Содержание 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Введение

    К середине XX в. перед человечеством возникла проблема обуздания «разбушевавшейся» информационной стихии, когда информация становится недоступной только потому, что её чрезвычайно много и отыскать нужные данные очень непросто. К этому же времени оказались созданными и технические условия для производства программно-управляемых вычислительных машин, которые были реализованы в электромеханических вычислительных машинах. Однако механические перемещения – существенно ограничивали их быстродействие. Такой уровень быстродействия не удовлетворял практическим потребностям даже того времени. Только полностью электронные, то есть исключающие механические перемещения в процессе вычислений и, следовательно, безынерционные, устройства могли решить проблему быстродействия вычислительных машин.

    Начало  важнейшего на сегодняшний день электронного этапа в развитии средств обработки информации относится к 40-м гг. XX в. В 1937 – 1942 гг. в США под руководством Дж. Атанасова и К. Берри была сконструирована первая полностью электронная машина ABC (Atanasoff – Berry Computer), содержавшая около 600 электронных ламп накаливания. Но эта машина могла выполнять только операции сложения и вычитания и, к сожалению, так и не стала действующей.

    Первой  в мире работающей электронной цифровой машиной стал специализированный компьютер COLOSSUS, который с 1943 г. использовался англичанами для дешифровки радиосообщений, пересылаемых на немецкие подводные лодки.

    А первая в полном смысле этого слова  ЭВМ – программно-управляемая универсальная электронная вычислительная машина (соответствующий термин англоязычного происхождения – компьютер) была разработана в 1943 – 1945 гг. в Пенсильванском университете США под руководством Д. Мочли и П. Эккерта. Эта машина называлась ENIAC – Electronic Numerical Integrator And Computer – электронно-цифровой интегратор и вычислитель. Она весила 30 т, её высота была 6 м, а площадь —120 м². Машина состояла из 18 тысяч электронных ламп накаливания и выполняла примерно 5 тыс. арифметических операций в секунду.

    Выдающийся  математик Джон фон Нейман, анализируя работу первых компьютеров, пришел к выводу о необходимости хранения выполняющейся программы и обрабатываемых по этой программе данных внутри машины, в её электронных схемах, а не вне неё – на перфокартах, перфолентах или разъемах со штекерами. Первой машиной с хранимой программой является компьютер EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator – автоматический вычислитель с электронной памятью на линиях задержки), построенный М. Уилксом в Великобритании в 1949 г. С этой машины принято вести отсчет первого поколения компьютеров.

    В нашей стране первые ЭВМ создавались примерно в тот же самый период. В 1947 – 1951 гг. под руководством академика С.А. Лебедева была выпущена первая советская вычислительная машина – МЭСМ (Малая электронно-счетная машина). Кроме того, выпускались машины «Стрела», «Минск», «Днепр», «Урал», БЭСМ (Большая электронно-счетная машина), М-2, «Мир» и некоторые другие, разработанные под руководством крупных советских конструкторов и теоретиков И.С. Брука, М.А. Карцева, Б. И. Рамеева, В.М. Глушкова, Ю.А. Базилевского.

    Наиболее революционные изменения в сфере обработки информации произошли после широкого внедрения в 80-х гг. в общественную жизнь персональных компьютеров (ПК), или персональных ЭВМ (ПЭВМ). Появление персональных компьютеров связано с микроминиатюризацией всех основных узлов и элементов вычислительных машин. Персональный компьютер, многократно превосходящий по своим возможностям и по своей вычислительной мощности первые вычислительные машины, теперь умещается на письменном столе и может использоваться специалистом индивидуально.

    Кроме беспрецедентного уменьшения в размерах и стоимости, произошли и другие немаловажные изменения. Персональные компьютеры очень надёжны – они могут безотказно работать сутками, потребляя при этом очень мало энергии. Но, пожалуй, самым важным является то, что благодаря множеству заранее разработанных программ созданы все возможности для использования вычислительных машин при решении задач обработки информации почти во всех областях человеческой деятельности. При этом специалисту в своей области знаний практически не приходится самому составлять программы и изучать для этого способы их составления. Ему достаточно освоить несколько не очень сложных приемов работы с машиной. Таких специалистов называют пользователями.

    Пользователем принято называть человека, использующего  вычислительную технику для получения нужной информации, для решения конкретной задачи в той или иной предметной области или в каких-либо иных целях.

    К настоящему времени в мире разработаны  сотни и тысячи различных моделей  компьютеров. Эти модели отличаются друг от друга устройством, способами кодирования информации, наборами возможных действий по обработке данных, объёмом запоминаемой информации и скоростью её обработки. Для того чтобы ориентироваться в этом многообразии средств вычислительной техники, применяются различные классификационные схемы. Наиболее распространенные в настоящее время схемы – классификация по поколениям, соответствующая историческому процессу развития вычислительной техники, и классификация по применению.

    К настоящему времени принято выделять пять поколений вычислительной техники. К первому поколению относят машины, построенные на электронных лампах накаливания. В эту группу входят машины, созданные в период, начинающийся с электронной вычислительной машины EDSAC и заканчивающийся примерно в конце 50-х гг. Эти машины стоили очень дорого, занимали огромные площади, были не совсем надежны в работе, имели маленькую скорость обработки информации и могли хранить очень мало данных. Создавались они в единичных экземплярах и использовались в основном для военных и научных целей. В качестве типичных примеров машин первого поколения можно указать американские компьютеры UNIVAC, IBM-701, IBM-704, а также советские машины БЭСМ и М-20. Типичная скорость обработки данных для машин первого поколения составляла от 5до 30 тыс. арифметических операций в секунду.

    Ко  второму поколению относят машины, построенные на транзисторных элементах в период с конца 50-х и до 60-х гг. У этих машин значительно уменьшились стоимость и габариты, выросли надежность, скорость работы и объем хранимой информации. Типичные представители машин второго поколения - PDP-8, IBM-7094, CDC-6600 (США), ATLAS (Великобритания), БЭСМ-4, М-220, «Минск-32», БЭСМ-6 (СССР). Скорость обработки данных у машин второго поколения возросла до 1 миллиона операций в секунду.

    Машины  третьего поколения выполнены на так называемых интегральных схемах (ИС). Они появились середине 60-х гг. Интегральная схема представляет собой микроминиатюрную электрическую цепь определённого функционального назначения, которая с помощью специальной технологии размещается на очень маленькой кремниевой (или какой-либо другой подходящей по свойствам) пластинке – основе. Площадь такой схемы от 1 до 3 см², но по своим функциональным возможностям интегральная схема эквивалентна сотням и тысячам транзисторных элементов. Из-за очень маленьких размеров и толщины интегральную схему иногда называют микросхемой, или чипом (chip – тонкий кусочек). Благодаря переходу от транзисторов к интегральным схемам изменились стоимость, размер, надежность, скорость и емкость машин.

    Кроме того, машины начали выпускаться семействами. Машины, входящие в семейство, имеют одинаковую логическую структуру, одни и те же способы работы с информацией, но различные параметры стоимости, скорости и объёма хранимых данных. Это позволяет осуществлять широкий обмен программами и данными между разными пользователями без внесения в программы существенных изменений. Это были машины семейства IBM/360. Популярность этих машин оказалась настолько велика, что во всем мире их стали копировать или выпускать похожие по функциональным возможностям и совпадающие по способам кодирования и обработки информации. Причем программы, подготовленные для выполнения на машинах IBM, с успехом выполнялись на их аналогах, так же как и программы, написанные для выполнения на аналогах, могли быть выполнены на машинах IBM. Такие модели машин стали называть программно-совместимыми (IBM-совместимыми). В нашей стране такой была серия машин ЕС ЭВМ, в которую входило около двух десятков различных по мощности моделей.

    Начиная с третьего поколения, вычислительные машины становятся повсеместно доступными и широко используются для решения самых различных задач. Характерным для этого времени является коллективное использование машин, так как они все еще достаточно дороги, занимают большие площади и требуют сложного и дорогостоящего обслуживания. Правда, доступ к возможностям машины уже организуется и с индивидуально используемых устройств – терминалов (terminal — конечный пункт), которые находятся на некотором удалении от основного оборудования машины, иногда даже на рабочих местах пользователей. В состав терминала, как правило, входят клавиатура, используемая для набора данных и выполнения простейших операций по управлению работой компьютера, и дисплей (display – показывать, демонстрировать), служащий для отображения текущей ситуации и полученных результатов вычислений. Скорость обработки информации у машин третьего поколения достигала нескольких миллионов операций в секунду.

    В первой половине 70-х гг. происходит переход от обычных интегральных схем к схемам с большей плотностью монтажа – большим интегральным схемам (БИС). Если обычные интегральные схемы эквивалентны тысячам транзисторных элементов, то большие интегральные схемы заменяют уже десятки и сотни тысяч таких элементов. На фоне этого перехода произошло разделение потока развития средств вычислительной техники на две ветви. Одна ветвь продолжала старую тенденцию развития машин по линии наращивания мощности и надежности, а также по линии коллективного использования вычислительных мощностей. Считается, что машины этого направления образуют четвёртое поколение компьютеров. Среди них – семейство машин IBM/370, а также модель IBM 196, скорость которой достигла 15 миллионов операций в секунду. Отечественными представителями машин четвёртого поколения являются машины семейства «Эльбрус». Отличительная черта четвёртого поколения – наличие в одной машине нескольких (обычно 2 - 6, иногда до нескольких сотен и даже тысяч) центральных, главных устройств обработки информации – процессоров, которые могут дублировать друг друга или независимым образом выполнять вычисления. Такая структура позволяет резко повысить надежность машин и скорость вычислений. Другая важная особенность – появление мощных средств, обеспечивающих работу компьютерных сетей. Это позволило впоследствии создавать и развивать на их основе глобальные, всемирные компьютерные сети.

    Вторая  ветвь развития средств вычислительной техники оказалась направленной на миниатюризацию и персонализацию средств обработки данных. Своим рождением это направление обязано появлению в 1971 г. первого микропроцессора Intel 4004 (от названия фирмы-производителя). Микропроцессором считается процессор, реализованный на одной или нескольких интегральных схемах без потери функциональных свойств обычных процессоров, то есть устройств, обеспечивающих все необходимые операции по обработке данных. Для микропроцессоров введена отдельная классификация, по которой Intel 4004 относится к первому поколению микропроцессоров.

    Последним на сегодняшний день считается пятое поколение компьютеров. О проекте создания машин этого поколения, рассчитанном на десять лет, объявили в начале 80-х гг. японские разработчики. За ними в эту стратегическую гонку втянулись ученые США, СССР и ряда стран Западной Европы. Было заявлено, что к началу 90-х гг. будет создано принципиально иное по стилю обработки информации и взаимодействия с пользователем поколение машин. Если ранее человек тщательно и подробно формулировал машине последовательность действий по обработке информации, то теперь машина по поставленной перед ней цели должна самостоятельно составить план действий и выполнить их. Такой способ решения задач принято называть логическим программированием. Кроме того, планировалось ввести общение с машиной на уровне естественного языка. Однако решить полностью весь комплекс задач проекта до сих пор не удалось.

    Классификация по применению включает следующие группы: микропроцессоры, микрокомпьютеры (микроЭВМ), мини-компьютеры (мини-ЭВМ), универсальные компьютеры (универсальные ЭВМ) и суперкомпьютеры (суперЭВМ).

    Микропроцессоры представляют собой программируемые интегральные схемы, встраиваемые в какое-либо отдельное устройство, механизм (автомобиль, металлорежущий станок, крылатую ракету) с целью автоматизации управления или оптимизации работы механизма.

    Если  к микропроцессору подключить другие необходимые для компьютера устройства (память, устройства ввода-вывода) получится персональный компьютер.

    Персональный  компьютер – это компьютер индивидуального использования.

    Из  определения следует, что персональный компьютер эксплуатируется, как  правило, одним человеком или относительно небольшим коллективом специалистов для решения своих профессиональных задач. Иногда персональный компьютер используется как ведущий элемент системы управления группой механизмов. При работе в компьютерных сетях персональный компьютер часто играет роль так называемого интеллектуального терминала – более мощного, чем обычный терминал, устройства, которое не только обеспечивает обмен данными или управление работой компьютера в сети, но и может взять на себя значительную часть функций по хранению и обработке информации. С помощью простого терминала или персонального компьютера пользователь получает доступ ко всем ресурсам сети. А предоставляются эти ресурсы другими персональными компьютерами, универсальными вычислительными машинами или суперкомпьютерами. Машины, которые предоставляют свои ресурсы другим компьютерам, принято называть серверами (serve — обслуживать, быть полезным).

    В 1999 г. был введен в действие международный  стандарт «спецификации РС99», который определяет классификацию, а также требования к аппаратным и программным средствам персональных компьютеров. Согласно указанному стандарту, вводится пять категорий персональных компьютеров:

    - домашний пользовательский, потребительский, массовый компьютер (Consumer PC), предназначенный для работы в основном в домашних условиях;

    - офисный, деловой компьютер (Office PC) предназначен для выполнения канцелярской работы в составе компьютерных сетей предприятия, организации и т.д.;

    - мобильный, переносной, портативный компьютер (Mobile PC) предназначен для специалистов, которые используют компьютерные технологии в поездках, во время деловых встреч и т. д., когда использование стационарных машин затруднено или вообще невозможно;

            - рабочая станция  (Workstation PC) служит в качестве сервера в компьютерных сетях, а также как рабочий инструмент разработчиками программных средств, конструкторами, в издательствах, то есть там, где предъявляются повышенные требования к ресурсам компьютера;

            - игровой или развлекательный компьютер (Entertainment PC) предназначен для игр, а также для высококачественной работы со звуком и видеозаписями.

    Компьютеры  первой и второй категорий часто объединяют в одну группу настольных (desktop — настольный) компьютеров. А в категории мобильных в последние годы выделились подгруппы портативных, или «ноутбуков», размером с «дипломат», и ручных (palmtop, hand-held PC или НРС – дословно: на поверхности ладони, «наладонный», ручной), или карманных, персональных компьютеров (КПК) размером не намного больше привычных микрокалькуляторов.

    Существуют  также компьютеры, которые можно  отнести к промежуточной группе между настольными и мобильными компьютерами. Эти компьютеры иногда называют настольными мини-компьютерами (Book PC – книжный персональный компьютер или slim-deck – тонкий настольный). По размерам они в 2 - 3 раза меньше обычного настольного компьютера.

    В качестве отдельной группы настольных компьютеров можно также упомянуть  игровые и интернет-приставки, которые используются для компьютерных игр, для прослушивания аудиозаписей или просмотра видеофильмов, а также для подсоединения к всемирной сети Интернет. Приставки устроены практически так же, как и обычные персональные компьютеры, но они не оснащены дисплеем, вместо которого используются обычные телевизоры.

    Следующая группа – мини-компьютеры (не путать с настольными мини-компьютерами) – состоит из машин, используемых для работы в условиях реального производства, для управления поточной линией, цехом, для обеспечения работы научной лаборатории или относительно небольшого учреждения. Как правило, мини-компьютеры выполнялись в виде нескольких напольных стоек, содержащих все его устройства. В настоящее время мини-компьютеры практически полностью вытеснены более мощными и дешевыми персональными компьютерами.

    Группа  универсальных компьютеров характеризуется возможностью решать подавляющее большинство задач обработки информации и практически неограниченными возможностями её хранения. Универсальные машины – мэйнфреймы (mainframe – главный каркас, центральное строение) применяются как центральное звено в системах управления производственным циклом для обеспечения работы крупных НИИ, организаций и учреждений. К группе универсальных компьютеров относят машины типа ЕС ЭВМ, «Эльбрус» и другие аналогичные им. Как и группа мини-компьютеров, эта группа машин постепенно вытесняется мощными персональными компьютерами.

    Суперкомпьютеры используются для решения задач, так называемых предельных классов, для которых требуется сосредоточение колоссальных вычислительных мощностей. Это задачи метеопрогноза в планетарных масштабах, задачи расчета и проектирования современных самолетов и космических кораблей, задачи из области ядерной физики и космогонических исследований, задачи управления системами противоракетной и космической обороны, задачи обеспечения работы глобальных сетей общемирового значения и т. д. Суперкомпьютеры содержат от нескольких сотен до десятков тысяч процессоров.

2. Архитектура ЭВМ

    2.1. Магистрально-модульный  принцип ЭВМ

    Под архитектурой компьютера понимается совокупность сведений об основных устройствах компьютера и их назначении, о способах представления программ и данных в машине, об особенностях её организации и функционирования.

    Рассмотрим  архитектуру наиболее популярного  и широко распространённого в нашей стране семейства IBM-совместимых персональных компьютеров.

    Архитектура современных ПК основана на магистрально-модульном принципе.

    Модульный принцип позволяет потребителю  самому подобрать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости его модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации.

    Комплекс, состоящий из пучка проводов и  электронных схем, обеспечивающих правильную передачу информации внутри компьютера, называют магистралью, системной шиной или просто шиной.

    Магистраль  связывает воедино по адресации памяти, передачи данных и служебных сигналов процессор, память и периферийные устройства.

      По каждому проводу жгута передается  только один бит информации. Контроль над правильностью передачи информации по проводам обеспечивают специальные электронные схемы.

    Число проводов в шине называется ее разрядностью. Разрядность адресной шины определяет максимально возможный для данной машины объем адресного пространства, то есть максимально возможный объем оперативной памяти. Так, например, при двадцатичетырехразрядной адресной шине объем адресного пространства равен 2²⁴ байт (16 Мбайт), а при тридцатишестиразрядной – 2³⁶ байт (64 Гбайт).

    Шина  связывает между собой не только процессор и оперативную память, фактически, все устройства компьютера – диски, клавиатура, дисплей и т.д. – так или иначе принимают и передают данные через шину. Для этого в шине предусмотрены стандартные разъемы, к которым подключаются те или иные устройства компьютера. Стандартный разъем шины иногда называют портом.

    В современных компьютерах предусмотрено  несколько специализированных шин, которые соединяют друг с другом оперативную память и процессор, процессор и дисплей и т. д. Такая схема обеспечивает существенное повышение мощности и эффективности работы компьютера. Специализированные шины, входящие в состав современного компьютера, отличаются друг от друга не только разрядностью, но и еще одной важнейшей характеристикой – скоростью обмена, которую у шин называют еще и пропускной способностью. От разрядности и скорости обмена зависят тип и количество устройств компьютера, которые могут быть подсоединены к той или иной шине.

    Обмен информацией между отдельными устройствами ЭВМ производится по трем многоразрядным шинам, соединяющим все модули – шине данных, шине адресов и шине управления.

    Подключение отдельных модулей компьютера к  магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, а на программном обеспечивается драйверами. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и отреагировать на него. За реакцию устройства процессор не отвечает – что функция контроллера. Поэтому внешние устройства ЭВМ заменяемы, и набор таких модулей произволен.

    Данные  по шине данных могут передаваться как от процессора к какому-либо устройству, так и в обратную сторону, т.е. шина данных является двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием шины передачи данных можно отнести следующие: запись/чтение данных из оперативной памяти и из внешних запоминающих устройств, чтение данных с устройств ввода, пересылка данных на устройства вывода.

    Выбор абонента по обмену данными производит процессор, который формирует код адреса данного устройства, а для оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигналы передаются в одном направлении, от процессора к устройствам, т.е. эта шина является однонаправленной.

    По  шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией, и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.

    Внешние устройства к шинам подключаются посредством интерфейса. Под интерфейсом понимают совокупность различных характеристик какого-либо переферийного устройства ПК, определяющих организацию обмена информацией между ним и центральным процессором. В случае несовместимости интерфейсов (например, интерфейс системной шины и интерфейс винчестера) используют контроллеры.

    Чтобы устройства, входящие в состав компьютера, могли взаимодействовать с центральным процессором, в IBM-совместимых компьютерах предусмотрена система прерываний (Interrupts). Система прерываний позволяет компьютеру приостановить текущее действие и переключиться на другие в ответ на поступивший запрос, например, на нажатие клавиши на клавиатуре. Ведь с одной стороны, желательно, чтобы компьютер был занят возложенной на него работой, а с другой – необходима его мгновенная реакция на любой требующий внимания запрос. Прерывания обеспечивают немедленную реакцию системы.

    2.2. Структура компьютера

    Структура компьютера – это модель, устанавливающая  состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в неё компонентов.

    Обычно  персональный компьютер состоит из трех частей:

    - системного блока;

    - клавиатуры, позволяющей вводить символы в компьютер;

    - монитора (дисплея) – для изображения текстовой или графической информации.

    Основные  узлы компьютера располагаются в  системном блоке. К ним относятся:

    - материнская плата;

    - процессор;

    - оперативная память;

    - блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;

    - накопители (или дисководы) для гибких магнитных дисков, используемые для чтения и записи на гибкие магнитные диски (дискеты);

    - устройства для работы с оптическими  (лазерными) дисками;

    - накопитель на жестких магнитных дисках, предназначенные для чтения и записи на несъемные жесткие магнитные диски (винчестер);

    - другие специализированные платы  (видеокарта, звуковая карта и  др.).

    Рассмотрим  основные компоненты системного блока.

    a. Материнская плата

    Основные  интегральные схемы компьютера размещены  на так называемой материнской плате (motherboard). Это основная плата компьютера, а называется она материнской, потому что предназначена для крепления всех его основных устройств – центрального процессора, модулей оперативной памяти и т.д. Именно эти устройства определяют модель и основные технические характеристики компьютера. Кроме того, на материнской плате имеется ряд стандартных разъемов, к которым можно подсоединять другие устройства компьютера (магнитные диски, дисплей, клавиатуру) и тем самым подбирать его конкретный аппаратный состав — конфигурацию, исходя из потребностей и пожеланий пользователя. Возможные конфигурации компьютера определяются материнской платой, на которой они реализуются.

    b. Оперативная память

    Важнейшей характеристикой памяти является ее объём. Объём памяти равен количеству байтов, из которых она состоит

    Байт  является основной единицей измерения  объёма памяти. Вместе с тем байт как единица объёма представляет собой слишком маленькую величину, поэтому для указания объёмов памяти различных устройств компьютера используется целый ряд кратных единиц. В вычислительных машинах основной системой счисления является двоичная, поэтому кратные единицы образуются с помощью так называемой двоичной тысячи, которая равна 2¹⁰ = 1024. Первая кратная единица называется килобайт (Кбайт). 1 Кбайт = 1024 байт.