Архитектура компьютера, архитектура ЭВМ (англ. Computer architecture) — концептуальная структура вычислительной машины^[1], определяющая проведение обработки информации и включающая методы информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.^[2]

История

1642—1945 — Механические компьютеры (нулевое поколение)

В 1642 году Блезом Паскалем, французским учёным, в честь которого назван один из языков программирования, была сконструирована счётная машина, которая могла выполнять только операции сложения и вычитания. Она представляла собой механическую конструкцию с шестерёнками и ручным приводом.

Через тридцать лет немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц построил другую механическую машину, которая помимо сложения и вычитания могла выполнять операции умножения и деления. В сущности, Лейбниц три века назад создал подобие карманного калькулятора с четырьмя функциями.

В 1822 году Чарльз Бэббидж, профессор математики Кембриджского Университета, разработал и сконструировал аналитическую машину, которая, как и машина Паскаля, могла лишь складывать и вычитать, подсчитывала таблицы чисел для морской навигации. В машину был заложен только один алгоритм — метод конечных разностей с использованием полиномов.

был довольно интересный способ вывода информации: результаты выдавливались стальным штампом на медной дощечке, что предвосхитило более поздние средства ввода-вывода — перфокарты и компакт-диски.

Хотя это устройство работало довольно неплохо, Бэббиджу вскоре наскучила машина, выполнявшая только один алгоритм. Он потратил очень много времени, большую часть своего семейного состояния и еще 17000 фунтов, выделенных правительством, на разработку аналитической машины.

Данная машина состояла из четырёх компонентов:

• запоминающее устройство (память),
• вычислительное устройство,
• устройство ввода (для считывания перфокарт),
• устройство вывода (перфоратор и печатающее устройство).

Память состояла из 1000 слов по 50 десятичных разрядов; каждое из слов содержало переменные и результаты. Вычислительное устройство принимало операнды из памяти, затем выполняло операции сложения, вычитания, умножения или деления и возвращало полученный результат обратно в память. Как и разностная машина, это устройство было механическим.

Поскольку аналитическая машина программировалась на элементарном ассемблере, ей было необходимо программное обеспечение. Чтобы создать это программное обеспечение, Бэббидж нанял молодую женщину — Аду Лавлейс. Таким образом Ада Лавлейс стала первым в мире программистом. В её честь назван современный язык программирования — Ada. Интересен тот факт, что сам Бэббидж никогда не отлаживал компьютер. Ему нужны были тысячи шестерёнок, сделанных с такой точностью, которая в XIX веке была недоступна. Однако, идеи Бэббиджа опередили его эпоху, и даже сегодня большинство современных компьютеров по конструкции сходны с аналитической машиной. Поэтому справедливо будет сказать, что Бэббидж был дедушкой современного цифрового компьютера.

Конец 1930-х годов — Конрад Цузе сконструировал несколько автоматических счётных машин с использованием электромагнитных реле. В 1941 году Цузе создал первую модель двоичного компьютера — Z3, которую сегодня многие считают первым реально действовавшим программируемым компьютером. Первые три машины, Z1, Z2 и Z3, были уничтожены в ходе бомбардировок Берлина в 1944 году. Z4 был сохранён и закончен и был первым компьютером, который был продан. В 1945 году Цузе создал для него первый в мире высокоуровневый язык программирования Планкалкюль.

В 1940 году Джордж Стибитс продемонстрировал автоматическую счётную машину в Дартмутском колледже на конференции, на которой присутствовал ничем не примечательный на тот момент профессор физики из университета Пенсильвании Джон Моушли (John Mauchley), ставший позднее очень известным в области компьютерных разработок.

В 1944 году свой первый компьютер под названием «Mark I» разработал молодой учёный из Гарварда — Говард Айкен. Его компьютер имел 72 слова по 23 десятичных разряда каждое и мог выполнить любую команду за 6 секунд. В устройствах ввода-вывода использовалась перфолента. К тому времени, как Айкен закончил работу над компьютером «Mark II», релейные компьютеры уже устарели.

Началась эра электроники.

1945—1955 — Электронные лампы (первое поколение)

В начале Второй мировой войны немецкие подводные лодки топили британские корабли. Немецкие адмиралы посылали на подводные лодки по радио команды, и хотя англичане могли перехватывать эти команды, проблема была в том, что радиограммы были закодированы с помощью прибора под названием ENIGMA, предшественник которого был спроектирован изобретателем-любителем и бывшим президентом США Томасом Джефферсоном. Англичанам удалось приобрести ENIGMA у поляков, которые, в свою очередь, украли её у немцев. Однако, чтобы расшифровать закодированное послание, требовалось огромное количество вычислений, и их нужно было произвести сразу после перехвата радиограммы. Поэтому британское правительство основало секретную лабораторию для создания электронного компьютера под названием COLOSSUS.

В 1943 году начал работать электронный компьютер COLOSSUS, в создании которого принимал участие знаменитый британский математик Алан Тьюринг. Но, поскольку британское правительство полностью контролировало этот проект и рассматривало его как военную тайну на протяжении 30 лет, COLOSSUS не стал базой для дальнейшего развития компьютеров. Мы упомянули о нём только потому, что это был первый в мире электронный цифровой компьютер.

В этом же году Моушли со своим студентом Дж. Преспером Экертом начали конструировать ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer — электронный цифровой интегратор и калькулятор) — электронный компьютер, который состоял из 18 000 электровакуумных ламп и 1500 реле, весил 30 тонн и потреблял 140 киловатт электроэнергии. У машины имелось 20 регистров, причем каждый из них мог содержать 10-разрядное десятичное число.

В 1946 году работа над ENIAC была закончена. Правда, тогда она уже была не нужной — по крайней мере, для достижения первоначально поставленных целей. В ENIAC было установлено 6000 многоканальных переключателей и имелось множество кабелей, протянутых к разъемам. Поскольку война закончилась, Моушли и Экерту позволили организовать школу, где они рассказывали о своей работе коллегам-ученым. В этой школе и зародился интерес к созданию больших цифровых компьютеров.

В 1949 году Морис Уилкс сконструировал EDSAC — первый рабочий компьютер. Далее — JOHNIAC в корпорации Rand, ILLIAC в Университете Иллинойса, MANIAC в лаборатории Лос-Аламоса и WEIZAC в Институте Вайцмана в Израиле. Вскоре начали работу над машиной EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer — электронная дискретная параметрическая машина) Экерт и Моушли. Однако, этот проект закрылся вследствие ухода их из университета.

Экерт и Моушли получили патент за изобретение ENIAC как цифровой вычислительной машины в 1946 г. Этот патент был аннулирован в 1973 году, так Федеральный суд США признал, что ENIAC использовал архитектуру, существовавшую в первой цифровой вычислительной машине, которую построили John Vincent Atanasoff, получивший грант в $650 от государственного Университета штата Айова в 1939, и его помощник студент электротехник Clifford Berry, хотя они и не запатентовали свою машину. В то время как Экерт и Моушли работали над машиной EDVAC, один из участников проекта ENIAC, Джон Фон Нейман, поехал в Институт специальных исследований в Принстоне, чтобы сконструировать собственную версию EDVAC под названием IAS (Immediate Address Storage — память с прямой адресацией).

Фон Нейман был гением в тех же областях, что и Леонардо да Винчи. Он знал много языков, был специалистом в физике и математике, обладал феноменальной памятью: он помнил все, что когда-либо слышал, видел или читал. Он мог дословно процитировать по памяти текст книг, которые читал несколько лет назад. Когда фон Нейман стал интересоваться вычислительными машинами, он уже был самым знаменитым математиком в мире.

Фон Нейман вскоре осознал, что создание компьютеров с большим количеством переключателей и кабелей требует длительного времени и очень утомительно и пришёл к мысли, что программа должна быть представлена в памяти компьютера в цифровой форме, вместе с данными. Им также было отмечено, что десятичная арифметика, используемая в машине ENIAC, где каждый разряд представлялся десятью электронными лампами (1 включена, остальные выключены), должна быть заменена параллельной бинарной арифметикой.

Основной проект Фон Неймана был использован в EDSAC, первой машине с программой в памяти, и даже сейчас, более чем полвека спустя, является основой большинства современных цифровых компьютеров. Сам замысел и машина IAS (Immediate Address Storage — память с прямой адресацией) оказали очень большое влияние на дальнейшее развитие компьютерной техники.

Машина фон Неймана состояла из пяти основных частей:

• памяти,
• арифметико-логического устройства,
• устройства управления,
• устройства ввода,
• устройства вывода.

Память включала 4096 слов размером по 40 бит (бит — это 0 или 1). Каждое слово содержало или 2 команды по 20 бит, или целое число со знаком на 40 бит.

8 бит указывали на тип команды, а остальные 12 бит определяли одно из 4096 слов.

Арифметический блок и блок управления составляли «мозговой центр» компьютера. В современных машинах эти блоки сочетаются в одной микросхеме, называемой центральным процессором (ЦП).

Внутри арифметико-логического устройства находился особый внутренний регистр на 40 бит, так называемый аккумулятор. Типичная команда добавляла слово из памяти в аккумулятор или сохраняла содержимое аккумулятора в памяти. Эта машина не выполняла арифметические операции с плавающей точкой, поскольку Фон Нейман считал, что любой сведущий математик способен держать плавающую точку в голове.

В 1953 году фирма IBM построила компьютер модели 701, через много лет после того, как компания Экерта и Моушли со своим компьютером UNIVAC стала номером один на компьютерном рынке. В IBM 701 было 2048 слов по 36 бит, каждое слово содержало две команды. Он стал первым компьютером, лидирующим на рынке в течение десяти лет.

В 1954 году был представлен компьютер модели 704, у которого было 4 Кбайт памяти на магнитных сердечниках, команды по 36 бит и процессор с плавающей точкой.

В 1958 году компания IBM начала работу над последним компьютером 709 на электронных лампах, который по сути представлял собой усложненную версию 704.

1955—1965 — Транзисторы (второе поколение)

В 1956 году сотрудниками лаборатории Bell Labs Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли был изобретен транзистор, за что они получили Нобелевскую премию в области физики. Транзисторы совершили революцию в производстве компьютеров, и к концу 1950-х годов компьютеры на вакуумных лампах уже безнадежно устарели. В лаборатории МТИ был построен первый компьютер на транзисторах. Он содержал слова из 16 бит, как и Whirlwind I.

Компьютер назывался ТХ-0 (Transistorized experimental computer 0 — экспериментальная транзисторная вычислительная машина 0) и предназначался только для тестирования будущей машины ТХ-2, которая в дальнейшем не имела большого значения. Но в 1957 Кеннет Ольсен один из инженеров этой лаборатории основал компанию DEC (Digital Equipment Corporation — корпорация по производству цифровой аппаратуры), чтобы производить серийную машину, сходную с ТХ-0.

В 1961 году появился компьютер PDP-1, который имел 4096 слов по 18 бит и быстродействие 200 000 команд в секунду. Данный параметр был в два раза меньше, чем у 7090, транзисторного аналога 709. PDP-1 был самым быстрым компьютером в мире в то время. PDP-1 стоил 120 000 долларов, в то время как 7090 стоил миллионы. Компания DEC продала десятки компьютеров PDP-1, и так появилась компьютерная промышленность. Одним из нововведений PDP-1 был дисплей размером 512 х 512 пикселов, на котором можно было рисовать точки.

Вскоре студенты МТИ составили специальную программу для PDP-1, чтобы играть в «Войну миров» — первую в мире компьютерную игру. Позже компания DEC разработала модель PDP-8, 12-разрядный компьютер, который стоил гораздо дешевле, чем PDP-1 (всего 16 000 долларов). Главным нововведением была единственная шина (omnibus).

В 1964 году компания CDC (Control Data Corporation) выпустила машину 6600, которая работала почти на порядок быстрее, чем 7094. Этот компьютер для сложных расчетов пользовался большой популярностью, и компания CDC пошла «в гору». Секрет столь высокого быстродействия заключался в том, что внутри ЦПУ (центрального процессора) находилась машина с высокой степенью параллелизма, у которой было несколько функциональных устройств для сложения, умножения и деления, и все они могли работать одновременно.

Центральный процессор производил только подсчет чисел, а остальные функции (управление работой машины, а также ввод и вывод информации) выполняли маленькие встроенные компьютеры. Некоторые принципы работы устройства 6600 используются и в современных компьютерах.

Разработчик компьютера 6600 Сеймур Крей был легендарной личностью, как и Фон Нейман. Он посвятил всю свою жизнь созданию очень мощных компьютеров, которые сейчас называют суперкомпьютерами. Среди них можно назвать 6600, 7600 и Cray-1.

1965—1980 — Интегральные схемы (третье поколение)

В 1958 году Роберт Нойс создал кремниевую интегральную схему, что дало возможность размещения на одной небольшой микросхеме несколько десятков транзисторов. Компьютеры на интегральных схемах были меньшего размера, работали быстрее и стоили меньше, чем их предшественники на транзисторах.

К 1964 году компания IBM лидировала на компьютерном рынке, но существовала одна большая проблема: компьютеры 7094 и 1401, которые она выпускала, были несовместимы друг с другом. 7094-й предназначался для сложных расчётов, в нём использовалась двоичная арифметика на регистрах по 36 бит, на 1401 применялась десятичная система счисления и слова разной длины. Многим покупателям они не нравились ввиду их несовместимости.

Линейка транзисторных компьютеров System/360, которые были предназначены как для научных, так и для коммерческих расчётов, была выпущена компанией IBM с целью заменить предыдущие две серии. Она имела много нововведений. Это было целое семейство компьютеров для работы с одним языком (ассемблером). Каждая новая модель была больше по возможностям, чем предыдущая.

Идея создания семейств компьютеров стала настолько популярной, что в течение нескольких лет большинство компьютерных компаний выпустили серии сходных машин с разной стоимостью и функциями. В памяти транзисторных компьютеров System/360 могло находиться одновременно несколько программ, и пока одна программа ждала, когда закончится процесс ввода-вывода, другая выполнялась. В результате ресурсы процессора расходовались более рационально.

Компьютеру 360 удалось разрешить дилемму между двоичной и десятичной системами счисления: у этого компьютера было 16 регистров по 32 бит для бинарной арифметики, но память состояла из байтов, как у 1401. В 360-м использовались такие же команды для перемещения записей разного размера из одной части памяти в другую, как и в 1401.

1980-? — Сверхбольшие интегральные схемы (четвёртое поколение)

В 1980-х годах появление сверхбольших интегральных схем позволило помещать на одну плату сначала десятки тысяч, затем сотни тысяч и, наконец, миллионы транзисторов. Это привело к созданию более быстродействующих компьютеров меньшего размера. К этому времени цены упали так сильно, что возможность приобретать компьютеры появилась не только у организаций, но и у отдельных людей. Началась эра персональных компьютеров.

Персональные компьютеры применялись для обработки слов, электронных таблиц, а также для выполнения приложений с высоким уровнем интерактивности (например, игр), с которыми большие компьютеры не справлялись.

Первые персональные компьютеры продавались в виде комплектов, которые содержали:

• печатную плату,
• набор интегральных схем, обычно включающий схему Intel 8080,
• несколько кабелей,
• источник питания,
• 8-дюймовый дисковод.

Сложить из этих частей компьютер и написать программное обеспечение к нему покупатель должен был сам. Позднее для Intel 8080 появилась операционная система СР/М, написанная Гари Килдаллом.

Компьютер Apple был разработан Стивом Джобсом и Стивом Возняком. Данный компьютер стал чрезвычайно популярным среди домашних пользователей и школ, что в мгновение ока сделало компанию Apple серьёзным игроком на рынке.

В 1981 году появился компьютер IBM PC и стал самым покупаемым компьютером в истории.

Бурному производству персональных компьютеров послужило то, что компания IBM, вместо того чтобы держать проект машины в секрете (или, по крайней мере, оградить себя патентами), как она обычно делала, опубликовала полные проекты, включая все электронные схемы, в книге стоимостью 49 долларов. Эта книга помогла другим компаниям производить сменные платы для IBM PC, что повысило бы совместимость и популярность этого компьютера. К несчастью для IBM, как только проект IBM PC стал широко известен, многие компании начали делать клоны PC и часто продавали их гораздо дешевле, чем IBM (поскольку все составные части компьютера можно было легко приобрести).

Первая версия IBM PC была оснащена операционной системой MS-DOS, которую выпускала тогда ещё крошечная корпорация Microsoft. IBM и Microsoft совместно разработали последовавшую за MS-DOS операционную систему OS/2, характерной чертой которой был графический пользовательский интерфейс (Graphical User Interface, GUI), сходный с интерфейсом Apple Macintosh. Между тем компания Microsoft также разработала собственную операционную систему Windows, которая работала на основе MS-DOS, на случай, если OS/2 не будет иметь спроса. OS/2 действительно не пользовалась спросом, a Microsoft успешно продолжала выпускать операционную систему Windows, что послужило причиной грандиозного раздора между IBM и Microsoft.

Легенда о том, как крошечная компания Intel и ещё более крошечная, чем Intel, компания Microsoft умудрились свергнуть IBM, одну из самых крупных, самых богатых и самых влиятельных корпораций в мировой истории, подробно излагается в бизнес-школах всего мира.

С 1982 по 1989 год были выпущены версии процессоров Intel: 186-й (1-го поколения), 286-й (2-го поколения), 386-й (3-го поколения), 486-й (4-го поколения). В 1993 г. появился процессор под новой торговой маркой Pentium, являющийся процессором Intel 5-го поколения. Современные процессоры Intel Pentium гораздо быстрее 486-го процессора, но с точки зрения архитектуры они просто представляют собой его более мощные версии.

В середине 1980-х годов на смену CISC (Complex Instruction Set Computer — компьютер с полным набором команд) пришёл компьютер RISC (Reduced Instruction Set Computer — компьютер с сокращённым набором команд). RISC-команды были проще и работали гораздо быстрее.

В 1990-х годах появились суперскалярные процессоры, которые могли выполнять много команд одновременно, часто не в том порядке, в котором они располагаются в программе. Вплоть до 1992 года персональные компьютеры были 8-, 16- и 32-разрядными. Затем появилась революционная 64-разрядная модель Alpha производства DEC — самый что ни на есть настоящий RISC-компьютер, намного превзошедший по показателям производительности все прочие ПК. Впрочем, тогда коммерческий успех этой модели оказался весьма скромным — лишь через десятилетие 64-разрядные машины приобрели популярность, да и то лишь в качестве профессиональных серверов.

Невидимые компьютеры (пятое поколение)

В 1981 году правительство Японии объявило о намерениях выделить национальным компаниям 500 миллионов долларов на разработку компьютеров пятого поколения на основе технологий искусственного интеллекта, которые должны были потеснить «тугие на голову» машины четвёртого поколения. Однако, несмотря на большой шум, японский проект разработки компьютеров пятого поколения в конечном итоге показал свою несостоятельность и был аккуратно «задвинут в дальний ящик». В каком-то смысле эта ситуация оказалась близка той, с которой столкнулся Беббидж: идея настолько опередила свое время, что для её реализации не нашлось адекватной технологической базы. То, что можно назвать пятым поколением компьютеров, все же материализовалось, но в весьма неожиданном виде — компьютеры начали стремительно уменьшаться. Модель Apple Newton, появившаяся в 1993 году, наглядно доказала, что компьютер можно уместить в корпусе размером с кассетный плеер. Реализованный в Newton рукописный ввод, казалось бы, усложнил дело, но впоследствии пользовательский интерфейс подобных машин, которые теперь называются персональными электронными секретарями (Personal Digital Assistants, PDA), или просто карманными компьютерами, был усовершенствован и приобрел широкую популярность. Многие карманные компьютеры сегодня не менее мощны, чем обычные ПК двух-трехлетней давности.

Значительно большее значение придается так называемым «невидимым» компьютерам — тем, что встраиваются в бытовую технику, часы, банковские карточки и огромное количество других устройств. Процессоры этого типа предусматривают широкие функциональные возможности и не менее широкий спектр вариантов применения за весьма умеренную цену. Вопрос о том, можно ли свести эти микросхемы в одно полноценное поколение (а существуют они с 1970-х годов), остается дискуссионным. Факт в том, что они на порядок расширяют возможности бытовых и других устройств. Уже сейчас влияние невидимых компьютеров на развитие мировой промышленности очень велико, и с годами оно будет возрастать.

Дополнение

См. также

• Аппаратная платформа компьютера
• Архитектура персонального компьютера

Литература

• Таненбаум Э. С. Архитектура компьютера. 4-е изд. — СПб: Питер, 2002
• Slater, R. Portraits in Silicon, Cambridge, MA: M.I.T. Press, 1987.
• Bechini, A., Conte, T.M., and Prete, С A. «Opportunities and Challenges in Embedded Systems», IEEE Micro Magazine, vol. 24, pp. 8-9, July-Aug. 2004.
• Henkel, J., Ни, X.S., and Bhattachatyya, S.S. «Taking on the Embedded System Challenge», IEEE Computer Magazine, vol. 36, pp. 35-37, April 2003.
• Weiser, M. «The Computer for the 21st Century», IEEE Pervasive Computing, vol. 1, pp. 19-25, Jan.-March 2002; originally published in Scientific American, Sept. 1991.
• Lutz,J., and Hasan, A. «High Performance FPGA based Elliptic Curve Cryptographic Co-Processor», Proc. Int’l Conf. on Inf. Tech.: Coding and Computing, IEEE, pp. 486—492, 2004.
• Saha, D., and Mukherjee, A. «Pervasive Computing: A Paradigm for the 21st Century», IEEE Computer Magazine, vol. 36, pp. 25-31, March 2003.
• Sakamura, K. «Making Computers Invisible», IEEE Micro Magazine, vol. 22, pp. 7-11, 2002.

Примечания