Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция1
Содержание лекции:
Фундамент современного серьезного компьютерного образования составляют:
Научные предпосылки создания ЭВМ
Основы построения электронных вычислительных машин в их современном понимании были заложены в 30-е - 40-е годы прошлого века видными учеными:
Важнейшую роль в создании и эволюции ЭВМ сыграла наука «Кибернетика». Своим появлением кибернетика обязана американскому ученому профессору Масачусетского технологического института Норберту Винеру. В своей книге « Кибернетика, или управление и связь в животном и машине», изданной в в 1948 году он обосновал концепцию единого подхода к рассмотрению процессов управления в системах различной природы
Кибернетика- наука об общих закономерностях процессов управления в в системах любой природы ( в живых системах , природе и человеческом обществе)
Основные особенности кибернетики как самостоятельной научной области состоят в следующем:
Сущность метода, ставшего одним из самых мощных орудий развития науки и техники, состоит в замене интересующего нас объекта или процесса его моделью.
Модель — это другой объект, процесс или формализованное описание, (более удобное для рассмотрения, исследования, управления) характеристики которого подобны характеристикам интересующего нас реального объекта
Информация – важнейший ресурс управления
С позиций кибернетики управление есть процесс целенаправленной переработки информации. Информация есть предмет и одновременно результат труда в управлении.
Для правильного понимания архитектуры и эффективного использования ЭВМ необходимо познакомиться с основными свойствами информации .
Слово «информация» (латинское informatio) означает «разъяснение», «осведомление», «изложение».
Можно предложить более лаконичное определение информации.
Сама по себе информация может быть отнесена к категории абстрактных понятий типа математических, но ряд ее особенностей приближает информацию к материальным объектам. Так, информацию можно получить, записать, удалить, передать; информация не может возникнуть из ничего. Однако при распространении информации проявляется такое ее свойство, которое не присуще материальным объектам: при передаче информации из одной системы в другую количество информации в передающей системе не уменьшится, хотя в принимающей системе оно обычно увеличивается.
При отображении на носителе информация кодируется, то есть ей ставятся в соответствие форма, цвет, структура и другие параметры элементов носителя.
Автором многих основополагающих работ по теории информации (в частности, «Математическая теория связи», опубликованная в 1948 году в сборнике «Работы по теории информации и кибернетике» ), является Клод Шеннон.
Информация является предметом изучения такой науки как информатика.
Информатика – это наука, которая изучает общие закономерности обработки информации с помощью ЭВМ.
Информатика (фр. information — информация и automatique — автоматика) — область научно-технической деятельности, занимающаяся исследованием процессов получения, передачи, обработки, хранения, представления информации, решением проблем создания, внедрения и использования информационной техники и технологии во всех сферах общественной жизни.
Бытует и такое определение:
Информатика — это информация + автоматика.
Появление информатики вызвано осмыслением содержания и значения информации в системах управления и переходом
Однако все имеющиеся определения отражают наличие двух главных составляющих информатики — информации и соответствующих средств ее обработки
Но слово информатика неоднозначно, и следует различать информатику - науку, информатику - информационную технологию и информацику- отрассель промышленности.
Информатика как наука
Одна из многих разновидностей ИВС — вычислительные системы (ВС).
Вычислительная система — это совокупность одного или нескольких компьютеров или процессоров, программного обеспечения и периферийного оборудования, организованная для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов.
В вычислительной системе компьютер может быть один, но агрегированный с многофункциональным периферийным оборудованием. Стоимость периферийного оборудования часто во много раз превосходит стоимость компьютера. В качестве распространенного примера одномашинной ВС можно привести систему телеобработки информации.
Но все же классическим вариантом ВС является многомашинный и многопроцессорный варианты.
Информатика как информационные технологии
Информационная технология - система процедур преобразования информации с целью формирования, организации, обработки, распространения и использования информации. Основу современных информационных технологий составляют:
Информатика как отрасль промышленности
Информатика как отдельная отрасль промышленности включает в себя все основные и обеспечивающие предприятия и организации по обработке данных и производству алгоритмов, программ и средств вычислительной техники.
К основным элементам производственной структуры данной отрасли можно отнести:
В информатике можно выделить три составные части: hardware (аппаратные средства), software (программные средства), brainware (теоретические методы решения задач: brain – мозг, умственная способность).
ПЭВМ (РС – Personal Computer) – это электронное устройство, осуществляющее прием, обработку, хранение, выдачу информации в соответствии с командами пользователя.
Архитектура – это совокупность возможностей, предоставляемых МП или ПЭВМ пользователю, работающему на уровне машинных команд. В первом приближении можно сказать, что архитектура микропроцессора – это набор его команд.
Под структурой будем понимать совокупность блоков устройства и связей между ними.
Термин “архитектура ЭВМ” был введен в начале 60-х годов одной из групп специалистов фирмы IBM, работающей над реализацией проекта ЭВМ семейства IBM-360. Этот термин предназначался для описания общей программной модели семейства IBM-360 на уровне языка ассемблера. В соответствии с понятием архитектура модели ЭВМ могут иметь одну и ту же архитектуру, но отличаться схемной реализацией. Хотя каждая ЭВМ этого семейст ва и должна была соответствовать этому уровню, но некоторые элементы аппаратных средств, недоступные программисту, не были определены. Их уточнение про изводилось конструкторами каждой модели семейства ЭВМ, удовлетворяющей заданным ограничениям по быстродействию и стоимости. Такая идея проектирования семейства ЭВМ с одной и той же «архитектурой», в основу которой было положено главным образом программное обеспечение, была успешно реализована мно гими производителями ЭВМ.
Таким образом, архитектура вычислительной машины представляет собой «отпечаток», на основе которого строится ЭВМ. Строго говоря, это система команд и возможности по вводу и выводу. Машины, имеющие одинаковую архитектуру, могут выполнять одни и те же программы, и к ним можно подключить одинаковые устройства ввода и вывода.
Реализация компьютера "представляет собой схемное построение машины на основе заданной технологии. Производителям ЭВМ экономически целесообразно из менить реализацию одного из своих компьютеров заме ной отдельных модулей на функционально эквивалентные подсистемы с новым технологическим исполнением.
При этом аппаратное решение или организация подсистемы остаются неизменными, а реализация будет другой.
Статья Барка, Голдстайна и фон Неймана «Предва рительное обсуждение логической структуры ЭВМ», опубликованная в 1946 г., представляет собой самую интересную работу по архитектуре ЭВМ. Она была написана за 15 лет до того, как впервые был введен термин «архитектура ЭВМ». Интересно сравнить предложенную названными авторами структуру со всеми известными к настоящему времени структурами ЭВМ.
Вычислительная машина Джона фон Неймана
Общепринятая сегодня архитектура компьютеров не менялась с 1946 года, т. е. в течение примерно 70 лет.
В начале 40-х годов практически все разработки компьютеров выполнялись на базе электромеханических реле. Первой подобной разработкой был небольшой компьютер на основе нескольких электромеханических реле, выполненный немецким инженером Конрадом Цузе. Но из-за войны работы Цузе не были опубликованы. В США в 1943 году на одном из предприятий фирмы IBM американец Говард Эйкен создал более мощный компьютер под названием “Марк-1”. В качестве устройства ввода-вывода в компьютере использовались перфокарты. Компьютер уже позволял проводить вычисления в сотни раз быстрее, чем вручную (с помощью арифмометра), и реально использовался для военных расчетов. Однако электромеханические реле работали весьма медленно и недостаточно надежно. Поэтому, начиная с 1943 года, в США группа специалистов под руководством Джона Мочли и Преспера Эккерта начала конструировать компьютер ENIAC на основе электронных ламп. Созданный ими компьютер работал в тысячу раз быстрее, чем “Марк-1”. Однако обнаружилось, что большую часть времени этот компьютер простаивал – ведь для задания метода расчетов (программы) в этом компьютере приходилось в течение нескольких часов или даже нескольких дней подсоединять нужным образом провода. А сам расчет после этого мог занять всего лишь несколько минут или даже секунд. Чтобы упростить и ускорить процесс задания программ, Мочли и Эккерт стали конструировать новый компьютер, который мог бы хранить программу в своей памяти. В 1945 году к работе был привлечен талантливый венгерский математик и физик Джон фон Нейман. Основные архитектурно-функциональные принципы построения ЦВМ были разработаны и опубликованы в 1946 году Джоном фон Нейманом и его коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом в ставшем классическим отчете “Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства”. Большинство современных ПЭВМ имеют традиционную фоннеймановскую структуру (см. рис 1) и работают в соответствии с принципами фон- Неймана по циклу управления фон-Неймана ( см рис.2.)
Архитектура фон Неймана (англ. von Neumann architecture) — широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», однако, соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.
Наличие заданного набора исполняемых команд и программ было характерной чертой первых компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют с целью упрощения конструкции вычислительного устройства. Так, настольные калькуляторы, в принципе, являются устройствами с фиксированным набором выполняемых программ. Их можно использовать для математических расчётов, но невозможно применить для обработки текста и компьютерных игр, для просмотра графических изображений или видео. Изменение встроенной программы для такого рода устройств требует практически полной их переделки, и в большинстве случаев невозможно. Впрочем, перепрограммирование ранних компьютерных систем всё-таки выполнялось, однако требовало огромного объёма ручной работы по подготовке новой документации, перекоммутации и перестройки блоков и устройств и т. п.
Всё изменила идея хранения компьютерных программ в общей памяти. Ко времени её появления использование архитектур, основанных на наборах исполняемых инструкций, и представление вычислительного процесса как процесса выполнения инструкций, записанных в программе, чрезвычайно увеличило гибкость вычислительных систем в плане обработки данных. Один и тот же подход к рассмотрению данных и инструкций сделал лёгкой задачу изменения самих программ.
Рис.1. Структура ЭВМ фоннеймановского типа
Рис.2. Цикл управления по фон Нейману.
Принципы фон Неймана
1. Принцип двоичного кодирования.
Согласно этому принципу для представления данных и команд в ЭВМ используется двоичная система счисления
2. Принцип программного управления
Машина выполняет вычисления по про грамме. Программа состоит из набора команд, которые исполняются автоматически друг за другом в определенной последовательности. Kоманды из программы не всегда выполняются одна за другой. Возможно присутствие в программе команд условного перехода, которые изменяют последовательность выполнения команд в зависимости от значений данных. (Сам принцип был сформулирован задолго до фон Неймана Адой Лавлейс и Чарльзом Бэббиджем, однако он логически включен в фоннеймановский набор как дополняющий данный принцип.)
3.Принцип хранимой программы
В процессе решения задачи программа ее испол нения должна размещаться в запоминающем устройстве машины, обладающем высокой скоростью выборки и записи.
4. Принцип однородности памяти.
Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти и кодируются в одной и той же системе счисления — чаще всего двоичной.
Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
5 . Принцип адресности основной памяти.
Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, каждая из которых доступна программе в любой момент времени по ее двоичному адресу или по присвоенному ей имени (имя ячейке при сваивается в программе, и соответствующий этому имени адрес храниться на протяжении всего времени выполнения программы).
Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.
6. Принцип иерархичности ЗУ .
Трудности физической реализации ЗУ, быстродействие которого соответствовало бы скорости работы логических схем, требует иерархической организации памяти.
Следует отметить, что термин “компьютер” устойчиво заменил более длинное слово “электронная вычислительная машина” и аббревиатуру ПЭВМ.
Одним из крупнейших достижений интегральной электроники явилось появление в начале 70-х годов микропроцессоров (МП).
Микропроцессором (МП) называется программно-управляемое устройство, осуществляющее прием, обработку и выдачу цифровой информации, построенное на основе одной или нескольких больших интегральных схем (БИС). МП нельзя рассматривать как результат революционного открытия. Это скорее естественный этап в эволюции микроэлектронной технологии.
В процессе более чем 30-летнего развития произошла дифференциация микропроцессоров по функционально-структурным особенностям и областям применения. В настоящее время имеются следующие основные классы микропроцессоров (рис. 1): универсальные микропроцессоры; микроконтроллеры; сигнальные процессоры.
Рис. 1. Основные классы микропроцессоров
Универсальные микропроцессоры предназначаются для применения во всех типах вычислительных устройств: персональных ЭВМ, рабочих станциях, а в последнее время и в массово-параллельных суперЭВМ. Кроме того, универсальные микропроцессоры используются в телекоммуникационном оборудовании, системах автоматического управления и встроенной промышленной автоматике. Основной характеристикой этих микропроцессоров является наличие развитых устройств для эффективной реализации операций с плавающей точкой над 32- и 64-разрядными и более длинными операндами. В последнее время в состав этих микропроцессоров включаются функциональные блоки для обработки мультимедийной информации.
Микроконтроллер (МК, MCU – MicroController Unit) – это микропроцессорное устройство, специализированное на выполнение определенных функций управления, регулирования, идентификации. От обычного микропроцессора он отличается наличием встроенных таймеров, счетчиков, ПЗУ, ОЗУ, схем сравнения, аналого-цифрового преобразования, последовательной связи и т. д. Общее число типов кристаллов МК с различными системами команд превышает 500, и все они, в силу существования изделий с их использованием, занимают свою устойчивую долю рынка. Лидером в производстве микроконтроллеров является фирма Motorola (около 15 % общемирового выпуска), в числе ведущих производителей этих изделий находятся также фирмы NEC, Mitsubishi, Hitachi, Intel, Texas Instruments, Philips, Atmel, ST – Microelektronics, Microchip.
Сигнальные процессоры (Digital Signal Processor (DSP), цифровой процессор обработки сигналов (ЦПОС))– относятся к классу специализированных микропроцессоров, ориентированных на выполнение алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС) в реальном времени. Это обусловливает их сравнительно малую разрядность и преимущественно целочисленную обработку. Однако современные сигналь ные процессоры способны проводить вычисления с плавающей точкой над 40-разрядными операндами.
Основными производителями DSP являются фирмы Texas Insru ments, Analog Devices, Motorola, NEC.
В курсе лекций будут рассмотрены универсальные процессоры и микроконтроллеры. Изучению ЦПОС будут посвящены соответствующие дисциплины.
Микропроцессоры классифицируют по таким признакам:
Классификация МП по назначению и областям применения
В процессе более чем 30-летнего развития произошла дифференциация микропроцессоров по назначению и областям применения. В настоящее время имеются следующие основные классы микропроцессоров
Универсальными микропроцессорами являются МП общего назначения, которые решают широкий класс задач вычисления, обработки и управления.
Специализированные микропроцессоры предназначены для решения задач лищь определенного класса .К специализированным МП относят микроконтроллеры и цифровые процессры обработки сигналов
В зависимости от типа организации системы команд мп делятся на
По числу больших интегральных схем (БИС) в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры:
Однокристальный микропроцессор — это конструктивно законченное изделие в виде одной БИС
Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса.Другое название однокристальных МП — микропроцессоры с фиксированной разрядностью данных.
К этому типу относятся процессоры компаний Intel Pentium (Р5, Р6, Р7), AMD К5,К6, Cyrix — 6x86, Diqtal Equipment — Alpha 21064, 21164A, Silicon Graphics ■.— MIPS R10000, Motorola — Power PC 603, 604, 620, Hewlett-Packard — PA-8000, Sun Micro-systems — Ultra SPARC II,
Функциональная структура процессора (а) и ее разбиение для реализации процессора в виде комплекта секционных БИС приведена на рис.
На рис. а), содержащего БИС операционного (ОП), БИС управляющего (УП) и БИС интерфейсного (ИП) процессоров.
На рис. б) показано функциональное разбиение структуры микропроцессора при создании трехкристального секционированного микропроцессора (пунктирные вертикальные линии)
Краткая запись разрядности МП
Разрядность МП обозначается m/n/k/ и включает:
■ m - разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;
■ n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;
■ к - разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства.
Например, МП 18088 характеризуется значениями m/n/k=16/16/20
а МП J8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20
Микропроцессорная система — это вычислительная, контрольно-измерительная или управляющая система, основным устройством обработки информации в которой является МП, Микропроцессорная система строится из набора микропроцессорных БИС ,входящих в состав микропроцессрного комплекта (МПК).
Мультимикропроцессорная (или мультипроцессорная) система — система, которая образуется объединением некоторого количества универсальных или специализированных МП, благодаря чему обеспечивается параллельная обработка информации и распределенное управление.
Микропроцессорный комплект (МПК) — совокупность интегральных схем, совместимых по электрическим, информационным й конструктивным па раметрам и предназначенных для построения электронно-вычислительной аппаратуры и микропроцессорных систем управления. В типичный состав МПК входят:
Состав МПК БИС К580
Тип БИС Наименование
КР580ВМ80 Микропроцессор
КР580ВВ55 Программируемый параллельный интерфейс
КР580ВВ51 Программируемый последовательный интерф
KP58GBH59 Программируемый контроллер прерываний
КР580ВИ53 Программируемый таймер
KF58DBKT8 Системный контроллер
КР580ГФГ*] Генератор тактовых сигна пов
КР580ВТ57 Контроллер прямого доступа к памяти
КР580ВВ7? Программируемый интерфейс i-паьиатуры и индикации
КР580ВГ72 Контроллер КГМД
КР580ВГ75 Контроллер видеотерминала
КР580ВАВ6 Шинный ф ормирователь
Состав МПК серии К1810
|
Тип микросхемы |
Назначение |
|
К1810ВМ86 |
Однокристальный высокопроизводительный 16-ти разрядный микропроцессор |
|
К1810ВМ87 |
Арифметический сопроцессор |
|
К1810ВМ88 |
Центральный процессор с 8-и разрядной шиной данных |
|
К1810ВМ89 |
Процессор ввода-вывода |
|
К1810ВГ88 |
Системный контроллер |
|
К1810ВБ89 |
Арбитр системной шины |
|
К1810ГФ84 |
Тактовый генератор |
|
К1810ВН59 |
Программируемый контроллер приоритетных прерываний |
|
К1810ВИ54 |
Программируемый интервальный таймер |
|
К1810ВТ02 |
Контроллер динамической памяти (16 К) |
|
К1810ВТ03 |
Контроллер динамической памяти (64 К) |
|
К1810ИР82 |
Регистр-защелка |
|
К1810ВА86/87 |
Шинный формирователь |
|
К1810ВВ79 |
Контроллер клавиатуры |
С развитием вычислительной техники расширяется и сфера ее использования, изменяется и терминология.
Термины «вычислительная машина», «вычислительная система», «вычислительная сеть» выросли из своего дословного толкования в части прилагательного «вычислительная».
Уже давно названные объекты выполняют не только и не столько вычисления, сколько преобразования информации, а именно накопление, хранение, организацию, толкование информации, то есть представляют собой фактически информационные системы. Тем не менее еще и сейчас в литературе часто используются традиционные, исторически сложившиеся их названия.
Что касается толкования понятия «вычислительная система», то имеются различные его определения:
Вычислительная система может содержать лишь один компьютер, ибо начиная с 70-х годов компьютеры стали оснащаться многочисленными внешними устройствами, которые в совокупности действительно составляют систему.
В в нашем курсе мы будем придерживаться следующего определения:
Вычислительная система — совокупность
организованного для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов
Под ресурсом понимается любой логический или физический компонент ЭВМ и предоставляемые им возможности. Основные ресурсы — это процессор (процессорное время), память и доступ к внешним устройствам.
Управление ресурсами состоит в выполнении следующих двух основных функций:
Их реализация позволяет «спрятать» аппаратные особенности ЭВМ и тем самым предоставить в распоряжение пользователей и программистов «виртуальную машину» (на самом деле не существующую, воображаемую). Виртуальная машина гораздо проще реальной. В этом смысле ОС может рассматриваться как средство отображения виртуальной машины на реальное аппаратное обеспечение.
Общение с виртуальной машиной может осуществляться через два практически независимых канала: пользовательский интерфейс и программный интерфейс.
Под процессом (задачей) понимается программа со всеми наборами данных, необходимых для ее выполнения (входные дан ные), а также являющихся продуктом ее деятельности (выходные данные). Процесс — минимальная единица работы, для которой выделяются ресурсы. Управление процессами подразумевает загрузку процессов в вычислительную систему, выделение им ресурсов, осуществление прогона и выдачу результатов. Характер управления процессами во многом определяется режимом работы виртуальной машины (т.е. ЭВМ и ОС). Осуществляться через два практически независимых канала: пользовательский интерфейс и программный интерфейс.
Иерархическое описание ЭВМ Современные многоуровневые машины
Большинство современных компьютеров состоит из двух и более уровней. Существуют машины даже с шестью уровнями (рис. 1.2). Уровень 0 — это аппаратное обеспечение машины. Электронные схемы на уровне 1 выполняют машин но-зависимые программы. Ради полноты нужно упомянуть о существовании еще одного уровня, который расположен ниже нулевого. Этот уровень не показан на рис. 1.2, так как он попадает в сферу электронной техники и, следовательно, не рассматривается в этой книге. Он называется уровнем физических устройств. На этом уровне находятся транзисторы, которые для разработчиков компью теров являются примитивами. Объяснить, как работают транзисторы, — задача физики.
На самом нижнем уровне из тех, что мы будем изучать, а именно, на цифровом логическом уровне, объекты называются вентилями. Хотя вентили состо ят из аналоговых компонентов, таких как транзисторы, они могут быть точно смоделированы как цифровые устройства. У каждого вентиля есть один или не сколько цифровых Bxoдов (сигналов, представляющих 0 или 1). Вентиль вычисляет простые функции этих сигналов, такие как И или ИЛИ. Каждый вентиль формируется из нескольких транзисторов. Несколько вентилей формируют 1 бит памяти, который может содержать 0 или 1. Биты памяти, объединенные в группы, например, по 16, 32 или 64, формируют регистры. Каждый регистр мо жет содержать одно двоичное число до определенного предела. Из вентилей так же может состоять сам компьютер. Подробно вентили и цифровой логический уровень мы рассмотрим в главе 3.
Следующий первый уровень называется уровнем мнкроархнтектуры. На этом уровне находятся совокупности 8 или 32 регистров, которые формируют локальную па мять и схему, называемую АЛУ (арифметико-логическое устройство). АЛУ выполняет простые арифметические операции. Регистры вместе с АЛУ форми руют тракт данных, по которому поступают данные. Тракт данных работает сле дующим образом. Выбирается один или два регистра, АЛУ производит над ними какую-либо операцию, например сложения, после чего результат вновь помеща ется в один из этих регистров.
На некоторых машинах работа тракта данных контролируется особой про граммой, которая называется микропрограммой. На других машинах тракт дан ных контролируется аппаратными средствами. В первых трех изданиях книги мы назвали этот уровень «уровнем микропрограммирования», потому что рань ше на нем почти всегда находился программный интерпретатор. Поскольку сей час тракт данных обычно контролируется аппаратным обеспечением, мы изме нили название, чтобы точнее отразить смысл.
На машинах, где тракт данных контролируется программным обеспечением, микропрограмма — это интерпретатор для команд на уровне 2. Микропрограмма вызывает команды из памяти и выполняет их одну за другой, используя при этом тракт данных. Например, при выполнении команды ADD она вызывается из памяти, ее операнды помещаются в регистры. АЛУ вычисляет сумму, а затем ре зультат переправляется обратно. На компьютере c аппаратным контролем тракта данных происходит такая же процедура, но при этом нет программы, интерпре тирующей команды уровня 2.
Уровень 2 мы будем называть уровнем архитектуры набора команд. Каждый производитель публикует руководство для компьютеров, которые он продает, под названием «Руководство но машинному языку X», «Принципы работы компью тера У» и т. п. Подобное руководство содержит информацию именно об этом уровне. Описываемый в нем набор машинных команд в действительности вы полняло) микропрограммой-интерпретатором или аппаратным обеспечением. Если производитель поставляет два интерпретатора для одной машины, он дол жен издать два руководства по машинному языку, отдельно для каждого интер претатора.
Следующий 3 уровень обычно является гибридным. Большинство команд в его языке есть также и на уровне архитектуры набора команд (команды, имеющиеся на одном из уровней, вполне могут быть представлены и на других уровнях). У этого уровня есть некоторые дополнительные особенности: новый набор ко манд, другая организация памяти, способность выполнять две и более программы одновременно и некоторые другие. При построении уровня 3 возможно больше вариантов, чем при построении уровней 1 и 2.
Новые средства, появившиеся на уровне 3, выполняются интерпретатором, ко торый работает на втором уровне. Этот интерпретатор был когда-то назван опе рационной системой. Команды уровня 3, идентичные командам уровня 2. выпол няются микропрограммой или аппаратным обеспечением, но не операционной системой. Другими словами, одна часть команд уровня 3 интерпретируется опе рационной системой, а другая часть - микропрограммой. Вот почему этот уро вень считается гибридным. Мы будем называть этот уровень уровнем операци онной системы
Между уровнями 3 и 4 есть существенная разница. Нижние три уровня задуманы не для того, чтобы с ними работал обычный программист. Они изначально ориентированы на интерпретаторы и трансляторы, поддерживающие более вы сокие уровни. Эти трансляторы и интерпретаторы составляются так называемыми системными программистами, которые специализируются на разработке новых виртуальных машин. Уровни с четвертого и выше предназначены для приклад ных программистов, решающих конкретные задачи.
Еще одно изменение, появившееся на уровне 4, — механизм поддержки более высоких уровней. Уровни 2 и 3 обычно интерпретируются, а уровни 4, 5 и выше обычно, хотя и не всегда, транслируются.
Другое различие между уровнями I, 2, 3 и уровнями 4, 5 и выше - особен ность языка. Машинные языки уровней 1, 2 и 3 - цифровые. Программы, напи санные на этих языках, состоят из длинных рядов цифр, которые воспринимают ся компьютерами, но малопонятны для людей. Начиная с уровня 4, языки содержат слова н сокращения, понятные человеку.
Уровень 4 представляет собой символическую форму одного из языков более низкого уровня. На этом уровне можно писать программы в приемлемой для че ловека форме. Эти программы сначала транслируются на язык уровня 1, 2 или 3, а затем интерпретируются соответствующей виртуальной или фактически суще ствующей машиной. Программа, которая выполняет трансляцию, называется ас семблером.
Уровень 5 обычно состоит из языков, разработанных для прикладных про граммистов. Такие языки называются языками высокого уровня. Существуют сотни языков высокого уровня. Наиболее известные среди них — С, С++, Java, LISP и Prolog. Программы, написанные на этих языках, обычно транслируются на уровень 3 или 4. Трансляторы, которые обрабатывают эти программы, назы ваются компиляторами. Отметим, что иногда также имеет место интерпретация. Например, программы на языке Java сначала транслируются на язык, напоми нающий ISA и называемый байт-кодом Java, который затем интерпретируется.
В некоторых случаях уровень 5 состоит из интерпретатора для конкретной прикладной области, например символической логики. Он предусматривает дан ные и операции для решения задач в этой области, выраженные при помощи специальной терминологии.
Таким образом, компьютер проектируется как иерархическая структура уров ней, которые надстраиваются друг над другом. Каждый уровень представляет со бой определенную абстракцию различных объектов и операций. Рассматривая компьютер подобным образом, мы можем не принимать во внимание ненужные нам детали и, таким образом, сделать сложный предмет более простым для пони мания.