Краткая история создания ЭВМ

1.1. Типы ЭВМ

Создание ЭВМ  имеет длительную историю от первых механических вычислительных машин (первая половина XVII в.) до современных ЭВМ. Развитие средств вычислительной техники  связано с появлением элементов, становившихся базовыми. Соответственно этому возникали все новые типы ЭВМ, относившиеся к так называемым поколениям ЭВМ. Одним из наиболее важных изобретений XX века считается изобретение микропроцессора, которое сделало возможным возникновение и широкое распространение персональных ЭВМ (ПЭВМ).

В настоящее время существуют разнообразные ЭВМ, которые различаются по назначению, производительности, габаритным характеристикам. В связи с этим имеется определенная классификация ЭВМ от супер-ЭВМ, предназначенных для проведения сложных научных расчетов, до микро-ЭВМ (персональных ЭВМ), предназначенных для индивидуального использования.

                            1.1.1. Краткая история создания ЭВМ

1.1.1.1. Механические и  электромеханические  вычислительные машины

Уже древние  римляне располагали простейшим приспособлением для ускорения счета, основанного на позиционной системе счисления. Это приспособление называлось абак. Самые первые вычислительные машины были механическими и включали в себя только устройство, производящее арифметические действия (арифметическое устройство). В современных ЭВМ эту функцию выполняет процессор. Следующим значительным шагом явилось изобретение программирования как основы использования вычислительной машины. Первая программируемая вычислительная машина была создана в 1834 г. английским математиком Чарльзом Бэббиджем и названа аналитической.

Последующее продвижение  связано с Германом Холлеритом, разработавшим в 1887 г. машину с перфокарточным вводом, способную автоматически составлять таблицы. Эту машину он назвал табулятором (В этой машине был использован электромеханический принцип считывания информации с перфокарт (впервые) и механический принцип обработки данных.) Она использовалась в 1890 г. в Америке при обработке результатов переписи населения. Впоследствии табуляторы Холлерита и перфокарты были использованы и в других странах.

До конца 30-х  годов XX в. заметного прогресса в производстве универсальных вычислительных машин не было. В 1938 г. в Германии Конрад Цузе создал механическую вычислительную машину Z1. В ней в отличие от других машин, оперировавших десятичными числами, впервые были использованы операции с двоичными числами. Модель Z3, разработанная в 1941 г., была универсальной программируемой электрической вычислительной машиной. Ее операционное устройство было выполнено на базе реле.

Абак:  Абак представлял собой дощечку, разделенную деревянными вертикальными перегородками на несколько отделений, соответствующих отдельным разрядам числа. В отделениях помещались камешки (по латыни “calculus” – камешек, отсюда и “калькуляция”, “калькулятор”). Арабские купцы разнесли абак по всему миру, а практичные китайцы нанизали камешки на спицы, вставили в деревянную раму и повернули на 90 градусов. В Россию этот абак попал в XVI веке и стал называться русскими счетами. В Англии до сих пор этот инструмент называется abacus.

Первые  выч.машины: Появление механической машины, способной автоматически выполнять арифметические действия, датируется 1623 годом. Автором ее был Вильгельм Шиккард. (Вильгельм Шиккард – профессор кафедры восточных языков в университете Тюбингена (Германия). Его машина была создана на базе механических часов и представляла собой автоматическое устройство, выполняющее операцию сложения. Эту машину он назвал “суммирующими часами”.) Однако об этой машине в то время было мало известно, поэтому более знаменит настольный арифмометр, изобретенный Б. Паскалем в 1642 г. для механизации канцелярских расчетов, которые производил его отец – муниципальный инспектор по налогообложению. В 1673 г. немецкий математик Готфрид Лейбниц создал механический калькулятор (арифмометр), выполняющий все арифметические операции (сложение, вычитание, умножение, деление и вычисление квадратного корня).

Первая  прогр.выч.м.: Ч. Бэббидж предназначал эту машину для использования в составлении числовых таблиц логарифмов, расчетов в астрономии и т.п. Впервые она была применена в ткацком станке с перфокарточным управлением, изобретенным французом Жаккаром. Программы для этой машины писала Ада Августа (Огюста) Кинг, графиня Лавлейс (дочь поэта лорда Байрона), которая была первой в истории программисткой.

Ч.Беббидж: Он был автором сразу нескольких идей, лежащих в основе современных вычислительных машин:

1) наличие устройства  ввода информации;

2) наличие памяти  для хранения информации;

3) программирование  последовательности действий, выполняемых машиной;

4) оператор программы  должен содержать пару, состоящую  из команды и данных;

5) использование  в машине команды условного  перехода.

1.1.1.2. Электронные вычислительные  машины

Скорость вычислений в механических машинах и электрических  машинах, выполненных на базе реле, была крайне малой. В 1942 г. в колледже штата Айова (США) была создана первая электронная вычислительная машина (ЭВМ) ABC. Существенное продвижение в развитии ЭВМ было достигнуто в октябре 1945 г., когда Джоном Моучли (John Mouchly) и Джоном Эккертом (John Eckert) в Школе электротехники университета штата Пенсильвания (США) была создана универсальная ЭВМ ENIAC. Впоследствии ЭВМ, создаваемые на основе электронных ламп и реле, были названы ЭВМ первого поколения. Уже с середины 50-х годов ХХ в. в качестве элементной базы для ЭВМ начинают использовать полупроводники, что резко снизило энергопотребление и габариты ЭВМ и повысило их надежность и быстродействие (до одного млн операций в секунду). Эти ЭВМ получили название ЭВМ второго поколения.

В 1965 г. в США была создана первая ЭВМ (IBM-360), элементную базу которой составляли интегральные схемы (интегральные схемы устанавливались на печатные платы – пластины из изоляционного материала. При этом уменьшались размеры, повышалась надежность, а быстродействие достигало нескольких млн операций в сек.) Настоящая революция в производстве средств вычислительной техники была вызвана созданием в фирме Intel (США) в 1971 г. так называемой большой интегральной схемы (БИС), получившей название “микропроцессор”. Уже в 1973 г. во Франции Троунг Тронг Ти создал первую персональную ЭВМ. С тех пор производство и внедрение персональных ЭВМ (ПЭВМ) является наиболее бурно развивающейся отраслью. В 1981 г. впервые был выпущен коммерчески реализуемый ноутбук Osborne-1. Он был создан изобретателем Адамом Осборном (Adam Osborne). Автором идеи ноутбука был американский ученый Алан Кэй. ЭВМ, использующие в качестве элементной базы интегральные схемы и БИС, получили название ЭВМ третьего поколения.

Дальнейшее развитие ЭВМ связано с созданием в  1985 г. так называемых сверхбольших интегральных схем (СБИС), содержащих в одном кристалле свыше 100 тыс. элементов. ЭВМ, выполненные на базе СБИС, называются ЭВМ четвертого поколения.

                                          1.1.2. Архитектура ЭВМ

Термин архитектура используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных узлов ЭВМ. К понятию архитектура относят то общее, что есть в строении ЭВМ. При этом учитывают не все сведения о построении ЭВМ, а только те, которые могут как-то использоваться при программировании и  работе пользователя с ЭВМ.

Таким образом, архитектура – это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных узлов.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин  заложил выдающийся американский математик  Джон фон Нейман. Он подключился  к созданию ЭВМ ENIAC в 1944 г., когда ее конструкция была уже определена. В 1946 г. фон Нейман сформулировал идеи принципиально новой ЭВМ: использование двоичной системы для представления чисел и выполнения арифметических и логических операций, принцип хранимой программы (Фон Нейман предложил хранить программу в двоичном виде (как и данные), причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа), структура ЭВМ. Совокупность принципов, предложенных фон Нейманом, были названы фон неймановской архитектурой.

Позднее в связи  с появлением многопроцессорных  вычислительных систем были разработаны  различные виды архитектур (например, фон неймановская архитектура предполагает общую память как для данных, так и для команд. В так называемой гарвардской архитектуре предусматривается разделение памяти между командами и данными, что позволяет распараллелить выборку данных из памяти), позволяющие выполнять операции параллельно разными процессорами. В частности, М. Флинном (M. Flynn) в начале 60-х годов ХХ в. была предложена классификация архитектур многопроцессорных вычислительных систем, основанная на обработке потоков данных потоками команд. В ее основу заложено два возможных вида параллелизма:

– независимость потоков заданий (команд, инструкций), существующих в системе, и

– независимость (несвязанность) данных, обрабатываемых в каждом потоке.

Относят то общее:  Часто говорят о семействах ЭВМ (все машины одного семейства, независимо от их конкретного устройства и фирмы-производителя, должны быть способны выполнять одну и ту же программу (на практике чаще используется другой принцип совместимости снизу вверх: все программы данной модели выполнимы на последующих)),  то есть группах моделей, совместимых между собой. В пределах одного семейства основные принципы устройства и функционирования машин одинаковы, хотя отдельные модели могут существенно различаться по производительности, стоимости и другим параметрам.

Наиб.общ.при.постр.ЭВМ:  К архитектуре, то есть наиболее общим принципам построения ЭВМ, относятся:

– структура  памяти ЭВМ;

– способы доступа  к памяти и внешним устройствам;

– возможность  изменения конфигурации компьютера;

– система команд;

– форматы данных;

– организация  интерфейса.

Структура ЭВМ: 

Фон Нейман предложил  включить в структуру ЭВМ:

– устройство управления (УУ) В ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие тоже является одним из принципов архитектуры фон Неймана.

– арифметико-логическое устройство (АЛУ);

– оперативное  запоминающее устройство (ОЗУ);

– внешнее запоминающее устройство (ВЗУ);

– устройство ввода;

– устройство вывода

В современных  компьютерах устройство управления и арифметико-логическое устройство объединяются в одном устройстве – процессоре.

Фон Неймановская арх.:

Схема устройства такой ЭВМ представлена на рисунке 

Классификация архитектур:

Согласно данной классификации существуют четыре основные архитектуры вычислительных систем:

1) одиночный  поток команд – одиночный поток  данных (ОКОД)

     В английской аббревиатуре – SISD (Single Instruction Single Data). В этот класс      попадают все ЭВМ классической структуры.

2) одиночный  поток команд – множественный  поток данных (ОКМД)

    В английской аббревиатуре – SIMD (Single Instruction Multiple Data). Предполагает многопроцессорную систему, в которой процессорные элементы, входящие в систему, идентичны и управляются одной и той же последовательностью команд, но каждый процессор обрабатывает свой поток данных.

3) множественный  поток команд – одиночный поток данных (МКОД)

    В английской аббревиатуре – MISD (Multiple Instruction Single Data). Предполагает построение своеобразного процессорного конвейера, в котором результаты обработки передаются от одного процессора к другому по цепочке.

4) множественный  поток команд – множественный поток данных (МКМД).

    В английской аббревиатуре – MIMD (Multiple histruction Multiple Data). Предполагает, что все процессоры работают по своим программам с собственным потоком команд; в простейшем случае они могут быть автономны и независимы.

1.1.3. Классификация современных  ЭВМ (к.)

В настоящее  время ЭВМ различаются по назначению, составу, производительности, габаритным характеристикам (размеры, вес).

– супер-ЭВМ  предназначены для проведения сложных расчетов, требующих большой производительности,

– большие ЭВМ (мэйнфреймы) предназначены для организации  централизованных хранилищ данных большой  емкости и выполнения интенсивных вычислительных работ,

– рабочие станции  – специализированные компьютеры, предназначенные для выполнения работ в какой-либо проблемной области,

– микро-ЭВМ (персональные компьютеры) – для индивидуального обслуживания пользователя.

Персональные  компьютеры (ПК) делятся на следующие  типы: настольные (desktop) используются для оборудования индивидуальных рабочих мест; блокнотные (notebook) имеют сокращенные возможности и предназначены для использования в поездках; карманные (PDA – Personal Digital Assistant). Кроме этих, существуют и специализированные варианты таких ПК.

 1.2. Аппаратные средства ЭВМ (к.)

Хотя в настоящее  время от пользователя персональной ЭВМ (ПЭВМ) не требуется детального знания его устройства, но для более квалифицированного использования компьютера общее представление о его устройстве необходимо.

Информатика как  наука получила свое развитие в связи  с появлением ЭВМ. Структура и  состав ЭВМ, особенности отдельных  устройств определяют специфику методов описания (моделирования) информации, создания программных средств и стиль взаимодействия пользователя с компьютером в процессе обработки информации. Другими словами, особенности аппаратных средств накладывают свой отпечаток как на алгоритмические, так и на программные средства информатики.

                          1.2.1. Состав и особенности основных устройств

В ПЭВМ можно  выделить центральный (системный) блок и периферию. В центральном блоке находятся компоненты, без которых работа с ПЭВМ невозможна. Основными устройствами, находящимися в центральном блоке, являются:

– системная (материнская) плата;

– системная  шина (системная магистраль данных);

– центральный  процессор;

– внутренняя память.

Системная (материнская) плата – это основная плата ПЭВМ, которая обеспечивает подключение и согласование всех компонент компьютера. Компоненты компьютера подключаются к материнской плате непосредственно через разъемы (внутренняя память, процессор) либо через специальные устройства сопряжения (адаптеры, контроллеры). Подобные устройства сопряжения называются интерфейсами.

Системная шина (системная магистраль данных) предназначена  для передачи данных, адресов, сигналов между различными компонентами компьютера. Архитектура, построенная на основе контроллеров и общей шины, легко пополняется новыми устройствами. Это свойство называется открытостью архитектуры.

Центральный процессор (ЦП) совершает все арифметические и логические операции. Основными  параметрами процессоров являются: рабочее напряжение (обеспечивает материнская плата), разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты, размер кэш-памяти, система исполняемых команд и производительность.

Внутренняя  память состоит из нескольких устройств, каждое из которых представляет собой одну или несколько микросхем. Основными из них являются: постоянная память (постоянное запоминающее устройство, или ПЗУ), оперативная память (оперативное запоминающее устройство, или ОЗУ) и CMOS-память. Элементарной единицей памяти является ячейка памяти (регистр).

1.2.2. Периферийные устройства (устройства ввода/вывода)

Периферийные  устройства (периферия) подключаются к центральному блоку и предназначены для ввода и вывода информации. Их еще называют внешними устройствами. Устройства внешней памяти также относятся к этой группе. Дисковые запоминающие устройства для удобства располагаются в центральном блоке.

К устройствам  ввода, например, относятся:

– клавиатура (для  ручного ввода данных);

– устройства координатного  ввода (для управления работой указателя);

– сканер (для  ввода изображений).

Клавиатура –  основное устройство ввода числовой и текстовой информации. Устройства координатного ввода еще называют манипуляторами. К ним, например, относятся  мышь, трекбол, джойстик. Сканер – устройство ввода и преобразования в цифровую форму изображений и текстов.

К устройствам  вывода, например, относятся:

– монитор;

– принтер (печатающее устройство);

– плоттер (графопостроитель);

– аудиоколонки.

Устройства ввода/вывода подключаются к компьютеру через  интерфейсные устройства, которые называются портами.

На устройства внешней памяти можно записать информацию и впоследствии прочитать ее. При отключении информация на таких устройствах сохраняется, поэтому еще их называют долговременными запоминающими устройствами (ДЗУ).

1.2.3. Внешняя память

Внешняя память – это место хранения не используемой в данный момент информации. В ПЭВМ в качестве устройств внешней памяти в основном используются накопители на дисках (эту память называют дисковой) и так называемая флэш-память (flash-memory). Функционально они служат для одной и той же цели – хранить информацию.

Дисковая память состоит из устройства считывания/записи (дисковод) и носителя информации (диски). Это основное хранилище информации. Она бывает нескольких видов, из которых чаще всего применяются накопители на жестких несменных магнитных дисках (НЖМД, или винчестерские диски, HDD – Hard Disk Drive), которые используются в текущей работе, и накопители на сменных оптических дисках (НОД, ODD – Optical Disk Drive), используемые для длительного хранения важной информации большого объема.

Флэш-память (флэш-карта) представляет собой электронное устройство на основе микросхемы.

Для дисков поверхность  рассматривается как массив расположенных  на них точек. На дисках НЖМД информация записывается вдоль концентрических  окружностей, не связанных друг с  другом. На поверхности оптического  диска одна траектория в виде спирали.

Новый носитель информации (жесткий диск, флэш-память) представляет собой как бы чистый лист бумаги. В таком виде он не пригоден для записи и считывания информации. Для того чтобы сделать его  пригодным для работы, необходимо с помощью специальных программ произвести форматирование.

Все устройства долговременной памяти (в том числе  логические) имеют имена, состоящие  из одной латинской буквы, например A, B, C, D и т.д.

1.3. Представление данных в ЭВМ (к.)

Для того чтобы  с помощью различных программ эффективно работать с данными, необходимо понимать, как эти данные представляются в ЭВМ. В компьютере данные хранятся в особом непривычном для нас  виде. В основе такого представления  лежит специфическая система счисления.

Компьютеры работают в основном с байтами. В каждом байте содержится 8 битов, то есть 8 нулей  и единиц (если написать на бумаге), 8 положений “включено” и “выключено” (в ОЗУ), 8 намагниченных или ненамагниченных  точек (в НЖМД).

Любая информация представляется в ЭВМ как последовательность байтов. В самих байтах нет ничего, что позволяет их трактовать как  числа, текстовые или другие данные. В любом случае информация кодируется в виде последовательности нулей и единиц, то есть чисел. Их интерпретация (если в программе предполагается работа с числами, то байты интерпретируются как числа. Если в программе предусматриваются действия с текстовыми данными, то байты интерпретируются как условные числовые коды, обозначающие знаки текста. Одно и то же сочетание битов может быть, например, буквой А или числом 65. Все зависит от цели использования, которая реализована в программе) зависит от того, какая программа и какое действие с ними совершает в данный конкретный момент.

Мы в повседневной жизни привыкли оперировать десятичными числами. Другими словами, обычно мы используем десятичную систему счисления, основой которой является число 10, а используемые для записи чисел цифровые знаки могут быть от 0 до 9. Для ЭВМ это неудобно, поскольку в ней данные представляются в виде последовательности нулей и единиц, то есть цифры могут быть только 0 или 1. Такая система счисления называется двоичной. Любое число можно представить как в двоичной, так в любой другой системе счисления.

1.3.1. Единицы измерения  количества и объема  информации (к.)

Мы привыкли измерять длину в метрах, вес в килограммах. В компьютере наименьшей единицей информации является бит. Количество информации, содержащейся в m-разрядном сообщении (состоящем из m знаков), когда каждый знак равновероятно взят из N-значного (то есть состоящего из N знаков) алфавита, вычисляется по формуле

I = m×

которая следует  из формулы Хартли. Количество знаков в алфавите называется его мощностью.

Объем информации, записанной двоичными знаками в  памяти компьютера или на внешнем  носителе информации, подсчитывается просто по количеству двоичных знаков, которое требуется для такой записи. Чаще всего в качестве наименьшей единицы измерения объема информации используется байт, состоящий из 8 бит (1 б = 8 бит). В каждой ячейке внутренней памяти содержится 1 байт. Байты объединяются в более крупные наборы в зависимости от цели использования (ввод, вывод, передача по каналам связи между устройствами и т.д.).

Для измерения  объема памяти используются и более  крупные, чем бит или байт, единицы  измерения, называемые килобайтом (Кб), мегабайтом (Мб) и гигабайтом (Гб). Переход от меньшей единицы измерения к большей осуществляется с помощью коэффициента 2¹⁰ = 1024. Для измерения памяти большого объема используют единицы измерения терабайт (1 Тб = 1024 ГБ) и петабайт (1 ПБ = 1024 Тб)

    1.3.2. Системы счисления (к.)

Число – это  знак, обозначающий определенное количество чего-либо. Такие знаки записываются на основании правил, которые составляют так называемую систему счисления. Числа в любой системе счисления  записываются с помощью специальных отличных друг от друга знаков, которые называются цифрами. Существуют различные системы счисления, они делятся на два класса – непозиционные и позиционные. Привычная нам десятичная система – позиционная.

Позиционная система  счисления задается величиной основания  и множеством цифр. Наименьшая цифра  – нуль, каждая следующая цифра  на единицу больше предыдущей. Запрещено  цифры обозначать с помощью других цифр. Количество цифр называется основанием позиционной системы счисления.

В десятичной системе  счисления 10 цифр от 0 до 9 (основание  равно 10). Если в качестве основания  задать другое число, то получим другую систему счисления. Любое количество можно представить в виде числа в различных системах счисления, и эти представления будут строго соответствовать друг другу.