ЛЕКЦИЯ №1
СУЩНОСТЬ АРХИТЕКТУРЫ, ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ «АРХИТЕКТУРА ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ».
План лекции.
1. Основные понятия архитектуры.
2. Задачи архитектуры.
1. Основные понятия архитектуры .
Строительство относится к наиболее древним видам человеческой деятельности, а это значит, что уже много тысячелетий тому назад закладывались основы архитектуры.
Начало архитектуры как искусства появилось на высшей ступени варварства, когда в строительстве начинают действовать не только законы необходимости, но и законы красоты.
За многие тысячелетия своего существования архитектура понималась и определялась по-разному, но всегда в зависимости от тех задач, которые ставились перед ней на конкретном историческом этапе развития общества.
Слово «архитектура » происходит от греческого слова «architecton », что значит «главный строитель». Синоним его – русское «зодчество » от слова созидать.
Классическим определением архитектуры служила фраза “искусство строить здания ”, а также данное римским теоретиком архитектуры (1в.н.э.) Марком Витрувием определение задач архитектора:
“... Все это должно делать, принимая во внимание прочность, пользу и красоту”.
И если эти задачи в строительном понимании, разумеется, имеют значение и для нашего времени, то определение, безусловно, не характеризует того, чем же занимается современная архитектура.
В той или иной мере определениями архитектуры являются:
“Архитектура – есть искусство организовывать пространство, и она реализует себя в строительстве”. Огюст Перре.
“Архитектура – тоже летопись мира: когда молчат уже и песни и предания и когда уже ничто не говорит о погибшем народе” Н. Гоголь.
Среди определений архитектуры данных в разное время разными людьми и часто не архитекторами есть и такие как:
Архитектура – искусство, доходящее до божественного.
Архитектура – украшение, которое строят.
Архитектура – песнь взволнованного разума.
Можно выделить и ряд других определяющих задачи архитектуры:
архитектура – свет,
архитектура – строительство,
архитектура – среда,
архитектура – деятельность.
Вероятно, односторонне определить архитектуру невозможно. Становится ясным, что это многосложное явление, где переплетаются и слиты воедино качественно разные материалы и духовные явления. Т.е. мы имеем дело со сложной соподчиненной системой. И вероятно в архитектуре выступают в двуединстве и материальное и духовное. Причем, это то и является наиболее важным. Эти стороны архитектуры не равнозначны. Материальное имеет для общества решающее значение. Архитектурные сооружения и комплексы, целые города и поселки нас интересуют как пространственная среда для жизненных процессов общества. Вместе с тем архитектурные сооружения и ансамбли обладают своеобразной выразительностью, являются произведениями архитектурного искусства.
Поэтому при рассмотрении определения архитектура, исходя из задач стоящих перед ней на данном этапе исторического развития, будем основываться на следующем определении:
Архитектура – это создаваемые в процессе проектирования и строительства архитектурные сооружения и комплексы, в которых инженерно-конструктивными средствами создается пространственная организация труда, быта и культуры, причем одновременно возникает своеобразное специфическое выражение этой среды как искусства.
Это определение может быть условно формализовано в виде схемы.
а – архитектурный замысел и проектирование Архитектурное проектирование – область духовного производства, требуемого сочетания инженерных и социальных расчетов с художественным творчеством.
с– строительство (материальное производство) – реализуется в конструкциях, но к ним не сводится.
Итак, архитектурное проектирование – моделирует, строительство реализует (причем общество интересуют не сами конструкции, а то пространство, что они ограждают).
Вторым аспектом архитектуры как системы является объект архитектуры (среда).
Материально-техническая природа строительства прямо реализуется в инженерно-конструктивной подоснове сооружений ПР – прочность. Реальное архитектурное сооружение немыслимо без инженерных конструкций, но никак не сводится к ним.
Куда сложное обстоит дело с определением социальной природы назначения жилых и общественных сооружений.
Сложность здесь в том, что социальные процессы, протекающие в жилище, школе, театре, качественно многообразны. И все же в этой широкой сфере, которую Витрувий обозначил емким словом “польза”, есть определенная общность: все здания и сооружения вызваны к жизни общественными потребностями, созданы в результате строительства как вида производства материальных благ и являются именно материальными благами.
П – польза , социально-функциональная подоснова.
Т.о., основное социальное назначение архитектурных сооружений – являть собой материальные (и культурные) блага, служащие для пространственной организации почти всех социальных процессов – труда и быта, развлечений и культуры и т.д. В том и состоит главная материальная функция самых разнообразных архитектурных сооружений.
У – утилитарные (практические) функции.
Но архитектурные сооружения должны обладать, кроме того, и художественными качествами – А – “архитектура как искусство”. Художественная сторона архитектуры в большей мере выражает социальное назначение разных типов сооружений, конструктивный строй (тектонику) сооружений, а также ряд общих социально-художественных идей: гуманизм, демократизм, представления об эстетическом идеале эпохи “застывшая музыка”. Т.о. архитектура всегда и закономерно должна быть искусством и уже поэтому – культурным благом, создавать художественные ценности.
Главное в архитектуре для общества – это двуединство социального материального назначения и художественной выразительности. Однако бывает, что зодчие забывают об этом и в результате впадают или в грех декоративизма, украшательства, эклектики (конец 30-х и 40 г.г.) - рабочие клубы советские зодчие воздвигали в виде помещичьих хоромов и т.д. или же пренебрежение. художественной выразительностью привело к упрощенчеству “голому” конструктивизму – “черемушки”.
Ставя основной задачей организацию материального пространства для практических целей, архитектура одновременно служит и средством эмоционального воздействия на человека, удовлетворяя, таким образом, не только его материальные, но и духовные запросы, в частности эстетические, являясь одним из видов искусств.
Значение архитектуры как фактора, оказывающего влияние на сознание людей в общественной жизни и в быту, определяется повседневным, неизбежным, непрерывным воздействием ее на человека. Человек живет, работает, отдыхает, постоянно испытывая на себе ее влияние. В этом отличии архитектуры от других видов искусств, оказывающих временное воздействие, поддающееся регулированию.
Архитектура определяется теми условиями, в которых она возникает и развивается, и в первую очередь общественными отношениями, а также материальными факторами – уровнем развития производительных сил, состоянием строительной техники, природными условиями. Социально-экономическая обусловленность архитектуры способствует выявлению особенностей и черт, присущих каждому общественному строю. Это сказывается в преобладании в тех или иных типов сооружений, их функциональном содержании, в способах решения эстетических задач. Образная выразительность, способность воздействовать на чувства, а через них на сознание людей делает архитектуру серьезным идейным оружием. Это свойство архитектуры широко использовалось господствующими классами в разные исторические эпохи. Так архитектура Древнего Египта являлась отражением технократического, абсолютного строя, господства касты жрецов. Монументальные сооружения (например, пирамиды) были призваны утверждать могущество обожествленных властителей.
Архитектурный образ проектируемого объекта зачастую раскрывается с помощью монументального искусства: живописи, скульптуры. И в этом смысле архитектура – это синтез искусств, строительного и монументального.
Архитектурный образ - выявленная художественными средствами идейная и материальная сущность сооружения; художественная выразительность объекта.
Основой архитектурного образа является архитектурная композиция.
Архитектурная композиция – взаимосвязь объемно-пространственных и планировочных элементов здания (сооружения) или элементов среды связанных идейной задумкой и назначением.
Художественная выразительность здания построена на законах архитектоники.
Архитектоника – художественный способ композиции, построенный на единстве конструктивной и художественно-образной формы.
Функциональная, конструктивная и эстетическая особенности архитектуры изменялись в ходе истории и воплощались в архитектурном стиле.
Архитектурный стиль – совокупность основных черт и признаков архитектуры определенного времени и места, проявляющихся в особенностях ее функциональной, конструктивной и художественной сторон (приемы построения планов и объемов композиций зданий, строительные материалы и конструкции, формы и отделка фасадов, декоративное оформление интерьеров).
С древнейших времен и вплоть до середины XIX века господствующую конструктивную основу архитектуры составляла стоечно-балочная система.
Принцип сочетания вертикали-опоры и горизонтали-балки остается неизменным и в легких деревянных колоннах китайского и японского дома-павильона, и в массивных колоннах египетских храмов, достигавших 20 м в высоту и по форме уподобленных лотосу. Декоративность, свойственная архитектуре раннего периода её развития, – это попытка скрыть, декорировать стоечно-балочную конструкцию за формами, заимствованными у природы. Зодчие на протяжении долгих веков не решались открыть строгую красоту самой конструкции. Впервые открыть конструкцию стало возможным в Древней Греции, родине архитектурного ордера.
Архитектурный ордер –художественно осмысленный порядок размещения несущих и несомых элементов стоечно-балочной конструктивной системы, их структура и художественная обработка.
Формы античного ордера являются универсальными по отношению к материалу: они воспроизводят работу стоечно-балочной конструкции в камне, дереве, бетоне.
Однако при всей эстетической гармонии античного ордера возможности применения его ограничены относительно небольшими размерами перекрываемого пролета. В развитие этой задачи римляне впервые соединили ордер со стеной и обратились к опыту стран Древнего Востока, Месопотамии, Персии, для которых традиционными являлись купольные конструкции перекрытий.
Бетонный купол римского Пантеона (125 г.н.э.) с диаметром основания 43 м стал первой в истории человечества большепролетной конструкцией.
Купол – пространственная несущая конструкция покрытия, по форме близкая к полусфере или другой поверхности вращения кривой (эллипса, параболы и т.п.). Купольные конструкции позволяют перекрывать значительные пространства без дополнительных промежуточных опор.
Аркада – ряд одинаковых по размеру и форме арок, связанных между собой, опирающихся на колонны или столбы; нашла широкое применение при устройстве открытых галерей, опор мостовых сооружений.
Ордерная аркада – аркада в сочетании с накладным ордером.
Аркатура – украшение стены в виде ряда декоративных арок.
2. Задачи архитектуры.
Главная и извечная задача архитектуры – поиск оптимальной взаимосвязи функции и формы . То, что мы привыкли считать и называть архитектурой, – это форма архитектурного произведения, граница между внешним и внутренним пространством. Организация внутреннего пространства и определяет характер функционального использования архитектурного сооружения, а значит его человеческую полезность. Таким образом, объект архитектуры, архитектурное пространство несет не только утилитарный смысл, но и конструктивную основу, художественное содержание.
Вся история архитектуры – это история поиска гармоничного единства функции, конструкции и формы, обозначенного триадой Витрувия. Недооценка формы, ее красоты, в угоду соображениям пользы, нарушает единство и гармонию архитектуры, оборачивается социальным дискомфортом, функциональной неполноценностью архитектурного произведения. И наоборот, что выгодно для строителей и производственников, – не всегда совпадает с удобствами, пользой, эстетическими качествами, которые сформулировал Витрувий в своей триаде.
Функция, конструкция, форма – три составляющие единого архитектурного произведения , которые и определяют три основные группы его характерных качеств:
– функциональные (удобство, польза);
– конструктивные (прочность, экономичность);
– эстетические (красота, художественный образ, выражающие идейное содержание).
От функционального назначения (жилое, общественное или промышленное здание) зависит тип архитектурного сооружения, его композиционное решение: количество, состав помещений в нем, их взаимное расположение и размеры.
Долгое, на протяжении тысячелетий, использование камня как основного строительного материала ограничивало возможности архитектурных конструкций, размеры зданий и сооружений, их формы, перекрываемые пролеты, общее композиционное решение. С началом применения в строительстве металла и железобетона связывают новую эпоху в архитектуре, эпоху неограниченных конструктивных возможностей, свободных архитектурных форм, больших внутренних объемов и новой эстетики.
Архитектуре свойственно сочетание лучших традиций предшествующих стилей с новыми решениями в процессе формирования новых архитектурных направлений. Так, античный ордер надолго стал поистине международным эталоном красоты, образцом эстетической выразительности, конструктивной, рациональности для ряда архитектурных стилей.
3. Задачи и содержание дисциплины “Архитектура зданий и сооружений”.
Изучение дисциплины “Архитектура зданий и сооружений” – одно из основных направлений профессионального формирования инженера-строителя. Она синтезирует в себе знания, полученные студентами по всем другим специальным дисциплинам.
В дисциплине “Архитектура зданий и сооружений” изучается предмет будущей творческой деятельности инженеров-строителей – проектирование и строительство гражданских и промышленных зданий и сооружений.
В недалеком прошлом всеми этими вопросами занимался один человек, обычно архитектор. В дальнейшем, по мере развития науки и техники, увеличения размеров зданий, усложнения их конструктивных форм и оборудования один специалист уже не мог квалифицированно решать все многообразные архитектурные и инженерные задачи, связанные с проектированием и возведением зданий. В настоящее время в проектировании и строительстве зданий участвует большой коллектив специалистов – инженеры разного профиля и архитекторы.
Инженеры-геологи и геодезисты дают необходимые данные о месте строительства – технические характеристики геологических и гидрогеологических условий, размеры и рельеф участка, отведенного под строительство. В процессе проектирования архитектор составляет планы будущего здания, его объемно-пространственную композицию, создает художественный образ сооружения; инженер-строитель воплощает объемно-планировочное решение в материалах и конструкциях, рассчитывает их на прочность, устойчивость и т.д.; специалисты по теплогазоснабжению и вентиляции, водоснабжению и канализации проектируют санитарно-техническое оборудование; инженеры-механики и инженеры-электрики – инженерное оборудование (например, лифты) и электрооборудование (электроосветительные, электросиловые, телефонные и радиосети, пожарную сигнализацию и т.п.). В объемно-планировочном решении часто принимают участие инженеры-технологи, например, машиностроители, если проектируется автомобильный завод, поскольку объемно-планировочное решение зависит от технологии производства, но это только проектирование. В дальнейшем процессе строительства также участвуют все перечисленные специалисты, руководя возведением конструкций, монтажом систем санитарно-технического и инженерного оборудования здания. К этому коллективу надо также отнести инженеров-технологов-строителей, создающих на заводах строительные изделия и детали, из которых строится (собирается) здание.
Все специалисты, участвующие в проектировании зданий, должны хорошо представлять себе объект своего труда, знать в нужном объеме область деятельности каждого специалиста, чтобы находить согласованные решения и получить в итоге оптимальную объемно-пространственную структуру здания в целом и его отдельных элементов.
Особенно тесное взаимодействие необходимо между архитектором и инженером. Развитие архитектуры и строительной техники протекает в диалектическом взаимодействии, т.е. возникновение новых типов зданий способствует созданию новых материалов и конструкций, которые, в свою очередь, стимулируют появление новых типов зданий, новых архитектурных форм. Это диалектическое единство строительной техники и архитектуры – необходимое условие для их прогрессивного развития. Если конструкция в архитектуре прошлого имела большие запасы прочности в виде излишнего, инертного по отношению к работе конструкций материала, то современные конструкции и направление их дальнейшего развития основаны на всемерном использовании прочностных свойств материала и формы конструкции, где этот материал работает наивыгоднейшим образом. Отсюда и архитектурное формообразование происходит за счет использования конструкции в ее наиболее чистом виде, освобожденном от неоправданных условиями статической работы элементов, широко используемых в прошлом в декоративных целях. Иначе говоря, архитектура сооружения, его выразительность, привлекательный внешний вид или интерьер во многом определяются конструкцией, над которой работает инженер-строитель.
От конструктивного решения здания зависят также его функциональные качества, качества той искусственной среды, которая создается для труда и отдыха человека. И в решении этих проблем также требуется тесное взаимодействие между архитектором и инженером. Поэтому инженер обязан знать основы архитектуры, понимать тенденции ее развития, чтобы успешно решать творческие задачи по созданию удобных, красивых, прочных и экономичных зданий и сооружений.
В соответствии с этим дисциплина “Архитектура зданий и сооружений” включает изучение основ их архитектурного проектирования, т.е. принципов объемно-планировочной структуры зданий, их внешнего вида и внутреннего облика (интерьера) в тесной связи с конструктивным решением. Рассматриваются все виды конструкций гражданских и промышленных зданий, но в разных аспектах, с разной степенью подробности, их классификация, области применения, принципы работы конструкций в сооружении, их роль в формировании объемно-планировочного и архитектурно-художественного решения здания и общие технико-экономические характеристики.
Вопросы теплопередачи, воздухопроницаемости и влажностного состояния конструкций, вопросы звукоизоляции, а также акустики и светотехники – предмет изучения “Строительной физики”.
Основная задача строительной физики – научное обоснование применения в строительстве таких материалов и конструкций, а также выбора таких размеров и формы помещений, которые обеспечили бы оптимальные температурно-влажностные, акустические и светотехнические условия в помещениях соответственно их функциональному назначению.
Следовательно, строительную физику можно рассматривать как дисциплину, содержащую часть теоретических основ архитектуры. Поэтому она включена в дисциплину “Архитектура зданий и сооружений” как его неотъемлемая составляющая.
Таким образом, в соответствии с квалификационной характеристикой инженер-строитель должен:
понимать эстетические, функциональные, технологические и экономические основы архитектуры и видеть главные тенденции ее развития;
знать технологические и физико-технические основы проектирования зданий и сооружений;
уметь пользоваться технической, нормативной и научной литературой.
Цель изучения дисциплины “Архитектура зданий и сооружений” будущими инженерами-строителями:
дать глубокие знания в области архитектурных и конструктивных структур зданий и сооружений;
выработать навыки проектирования гражданских и промышленных зданий и сооружений;
ознакомить с современными тенденциями развития архитектурных конструкций в связи с историей мировой архитектуры.
Другими словами цель изучения дисциплины “Архитектура зданий и сооружений” состоит в обучении проектированию архитектурно-строительной части зданий и сооружений и их составляющих элементов без рассмотрения конструирования и расчетов этих элементов (балок, ферм, элементов каркаса и т.д.).
Архитектура – это деятельность по созданию художественно осмысленной пространственной среды для жизненных процессов общества в конкретных естественно-природных условиях, органически сочетающая в себе рационализм научно-технического метода со свободой и творческим вдохновением художественного метода.
Понятие архитектуры включает в себя деятельность и ее результат, архитектурное проектирование и само здание. При этом для архитектора архитектура – прежде всего деятельность, обозначение процесса создания архитектурного объекта.
Архитектурное пространство – это реальное трехмерное пространство нашей планеты, вмещающее человека. Последнее позволяет считать его четырехмерным. Архитектурное пространство является предметом архитектуры и ее центральной категорией.
Итак, предмет архитектуры – конкретно-историческое пространство. Архитектурное пространство, как мы понимаем, – это совокупность внутреннего, ограждающего и внешнего пространств.
Внутреннее пространство – функционально-типологическое существо архитектуры, душа архитектурного объекта. Внутреннее пространство насыщено жизненной энергией объекта, обеспечивает условия для его нормального функционирования.
Ограждающее пространство – материально-конструктивное. Это физическое тело архитектурного объекта. Ограждающее пространство сформировано «плотным» пространством конструкций, строительных материалов, а также инженерного оборудования. «Материальная оболочка» ограждающего пространства обеспечивает в зданиях нормальную жизнедеятельность людей.
Внешнее пространство – природное, градостроительное – является предпосылкой и условием существования архитектурного объекта как единства внутреннего и ограждающего пространств. Оно формирует дух архитектурного объекта. Внешнее пространство – это информационное и энергетическое поле, существующее в исторической бесконечности, «питающее» акт рождения архитектурного объекта.
Видимая форма, как говорят философы, «кажимость», внешность, может возникнуть только как граница между двумя из перечисленных пространств: внешним и ограждающим (внешняя форма), ограждающим и внутренним (внутренняя форма). В любом здании внешняя видимая форма – это его фасад, внутренняя внешняя форма – интерьер помещений.
Свойства архитектурного пространства, которые учитывают в архитектурном проектировании:
– геометричность – размер и форма пространства необходимы для осуществления деятельности человека, размещения оборудования и перемещения людей;
– состояние воздушной среды (микроклимат) – объем воздуха для дыхания с оптимальными параметрами температуры, влажности и скорости его движения, соответствующими нормальному для осуществления данной деятельности тепло- и влагообмену человеческого организма, степень чистоты воздуха;
– звуковой режим – условия слышимости в помещении и защита от мешающих звуков;
– световой режим – условия работы органов зрения, определяемые степенью освещенности помещения, цветовые характеристики;
– видимость и зрительное восприятие – условия для работы людей, связанные с необходимостью видеть различные объекты в помещении.
Качество архитектурного пространства зависит от сочетания этих свойств.
Функция – это понятие, теоретическая абстракция, обозначающее практическое назначение архитектурного объекта.В переводе с латинского языка означает «исполнение, осуществление». Функция сооружения – пространственное воплощение деятельности и деятельность, воплощенная в пространстве архитектурного объекта. Функция – не пространство и не деятельность. Функция – это единство пространства и деятельности.
В архитектурном проектировании функция выражается в нескольких формах:
– функция как цель создания архитектурного объекта;
– функция как процесс, движение, изменение;
– функция как выраженная целесообразность.
Функция выражается в функциональных схемах, материализуется в планах здания, так как все жизненные процессы в архитектуре проходят на горизонтальной плоскости.
Каждый архитектурный объект и все его элементы выполняют свою определенную функцию. Следовательно, можно различать главные, основные, подсобные и дополнительные функции. Значение функции зависит от места элемента в системе проектирования объекта.
Архитектурными объектами считаются здания, постройки и сооружения.
Структура, или строение архитектурного объекта, образует его внутреннюю форму. В отличие от внешней формы, внутренняя форма невидима, а точнее, ее весьма трудно увидеть. Восприятие внутренней формы проходит всеми органами чувств во времени. Понять и оценить структуру архитектурного объекта можно, если пройти по всему зданию, обойти его снаружи либо проанализировать чертежи. Структура архитектурного объекта отражает профессиональный уровень восприятия и оценки зданий, описывается с помощью чертежей – планов, разрезов, фасадов (рис. 1).
Рис. 1 Структура архитектурного объекта
Закономерности формирования структуры здания изучаются основами композиции, закрепляются навыки композиционного моделирования в учебном архитектурном проектировании.
Внутренняя форма, или структура представляет собой органическое соединение в единое целое – архитектурный объект – внутреннего, ограждающего и внешнего пространства.
Внутреннее пространство архитектурного объекта является его душой, формируется функцией, оценивается пользой.
Ограждающее пространствоархитектурного объекта – его физическое тело, формируется конструкцией, оценивается прочностью.
Внешнее пространствоархитектурного объекта обусловливает его дух, формируется контекстом, оценивается красотой.
В связи с этим структура архитектурного объекта в процессе проектирования формируется тремя группами факторов: социально-функциональными, инженерно-конструктивными и архитектурно-художественными.
В группу социально-функциональных факторов входят социально-демографические и национально-этнографические характеристики потребителя, жизнедеятельность и поведение потребителя, технология услуг или производства.
Группу инженерно-конструктивных факторов образуют конструктивные системы и методы возведения здания, строительные материалы и инженерное оборудование.
Группу архитектурно-художественных факторов составляют природно-климатические, градостроительные, социально-культурные и социально-экономические условия. К социально-культурным условиям относятся опыт; ценности; традиции; оценки, накопленные обществом, народами в ходе их исторического развития.
Каждая группа факторов выполняет доминирующую роль в определенном виде пространства. Так, социально-функциональные факторы являются наиболее важными для внутреннего пространства, инженерно-конструктивные факторы определяют проектирование ограждающего пространства, а архитектурно-художественные факторы более важны для внешнего пространства.
Архитектор, обладая определенным методам формообразования, т. е. способом обработки имеющихся условий и превращения их в проект здания, осуществляет процесс архитектурного проектирования. Итогом этого процесса является создание идеальной модели здания – проекта, а затем и его строительство.
Вопросы:
1. Дать определение понятию «архитектура».
2. Что включает в себя понятие архитектуры?
3. В чем заключаются две задачи архитектуры?
4. Каковы свойства архитектурного пространства?
5. В каких формах выражается функция архитектурного проектирования?
от лат. "архитектура" и др.-греч. "архитектон") - это искусство проектировать и строить здания, сооружения и их комплексы. Под А.
понимается и художественный характер построек, и то, насколько удачно она вписана в окружающую местность и т.п. Вместе с тем А. направлена на разрешение практических, утилитарных задач строительной деятельности человека (см. глинобитная и деревянная А.
Отличное определение
Неполное определение ↓
Архитектура
гр., архи - главный, тектор - строитель) предмет и результат эстетической деятельности человека, связанной с орг-цией комфортной среды его обитания средствами стр. Подразделяется на градостр., ландшафтную арх., арх. произв., гражд., жилых и культовых зданий и сооружений. Возникновение А. на У. связано с колонизацией региона рус. и проникновением рус. стр. культуры. Первые военно-оборонительные пос. строили новгородцы для сбора дани с местного нас. в сев. Приуралье. В летописях упоминаются г.Хлынов (Вятка, 1374) и г. Анфаловск (1398-1409). В XVI в. нач. организованная колонизация У., опорными пунктами к-рой являлись "государевы остроги". В нач. XVI в. ц. колонизации находился в Покче, с 1535 - в Чердыни. В сеть острогов вошли Канкор (1558), Орел-городок (1564), Нижне-Чусовской (1568), Сылвенский и Яйвенский, Очерский (1597), Верхне-Чусовской городки (1610). Вдоль Камы для защиты торг. путей была возведена др. цепь оборонительных пос.: Уфа (1574), Сарапул (1556), Бирская и Табынская крепости. Путь в Сибирь охранял Верхне-Тагильский городок (1583), крепости Лозьва (1590), Верхотурская (1598) и Туринская (1600). Активная колонизация сопровождалась стр. крепостей и острогов и требовала создания новых укрепленных пунктов в Зауралье: Невьянская (1621), Ницинская (1624), Тагильская (1625), В.-Ницинская (1632), Ирбитская (1633), Мурзинская (1639), Пышминская (1646), Чусовская (1656) крепости, Катайский острог (1655), Челяб. острог (1658), Шадринский острог (1662), Царево городище (Курган, 1662), Камышловская (1666-1667), Красноярская (1670), Арамильская (1675-1676), Новопышминская (1680), Багарякская (1698), Белоярская (1695) крепости. В Приуралье возведены Кунгурский (1649), Торговинский и Кишертский острожки. В первой пол. XVIII в. для защиты от киргиз-кайсаков на Юж. У. были выстроены оборонительные линии: Закамская (1732), Самарская (1736-42), Екат. (1737), Старая Ишимская (1737), Сакмарская (1739-42), Верхне- и Нижне-Уйские (1737), влившиеся позже в Оренб. линии. Крепости и остроги вплоть до XVII в. возводились по традициям зодчества ц. России на возвышенных местах в точке слияния рек. Они имели неправильную конфигурацию, обносились деревянными стенами с башнями по углам и в местах въездов. Ряд крепостей и острогов в месте пересечения торг. путей имели посады с кварталами купцов и ремесленников и позже переросли в первые ур. гг. (Вятка, Чердынь, Верхотурье, Кунгур, Ирбит, Уфа и т.п.). Крепости XVIII в. строились с учетом европ. традиций, имели регулярную геометрическую планировку по всем правилам фортификационного иск-ва. Посад многих из них имел регулярный план. Крест. пос. делились на починки, дер. и с., их застройка носила самый разнообразный характер в соответствии с традициями нар. зодчества и климатом мест переселения (народное жилище). Проникновение христианства на У. сопровождалось стр. мон.: Пыскорский-Преображенский мон., переведенный в Канкор (1570-79), Николаевский мон. в Верхотурье (1604), Далматов мон. (1644) и др. Мон. У. также возводились по традициям оборонного зодчества ц. России, постепенно перестраивались в камне, занимая видное место в гор. застройке. Оборонительная роль пос. У. к концу XVIII в. была исчерпана. Однако этот период наложил сильный отпечаток на выразительность планировки и застройки адм.-торг. гг. У., оставив такие замечательные произв. арх., как Верхотурский кремль, Оренб. и Николаевские крепости, Николаевский мон. в Верхотурье, Далматов мон., возведенные в лучших традициях рус. зодчества. Указанный период дал У. своеобразные школы мастеров арх. (Гусев Т.М., Гулков Е.Д., Стафеев А.Д., Сорока И.Б.). Помимо мон., христианизация У. активно шла путем стр. отд. храмов в гг. и сел. пос. На ранних этапах сооружались деревянные церкви клетского типа (церкви с. Пянтег - XVII в., с. Янидор -1707, Чердынский р-н). Первые каменные храмы несли черты моск. и ярославского зодчества с местной интерпретацией (Троицкий собор в Соликамске, 1684-97). В XVIII в. на У. проявились стилевые особенности моск. барокко (церковное зодчество). Возросло число мастеров-каменщиков, создавших замечательные пам. А. XVII-XVIII вв. (Вешняков Л.А., Горбовский И., Кичигин А., Корсаков Л., Кремлев И.Т.). Пром. освоение У. началось с осн. посадскими людьми Калинниковыми соляного городка Усолье Камское. С передачей Строгановым земель сев. Прикамья стали интенсивно осваиваться соляные месторождения, появились первые пром. пос.: Новое Усолье, Дедюхин. Пром. сооружения этого периода строились преим. в дереве и не сохранились. Вторая волна пром. освоения У. нач. в XVIII в., когда было построено св. 200 мет. з-дов. У. превратился в осн. мет. базу России. Большинство мет. з-дов позже переросли в гг. и положили нач. особой арх.-градостр. культуре У. (пром. архитектура). В теч. XVIII в. сложились градостр. принципы и новые для России типы зданий и сооружений. Каменное стр. в пром. гг. У. нач. в осн. в конце XVIII в. после пожаров Пугачевского восст. За осн. принципы планировки и застройки пром. гг. были взяты положения Комиссии о строении С.-Петербурга с идеями регулярного европ. градостр. Поэтому большинство пром. пос. У. получили регулярный план с четким функциональным зонированием. Однако в отличие от адм.-торг. и оборонительных пос. ц. г. формировал з-д с системой предзаводских площадей. В первой пол. XIX в. на ур. з-дах работала плеяда талантливых арх. - выпускников С.-Петерб. акад. художеств (Комаров А.З., Луценко К.А., Подъячев И.М., Малахов М.П., Чеботарев А.П., Дудин С.Е., Тележников Ф.А., Свиязев И.П.). Эти арх. горного ведомства привнесли в пром. гг. У. высокую культуру классической арх. и создали уникальные пром.-селитебные ансамбли европ. уровня. Данные ансамбли до сих пор формируют ц. гг. Екат., Нижнего Тагила, Ижевска, Воткинска, Невьянска, Златоуста, Кыштыма, Каслей, Каменска-Ур., Белорецка, Очера, Алапаевска и др. Арх. горного ведомства, их ученики приняли активное участие и в застройке сложившихся адм.-торг. гг. У., разработав ген. планы их развития и гл. классические ансамбли гор. ц. (гражданская архитектура). Вторая пол. XIX - нач. XX в. в связи с интенсивным развитием капиталистических отношений, бурным ростом нас. пунктов отмечена реализацией ген. планов гг. На смену классической А. пришли национально-романтические поиски. В нач. XX в. в А. утвердился стиль модерн, наиб. полно отразивший процесс пром. рев. На смену арх. горного ведомства пришли горные и гражд. инженеры. Акцент в развитии А. У. был перенесен на среду гор. ц. и узлы транспортных коммуникаций. Этот период характеризуется появлением на У. новых типов зданий: гимназии, театры, доходные дома, банки, клубы, больн., школы, уч-ща, вокзалы, порты, депо, пассажи, торг. ряды. Среди ур. инженеров и арх. выделяются яркие таланты перм. арх. Турчевича А.Б., вятского арх. Чарушина И.А., екат. арх. Дютеля Ю.О. Сов. этап развития А. на У. характеризуется индустриализацией региона и привлечением средств не только в пром., но и в гражд. и жилое стр. Особенно продуктивны были 1920-е - нач.30-х - время активной работы пионеров сов. арх., развивающих творческие концепции конструктивизма. Произошла окончательная специализация А. на пром. и гражд. Складывались осн. принципы сов. градостр.: районная планировка, зонирование тер., специализация и кооперация произв., единые системы транспортного и бытового обслуживания, озеленения и благоустройства, крупные ансамбли и комплексы. Создавалась система типового проектирования, возникали крупные гос. проектные ин-ты. В пром. проектировании ведущее место занимал гос. проектный ин-т "Промстройпроект", где работали арх. Мыслин В.А., Зильберт А.Э., Надеждин В.П., Щербаков С.Н., Бурдунин В.С., Дементьев В.Е., Жукова Н.П. и др. Проекты крупных технологических агрегатов Магнитогорского з-да разрабатывали арх. Соколов В.Д., Гофман В.Л., Лубнин А.И., Тихонов Н. и др. Эти агрегаты послужили типовой осн. для пром. стр. и на др. ур. з-дах (промышленная архитектура). Показательной явилась работа по проектированию Большого Свердл. - ц. Ур. обл. Здесь была реализована идея о социалистическом г. с крупными жил. комплексами-коммунами, адм.-жил. блоками, дворцами, стадионами, клубами, мед. городками, втузгородками и т.п. По размаху проектирования и стр. в эти гг. Свердл. занимал одно из ведущих мест в стране. К проектированию сооружений в гг. У. было привлечено внимание видных лидеров конструктивизма: Мейер Г., Фридман Д.Ф., Гинзбург Н.Я., Соколов В.Д., Антонов Н., Голосов И., Корнфельд Я., Оранский П.В. К выдающимся произв. этого времени можно отнести "Городок чекистов", стадион "Динамо", комплекс Уралобкома с жил. домом обл. совета, клуб строителей, комплексы-коммуны по пр.Ленина, и ул.Малышева (гражданская архитектура). Изменение стилевой направленности сов. А. в 1930-е в сторону неоклассики затормозило развитие арх. творчества в СССР. Однако этот период дал много для А. гг. У., которые получили крупные градостр. ансамбли своих ц. и гл. улиц, гармонично сочетающиеся с классическим наследием первой пол. XIX в. Многие зодчие-конструктивисты изменили свои творческие взгляды в связи с соц. заказом, искренне увлеклись освоением классического прошлого. В этот период на У. были заложены основы проф. арх. образования. Открылись архитектурно-стр. техникумы в Перми и Свердл., а в 1949 в УПИ - арх. специальность, давшая нач. Ур. арх. школе. Основателем ее является арх., проф. Бабыкин К.Т. На базе этой специальности в 1967 был создан второй в стране самостоятельный вуз (Свердловский архитектурный ин-т). САИ качественно изменил ситуацию на У. в подготовке квалифицированных арх. С 1960-х гос. политика в обл. стр. исключила А. из сферы иск-ва. На смену диктата полит. приходит диктат стройиндустрии и жесткой экономии. Типовое стр. активно внедряется в массовую застройку гг. У. в ущерб худ., экологическим и комфортным качествам. Единый заказчик и подрядчик в лице гос-ва не оставляет места арх. творчеству. Гос. монополизм привел к резкому снижению качества стр., его технология испытывает период глубокого застоя. В этих условиях арх. творчество замыкается в стенах вузов и приобретает форму "бумажной А.", оторванной от стр. практики. Современные концепции А. и градостр. не получают реализации. Некачественная застройка гг. встречает в 1970-е шир. протесты общественности, особенно в ист. гг. У. В качестве инструмента защиты ист. ц. гг. и пос. в это время выступают охранные зоны и зоны регулирования новой застройки. Появляются арх.-этнографические муз. в пос. Хохловка Перм. обл. и с. Нижняя Синячиха в Свердл. обл. Первые берут на себя роль резервации недвижимых пам. А., вторые - становятся формой физ. сохранения пам. нар. зодчества путем переноса их в муз.-заповедники. Недооценка арх. наследия привела к утрате на У. мн. тыс. пам. А. и объектов ценной ист. застройки. Грубым искажениям подверглись ист. ц. гг. Перми, Челяб., Ижевска, Воткинска, Кургана, Камышлова, Туринска, Невьянска, Нижнего Тагила, Кунгура и др. В нач. 1990-х значит. сократилось капитальное стр. в гг. У. в связи с глубоким экономическим кризисом. Внедрение рыночных отношений в сферу А. и стр. способствует преодолению гос. монополизма и возврату А. индивидуального заказчика и подрядчика. Это становится важной предпосылкой возрождения и развития отечественного зодчества. Лит.: Алферов Н.С. Зодчие старого Урала. Свердловск, 1960; Раскин А.М. Архитектура классицизма на Урале. Свердловск, 1989; Художественная культура Пермского края. Пермь, 1992; Вопросы градостроительства и архитектуры Урала. М., 1987; Каптиков А.Ю. Народные мастера-каменщики в русской архитектуре XVIII в. (на примере Вятки и Урала). М., 1988. Стариков А.А.
Термин "архитектура системы" часто употребляется как в узком, так и в широком смысле этого слова. В узком смысле под архитектурой понимается архитектура набора команд. Архитектура набора команд служит границей между аппаратурой и программным обеспечением и представляет ту часть системы, которая видна программисту или разработчику компиляторов. Следует отметить, что это наиболее частое употребление этого термина. В широком смысле архитектура охватывает понятие организации системы, включающее такие высокоуровневые аспекты разработки компьютера как систему памяти, структуру системной шины, организацию ввода/вывода и т.п.
Применительно к вычислительным системам термин "архитектура" может быть определен как распределение функций, реализуемых системой, между ее уровнями, точнее как определение границ между этими уровнями. Таким образом, архитектура вычислительной системы предполагает многоуровневую организацию. Архитектура первого уровня определяет, какие функции по обработке данных выполняются системой в целом, а какие возлагаются на внешний мир (пользователей, операторов, администраторов баз данных и т.д.). Система взаимодействует с внешним миром через набор интерфейсов: языки (язык оператора, языки программирования, языки описания и манипулирования базой данных, язык управления заданиями) и системные программы (программы-утилиты, программы редактирования, сортировки, сохранения и восстановления информации).
Интерфейсы следующих уровней могут разграничивать определенные уровни внутри программного обеспечения. Например, уровень управления логическими ресурсами может включать реализацию таких функций, как управление базой данных, файлами, виртуальной памятью, сетевой телеобработкой. К уровню управления физическими ресурсами относятся функции управления внешней и оперативной памятью, управления процессами, выполняющимися в системе.
Следующий уровень отражает основную линию разграничения системы, а именно границу между системным программным обеспечением и аппаратурой. Эту идею можно развить и дальше и говорить о распределении функций между отдельными частями физической системы. Например, некоторый интерфейс определяет, какие функции реализуют центральные процессоры, а какие - процессоры ввода/вывода. Архитектура следующего уровня определяет разграничение функций между процессорами ввода/вывода и контроллерами внешних устройств. В свою очередь можно разграничить функции, реализуемые контроллерами и самими устройствами ввода/вывода (терминалами, модемами, накопителями на магнитных дисках и лентах). Архитектура таких уровней часто называется архитектурой физического ввода/вывода.
Архитектура системы команд. Классификация процессоров (CISC и RISC)
Как уже было отмечено, архитектура набора команд служит границей между аппаратурой и программным обеспечением и представляет ту часть системы, которая видна программисту или разработчику компиляторов.
Двумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники являются архитектуры CISC и RISC. Основоположником CISC-архитектуры можно считать компанию IBM с ее базовой архитектурой /360, ядро которой используется с1964 года и дошло до наших дней, например, в таких современных мейнфреймах как IBM ES/9000.
Лидером в разработке микропроцессоров c полным набором команд (CISC - Complete Instruction Set Computer) считается компания Intel со своей серией x86 и Pentium. Эта архитектура является практическим стандартом для рынка микрокомпьютеров. Для CISC-процессоров характерно: сравнительно небольшое число регистров общего назначения; большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов; большое количество методов адресации; большое количество форматов команд различной разрядности; преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.
Основой архитектуры современных рабочих станций и серверов является архитектура компьютера с сокращенным набором команд (RISC - Reduced Instruction Set Computer). Зачатки этой архитектуры уходят своими корнями к компьютерам CDC6600, разработчики которых (Торнтон, Крэй и др.) осознали важность упрощения набора команд для построения быстрых вычислительных машин. Эту традицию упрощения архитектуры С. Крэй с успехом применил при создании широко известной серии суперкомпьютеров компании Cray Research. Однако окончательно понятие RISC в современном его понимании сформировалось на базе трех исследовательских проектов компьютеров: процессора 801 компании IBM, процессора RISC университета Беркли и процессора MIPS Стенфордского университета.
Разработка экспериментального проекта компании IBM началась еще в конце 70-х годов, но его результаты никогда не публиковались и компьютер на его основе в промышленных масштабах не изготавливался. В 1980 году Д.Паттерсон со своими коллегами из Беркли начали свой проект и изготовили две машины, которые получили названия RISC-I и RISC-II. Главными идеями этих машин было отделение медленной памяти от высокоскоростных регистров и использование регистровых окон. В 1981году Дж.Хеннесси со своими коллегами опубликовал описание стенфордской машины MIPS, основным аспектом разработки которой была эффективная реализация конвейерной обработки посредством тщательного планирования компилятором его загрузки.
Эти три машины имели много общего. Все они придерживались архитектуры, отделяющей команды обработки от команд работы с памятью, и делали упор на эффективную конвейерную обработку. Система команд разрабатывалась таким образом, чтобы выполнение любой команды занимало небольшое количество машинных тактов (предпочтительно один машинный такт). Сама логика выполнения команд с целью повышения производительности ориентировалась на аппаратную, а не на микропрограммную реализацию. Чтобы упростить логику декодирования команд использовались команды фиксированной длины и фиксированного формата.
Среди других особенностей RISC-архитектур следует отметить наличие достаточно большого регистрового файла (в типовых RISC-процессорах реализуются 32 или большее число регистров по сравнению с 8 - 16 регистрами в CISC-архитектурах), что позволяет большему объему данных храниться в регистрах на процессорном кристалле большее время и упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные. Для обработки, как правило, используются трехадресные команды, что помимо упрощения дешифрации дает возможность сохранять большее число переменных в регистрах без их последующей перезагрузки.
Ко времени завершения университетских проектов (1983-1984 гг.) обозначился также прорыв в технологии изготовления сверхбольших интегральных схем. Простота архитектуры и ее эффективность, подтвержденная этими проектами, вызвали большой интерес в компьютерной индустрии и с 1986 года началась активная промышленная реализация архитектуры RISC. К настоящему времени эта архитектура прочно занимает лидирующие позиции на мировом компьютерном рынке рабочих станций и серверов.
Развитие архитектуры RISC в значительной степени определялось прогрессом в области создания оптимизирующих компиляторов. Именно современная техника компиляции позволяет эффективно использовать преимущества большего регистрового файла, конвейерной организации и большей скорости выполнения команд. Современные компиляторы используют также преимущества другой оптимизационной техники для повышения производительности, обычно применяемой в процессорах RISC: реализацию задержанных переходов и суперскалярной обработки, позволяющей в один и тот же момент времени выдавать на выполнение несколько команд.
Следует отметить, что в последних разработках компании Intel (имеется в виду Pentium P54C и процессор следующего поколения P6), а также ее последователей-конкурентов (AMD R5, Cyrix M1, NexGen Nx586 и др.) широко используются идеи, реализованные в RISC-микропроцессорах, так что многие различия между CISC и RISC стираются. Однако сложность архитектуры и системы команд x86 остается и является главным фактором, ограничивающим производительность процессоров на ее основе.
Методы адресации и типы данных
Методы адресации
В машинах к регистрами общего назначения метод (или режим) адресации объектов, с которыми манипулирует команда, может задавать константу, регистр или ячейку памяти. Для обращения к ячейке памяти процессор прежде всего должен вычислить действительный или эффективный адрес памяти, который определяется заданным в команде методом адресации.
На рис. 4.1 представлены все основные методы адресации операндов, которые реализованы в компьютерах, рассмотренных в настоящем обзоре. Адресация непосредственных данных и литеральных констант обычно рассматривается как один из методов адресации памяти (хотя значения данных, к которым в этом случае производятся обращения, являются частью самой команды и обрабатываются в общем потоке команд). Адресация регистров, как правило, рассматривается отдельно. В данном разделе методы адресации, связанные со счетчиком команд (адресация относительно счетчика команд) рассматриваются отдельно. Этот вид адресации используется главным образом для определения программных адресов в командах передачи управления.
На рисунке на примере команды сложения (Add) приведены наиболее употребительные названия методов адресации, хотя при описании архитектуры в документации разные производители используют разные названия для этих методов. На этом рисунке знак "(" используется для обозначения оператора присваивания, а буква М обозначает память (Memory). Таким образом, M обозначает содержимое ячейки памяти, адрес которой определяется содержимым регистра R1.
Использование сложных методов адресации позволяет существенно сократить количество команд в программе, но при этом значительно увеличивается сложность аппаратуры. Возникает вопрос, а как часто эти методы адресации используются в реальных программах? На рис. 4.2 представлены результаты измерений частоты использования различных методов адресации на примере трех популярных программ (компилятора с языка Си GCC, текстового редактора TeX и САПР Spice), выполненных на компьютере VAX.
| Метод адресации | Пример команды |
Смысл
команды метода |
Использование | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Регистровая | Add R4,R3 | R4(R4+R5 | Требуемое значение в регистре | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Непосредственная или литеральная | Add R4,#3 | R4(R4+3 | Для задания констант | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Базовая со смещением | Add R4,100(R1) | R4(R4+M | Для обращения к локальным переменным |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Косвенная регистровая | Add R4,(R1) | R4(R4+M | Для обращения по указателю или вычисленному адресу | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Индексная | Add R3,(R1+R2) | R3(R3+M | Иногда полезна при работе с массивами: R1 - база, R3 - индекс | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Прямая или абсолютная |
Add R1,(1000) | R1(R1+M | Иногда полезна для обращения к статическим данным | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Косвенная | Add R1,@(R3) | R1(R1+M] | Если R3-адрес указателя p, то выбирается значение по этому указателю | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Автоинкрементная | Add R1,(R2)+ | R1(R1+M R2(R2+d |
Полезна для прохода в
цикле по массиву с шагом: R2 -
начало массива В каждом цикле R2 получает приращение d |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Автодекрементная | Add R1,(R2)- | R2(R2-d R1(R1+M |
Аналогична
предыдущей Обе могут использоваться для реализации стека |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Базовая индексная со смещением и масштабированием | Add R1,100(R2) | R1( R1+M+R2+R3*d |
Для индексации массивов | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Рис. 4.1. Методы адресации
Рис. 4.2. Частота использования различных методов адресации на программах TeX, Spice, GCC
Из этого рисунка видно, что непосредственная адресация и базовая со смещением доминируют.
При этом основной вопрос, который возникает для метода базовой адресации со смещением, связан с длиной (разрядностью) смещения. Выбор длины смещения в конечном счете определяет длину команды. Результаты измерений показали, что в подавляющем большинстве случаев длина смещения не превышает16 разрядов.
Этот же вопрос важен и для непосредственной адресации. Непосредственная адресация используется при выполнении арифметических операций, операций сравнения, а также для загрузки констант в регистры. Результаты анализа статистики показывают, что в подавляющем числе случаев 16 разрядов оказывается вполне достаточно (хотя для вычисления адресов намного реже используются и более длинные константы).
Важным вопросом построения любой системы команд является оптимальное кодирование команд. Оно определяется количеством регистров и применяемых методов адресации, а также сложностью аппаратуры, необходимой для декодирования. Именно поэтому в современных RISC-архитектурах используются достаточно простые методы адресации, позволяющие резко упростить декодирование команд. Более сложные и редко встречающиеся в реальных программах методы адресации реализуются с помощью дополнительных команд, что вообще говоря приводит к увеличению размера программного кода. Однако такое увеличение длины программы с лихвой окупается возможностью простого увеличения тактовой частоты RISC-процессоров. Этот процесс мы можем наблюдать сегодня, когда максимальные тактовые частоты практически всех RISC-процессоров (Alpha, R4400, Hyper SPARC и Power2) превышают тактовую частоту, достигнутую процессором Pentium.
Типы команд
Команды традиционного машинного уровня можно разделить на несколько типов, которые показаны на рис. 4.3.
| Тип операции | Примеры | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Арифметические и логические | Целочисленные арифметические и логические операции: сложение, вычитание, логическое сложение, логическое умножение и т.д. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Пересылки данных | Операции загрузки/записи | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Управление потоком команд | Безусловные и условные переходы, вызовы процедур и возвраты | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Системные операции | Системные вызовы, команды управления виртуальной памятью и т.д. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Операции с плавающей точкой | Операции сложения, вычитания, умножения и деления над вещественными числами | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Десятичные операции | Десятичное сложение, умножение, преобразование форматов и т.д. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Операции над строками | Пересылки, сравнения и поиск строк | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Рис. 4.3. Основные типы команд
Команды управления потоком команд
В английском языке для указания команд безусловного перехода, как правило, используется термин jump , а для команд условного перехода - термин branch , хотя разные поставщики необязательно придерживаются этой терминологии. Например компания Intel использует термин jump и для условных, и для безусловных переходов. Можно выделить четыре основных типа команд для управления потоком команд: условные переходы, безусловные переходы, вызовы процедур и возвраты из процедур.
Частота использования этих команд по статистике примерно следующая. В программах доминируют команды условного перехода. Среди указанных команд управления на разных программах частота их использования колеблется от 66 до 78%. Следующие по частоте использования - команды безусловного перехода (от 12 до 18%). Частота переходов на выполнение процедур и возврата из них составляет от 10 до 16%.
При этом примерно 90% команд безусловного перехода выполняются относительно счетчика команд. Для команд перехода адрес перехода должен быть всегда заранее известным. Это не относится к адресам возврата, которые не известны во время компиляции программы и должны определяться во время ее работы. Наиболее простой способ определения адреса перехода заключается в указании его положения относительно текущего значения счетчика команд (с помощью смещения в команде), и такие переходы называются переходами относительно счетчика команд. Преимуществом такого метода адресации является то, что адреса переходов, как правило, расположены недалеко от текущего адреса выполняемой команды и указание относительно текущего значения счетчика команд требует небольшого количества бит в смещении. Кроме того, использование адресации относительно счетчика команд позволяет программе выполняться в любом месте памяти, независимо от того, куда она была загружена. То есть этот метод адресации позволяет автоматически создавать перемещаемые программы.
Реализация возвратов и переходов по косвенному адресу, в которых адрес не известен во время компиляции программы, требует методов адресации, отличных от адресации относительно счетчика команд. В этом случае адрес перехода должен определяться динамически во время работы программы. Наиболее простой способ заключается в указании регистра для хранения адреса возврата, либо для перехода может разрешаться любой метод адресации для вычисления адреса перехода.
Одним из ключевых вопросов реализации команд перехода состоит в том, насколько далеко целевой адрес перехода находится от самой команды перехода? И на этот вопрос статистика использования команд дает ответ: в подавляющем большинстве случаев переход идет в пределах 3 - 7 команд относительно команды перехода, причем в 75% случаев выполняются переходы в направлении увеличения адреса, т.е. вперед по программе.
Поскольку большинство команд управления потоком команд составляют команды условного перехода, важным вопросом реализации архитектуры является определение условий перехода. Для этого используются три различных подхода. При первом из них в архитектуре процессора предусматривается специальный регистр, разряды которого соответствуют определенным кодам условий. Команды условного перехода проверяют эти условия в процессе своего выполнения. Преимуществом такого подхода является то, что иногда установка кода условия и переход по нему могут быть выполнены без дополнительных потерь времени, что, впрочем, бывает достаточно редко. А недостатками такого подхода является то, что, во-первых, появляются новые состояния машины, за которыми необходимо следить (упрятывать при прерывании и восстанавливать при возврате из него). Во-вторых, и что очень важно для современных высокоскоростных конвейерных архитектур, коды условий ограничивают порядок выполнения команд в потоке, поскольку их основное назначение заключается в передаче кода условия команде условного перехода.
Второй метод заключается в простом использовании произвольного регистра (возможно одного выделенного) общего назначения. В этом случае выполняется проверка состояния этого регистра, в который предварительно помещается результат операции сравнения. Недостатком этого подхода является необходимость выделения в программе для анализа кодов условий специального регистра.
Третий метод предполагает объединение команды сравнения и перехода в одной команде. Недостатком такого подхода является то, что эта объединенная команда довольно сложна для реализации (в одной команде надо указать и тип условия, и константу для сравнения и адрес перехода). Поэтому в таких машинах часто используется компромиссный вариант, когда для некоторых кодов условий используются такие команды, например, для сравнения с нулем, а для более сложных условий используется регистр условий. Часто для анализа результатов команд сравнения для целочисленных операций и для операций с плавающей точкой используется разная техника, хотя это можно объяснить и тем, что в программах количество переходов по условиям выполнения операций с плавающей точкой значительно меньше общего количества переходов, определяемых результатами работы целочисленной арифметики.
Одним из наиболее заметных свойств большинства программ является преобладание в них сравнений на условие равно/неравно и сравнений с нулем. Поэтому в ряде архитектур такие команды выделяются в отдельный поднабор, особенно при использовании команд типа "сравнить и перейти".
Говорят, что переход выполняется, если истинным является условие, которое проверяет команда условного перехода. В этом случае выполняется переход на адрес, заданный командой перехода. Поэтому все команды безусловного перехода всегда выполняемые. По статистике оказывается, что переходы назад по программе в большинстве случаев используются для организации циклов, причем примерно 60% из них составляют выполняемые переходы. В общем случае поведение команд условного перехода зависит от конкретной прикладной программы, однако иногда сказывается и зависимость от компилятора. Такие зависимости от компилятора возникают вследствие изменений потока управления, выполняемого оптимизирующими компиляторами для ускорения выполнения циклов.
Вызовы процедур и возвраты предполагают передачу управления и возможно сохранение некоторого состояния. Как минимум, необходимо уметь где-то сохранять адрес возврата. Некоторые архитектуры предлагают аппаратные механизмы для сохранения состояния регистров, в других случаях предполагается вставка в программу команд самим компилятором. Имеются два основных вида соглашений относительно сохранения состояния регистров. Сохранение вызывающей (caller saving) программой означает, что вызывающая процедура должна сохранять свои регистры, которые она хочет использовать после возврата в нее. Сохранение вызванной процедурой предполагает, что вызванная процедура должна сохранить регистры, которые она собирается использовать. Имеются случаи, когда должно использоваться сохранение вызывающей процедурой для обеспечения доступа к глобальным переменным, которые должны быть доступны для обеих процедур.
Типы и размеры операндов
Имеется два альтернативных метода определения типа операнда. В первом из них тип операнда может задаваться кодом операции в команде. Это наиболее употребительный способ задания типа операнда. Второй метод предполагает указание типа операнда с помощью тега, который хранится вместе с данными и интерпретируется аппаратурой во время выполнения операций над данными. Этот метод использовался, например, в машинах фирмы Burroughs, но в настоящее время он практически не применяется и все современные процессоры пользуются первым методом.
Обычно тип операнда (например, целый, вещественный с одинарной точностью или символ) определяет и его размер. Однако часто процессоры работают с целыми числами длиною 8, 16, 32 или 64 бит. Как правило целые числа представляются в дополнительном коде. Для задания символов (1 байт = 8 бит) в машинах компании IBM используется код EBCDIC, но в машинах других производителей почти повсеместно применяется кодировка ASCII. Еще до сравнительно недавнего времени каждый производитель процессоров пользовался своим собственным представлением вещественных чисел (чисел с плавающей точкой). Однако за последние несколько лет ситуация изменилась. Большинство поставщиков процессоров в настоящее время для представления вещественных чисел с одинарной и двойной точностью придерживаются стандарта IEEE 754.
В некоторых процессорах используются двоично кодированные десятичные числа, которые представляются в в упакованном и неупакованном форматах. Упакованный формат предполагает, что для кодирования цифр 0-9 используются 4 разряда и что две десятичные цифры упаковываются в каждый байт. В неупакованном формате байт содержит одну десятичную цифру, которая обычно изображается в символьном коде ASCII.
В большинстве процессоров, кроме того, реализуются операции над цепочками (строками) бит, байт, слов и двойных слов.
Понятие архитектуры
Архитектура (от лат. architectur, archi - главный, tektos - строить, возводить) - зодчество, искусство проектировать и строить1. Архитектура способна выражать в объемных конструкциях представления человека о мире, времени, пространстве, искусстве, природе и чувствах. Архитектуру справедливо считают синтезом искусства, науки и производства. Именно эти три компонента, взаимодействуя друг с другом, образуют основу конструкторской деятельности. Архитектура, в отличие от графики и живописи, не изображает пространственный мир на двухмерной картинной плоскости, а создает из геометрических объемов замкнутую пространственную среду в виде различных сооружений.
На сегодняшний день существует множество определений архитектуры, которые условно можно разделить на ряд направлений.
Архитектура как часть искусственной природы , т. е. определенной среды, в которой живет и действует человек. В этом случае объектами архитектуры выступают градостроительство и крупные комплексы, включающие элементы различного функционального назначения; жилые районы, зоны отдыха, вокзалы, аэропорты, порты, многоуровневые стоянки, сложные пешеходные развязки.
Двойственность архитектуры . Выделение двух сфер человеческого фактора (материального и духовного). Объекты архитектуры в данном случае также рассматриваются двусторонне. Так, конструкции относят к материальной сфере, а их художественно-эстетические характеристики - к духовной.
Архитектура как совокупность пользы, прочности и красоты . Эти три компонента со времен римского строителя и теоретика архитектуры Марка Полиона Витрувия считаются актуальными и основополагающими при возведении любого архитектурного сооружения. Подтверждение этих слов мы можем найти в Советском энциклопедическом словаре, где архитектура определяется как художественно осмысленная конструкция, создаваемая человеком в различных жизненных целях (функциональности, конструктивности, эстетичности). Таким образом, здесь обнаруживаются все компоненты триады Витрувия.
1. Борев Ю. Б. Эстетика: в 2 т. - Смоленск, 1997. - Т. 2.
В теории и практике архитектуры долгое время ее художественная и материальная стороны определялись как отдельные области человеческой деятельности. В связи с этим вопрос о соотношении пользы и красоты приобрел значительную остроту. Каждая эпоха стремилась найти свое соотношение между этими компонентами. В XX в., с одной стороны, ставится проблема соотношения архитектурной формы сооружения и его функционального назначения, с другой - для промышленных сооружений, где функциональное назначение доминирует, актуально определение взаимосвязующих отношений между конструктивной стороной архитектуры и архитектурными формами. Таким образом, постепенно складывались различные виды архитектуры.
Виды архитектуры
По целевому назначению 1:
- жилищная (многоэтажные жилые дома, жилые комплексы, коттеджи, дачи, общежития, гостиницы и т.д.);
- промышленная (заводы, фабрики, склады, мастерские, комбинаты, фермы, хранилища и т. д.);
-декоративная (лестницы, фонтаны, беседки, мосты, арки);
- общественно-гражданская:
культовые сооружения (церкви, храмы, соборы, мечети, синагоги, молельные дома и т.д.);
культурно-досуговые сооружения (театры, кинотеатры, музеи, выставочные залы, вернисажи, планетарии, библиотеки, цирки, дельфинарии, стадионы, бассейны, развлекательные центры, рестораны, игровые клубы и т.д.);
образовательные учреждения (детские сады, школы, техникумы, колледжи, гимназии, лицеи, высшие учебные заведения, академии, НИИ и т.д.);
административно-государственные (правительственные учреждения, банки, здания правоохранительных органов, суды, прокуратуры, тюрьмы и т.д.);
учреждения сферы обслуживания (магазины, больницы, поликлиники, столовые, прачечные, бани, парикмахерские, салоны красоты и т.д.);
коммуникационные сооружения (железнодорожные вокзалы, автовокзалы, аэропорты, порты, станции метрополитена, терминалы, отделения связи и т.д.).
1.См: Г.-Ф. Грубе, А. Кучмар. Путеводитель по архитектурным формам. - М., 2001. - С. 6
По характеру1:
- объемная архитектура , имеющая вид замкнутой конструкции, состоящей из стен, перекрытий и крыш (жилищная, общественно- гражданская, культовая, промышленная и др.);
- ландшафтная архитектура , украшающая ландшафт (мосты, арки, фонтаны, беседки, лестницы и т.д.);