Краткая история вычислительной техники

Лекция 5

Технические средства реализации информационных процессов

В начале 20 века сложилась ситуация, что, сколько бы людей не привлекалось дополнительно в сферу информации, они все равно не могли справиться с все растущими потребностями по подготовке и обработке информации, генерируемой человеческим обществом – возникла потребность в создании электронных машин. То есть был преодолен информационный барьер, началась эра компьютеризации.

Вообще же слово компьютер означает «вычислитель», то есть устройство для вычислений. Как уже было сказано, потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. Много тысячи лет назад для счета использовались счетные палочки, камешки и т.д. Более 1500 лет ( а может и больше) назад для облегчения вычислений стали использовать счеты.

В 1642 году Блез Паскаль изобрел устройство, механически выполняющее сложение чисел, а в 1673 году Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструировал арифмометр, позволяющий механически выполнять четыре арифметических операции. Начиная с 19 века арифмометры получили очень широкое распространение и применение. На них выполняли даже очень сложные расчеты, например, расчеты баллистических таблиц для артиллерийских стрельб. Существовала даже специальная профессия- счетчик. Но все-таки расчеты проводились очень медленно - ведь выбор необходимых действий и запись результатов выполнялись человеком, а его возможности, как известно весьма ограничены.

И вот в первой половине 19 века английский математик Чарльз Беббидж попытался создать универсальное вычислительное устройство - Аналитическую машину, которая должна была выполнять арифметические операции без участия человека. Для этого она должна была уметь выполнять программы, вводимые с помощью перфокарт и иметь «склад» для запоминания данных и промежуточных результатов (зачатки памяти). Беббдж не смог довести работу до конца - это оказалось слишком сложно для техники того времени. Однако он разработал основные идеи, и в 1943 году американец Говард Эйкен на основе уже техники 20 века - электромеханических реле- смог построить на одном из предприятий фирмы IBM такую машину под названием «Марк- 1». Еще раньше идеи Бэббижа были независимо переоткрыты немецким инженером Конрадом Цузе, который в 1941 году построил аналогичную машину.

Раз уже речь идет об истории, интересно упомянуть здесь тот факт, что первым программистом мира стала графиня Ада Лавлейс, дочь поэта Дж. Байрона, в честь которой назван знаменитый язык программирования Ада.

Итак в 30 -40 годы 20 столетия потребность в автоматизации вычислений настолько возросла ( в том числе и для военных нужд), что над созданием машин типа построенных Эйкеном и Цузе одновременно работало несколько групп исследователей.

Начиная с 1943 года, группа специалистов под руководством Джона Мочли и Преспера Экерта в США начала конструировать подобную машину уже на основе электронных ламп, а не реле. Это первая машина первого поколения ЭВМ. Их машина, названная ENIAC , работала в тысячу раз быстрее, чем Марк- 1, однако для задания ее программы приходилось в течении нескольких часов или даже нескольких дней подсоединять нужным образом провода. Чтобы упростить процесс создания программ, Мочли и Экерт стали конструировать новую машину, которая могла бы хранить программу в своей памяти. В 1945 году к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этой машине. В нем Нейман ясно и четко сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров.

Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 году английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 году Джон фон Нейман.

Что касается развития электронной техники в бывшем СССР, то оно тесно связано именем академика С.А.Лебедева, под руководством которого были созданы первые отечественные ЭВМ: в 1951 году в Киеве – МЭСМ (малая электронная счетная машина) и в 1952 году в Москве – БЭСМ (большая электронная счетная машина). Лебедев руководил и созданием БЭСМ- 6- лучшей в мире ЭВМ второго поколения (это ЭВМ, работавшие на полупроводниковых схемах), уровень которой, по мнению экспертов, на несколько лет опередил уровень зарубежных аналогов. По своей архитектуре она была ближе в ЭВМ третьего поколения и серийно выпускалась вплоть до 1981 года. В машинах второго поколения появилось замечательное изобретение- алфавитно-цифровое печатающее устройство. Громоздкое, шумное , но надежное устройство- правда печать только прописными буквами и строками одинаковой длины (по 128 символов) – однако уже некий прообраз современных печатающихся устройств.

ЭВМ третьего поколения (это машины, работавшие на малых интегральных схемах) появились в конце 60- х годов. В этих машинах в качестве средства общения с ЭВМ стали использовать видео терминальные устройства- дисплею (IBM-360 , IBM-370 , EC ЭВМ (машины единой системы)- ЕС – 1022 и т.п.).

Но прогресс не стоит на месте - новые технологии создания интегральных схем (большие интегральные схемы) позволили разработать в конце 70-х начале 80-х годов ЭВМ четвертого поколения, к которым относятся различного рода микро и мини ЭВМ. И, конечно, венцом развития вычислительной техники (на данный момент времени!!!) стало создание персональных ЭВМ, которые можно отнести к отдельному классу машин четвертого поколения. Именно с этого момента в нашем языке вместо ЭВМ утвердился термин ПК. И вычислительная техника устремилась «в массы».

Вернемся к истории.

Беббидж попытался создать аналитическую машину (более 1.5 столетий назад). По его идеи аналитическая машина должна была состоять из следующих частей.

1. Устройство, в котором производиться все операции по обработке всех видов информации. По современной терминологии – АЛУ.

2. Устройство, обеспечивающие организацию выполнения программы обработки информации и согласованную работу всех узлов машины в ходе этого процесса (УУ).

Сейчас АЛУ + УУ = единая интегральная схема микропроцессор.

3. Устройство, предназначенное для хранения исходных данных, промежуточных величин и результатов обработки информации. Это ЗУ, или просто память. Точнее считать памятью совокупность всех ЗУ машины (ОЗУ, ПЗУ, внешняя и др.)

4. Устройства, способные преобразовывать информацию в форму, доступную компьютеру (кодирование). Устройства ввода.

5. Устройства, способные преобразовывать результаты обработки информации в форму, понятную человеку. Устройства вывода.

Таким образом, сейчас большинство компьютеров построено по древним идеям. Резко меняются технологии производства => уменьшение размеров и повышение быстродействия.

Классическая архитектура ЭВМ

Компьютер (computer – вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать различные виды информации и производить необходимые для этого вычисления.

Общая структурная схема, или, как принято говорить, архитектура ЭВМ, а также её принципы устройства и работы за последние десятилетия лет практически не изменились.

Современные компьютеры сохраняют архитектуру, предложенную одним из первопроходцев в области компьютерной техники – американским ученым Джоном фон Нейманом и включает в себя:

· арифметико-логическое устройство (АЛУ) или блок выполнения элементарных операций (машинных команд);

· устройство управления (УУ), который указывает порядок шагов, т.е. управляет процессором вычислений;

· устройства ввода (УВв) и вывода (УВыв) данных;

· оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – память компьютера;

· внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

На приведенной слева схеме двойными линиями обозначены потоки передачи информации (шины данных), а одинарными – каналы передачи команд управления.

Для выполнения каждой вычислительной команды программы УУ осуществляет следующую последовательность действий:

· определяет адрес (место в памяти) очередной команды;

· считывает команду из памяти и расшифровывает её;

· вызывает из памяти её операнды и пересылает их в АЛУ;

· настраивает АЛУ на выполнение нужной операции;

· пересылает полученный результат по адресу, указанному в команде

Помимо вычислительных операций УУ выполняет и другие команды: пересылки информации из одних мест памяти в другие, а также ввода и вывода информации

В 1945 году Джон фон Нейман сформулировал следующие основные принципы построения компьютера:

1. Принцип объединения (интеграции) двух устройств АЛУ и УУ в единое устройство – процессор (микропроцессор).

2. Принцип программного управления. Компьютерная программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически одна за другой в определенной последовательности.

3. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти

4. Принцип адресности. Структурно ОЗУ состоит из пронумерованных ячеек и процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

5. Принцип использования двоичной с.с. , как самой "родной" для компьютера, поскольку элементная база любого компьютера состоит из устройств, которые могут надежно находиться только в двух различных состояниях: "Включено/Выключено", "Есть ток (заряд, магнитный поток, напряжение)/Нет тока (заряда, магнитного потока, напряжения)" и т.п.

Принцип программного управления. Компьютерная программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически одна за другой в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой команде, то используются операторы условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую выполняемую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды "стоп". Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции – перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

Принцип адресности. Структурно ОЗУ состоит из пронумерованных ячеек и процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Принцип использования двоичной системы счисления, как самой "родной" для компьютера, поскольку элементная база любого компьютера состоит из устройств, которые могут надежно находиться только в двух различных состояниях: "Включено/Выключено", "Есть ток (заряд, магнитный поток, напряжение)/Нет тока (заряда, магнитного потока, напряжения)" и т.п.

Компьютеры, построенные на изложенных выше принципах, относятся к типу "фон-неймановских" компьютеров. Следует отметить, что попытки использования помимо двоичной других систем счисления (в частности, троичной и десятичной) приводили к неоправданному усложнению конструкции компьютера и логики его работы.

Объём ОЗУ компьютера является фиксированным и представляет собой одну из важнейших характеристик любого компьютера. ВЗУ – это любые машинные носители информации (магнитные жесткие и гибкие диски, магнитные ленты, лазерные компакт-диски и т.п.), число которых может меняться. Машина работает только с данными, содержащимися в оперативной памяти. Прежде чем воспользоваться информацией из внешней памяти, её нужно переписать в оперативную. Для долговременного хранения информации ее необходимо переписать (сохранить) из ОЗУ на одно из устройств ВЗУ.

Основу любого компьютера образуют его компоненты (hardware), представляющие собой электронные и электромеханические приборы и устройства.

Микропроцессор ПК является главной частью компьютера, непосредственно осуществляющей процесс обработки данных и управляющей работой его компонентов.

Показатель разрядности микропроцессора для моделей ПК, эксплуатируемых в наши дни на территории России, варьируется от 8 до 64 разрядов по внутренней и внешней шинам данных и от 8 до 64 разрядов по адресной шине, а по тактовой частоте работы микропроцессора от 4,77 до 2000 МГц (нижние значения характерны для микропроцессора Intel 8080, а верхние – Intel Pentium IV).

Иногда для обеспечения высокой производительности обработки чисел, представленных в памяти ЭВМ в формате с плавающей точкой, в состав вычислительной машины включают (устанавливают) специализированный процессор – математический сопроцессор, предназначенный для работы с такими числовыми данными и выполняющий операции с ними в 5-10 раз быстрее основного процессора ПК. Начиная с микропроцессоров класса i80486DX в этом нет необходимости, т.к. математический сопроцессор интегрирован с основным микропроцессором.

Внутренние запоминающие устройства по своему назначению подразделяются на несколько категорий: оперативные (ОЗУ), сверхоперативные (СОЗУ) и постоянные (ПЗУ).

ОЗУ и СОЗУ являются сравнительно небольшими по объему быстродействующими устройствами. Они служат для хранения информации, к которой ПК постоянно обращается в процессе решения задачи.

К числу устройств категории ОЗУ относятся:

· оперативная память ПК, которая может подразделяться на основную, дополнительную и расширенную в зависимости от способа адресации и метода доступа к соответствующей ячейке памяти;

· кэш-память, служащую для буферизации информации, поступающей в микропроцессор на дальнейшую обработку, подразделяемую на кэш первого уровня в составе процессора и кэш второго уровня, находящегося вне процессора.

К числу устройств категории СОЗУ относятся регистры микропроцессора – сверхбыстрая память служебного назначения в составе процессора, обеспечивающая высокую скорость работы АЛУ.

ПЗУ предназначено для долговременного хранения сервисной (системной) информации, которая при необходимости может быть изменена.

К числу устройств категории ПЗУ относятся:

· "постоянная" память микросхемы BIOS (Basic Input Output System – базовая система ввода-вывода), служащая для хранения микрокодов (микропрограмм), обеспечивающих управление работой компонентов вычислительной системы, таких как: дисководы, дисплей клавиатура и пр. В настоящее время микросхемы BIOS оснащаются так называемой флэш-памятью, допускающей изменение содержащихся в ней микрокодов с помощью соответствующего программного обеспечения;

· энергонезависимая CMOS-память (Complementary Metal-Oxid Semi-conductors – комплиментарные пары транзисторов с низким энергопотреблением) в составе микросхемы BIOS, служащая для хранения значений параметров настройки и режимов работы компонентов ПК.

Любой тип устройств категории ОЗУ, СОЗУ и ПЗУ технически исполняется в виде интегральных микросхем памяти или участка памяти в составе микросхемы другого назначения, что и обеспечивает их миниатюрность и высокое быстродействие.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) служат для хранения информации, используемой при работе ЭВМ по мере возникновения необходимости в той или иной дополнительной информации, а также для хранения архивов файлов с программами, исходными данными и результатами работы.

Важно отметить, что загрузка операционной системы на ПК может быть выполнена только с использованием того или иного типа ВЗУ. Любое ВЗУ представляет собой некоторое электромеханическое устройство, имеющее значительно больший размер, чем микросхемы памяти, и обладающее большой инерционностью своих исполнительных органов, что и предопределяет низкую скорость его работы по сравнению с ОЗУ, но зато практически неограниченную емкость за счет использования сменных носителей информации.

К числу устройств категории ВЗУ относятся:

· накопители на магнитных лентах (магнитофоны и стримеры), использующие в качестве носителей информации катушки с магнитной лентой, обычные и специализированные компакт кассеты;

· накопители на жестких магнитных дисках (магнитные барабаны и винчестеры), использующие в качестве носителей информации алюминиевые пластины, покрытые мелкодисперсным магнитным порошком;

· накопители на гибких магнитных дисках, использующие в качестве носителей информации магнитные дискеты различного диаметра (8, 5¹/₄ и 3¹/₂ дюймов);

· накопители на магнито–оптических дисках, использующие в качестве носителей информации компакт диски, покрытые особым металлическим сплавом, на которые запись информации выполняется по технологии магнитной записи, а чтение записанной информации – по лазерной технологии;

· накопители на лазерных дисках, использующие в качестве носителей информации обычные (аудио- и видеодиски) или специальные компакт диски, допускающие однократную или многократную запись (перезапись) информации.

Необходимо отметить, что каждый из перечисленных выше носителей информации обладает своей номенклатурой специфических характеристик (форм-фактор, форматная емкость и т.п.) и может использоваться только на соответствующем типе ВЗУ.

Устройства ввода информации (УВв) предназначены для преобразования вводимой информации в коды для обработки ЭВМ при ручном или автоматическом вводе информации, для хранения и автоматической записи в память машины исходных данных решаемой задачи и алгоритма вычислений (исполняемой программы). Обычно все УВв подключаются к ПК через соответствующие разъемы последовательных и параллельных портов. В последнее время созданы устройства, реализующие взаимодействие с ПК через ультразвуковой, инфракрасный или радиочастотный каналы связи.

Устройства ввода информации:

Устройства вывода информации (УВыв)предназначены автоматического приема результатов вычислений, хранения и выдачи этих данных в виде, удобном для дальнейшего использования.

Устройства вывода информации (УВыв)

В тех случаях, когда в составе ПК используются одни и те же устройства, как для ввода, так и вывода информации (например, телетайп, дисплей со световым пером, модемы и т.п.), то совокупность таких устройств отображают в структурной схеме ПК единым блоком, имеющим обобщенное наименование – устройства ввода-вывода информации (УВ-В).

К числу смешанных устройств категории УВ-В относятся:

· графическая карта, предназначенная как для ввода в память ПК графической информации, поступающей с внешних устройств (сканер, телевизор, видеомагнитофон и т.п.), так и для вывода через дисплей графической информации, хранящейся в памяти или на ВЗУ ПК в виде графических или видео файлов соответствующего формата;

· звуковая карта, предназначенная как для ввода в память ПК акустической информации, поступающей с внешних музыкальных устройств (радиоприемник, магнитофон, MIDI-клавиатура, проигрыватель компакт-дисков и т.п.), так и для вывода через громкоговорители звуковой информации, хранящейся в памяти или на ВЗУ ПК в виде музыкальных (речевых) файлов соответствующего формата;

· внутренние и внешние модемы и факс-модемы, предназначенные для ввода в память ПК информации, поступающей от других ПК, или передачи информации другим ПК по выделенным или коммутируемым телефонным каналам связи;

· сетевые адаптеры, предназначенные для ввода в память ПК информации, поступающей от других ПК, или передачи информации другим ПК по кабельной системе компьютерной сети;