2 sú navzájom kompatibilné, pri niektorých modeloch je však potrebné manuálne nastaviť režimy preskupením prepojok.

SATA 3, aj keď podľa špecifikácií je správne nazývať ho SATA 6Gb/s. Tento štandard zdvojnásobil rýchlosť prenosu dát na 6 Gbit/s (600 MB/s). Medzi ďalšie pozitívne inovácie patrí funkcia riadenia programu NCQ a príkazy na nepretržitý prenos dát pre proces s vysokou prioritou. Aj keď bolo rozhranie predstavené v roku 2009, zatiaľ nie je medzi výrobcami obzvlášť populárne a v obchodoch ho často nenájdete. Okrem pevných diskov sa tento štandard používa aj v SSD (solid-state drive). Stojí za zmienku, že v praxi sa šírka pásma rozhraní SATA nelíši v rýchlosti prenosu dát. V praxi rýchlosť zápisu a čítania diskov nepresahuje 100 MB/s. Zvýšenie výkonu ovplyvňuje iba šírku pásma medzi radičom a vyrovnávacou pamäťou disku.

SCSI (Small Computer System Interface) – štandard používaný na serveroch, kde sa vyžaduje zvýšená rýchlosť prenosu dát.

SAS (Serial Attached SCSI) je generácia, ktorá nahradila štandard SCSI, využívajúci sériový prenos dát. Podobne ako SCSI sa používa v pracovných staniciach. Plne kompatibilný s rozhraním SATA.

CF (Compact Flash) – Rozhranie pre pripojenie pamäťových kariet, ako aj pre 1,0-palcové pevné disky. Existujú 2 štandardy: Compact Flash Type I a Compact Flash Type II, rozdiel je v hrúbke.

FireWire je alternatívne rozhranie k pomalšiemu USB 2.0. Používa sa na pripojenie prenosných pevných diskov. Podporuje rýchlosti až 400 Mb/s, ale fyzická rýchlosť je nižšia ako bežné. Pri čítaní a zápise je maximálna hranica 40 MB/s.

Typy grafických kariet

Moderné počítače (notebooky) sú dostupné s rôznymi typmi grafických kariet, ktoré priamo ovplyvňujú výkon v grafických programoch, prehrávanie videa atď.

V súčasnosti sa používajú 3 typy adaptérov, ktoré je možné kombinovať.

Pozrime sa bližšie na typy grafických kariet:

• integrovaný;
• diskrétne;
• Hybrid;
• dve diskrétne;
• Hybridné SLI.

Integrovaná grafická karta- Toto je lacná možnosť. Nemá grafickú pamäť a grafický procesor. Pomocou čipsetu grafiku spracováva centrálny procesor, namiesto video pamäte sa používa RAM. Takýto systém zariadení výrazne znižuje výkon počítača vo všeobecnosti a najmä grafického spracovania.

Často sa používa v lacných konfiguráciách PC alebo notebookov. Umožňuje prácu s kancelárskymi aplikáciami, sledovanie a úpravu fotografií a videí, no hrať moderné hry je nemožné. Dostupné sú len staršie možnosti s minimálnymi systémovými požiadavkami.

Všetky moderné počítače, napriek tomu, že uplynulo veľa času, fungujú na princípoch, ktoré navrhol americký matematik John von Neumann (1903 - 1957). Významne prispel aj k vývoju a aplikácii počítačov. Ako prvý stanovil princípy, na ktorých počítač funguje:

1. Princíp binárneho kódovania: všetky informácie v počítači sú prezentované v binárnej forme, v kombinácii 0 a 1.

2. Princíp homogenity pamäte: programy aj dáta sú uložené v rovnakej pamäti, počítač teda nerozozná, čo je v danej pamäťovej bunke uložené, ale môžu sa tam nachádzať čísla, text, príkazy atď. s príkazmi je možné vykonávať rovnaké akcie ako pri superúdajoch.

3. Princíp adresovateľnosti pamäte: schematicky OP (hlavná pamäť) pozostáva z očíslovaných buniek, CPU (centrálna procesorová jednotka) ľubovoľná pamäťová bunka je kedykoľvek prístupná. Preto je možné pamäťovým blokom priradiť názvy pre pohodlnejšiu interakciu medzi OP a CPU.

4. Princíp sekvenčného riadenia programu: program pozostáva zo sady inštrukcií, ktoré CPU vykonáva postupne jednu po druhej.

5. Princíp podmieneného vetvenia: nie vždy platí, že príkazy sa vykonávajú jeden po druhom, preto je možné mať príkazy podmieneného vetvenia, ktoré menia sekvenčné vykonávanie príkazov v závislosti od hodnoty uložených dát.

. Klasifikácia moderných počítačov.

Moderné počítač sú rozdelené na vstavané mikroprocesory, mikropočítač(osobné počítače), sálové počítače A superpočítač- počítačový komplex s niekoľkými procesormi.

Mikroprocesy- spracovatelia implementovaní vo forme integrálne elektronické mikroobvody. Mikroprocesory môžu byť zabudované do telefónov, televízorov a iných zariadení, strojov a zariadení.

Na integrovaných obvodoch implementované sú procesory a RAM všetkých moderných mikropočítačov, ako aj všetkých blokov veľkých počítačov a superpočítačov, ako aj všetkých programovateľných zariadení.

Výkon mikroprocesora predstavuje niekoľko miliónov operácií za sekundu a objem moderných blokov RAM je niekoľko miliónov bajtov.

Mikropočítač - tieto sú plnohodnotné výpočtový autá, ktorý má nielen procesor a RAM na spracovanie dát, ale aj vstupno-výstupné zariadenia a zariadenia na ukladanie informácií.

Osobné počítače - Toto mikropočítač, ktoré majú zobrazovacie zariadenia na elektronických obrazovkách, ako aj zariadenia na vstup/výstup údajov vo forme klávesnice a prípadne zariadenia na pripojenie k počítačovým sieťam.

Architektúra mikropočítačov je založená na použití systémovej chrbtice - zariadenia rozhrania, ku ktorému sú pripojené procesory a jednotky RAM, ako aj všetky vstupno-výstupné zariadenia.

Používanie kufra umožňuje zmeniť zlúčenina A štruktúru mikropočítač- pridať ďalšie vstupné/výstupné zariadenia a zvýšiť funkčnosť počítačov.

Dlhodobé skladovanie informácie v moderných počítačoch sa vykonávajú pomocou elektronických, magnetických a optických médií - magnetických diskov, optických diskov a blokov flash pamäte.

Architektúra moderných počítačov vyžaduje prítomnosť dlhodobej pamäte, kde sa nachádzajú súbory, softvérové ​​balíky, databázy a riadiace operačné systémy.

Sálové počítače - počítačov vysoká produktivitu s veľkým množstvom externej pamäte. Sálové počítače sa používajú ako servery pre počítačové siete a zariadenia na ukladanie veľkých dát.

Sálové počítače slúži ako základ pre organizáciu firemné informácie systémov v službách priemyselných korporácií a vládnych agentúr.

Superpočítač- Toto viacprocesorový počítač s komplexnou architektúrou, s najvyšším výkonom a používa sa na riešenie super-komplexných výpočtových problémov.

Výkon superpočítača rovná sa desiatky A stovky tisíc miliardy výpočtový operácií za sekundu. Zároveň sa stále viac zvyšuje počet procesorov v superpočítačoch a architektúra počítačov sa stáva zložitejšou.