Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада...
TRANSCRIPT
![Page 1: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/1.jpg)
Лекция 53 октября 2017 г.
![Page 2: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/2.jpg)
![Page 3: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/3.jpg)
1) Первый период (1945 – 1955) – ламповые машины
2) Второй период (1955 – 1965) – транзисторные машины
3) Третий период (1965 – 1980) – машины на интегральных схемах
4) Четвертый период (1980 – почти наши дни) – машины на больших интегральных схемах
5) Пятый период (наши дни) – невидимые машины
![Page 4: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/4.jpg)
Чарльз Бэббидж
Английский математик. Считается изобретателем первого компьютера.
К сожалению, его «разностная машина» так и не смогла по настоящему заработать, потому что технологии того времени не удовлетворяли требованиям по изготовлению деталей точной механики, которые были необходимы для вычислительной техники.
![Page 5: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/5.jpg)
Ада Августа Лавлейс
Дочь знаменитого английского поэта Джорджа Гордона Байрона.
Первый в мире программист.
![Page 6: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/6.jpg)
В середине 40-х были созданы первые ламповые вычислительные устройства.
• В то время одна и та же группа людей участвовала и в проектировании, и в эксплуатации, и в программировании вычислительной машины. Это была скорее научно-исследовательская работа в области вычислительной техники, а не использование компьютеров в качестве инструмента решения каких-либо практических задач из других прикладных областей.
• Программирование осуществлялось исключительно на машинном языке.
• Об операционных системах не было и речи, все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с пульта управления.
![Page 7: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/7.jpg)
Первая ЭВМ – ENIAC
От 30 до 50 инженеров и техников и большое число рабочих в течение трех с половиной лет ежедневно трудились над созданием машины. Была окончательно готова к концу 1945 года.
Огромное П-образное сооружение имело около 2,5 метров в высоту и 24 метра в длину, весило примерно 30 тонн и потребляло около 160кВт электроэнергии – мощность, достаточную для работы небольшого завода.
![Page 8: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/8.jpg)
АРИФМОМЕТР
![Page 9: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/9.jpg)
ЭНИАК
![Page 10: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/10.jpg)
Появилась новая техническая база – полупроводниковые элементы. • Компьютеры второго поколения стали более надежными, теперь они
смогли непрерывно работать настолько долго, чтобы на них можно было возложить выполнение действительно практически важных задач.
• Именно в этот период произошло разделение персонала на программистов и операторов, эксплуатационников и разработчиков вычислительных машин.
• В эти годы появились первые алгоритмические языки, а, следовательно, и первые системные программы – компиляторы.
• Появились первые системы пакетной обработки, которые просто автоматизировали запуск одной программ за другой и тем самым увеличивали коэффициент загрузки процессора.
![Page 11: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/11.jpg)
![Page 12: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/12.jpg)
В технической базе произошел переход от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам.
Для этого периода характерно также создание семейств программно-совместимых машин. Первым семейством программно-совместимых машин, построенных на интегральных микросхемах, явилась серия машин IBM/360.
Операционные системы приобретают большинство основных качеств, характерных современным операционным системам.
IBM/360
![Page 13: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/13.jpg)
![Page 14: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/14.jpg)
PDP-7
На этом миникомпьютере родился UNIX.
ТРЕТИЙ ПЕРИОД (1965 – 1980)
![Page 15: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/15.jpg)
• Появились большие интегральные схемы (БИС). В эти годы произошло резкое возрастание степени интеграции и удешевление микросхем. Компьютер стал доступен отдельному человеку, и наступила эра персональных компьютеров.
• Компьютеры стали широко использоваться неспециалистами, что потребовало разработки «дружественного» программного обеспечения, это положило конец кастовости программистов.
• В середине 80-х стали бурно развиваться сети персональных компьютеров, работающие под управлением сетевых или распределенных ОС.
![Page 16: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/16.jpg)
![Page 17: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/17.jpg)
Тип Цена ($) Сфера примененияОдноразовые компьютеры 1 Поздравительные открытки
Встроенные компьютеры 10 Часы, машины, различные приборы
Игровые компьютеры 100 Домашнее развлечение
Персональные компьютеры 1’000 Настольные и портативные ПК
Серверы 10’000 Сетевые серверы
Рабочие станции 100’000 Мини-суперкомпьютеры
Большие компьютеры 1’000’000 Обработка данных в банке
Суперкомпьютеры 10’000’000 Предсказание погоды на длительный срок
![Page 18: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/18.jpg)
![Page 19: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/19.jpg)
Компьютер – это машина, которая может решать задачи, выполняя данные ей команды.
1) сложить два числа
2) проверить равенство числа нулю
3) скопировать содержимое одной ячейки памяти в другую
1) Microsoft Office
2) Doom
3) Internet
4) …
Возможно ли это?
Как перейти от одного к другому?
процессор может… компьютер может…
![Page 20: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/20.jpg)
Цифровой логический уровеньУровень 1
Микроархитектурный уровеньУровень 2
Уровень архитектуры командУровень 3
Уровень операционной системыУровень 4
Уровень языка ассемблераУровень 5
Язык высокого уровняУровень 6
Уровень аппаратного обеспеченияУровень 0
![Page 21: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/21.jpg)
Джон фон Нейман
Выдающийся венгерский математик. В соавторстве с группой ученых сформулировал общие принципы построения электронных вычислительных машин, которые используются и по сей день.
...учась в институте, он посещал лекции известнейших математиков Германа Вейля и Джорджа Пойа. Последний вспоминал: “Он был единственным студентом, которого я всегда боялся. Если во время лекции я говорил о нерешенной проблеме, была вероятность того, что по окончании лекции он подойдет ко мне с полным решением, записанным несколькими каракулями на клочке бумаги”...
![Page 22: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/22.jpg)
1) «Так как машина является в первую очередь средством для осуществления вычислений, она чаще всего будет выполнять элементарные арифметические операции. Следовательно, в ее составе должны быть специализированные органы для выполнения таких операций; эти органы образуют центральную арифметическую часть машины.»
2) «Логическое управление машиной, т.е. управление последовательностью ее операций, должна осуществлять центральная управляющая часть.»
3) «Машина, выполняющая длительную и сложную последовательность операций, должна обладать внутренней памятью большой емкости, которая могла бы хранить не только исходные данные, таблицы, промежуточные результаты вычислений и т.д., но и команды, определяющие тип операций, выполняемых машиной. Команды должны быть представлены числовым кодом, что позволяло бы осуществлять над ними различные операции.»
![Page 23: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/23.jpg)
непрограммируемый калькулятор CITIZEN
первая ламповая ЭВМ ENIAC
“Программа”, вычисляемая “вычислительной системой”, “зашита” в аппаратную часть. Ничего кроме этой “программы” ВС делать не умеет.
![Page 24: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/24.jpg)
A,B,C,D
add, adc, sub, imul, idiv, mov, …
32
−+
DBCA
32
−+
DBCA
MOV AX, 2IMUL AMOV BX, DXMOV CX, AXMOV AX, BIMUL CADD AX, CXADC DX, BXMOV CX, DSUB CX, 3IDIV CXMOV X, AX 3
2−+
DBCA
MOV AX, 2IMUL AMOV BX, DXMOV CX, AXMOV AX, BIMUL CADD AX, CXADC DX, BXMOV CX, DSUB CX, 3IMUL CXMOV X, AX
)3()2( −×+ DBCA
A, B, C, D
A, B, C, D
не фон неймановская архитектура
фон неймановская архитектура
![Page 25: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/25.jpg)
Процессор(АЛУ, УУ)
Устройствавывода
Устройстваввода
Память(ОЗУ, ПЗУ) Внешняя память
Передача данныхУправление
АЛУ – арифметико-логическое устройство
УУ – управляющее устройство
![Page 26: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/26.jpg)
• Центральный процессор – мозг компьютера. Выбирает из памяти инструкции и выполняет их. Обычный цикл работы центрального процессора выглядит так: он читает первую команду из памяти, декодирует ее, выполняет, затем считывает, декодирует и выполняет вторую, третью и так далее...
• Для каждого центрального процессора существует набор команд, который он в состоянии выполнить. Например, процессор Pentium не может обработать программы, написанные для SPARC, а процессор SPARC, не может выполнить программы, написанные для Pentium.
• Команды, выполняемые процессором, в общем случае являются простейшими: сложение, вычитание, умножение, деление двух чисел, различные логические операции, перемещение значения ячейки памяти из одного места в другое, и т.д.
![Page 27: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/27.jpg)
В идеале память должна быть максимально быстрой (быстрее, чем обработка одной инструкции, чтобы работа центрального процессора не замедлялась обращениями к памяти), достаточно большой и чрезвычайно дешевой. На данным момент не существует технологий, удовлетворяющих всем этим требованиям, поэтому используется другой подход – иерархический:
регистры
кэш-память
основная память
магнитный диск
магнитная память оптический диск
время доступа,емкость
ценаза 1 байт
![Page 28: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/28.jpg)
дай 0на 0
Когда процессор запрашивает какие-то данные из основной памяти, сначала проверяется кэш на наличие этих данных. Если они есть в кэше, то они из него и берутся. Если запрашиваемых данных в кэше нет, то они берутся из основной памяти и копируются не только в регистры процессора, но и в кэш память, чтобы следующее обращение к этим данным было максимально быстрым.
кэш основная память
0 1 2 3 4 5 ...0
3
4дай 1
дай 1на 11
на 1
дай 3на 3дай 1на 1
![Page 29: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/29.jpg)
Универсальный принцип локальности:
Соседние в пространстве и времени объекты имеют схожие свойства.
Это применяется в кэше следующим образом: загружается не только тот “байт”, который нужен, но и несколько соседних с ним. Эмпирически доказано, что вероятность следующего обращения в память к близлежащей ячейке очень высока.
8 9 10 11 12
I обр.
II обр. (вероятнее всего)
в кэш загружается целый блок данных
![Page 30: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/30.jpg)
Все остальные ресурсы компьютера можно отнести к ресурсам ввода-вывода, которые предоставляются устройствами ввода-вывода.
Каждое устройство ввода-вывода состоит из двух частей –контроллера (набор микросхем, физически управляющих устройством) и самого устройства.
![Page 31: Лекция 5 3 октября 2017 г.prog.tversu.ru/chemlections/lection5.pdf · Ада Августа Лавлейс. Дочь знаменитого английского поэта](https://reader034.vdocuments.us/reader034/viewer/2022050504/5f965be07dd46c4bc034d9b2/html5/thumbnails/31.jpg)
Шина – это информационный канал, связывающий все компоненты компьютера в единое целое. По шине происходит взаимодействие центрального процессора, памяти и устройств ввода-вывода.
Центральный процессор
память
контроллер видеопамяти
монитор
контроллер жесткого диска
жесткий диск
шина