История развития средств вычислительной техники Леонардо да Винчи

История развития средств вычислительной техники Леонардо да Винчи История создания средств цифровой вычислительной техники уходит в глубь веков. С нею связаны имена выдающихся ученых мира. В работах гениального итальянца Леонардо да Винчи (1452 -1519) были обнаружены рисунки, иллюстрирующие суммирующую вычислительную машину на зубчатых колесах, способную складывать 13 разрядные десятичные числа.

Уже в наше время специалисты из IBM воспроизвели машину и подтвердили ее работоспособность. Историки сходятся во мнении, что именно Леонардо да Винчи был одним из первых, кто задумался о необходимости создания устройств для облегчения вычислений.

Вместе с тем потребность в вычислениях в те годы была настолько низкой, что только через сто лет уже в Германии Вильгельм Шиккард (1592 -1636) описал в письмах астроному И. Кеплеру устройство счетной машины для суммирования и умножения шестиразрядных десятичных чисел. Первое в мире автоматическое устройство для выполнения операции сложения было создано на базе механических часов. Любопытно, что об изобретениях Леонардо да Винчи и Вильгельма Шиккарда стало известно лишь в наше время, а современникам они были недоступны.

В 1623 году Вильгельм Шикард, профессор кафедры восточных языков в университете (Германия) разработал автоматическое устройство для выполнения операции сложения В наши дни рабочая модель устройства была воспроизведена по чертежам и подтвердила свою работоспособность. Сам изобретатель в письмах называл машину «суммирующими часами» .

Рисунки машины, сделанные Шиккардом Следуя найденным материалам, ученые Тюбингенского университета в начале 60 -х годов построили действующую модель машины Шиккарда. Реконструкция машины Шиккарда

Одной из первых действующих суммирующих машин была «паскалина» , созданная французом Блезом Паскалем (1623 -1662). Известны шести- и восьмиразрядные машины Паскаля, которые могли суммировать и вычитать десятичные числа. Более компактное суммирующее устройство, которое стало первым в мире механическим калькулятором, выпускавшимся серийно (главным образом для нужд парижских ростовщиков и менял).

Паскалина Блез Паскаль Это устройство позволяло суммировать десятичные числа. Внешне оно представляло собой ящик с многочисленными шестеренками. Основой суммирующей машины стал счетчик-регистратор, или счетная шестерня. Она имела десять выступов, на каждом из которых были нанесены цифры.

Вильгельм Лейбниц Чуть позже в 1673 г. другой немецкий ученый-математик Вильгельм Лейбниц (16461716) создает счетную машину (арифметический прибор, по словам самого Лейбница) для сложения и умножения двенадцатиразрядных десятичных чисел. Теперь уже о машине Лейбница было известно в большинстве стран Европы.

На протяжении XVIII века, известного как эпоха Просвещения, появились новые, более совершенные модели, но принцип механического управления вычислительными операциями оставался тем же. Идея программирования вычислительных операций пришла из той же часовой промышленности. Старинные монастырские башенные часы были настроены так, чтобы в заданное время включать механизм, связанный с системой колов. Такое программирование было жестким — одна и та же операция выполнялась в одно и то же время.

Идея гибкого программирования механических устройств с помощью перфорированной бумажной ленты (перфокарты) впервые была реализована в 1804 году в ткацком станке Жозефа Мари Жаккарда для задания узора на ткани, после чего оставался только один шаг до программного управления вычислительными операциями.

Завершающий шаг в эволюции цифровых вычислительных устройств (механического типа) сделал английский ученый Чарльз Беббидж (17911871). Аналитическая машина (так назвал ее Беббидж), проект которой он разработал в 18361848 годах, явилась механическим прототипом появившихся спустя столетие ЭВМ. В ней предполагалось иметь те же, что и в ЭВМ, пять основных устройств: арифметическое, памяти, управления, ввода, вывода. Программа выполнения вычислений записывалась на перфокартах (пробивками), на них же записывались исходные данные и результаты вычислений. Автоматическое выполнение программы вычислений обеспечивалось устройством управления. Время сложения двух 50 разрядных десятичных чисел составляло, по расчетам ученого, 1 с, умножения — 1 мин. Однако Беббидж и его аналитическая машина остались не понятыми современниками.

К сожалению, Аналитическая машина так и не была до конца построена изобретателем при жизни, но была воспроизведена в наши дни по его чертежам, так что сегодня мы вправе говорить об Аналитической машине как о реально существующем устройстве. Особенностью Аналитической машины стало то, что здесь впервые был реализован принцип разделения информации на команды и данные. Аналитическая машина содержала два крупных узла — «склад» и «мельницу» . Данные вводились в механическую память «склада» путем установки блоков шестерен, а потом обрабатывались в «мельнице» с использованием команд, которые вводились с перфорированных карт (как в ткацком станке Жаккарда).

Чарльз Беббидж Аналитическая машина

Аналитическую машину Бэббиджа построили энтузиасты из Лондонского музея науки. Она состоит из четырех тысяч железных, бронзовых и стальных деталей и весит три тонны. Правда, пользоваться ею очень тяжело - при каждом вычислении приходится несколько сотен (а то и тысяч) раз крутить ручку автомата. Числа записываются (набираются) на дисках, расположенных по вертикали и установленных в положения от 0 до 9. Двигатель приводится в действие последовательностью перфокарт, содержащих инструкции (программу).

Ада Лавлейс Исследователи творчества Чарльза Бэббиджа непременно отмечают особую роль в разработке проекта Аналитической машины графини Огасты Ады Лавлейс (1815 -1852), дочери известного поэта лорда Байрона. Именно ей принадлежала идея использования перфорированных карт для программирования вычислительных операций (1843).

Лавлейс разрабатывала программы для машины Беббиджа, которые во многом оказались схожими с программами, составленными впоследствии для первых ЭВМ. Леди Аду можно с полным основанием назвать самым первым в мире программистом. Сегодня ее именем назван один из известных языков программирования.

Математические первоисточники Первые механические предшественники современного электронного компьютера, работали с числами, которые представлялись либо в виде линейных перемещений цепных и реечных механизмов, либо в виде угловых перемещений зубчатых и рычажных механизмов. И в том и в другом случае это были механические перемещения, что не могло не сказываться на габаритах устройств и на скорости их работы. Только переход от регистрации перемещений к регистрации сигналов позволил значительно снизить габариты и повысить быстродействие. Однако на пути к этому достижению потребовалось ввести еще несколько важных принципов и понятий.

Двоичная система Лейбница. Традиционная десятичная система, использованная в механических калькуляторах, неудобна для электронных вычислительных устройств. Возможность представления любых чисел двоичными цифрами впервые была предложена Готфридом Вильгельмом Лейбницем в 1666 году.

Он пришел к двоичной системе счисления, занимаясь исследованиями философской концепции единства и борьбы противоположностей. Попытка представить мироздание в виде непрерывного взаимодействия двух начал подтолкнули Лейбница к изучению свойств двоичного представления данных с помощью нулей и единиц. Надо сказать, что Лейбницу уже тогда приходила в голову мысль о возможности использования двоичной системы в вычислительном устройстве, но, поскольку для механических устройств в этом не было никакой необходимости, он не стал использовать в своем калькуляторе (1673 году) принципы двоичной системы.

Математическая логика Джорджа Буля. Джордж Буль внес в логику, как в науку, революционные изменения. Занимаясь исследованием законов мышления, он применил в логике систему формальных обозначений и правил, близкую к математической. Впоследствии эту систему назвали логической алгеброй или булевой алгеброй. Джордж Буль

Правила этой системы применимы к самым разнообразным объектам и их группам (множествам, по терминологии автора). Основное назначение системы, по замыслу Дж. Буля, состояло в том, чтобы кодировать логические высказывания и сводить структуры логических умозаключений к простым выражениям, близким по форме к математическим формулам. Результатом формального расчета логического выражения является одно из двух логических значений: истина или ложь.

Значение логической алгебры долгое время игнорировалось, поскольку ее приемы и методы не содержали практической пользы для науки и техники того времени. Однако, когда появилась принципиальная возможность создания средств вычислительной техники на электронной базе, операции, введенные Булем, оказались весьма полезны. Они изначально ориентированы на работу только с двумя сущностями: истина и ложь. Нетрудно понять, как они пригодились для работы с двоичным кодом, который в современных компьютерах тоже представляется всего двумя сигналами: ноль и единица. Не вся система Джорджа Буля была использованы при создании электронных вычислительных машин, но четыре основные операции: И (пересечение), ИЛИ (объединение), НЕ (обращение) и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ — лежат в основе работы всех видов процессоров современных компьютеров.

Венцом механических вычислительных машин была машина Z 1 (1937), разработанная немецким студентом Конрадом Цузе (19101985), работу над которой он начал за год до получения диплома инженера. Машина Z 1 была, подобно машине Беббиджа, чисто механической, но в ней была реализована двоичная система и логика, подобная Булевой, и это нашло отражение на размерах Z 1, которая занимала два квадратных метра. На этом заканчивается эра неэлектронных вычислительных машин, которая заложила основы новой эры — эры электронных вычислительных машин, еще более интересной и интенсивно развивающейся.

Следующая машина Z 2 (усовершенствованная Z 1) включала устройство ввода данных и программы, использовавшее киноленту, на которую перфорировалась информация. Но самым революционным было решение о замене механического арифметического устройства на арифметическое устройство последовательного действия на телефонных реле. В последнем помощь Цузе оказал австрийский специалист в области электроники Гельмут Шрайер. И, наконец, в 1941 г. Цузе с участием Шрайера создает релейную вычислительную машину с программным управлением Z 3, содержащую 2000 реле и повторяющую основные характеристики Z 1 и Z 2. Она стала первой в мире полностью релейной цифровой вычислительной машиной с программным управлением.

Конрад Цузе (1910 -1995)

РЕЛЕЙНЫЙ ДВОИЧНЫЙ КОМПЬЮТЕР Z 3 Конрада Цузе - первый в мире действующий релейный двоичный компьютер с программным управлением. Вычислительная машина имела клавиатуру для ввода условий задачи. По завершению вычислений результат высвечивался на панели с множеством маленьких лампочек. Общая площадь, которую занимала машина составляла 4 кв. м. Конрад Цузе запатентовал способ автоматических вычислений.

Конрад Цузе был одним из первых создателей электронной вычислительной машины, хотя в то время об этом мало кто знал, поскольку вся его работа была засекречена и велась в интересах Германского военного руководства

В это же время подобные работы велись и в США. Однако в США большинство исследований проводилось открыто, и о создании необычной машины, решающей в течение дня задачи, на которые раньше тратилось до полугода, стало известно всему миру. Именно поэтому некоторое время считалось, что первой ЭВМ была созданная в 1944 г. ученым Гарвардского университета Говардом Айкеном (1900 -1973) релейномеханическая цифровая вычислительная машина МАРК-1. По своим характеристикам (производительность, объем памяти) она была близка к Z 3, но существенно отличалась размерами (длина 17 м, высота 2, 5 м, вес 5 тонн, 500 тысяч механических деталей).

В 1942 г. сотрудник технической школы при Пенсильванском университете (США) — физик Джон Моучли— отправил в военное ведомство США предложение о создании мощного, по тем временам, компьютера на электронных лампах. Добившись финансирования проекта, в апреле 1943 г. был заключен контракт между полигоном и Пенсильванским университетом на создание вычислительной машины, названной электронным цифровым интегратором и компьютером (Electronic Numerical Integrator and Computer) - (ЭНИАК). К работе было привлечено около 200 человек, в том числе несколько десятков математиков и инженеров. Руководителями работы стали Джон Моучли и талантливый инженерэлектронщик Преспер Эккерт.

Весной 1945 года ЭВМ была построена, а в феврале 1946 года рассекречена. ENIAC, содержащий 178468 электронных ламп шести различных типов, 7200 кристалических диодов, 4100 магнитных элементов. По размерам ЭНИАК была более впечатляющей, чем МАРК-1: 26 м в длину, 6 м в высоту, вес 35 тонн, занимала площадь 300 м 2. Но поражали не размеры, а производительность— она в 1000 раз превышала производительность МАРК-1. Таков был результат использования электронных ламп. Компьютер проживет девять лет и последний раз будет включен в 1955 году.

Джон фон Нейман (19031957). В 1945 году, когда завершались работы по созданию ЭНИАК и его создатели уже разрабатывали новый электронный цифровой компьютер ЭДВАК, к ним в качестве консультанта был направлен выдающийся математик Джон фон Нейман. В 1946 году фон Нейманом и др. учеными Принстонского института перспективных исследований был представлен отчет «Предварительное обсуждение логического конструирования устройства» , который содержал развернутое и детальное описание принципов построения цифровых электронных вычислительных машин.

Изложенные в отчете принципы сводились к следующему: • машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе исчисления; • программа должна размещаться в одном из блоков машины — в запоминающем устройстве, обладающем достаточной емкостью и соответствующими скоростями выборки и записи команд программы; • программа, так же как и числа, с которыми оперирует машина, записывается в двоичном коде, т. е. по форме представления команды и числа однотипны; • трудности физической реализации запоминающего устройства требуют иерархической организации памяти; • в машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над словами производятся одновременно по всем разрядам).

С. А. Лебедев Работы по созданию ЭВМ после второй мировой войны велись и в СССР. Так, в 1948 году Сергеем Александровичем Лебедевым (1890 -1974) был предложен первый проект отечественной цифровой ЭВМ, а первые образцы ЭВМ появились через несколько лет. Под руководством Лебедева созданы первая советская электронная ЦВМ — “МЭСМ”, ряд быстродействующих ЭВМ — “БЭСМ”

Развитие аппаратных средств ЭВМ принято делить на пять этапов, которые имеют свои характерные особенности. В основу градации поколений ЭВМ обычно кладут электронную базу, на которой строятся вычислительные машины, а также их возможности, области применения и другие признаки. Деление это весьма условно, так как случается, что ЭВМ, построенная на элементной базе одного поколения, по структурным особенностям и возможностям относится к машинам другого поколения.

1946 -1955 Первый этап За точку отсчета эры ЭВМ принимается 1946 год, когда началась эксплуатация первых опытных образцов ЭВМ. Ключевым моментом этого этапа было применение электронных ламп. Ламповые ЭВМ имели большие габариты и массу, потребляли много энергии и были очень дорогостоящими, что резко сужало круг пользователей ЭВМ, а следовательно, объем производства этих машин. Числа в ЭВМ вводились с помощью перфокарт и набора переключателей, а программа задавалась соединением гнезд на специальных наборных платах.

Наиболее яркими представителями ЭВМ первого этапа были в СССР МЭСМ (малая электронно-счетная машина) и ENIAC в США. Также в этот период в США разрабатывается и патентуется память на магнитных сердечниках (1951 г. ), а в СССР выпускается первая серийная ЭВМ «Стрела» .

1955 -1965 Второй этап — до середины 60 -х гг. Развитие электроники привело к изобретению нового полупроводникового устройства — транзистора, который заменил лампы. Появление ЭВМ, построенных на транзисторах, привело к уменьшению их габаритов, массы, энергозатрат и стоимости, а также к увеличению их надежности и производительности. Первым транзисторным компьютером стал компьютер «Традис» фирмы «Белл телефон лабораторис» , построенный на 800 транзисторах.

В этот же период стали создавать алгоритмические языки для инженернотехнических и экономических задач. Так, в 1955 году появился «переводчик формул» Fortran (FORmule TRANslator). Для экономии машинных ресурсов (машинного времени и памяти) стали создавать операционные системы (комплексы служебных программ, обеспечивающих лучшее распределение ресурсов ЭВМ при использовании пользовательских задач). В 1957 г. фирмой IBM были разработаны плавающие магнитные головки на воздушной подушке. Изобретение позволило создать новый тип памяти — дисковые запоминающие устройства. Это первый жесткий диск. Он имел размер в 24 дюйма, вмещал 5 Мбайт данных и стоил более миллиона долларов.

1965 -1970 Начало третьего этапа (до 1970 -73 года) связано с созданием технологии производства интегральных схем (ИС), где в одном кристалле размещалось несколько десятков тысяч электронных элементов. ИС позволили увеличить быстродействие и надежность полупроводниковых схем, а также уменьшить их габариты, потребляемую мощность и, соответственно, стоимость. В этот период появляются простые, дешевые и надежные машины—мини-ЭВМ (IBM 360 в США и ЕС 1030 в СССР). Машины предназначались для широкого использования в различных областях науки и техники (проведение расчетов, управление производством, подвижными объектами и др. ). Благодаря интегральным схемам удалось существенно улучшить технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ. Например, машины третьего поколения по сравнению с машинами второго поколения имеют больший объем оперативной памяти, увеличилось быстродействие, повысилась надежность, а потребляемая мощность, занимаемая площадь и масса уменьшились.

1970 -1978 (1982) Четвертый этап — до 1978 (82) года. Успехи в развитии электроники привели к созданию больших интегральных схем (БИС). Это позволило разработать более дешевые ЭВМ, имеющие большую память и меньший цикл выполнения команд: стоимость байта памяти и одной машинной операции резко снизилась. Историческим моментом в развитии персональных ЭВМ стало создание фирмой Intel (США) в 1971 году первого микропроцессора (МП). Автор микропроцессора lntel-4004— многокристальной схемы, содержащей все основные компоненты центрального процессора - Эдвард Хофф. Процессор 4004 был 4 -битный и мог выполнять 60 тыс. операций в секунду.

В 70 -х годах стали изготовлять и микро. ЭВМ — универсальные вычислительные системы, состоящие из процессора, памяти, схем сопряжения с устройствами ввода/вывода и тактового генератора, размещенных в одной БИС (однокристальная ЭВМ) или в нескольких БИС, установленных на одной плате (одноплатная ЭВМ). В 1977 году были запущены в массовое производство персональные компьютеры (ПК): Apple-2 и PET. Apple-2 представлял собой достаточно дорогой (1300$ без монитора и кассетного магнитофона) компьютер, но был выполнен на более высоком ПК Apple-2 техническом уровне.

ПК PET Персональный компьютер PET (Personal Electronic Transactor) фирмы Commodore объединял в одном модуле системный блок, монитор, накопители и клавиатуру. Компьютер PET включал процессор 6502, 14 Кбайт ПЗУ с операционной системой, 4 Кбайт ОЗУ, 9 -дюймовый монитор и кассетный магнитофон. В СССР представителем этого поколения ЭВМ был компьютер «Электроника 60 М» .

Пятый этап — по настоящее время. Появление ЭВМ пятого поколения можно отнести к 1982 году, когда впервые появилось сообщение о японском проекте создания компьютеров пятого поколения. Кратко основную концепцию ЭВМ пятого поколения можно сформулировать следующим образом: 1. Компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы. 2. Компьютеры с многими сотнями параллельно работающих процессоров, позволяющих строить системы обработки данных и знаний, эффективные сетевые компьютерные системы.

Улучшение технологии БИС позволяет изготовлять дешевые электронные схемы, содержащие сотни тысяч элементов в кристалле — схемы сверхбольшой степени интеграции — СБИС. С 1982 года фирма IBM, занимавшая до этого времени ведущее положение по выпуску больших ЭВМ, приступила к изготовлению профессиональных персональных компьютеров IBM PC с операционной системой MS DOS. В 1984 году компании Apple и IBM выпускают ЭВМ пятого поколения — персональные компьютеры Macintosh и PC/AT соответственно. Развитие ЭВМ пятого поколения продолжается до сегодняшнего дня. Стремительно возрастающие объемы информации предопределяют такое же стремительное развитие аппаратных средств.

До середины 90 -х годов фирма Intel не имела конкурентов на рынке процессоров, пока другая американская фирма AMD не приступила к выпуску процессоров для IBMсовместимых компьютеров. Начиная с этого времени, развитие процессоров для персональных компьютеров происходит в жесткой конкуренции. Результатом конкуренции являются новые высокопроизводительные процессоры, которые появляются не реже одного раза в год у каждого из производителей. За последние несколько лет изменилась сама идеология использования персональных компьютеров, которые теперь применяются не только и не столько для научных расчетов, а превратились в источник «информационных развлечений» для большинства современных

Методы классификации компьютеров 1. Классификация по назначению — один из наиболее ранних методов классификации. Он связан с тем, как компьютер применяется. По этому принципу различают большие ЭВМ (электронно-вычислительные машины), мини-ЭВМ, микро-ЭВМ и персональные компьютеры, которые, в свою очередь, подразделяют на массовые, деловые, портативные, развлекательные и рабочие станции.

Большие ЭВМ Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых прошла путь от электронных ламп до СБИС. В настоящее время применяются большие ЭВМ четвертого и пятого поколений. Конструктивно они выполнены в виде нескольких стоек, включая периферийные устройства. Их производительность – сотни тысяч и десятки миллионов операций в секунду. Это самые мощные компьютеры. Их применяют для обслуживания очень крупных организаций и даже целых отраслей народного хозяйства. Эти ЭВМ используются для решения трудоемких задач и в качестве серверов крупных неоднородных сетей ЭВМ. За рубежом компьютеры этого класса называют: мэйнфреймами (mainframe). В России за ними закрепился термин большие ЭВМ. Штат обслуживания большой ЭВМ составляет до многих десятков человек. На базе таких суперкомпьютеров создают вычислительные центры, включающие в себя несколько отделов или групп.

Схема построения вычислительного центра Группа Технического обеспечения Группа системного программирования Центральный процессор Отдел Выдачи данных Группа Информационного обеспечения Группа Подготовки данных Группа прикладного программирования

Однако для некоторых приложений производительность больших ЭВМ оказывается недостаточной. Это обстоятельство привело к созданию супер. ЭВМ. Они имеют большие габариты, требуют для своего размещения специальных помещений, принудительного охлаждения и весьма сложны в обслуживании. Их производительность – более миллиарда операций в секунду. Несмотря на большую стоимость супер. ЭВМ (100 000 -100 000 $), эти компьютеры являются стратегическим товаром, и потребность в них постоянно растет. Супер. ЭВМ используются для решения особенно сложных научнотехнических задач, задач обработки больших объемов информации в реальном масштабе времени, поиска оптимальных решений в задачах планирования, автоматического проектирования сложных объектов.

Вычислительный кластер СКИФ Cyberia В суперкомпьютере «СКИФ Cyberia» : 566 процессоров, он может выполнять до 12 триллионов операций в секунду, объем его памяти составляет 1136 Гб. Суперкомпьютер установлен в ТГУ в рамках инновационной образовательной программы фирмой «Т-Платформа» , по своим параметрам входил в 2007 гг. в первую сотню топ 500 суперкомпьютерного рынка. Специально для кластера компанией Microsoft разработано специализированное программное обеспечение, принцип его работы основывается на параллельных вычислениях, что позволяет производить сложнейшие расчеты. Масштабы применения кластера : это и разведка нефти и газа, и предсказания погоды, и инженерные расчеты, и генетика, и астрономия, и моделирование взрывов и ядерных испытаний и т. д. На базе кластера в ТГУ организован Центр коллективного пользования высокопроизводительных ресурсов – Межрегиональный вычислительный центр. Суперкомпьютер открывает огромные возможности для научно-образовательного комплекса Томска и институтов

Вычислительный кластер представляет собой кластер х86 с поддержкой 64 разрядных расширений; количество вычислительных узлов - 283, на каждом вычислительном узле два двухядерных процессора Intel Xeon 5150, 2, 66 ГГц (всего число ядер 283*4=1132) Системная сеть - Qlogic Infini. Path; пиковая производительность - 12 Тфлопс. Реальная производительность на тесте Linpack – 9. 01 Тфлопс (75% от пиковой). (1 Тфлопс = 1012 операций над вещественными числами). На кластере установлено лицензионное программное обеспечение: -OC Linux SUSE Enterprise Server 10. 0; -Microsoft Compute Cluster Server 2003;

Вхождение в редакции Топ 50: Редакция (позиция): 04. 2007 (№ 1) 09. 2007 (№ 1) 03. 2008 (№ 6) 09. 2008 (№ 12) 03. 2009 (№ 14) 09. 2009 (№ 14) Вхождение в редакции Тоp 500: Редакция (позиция): 06. 2007(№ 105) 11. 2007(№ 199) 06. 2008(№ 484)

Мини-ЭВМ Появление мини-ЭВМ на рубеже 60 -х – 70 -х годов было обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области элементной базы, а с другой – избыточностью ресурсов больших ЭВМ для решения многих прикладных задач. К малым, или средним, ЭВМ часто относят машины, которые являются менее мощными по сравнению с мэйнфреймами и вместе с тем более мощными, чем микро. ЭВМ и ПЭВМ. Малые ЭВМ используются как для управления технологическими процессами, так и для обслуживания нескольких пользователей. Они конструктивно выполнены в виде одной или нескольких малогабаритных стоек (без учета периферийных устройств) и имеют более низкие по сравнению с большими ЭВМ быстродействие и стоимость. ЭВМ этого класса не требуют специально оборудованных

От больших ЭВМ компьютеры этой группы отличаются уменьшенными размерами и, соответственно, меньшей производительностью и стоимостью. Такие компьютеры используются крупными предприятиями, научными учреждениями и некоторыми высшими учебными заведениями, сочетающими учебную деятельность с научной. Наиболее популярными мини-ЭВМ были машины семейств PDP-11 и VAX-11 фирмы DEC (США), а также их отечественные аналоги СМ 1420 и СМ-1700 Системы малых ЭВМ (СМ ЭВМ). Производительность наиболее мощных современных мини-ЭВМ сопоставима с производительностью больших ЭВМ; к ним относятся, например, машины семейства AS/400 фирмы IBM.

Микро-ЭВМ В середине 70 -х годов появляется еще один класс ЭВМ – микро. ЭВМ. Один из основных отличительных признаков микро. ЭВМ – наличие микропроцессора. Появление высокопроизводительных микропроцессоров позволило создать модели микро. ЭВМ с очень высокими параметрами производительности. Компьютеры данного класса доступны многим предприятиям. Организации, использующие микро-ЭВМ, обычно не создают вычислительные центры. Для обслуживания такого компьютера им достаточно небольшой вычислительной лаборатории в составе нескольких человек. В число сотрудников вычислительной лаборатории обязательно входят программисты, хотя напрямую разработкой программ они не занимаются. Необходимые системные программы обычно покупают вместе с микро-ЭВМ, а разработку нужных прикладных программ заказывают более крупным вычислительным центрам или специализированным организациям.

Представителями таких мощных компьютеров являются, например, рабочие станции и сетевые серверы фирм Sun Microsystems и Silicon Graphics. Области применения микро. ЭВМ чрезвычайно многообразны и широки. Среди микро. ЭВМ можно выделить: многопользовательские, автоматизированные рабочие места (АРМ), встроенные и персональные. Многопользовательские микро. ЭВМ оборудованы несколькими видеотерминалами и предназначены для одновременного обслуживания нескольких пользователей. Они выполняются в виде одной малогабаритной стойки либо в настольном варианте.

АРМ, или рабочая станция, представляет собой ЭВМ, оборудованную техническими и программными устройствами, необходимыми для выполнения работ определенного типа. Существуют как настольные АРМ, так и АРМ, выполненные в виде малогабаритной стойки. К встроенным микро. ЭВМ относятся и однокристальные микро. ЭВМ, предназначенные для решения простых задач управления техническими объектами. Такая микро. ЭВМ содержит в одном корпусе микросхемы центральный процессор, оперативную память, постоянную память для программ, схемы управления вводом-выводом данных и другие вспомогательные устройства. Микро. ЭВМ, установленные на подвижном техническом объекте, называются бортовыми.

Персональная микро. ЭВМ – это универсальная однопользовательская вычислительная машина. Современные микро. ЭВМ чаще всего представлены в виде персональных ЭВМ. Но наиболее массовый и дешевый тип персональной микро. ЭВМ – это микрокалькуляторы. Первый электронный калькулятор был создан в США в 1963 году. Он был собран на дискретных транзисторах и имел размеры кассового аппарата. Четыре года спустя фирма Texas Instruments (США) выпустила первый калькулятор на интегральных микросхемах. Серийное производство отечественных микрокалькуляторов семейства "Электроника" началось в 1974 году. Существует три основных разновидности микрокалькуляторов: *простые микрокалькуляторы, предназначенные для выполнения четырех основных арифметических действий; *инженерные микрокалькуляторы, выполняющие обычные арифметические операции и вычисление некоторых математических функций; *программируемые микрокалькуляторы, которые обладают всеми возможностями простых и инженерных вычислителей и могут в автоматическом режиме выполнять последовательность заранее введенных команд. Самые совершенные программируемые микрокалькуляторы позволяют составлять программы на языке программирования высокого уровня, например на Бейсике.

Персональные компьютеры (ПК) Эта категория компьютеров получила особо бурное развитие в течение последних 20 -25 лет. Из названия видно, что такой компьютер предназначен для обслуживания одного рабочего места. Как правило, с персональным компьютером работает один человек. Несмотря на свои небольшие размеры и относительно невысокую стоимость, современные персональные компьютеры обладают немалой производительностью. Многие современные персональные модели превосходят большие ЭВМ 70 -х годов, мини-ЭВМ 80 -х годов и микро-ЭВМ первой половины 90 -х годов. Персональный компьютер (Personal Computer, PC) вполне способен удовлетворить большинство потребностей малых предприятий и отдельных лиц.

Конец ХХ века по праву можно назвать эрой персональных компьютеров. Определение персональных компьютеров изначально было в большой степени расплывчато, так как эти компьютеры обладают целым рядом отличительных свойств и новых потребительских качеств, отсутствующих у их предшественников. Для уточнения этого определения в статье американских специалистов в области электронной техники Х. Тунга и А. Гупты, опубликованной в 1982 году, было сформулировано семь требований, предъявляемых к персональным компьютерам: 1) невысокая стоимость, сопоставимая со средней заработной платой и стоимостью сложной бытовой техники; 2) наличие периферийных устройств, необходимых для ввода-вывода и хранения значительных объемов информации;

3) наличие аппаратных ресурсов, достаточных для решения реальных задач (в частности, достаточной емкости памяти и вычислительной мощности процессора); 4) поддержка языков программирования высокого уровня, например Бейсика, Паскаля, Си; 5) наличие операционной системы, которая способна поддерживать диалоговое общение, что упрощает взаимодействие пользователя с компьютером; 6) "дружественность" по отношению к пользователю, подразумевающую простоту в общении с компьютером, сопоставимую с простотой использования бытовой техники, и наличие широкой сети сбыта компьютеров; 7) достаточный универсализм, необходимый для решения широкого круга прикладных задач.

Особенно широкую популярность персональные компьютеры получили после 1995 года в связи с бурным развитием Интернета. Персонального компьютера вполне достаточно для использования всемирной сети в качестве источника научной, справочной, учебной, культурной и развлекательной информации. Персональные компьютеры являются также удобным средством автоматизации учебного процесса по любым дисциплинам, средством организации дистанционного (заочного) обучения и средством организации досуга. Они вносят большой вклад не только в производственные, но и в социальные отношения. Их нередко используют для организации надомной трудовой деятельности, что особенно важно в условиях безработицы.

Некоторое время модели персональных компьютеров условно рассматривали в двух категориях: бытовые ПК и профессиональные ПК. Бытовые модели, как правило, имели меньшую производительность, но в них были приняты особые меры для работы с цветной графикой и звуком, чего не требовалось для профессиональных моделей. В связи с достигнутым в последние годы резким удешевлением средств вычислительной техники, границы между профессиональными и бытовыми моделями в значительной степени стерлись, и сегодня в качестве бытовых нередко используют высокопроизводительные профессиональные модели, а профессиональные модели, в свою очередь, комплектуют устройствами для воспроизведения мультимедийной информации, что ранее было характерно для бытовых устройств.

С 1999 года по 2002 в области персональных компьютеров действовали международные сертификационные стандарты — спецификации РС 99 -РС 2002. Они регламентировали принципы классификации персональных компьютеров и оговаривали минимальные и рекомендуемые требования к каждой из категорий. Стандарты устанавливали следующие категории персональных компьютеров: • Consumer PC (массовый ПК); • Office PC (деловой ПК); • Mobile PC (портативный ПК); • Workstation PC (рабочая станция); • Entertainment PC (развлекательный ПК).

Согласно спецификациям большинство персональных компьютеров, присутствующих в настоящее время на рынке, попадало в категорию массовых ПК. Для деловых ПК минимизированы требования к средствам воспроизведения графики, а к средствам работы со звуковыми данными требования вообще не предъявляются. Для портативных ПК обязательным, является наличие средств для создания соединений удаленного доступа, то есть средств компьютерной связи. В категории рабочих станций повышены требования к устройствам хранения данных, а в категории развлекательных ПК — к средствам воспроизведения графики и звука. Одна из целей такой стандартизации состояла и в том, чтобы наметить пути дальнейшего развития и совершенствования ПК. Однако развитие аппаратных средств ПК привело к постепенному размытию границ между разными категориями, а планы развития часто не оправдывались. Поэтому обновление этих стандартов было прекращено.

Сегодня IBM-совместимые ПЭВМ составляют более 90% всех производимых в мире персональных компьютеров. Причинами столь грандиозного успеха IBM-совместимых ПЭВМ стали следующие факторы: • невысокая стоимость; • высокая надежность; • высокая ремонтопригодность; • низкие эксплуатационные издержки; • возможность легкой модернизации компьютера в соответствии с требованиями по применению или с целью компенсации морального износа; • простота пользования; • высокие возможности по переработке информации; • компактная конструкция; • наличие развитой системы программного обеспечения, охватывающего практически все сферы человеческой деятельности.

Классификация по уровню специализации. По уровню специализации компьютеры делят на универсальные и специализированные. На базе универсальных компьютеров можно собирать вычислительные системы произвольного состава (состав компьютерной системы называется конфигурацией). Так, например, один и тот же персональный компьютер можно использовать для работы с текстами, музыкой, графикой, фото- и видеоматериалами.

Специализированные компьютеры предназначены для решения конкретного круга задач. К таким компьютерам относятся, например, бортовые компьютеры автомобилей, судов, самолетов, космических аппаратов. Специализированные мини-ЭВМ, ориентированные на работу с графикой, называют графическими станциями. Их используют при подготовке кино- и видеофильмов, а также рекламной продукции. Специализированные компьютеры, объединяющие компьютеры предприятия в одну сеть, называют файловыми серверами. Компьютеры, обеспечивающие передачу информации между различными участниками всемирной компьютерной сети, называют сетевыми серверами.

Классификация по типоразмерам Персональные компьютеры можно классифицировать по типоразмерам. Различают: настольные (desktop), портативные (notebook) карманные (palmtop) модели.

Портативные модели удобны для транспортировки. С портативным компьютером можно работать при отсутствии рабочего места. Карманные модели выполняют функции «интеллектуальных записных книжек» . Они позволяют хранить оперативные данные и получать к ним быстрый доступ. Некоторые карманные модели имеют жестко встроенное программное обеспечение, что облегчает непосредственную работу, но снижает гибкость в выборе прикладных программ. Osborn 1

Мобильные вычислительные устройства сочетают в себе функции карманных моделей компьютеров и средств мобильной связи. Их отличительная особенность – возможность мобильной работы с Интернетом, а в ближайшем будущем и возможность приема телевизионных передач. Дополнительно МВУ комплектуют средствами связи по инфракрасному лучу, благодаря которым эти карманные устройства могут обмениваться данными с настольными ПК и друг с другом.

Классификация по совместимости Аппаратная совместимость. По аппаратной совместимости различают так называемые аппаратные платформы. В области персональных компьютеров сегодня наиболее широко распространены две аппаратные платформы — IBM PC и Apple Macintosh. Кроме них существуют и другие платформы, распространенность которых ограничивается отдельными регионами или отдельными отраслями. Принадлежность компьютеров к одной аппаратной платформе повышает совместимость между ними, а принадлежность к разным платформам — понижает. Кроме аппаратной совместимости существуют и другие виды совместимости: совместимость на уровне операционной системы, программная совместимость, совместимость на уровне данных.

Классификация по типу используемого процессора Процессор — основной компонент любого компьютера. В электронновычислительных машинах это специальный блок, а в персональных компьютерах — специальная микросхема, которая выполняет все вычисления в компьютере. Даже если компьютеры принадлежат одной аппаратной платформе, они могут различаться по типу используемого процессора.

Состав вычислительной системы Состав вычислительной конфигурация системы называется конфигурацией. Аппаратные и программные средства вычислительной техники принято аппаратная программная рассматривать отдельно.

Аппаратное обеспечение К аппаратному обеспечению вычислительных систем относятся устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную конструкцию — аппаратную конфигурацию, необходимую для исполнения конкретных видов работ, можно собирать из готовых узлов и блоков. По способу расположения устройств относительно центрального процессорного устройства (ЦПУ— Central Processing Unit, CPU) различают внутренние и внешние устройства. Внешними, как правило, являются большинство устройств ввода-вывода данных (их также называют периферийными устройствами) и некоторые устройства, предназначенные для длительного хранения данных.

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью переходных аппаратно-логических устройств, называемых аппаратными интерфейсами. Стандарты на аппаратные интерфейсы в вычислительной технике называют протоколами. Протокол — это совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для успешного согласования их работы с другими устройствами

Многочисленные интерфейсы, присутствующие в архитектуре любой вычислительной системы, можно условно разделить на две большие группы: последовательные и параллельные. Через последовательный интерфейс данные передаются последовательно, бит за битом, а через параллельный — одновременно группами битов. Количество битов, участвующих в одной посылке, определяется разрядностью интерфейса, например восьмиразрядные параллельные интерфейсы передают один байт (8 бит) за один цикл.

Параллельные интерфейсы обычно имеют более сложное устройство, чем последовательные, но обеспечивают более высокую производительность. Их применяют там, где важна скорость передачи данных: для подключения печатающих устройств, устройств ввода графической информации, устройств записи данных на внешний носитель и т. п. Производительность параллельных интерфейсов измеряют байтами в секунду (байт/с: Кбайт/с: Мбайт/с). Устройство последовательных интерфейсов проще. Поскольку обмен данными через последовательные устройства производится не байтами, а битами, их производительность измеряют битами в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с).

Базовая аппаратная конфигурация Персональный компьютер — универсальная техническая система. Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости. Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. В таком комплекте компьютер обычно поставляется. Понятие базовой конфигурации может меняться. В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства: • системный блок; • монитор; • клавиатуру; • мышь.

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными. По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса. Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop) и вертикальном (tower) исполнении. Корпуса персональных компьютеров поставляются вместе с блоком питания и, таким образом, мощность блока питания также является одним из параметров корпуса. Для массовых моделей достаточной является мощность блока питания 200 -250 Вт.

Монитор — устройство визуального представления данных. Это не единственно возможное, но главное устройство вывода. Его основными потребительскими параметрами являются: размер экрана, максимальная частота регенерации изображения, класс защиты. Сейчас наиболее распространены мониторы двух основных типов: на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) плоские жидкокристаллические (ЖК).

ЭЛТ - мониторы Основной элемент дисплея: электроннолучевая трубка.

ЭЛТ - мониторы Экран покрыт люминофором — веществом, способным излучать свет при попадании на него быстрых электронов. Люминофор наносится в виде наборов точек трёх основных цветов — красного, зелёного и синего. Эти цвета называют основными, потому что их сочетаниями (в различных пропорциях) можно представить любой цвет спектра.

ЭЛТ - мониторы Наборы точек люминофора располагаются по треугольным триадам. Триада образует пиксел — точку, из которых формируется изображение (англ. pixel — picture element, элемент картинки). Расстояние между центрами пикселов называется точечным шагом монитора. Это расстояние существенно влияет на чёткость изображения (чем меньше шаг, тем выше чёткость). Обычно в цветных мониторах шаг составляет 0, 25 -0, 28 мм.

ЭЛТ - мониторы На противоположной стороне трубки расположены три (по количеству основных цветов) электронные пушки. Все три пушки "нацелены" на один и тот же пиксел. Чтобы электроны беспрепятственно достигали экрана, из трубки откачивается воздух, а между пушками и экраном создаётся высокое электрическое напряжение, ускоряющее электроны. Перед экраном на пути электронов ставится маска — тонкая металлическая пластина с большим количеством отверстий, расположенных напротив точек люминофора. Маска обеспечивает попадание электронных лучей только в точки люминофора соответствующего цвета.

ЭЛТ - мониторы На ту часть колбы, где расположены электронные пушки, надевается отклоняющая система монитора, которая заставляет электронный пучок пробегать поочерёдно все пикселы строку за строкой. Количество отображённых строк в секунду называется строчной частотой развертки. Частота, с которой меняются кадры изображения, называется кадровой частотой развёртки. Последняя не должна быть ниже 60 Гц, иначе изображение будет мерцать.

ЭЛТ - мониторы Безопасность работы: ü Излучение (мягкий рентген ~25 кэ. В) – устраняется с помощью стеклянных фильтров с включением атомов свинца. ü Электростатическое поле на экране – устраняется с помощью заземляющего проводящего покрытия. ü Магнитное поле отклоняющих катушек – устраняется с помощью экранов. ü Неправильная настройка – наиболее часто встречающееся нарушение: нечеткая картинка, высокая или низкая яркость и контрастность, низкая частота кадровой развертки, неправильное освещение.

ЭЛТ - мониторы С целью снижения риска для здоровья были разработаны рекомендации по параметрам мониторов. В каждой развитой стране есть собственные стандарты. В нашей стране действуют Санитарные правила и нормы определяющие требования к персональным ЭВМ и видеодисплейным терминалам Сан. Пи. Н (2. 2. 2. 0 - 94). Но особую популярность завоевали стандарты, разработанные в Швеции и известные под именами TCO и MPRII.

ЭЛТ - мониторы ТСО (The Swedish Confederation of Professional Employees, Шведская конфедерация профессиональных союзов) - это один из стандартов, который регулирует все виды воздействия монитора на человека: ü ü электромагнитная безопасность; эргономика; экологические стандарты; энергосбережение. В состав разработанных TCO рекомендаций сегодня входят четыре стандарта: TCO'92, TCO'95, TCO'99 и TCO'03.

ЭЛТ - мониторы MPRII - это еще один стандарт, разработанный в Швеции, который определяет максимально допустимые величины излучения магнитного и электрического полей, а также методы их измерения.

ЖК - мониторы Жидкие кристаллы — это особое состояние некоторых органических веществ, в котором они обладают текучестью и свойством образовывать пространственные структуры, подобные кристаллическим. Жидкие кристаллы могут изменять свою структуру и светооптические свойства под действием электрического напряжения.

На экране ЖК монитора изображение образуется в результате прохождения белого света лампы подсветки через ячейки, прозрачность которых зависит от приложенного напряжения. Элементарная триада состоит из трех ячеек зеленого, красного и синего цвета и соответствует одному пикселу экрана. Размер монитора по диагонали и разрешение экрана однозначно определяет размер такой триады и, тем самым, зернистость изображения. Т. об. в ЖК-мониторах изображение на экране создается свечением отдельной ячейки (пиксела), представляющей собой кристалл.

ЖК - мониторы В ЖК мониторах используются в основном активные матрицы. Активные матрицы (TFT - Thin Film Transistor) используют прозрачный экран из транзисторов. Панель при этом разделена на независимые ячейки, каждая из которых состоит из четырех частей (для трёх основных цветов и одна резервная) и управляется собственным транзистором.

ЖК - мониторы

ЖК – мониторы (время отклика) Время отклика - суммарное время переключения пиксела с черного на белый и обратно, причем измеряется время изменения яркости пиксела от 10% до 90% (в настоящее время 3 -36 мсек).

ЖК – мониторы (углы обзора) Согласно текущим стандартам, производители матриц определяют угол обзора как угол относительно перпендикуляра к центру матрицы, при наблюдении под которым контрастность изображения в центре матрицы падает до 10: 1. Обычно 1500 -1780.

ЖК – мониторы (яркость и контрастность) Под яркостью понимается яркость белого цвета (то есть на матрицу подается максимальный сигнал) в центре экрана, под контрастностью – отношение уровня белого цвета к уровню черного, также в центре экрана. Регулировкой "Contrast" пользователь меняет яркость белого цвета (черный цвет остается неизменным), а регулировкой "Brightness" – яркость как черного, так и белого одновременно (в большинстве мониторов регулировка "Brightness" реализована изменением яркости ламп подсветки). Рабочая яркость современного ЖК монитора составляет 80. . . 200 кд/кв. м. , контрастность 300: 1 … 1000: 1.

ЖК – мониторы (цветопередача) С точки зрения цветопередачи производители обычно указывают лишь одну цифру – количество цветов, которое традиционно равняется 16, 2 млн. или 16, 7 млн. Но очень многие из выпускаемых сейчас матриц не умеют отображать более 262 тысяч цветов.

ЖК – мониторы (безопасность) Главное достоинство ЖК-мониторов сводится не столько к отсутствию излучений, сколько к принципиальному отсутствию таких понятий, как "фокусировка" и "сведение" – четкость изображения на ЖК всегда идеальна. Тем не менее, проблемы с настройкой яркости и контрастности на комфортный уровень это не отменяет – от избыточной яркости или недостаточной контрастности глаза на ЖК-мониторе будут страдать точно так же, как и на ЭЛТ.

ЖК – мониторы (типы матриц) TN-матрицы ("Twisted Nematic" – способ организации жидких кристаллов в панели, при котором при подаче напряжения кристаллы сворачиваются в спираль).

ЖК – мониторы (типы матриц) IPS – матрицы (In-Plane Switching –кристаллы в ячейках панели всегда расположены в одной плоскости и всегда параллельны плоскости панели. При подаче на ячейку напряжения все кристаллы поворачиваются на 90 градусов, в активном состоянии панель пропускает свет, а в пассивном (при отсутствии напряжения) – нет). S-IPS (Super – IPS – матрица, с уменьшенным временем отклика).

ЖК – мониторы (типы матриц) *VA – матрицы (MVA и PVA – матрицы с доменной организацией кристаллов). Являются средним звеном между TN и S-IPS матрицами.

ЖК – мониторы (типы матриц) матрица TN S-IPS PVA (MVA) низкое низкая маленькие плохая низкая большое низкая большие отличная высокая большое высокая большие средняя параметры Время отклика Контрастность Углы обзора Цветопередача Стоимость

Клавиатура — клавишное устройство управления персональным компьютером. Служит для ввода алфавитно-цифровых (знаковых) данных, а также команд управления. Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивает простейший интерфейс пользователя. С помощью клавиатуры управляют компьютерной системой, а с помощью монитора получают от нее отклик. Принцип действия. Клавиатура относится к стандартным средствам персонального компьютера. Ее основные функции не нуждаются в поддержке специальными системными программами (драйверами). Необходимое программное обеспечение для начала работы с компьютером уже имеется в микросхеме ПЗУ в составе базовой системы ввода-вывода (BIOS), и потому компьютер реагирует на нажатия клавиш сразу после включения.