Основы построения компьютера § Эволюция вычислительной техники

Основы построения компьютера § Эволюция вычислительной техники § Механические и математические первоисточники § Электрические и электронные устройства § Классификация компьютеров

Вычислительная техника Одна из основных задач технических дисциплин – поиск средств и методов механизации и автоматизации работ. Для автоматизации работ с данными используется вычисли тельная техника (ВТ). ВТ прошла те же этапы эволюции, что и прочие технические устройства: n ручные приспособления; n механические устройства; n автоматические системы.

Механические первоисточники ВТ Абак – счетное устройство, глиняная пластина с желобами, в которых раскладывались камни, представляющие числа (Азия, четвертое тысячелетие до н. э. ). Европа (ср. века) – разграфленные таблицы (счет на линиях). Россия (XVI–XVII вв. ) – русские счеты. 1617 г. – палочки Непера, оригинальный прибор для быстрого умножения. 1623 г. – автоматическое устройство для выполнения операции сложения на базе механических часов (разработал в немецкий математик Вильгельм Шиккард).

1000 до н. э. 250 1617 1623 Русские счеты Джон Непер 16 17 вв (1550 1617)

Механические первоисточники ВТ 1623 г. Эдмунд Уингейт и Уильям Отред изобрели первую логарифмическую линейку. 1642 г. – французский математик и механик Блез Паскаль разработал суммирующее устройство «Паскалина» – первый механический калькулятор, выпускавшийся серийно (для парижских ростовщиков и менял). 1673 г. – немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц создал механический калькулятор, работающий на принципе ступенчатого валика, выполняющий четыре арифметических действия.

Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646 1716) 1623 1642 1673 1804 Блез Паскаль Жозеф Мари Жаккар (1623 1662) (1752 1834)

Механические первоисточники ВТ Сохранялся принцип механического управления вычисли тельными операциями. Программирование вычислительных операций пришло из часовой промышленности. Башенные часы настраивались так, чтобы в заданное время включать механизм, связанный с системой колов. Жесткое программирование – одна и та же операция выпол нялась в одно время. Гибкое программирование механических устройств с помощью перфорированной бумажной ленты реализовано в 1804 г. в ткацком станке Жаккарда.

Механические первоисточники ВТ Остался один шаг до программного управления вычислительными операциями. Этот шаг сделал английский математик и изобретатель Чарльз Бэббидж в аналитической машине (воспроизведена в наши дни по чертежам). Впервые реализован принцип разделения информации на команды и данные. Аналитическая машина содержала два узла – склад и мельни цу. Данные вводились в механическую память склада путем установки блоков шестерен, а потом обрабатывались в мель нице с использованием команд, вводившихся с перфориро ванных карт.

Первый арифмометр Шарль Ксавье Тома де Кольмар Ада Лавлейс (1815 1852) 1820 1822 1823 1834 1835 • Первые в мире программы для программно управляемой аналитической машины Бэббиджа. • Принципы программирования Чарльз Бэббидж (цикл, условие). (1791 1871)

Механические первоисточники ВТ Идею использования перфокарт для программирования вычислительных операций (1843 г. ) предложила графиня Огаста Ада Лавлейс, дочь лорда Байрона. Ее именем назван язык программирования. Идея раздельного рассмотрения команд и данных оказалась плодотворной. Развита в принципах Джона фон Неймана (1941 г. ). Сегодня принцип раздельного рассмотрения программ и данных учитывается при разработке архитектур современных компьютеров и компьютерных программ.

Электрические и электронные устройства В механических предшественниках компьютера числа представлялись в виде: n линейных перемещений цепных и реечных механизмов; n угловых перемещений зубчатых и рычажных механизмов. Это влияло на габариты устройств и скорость их работы. Переход от регистрации перемещений к регистрации сигна лов позволил снизить габариты и повысить быстродействие. Регистрировать сигналы позволяют электрические и электронные устройства.

Использование двоичной системы счисления В электрических и электронных устройствах речь идет о регистрации состояний элементов устройства. Таких устойчивых и различимых состояний два (включен выключен, открыт закрыт, заряжен разряжен). Коды нуля и единицы представляются электрическими сигналами, имеющими два различных состояния: n импульс или его отсутствие; n высокий или низкий потенциал; n высокий потенциал или его отсутствие.

Кодирование двоичных цифр Импульсное кодирование – единица кодируется наличием электрического импульса (характеризуется амплитудой и дли тельностью). Длительность меньше временного такта машины. Потенциальное кодирование – единица кодируется высоким уровнем напряжения, ноль – отсутствием сигнала или низким уровнем. Уровень напряжения не меняется в течение всего такта работы машины.

Использование алгебры логики Значение алгебры логики долгое время игнорировалось, т. к. ее приемы и методы не содержали практической пользы для науки и техники. Когда появилась возможность создания средств ВТ на элек тронной базе, логические операции оказались полезны. Они ориентированы на работу с двумя сущностями: истина и ложь. Двоичный код тоже представляется двумя сигналами: ноль и единица. Алгебру логики с двоичной системой счисления соединили в середине XX в.

Использование алгебры логики Основным операциям булевой алгебры соответствуют элемен тарные логические вентили И, ИЛИ, НЕ. Остальные логи ческие схемы компьютера могут быть построены на основе этих трех вентилей. Вентили И, ИЛИ, НЕ соединяются в различные комбинации, образующие электронные схемы – сумматоры. С их помощью компьютер производит двоичное сложение (вычитание, умно жение и деление преобразуются к сложению). Физически логические вентили реализуются комбинацией переключательных схем, имеющих два состояния: «ток есть» , «тока нет» (соответствуют двоичным 0 и 1).

Принципы фон Неймана Американский математик Джон фон Нейман (1903– 1957) сформулировал в 1945 г. общие принципы построения ЭВМ: q двоичное кодирование – данные и команды кодируются двоичными цифрами 0 и 1; q программное управление – вычисления представляются в виде программы (набора команд); q однородность памяти – команды и данные хранятся в одной памяти; q адресность – коды команд и данных хранятся в ячейках памяти, имеющих адреса. Ключевая идея принципов фон Неймана – хранение в памяти ЭВМ исполняемой ею программы.

Принципы построения ЭВМ С. А. Лебедева В 1947 – 48 гг. советский ученый Сергей Алексеевич Лебедев (1902– 1974) независимо сформулировал принципы построения ЭВМ: q ЭВМ включает устройства арифметики, памяти, ввода вывода и управления; q программа вычислений кодируется и хранится в памяти; q двоичная система для кодирования чисел и команд; q вычисления осуществляются автоматически на основе хранимой в памяти программы; q кроме арифметических операций вводятся логические; q память строится по иерархическому принципу.

Схема классического компьютера (структура фон-Неймана)

Основные логические узлы компьютера q Центральный процессор (ЦП) – основное устройство, выполняет вычисления по хранящейся в памяти програм ме, обеспечивает общее управление компьютером. q Оперативная (основная) память – запоминающее уст ройство, напрямую связанное с ЦП и предназначенное для хранения программ и данных, непосредственно участвую щих в вычислениях. q Внешняя память – предназначена для размещения больших объемов информации и обмена ею с оперативной памятью. q Устройства ввода вывода – предназначены для ввода информации в компьютер и вывода информации из него, обеспечение общения пользователя с машиной.

Суперкомпьютеры Суперкомпьютер – предназначен для высокоскоростного выполнения приложений, связанных со следующими задачами: n прогнозирование метеообстановки; n управление оборонными комплексами; n биологические исследования; n моделирование экологических систем. Производители суперкомпьютеров улучшают показатель стоимость / производительность. Супермини компьютеры – уменьшенные по габаритам и более экономичные варианты суперкомпьютеров, часто настольного исполнения.

TOP 500 1. Sequoia (IBM, США, 2011, 16. 3 Pflops) 2. K computer (Fujitsu, Япония, 2011, 10. 5 Pflops ) 3. Mira (IBM, США, 2012, 8. 1 Pflops) 22. «Ломоносов» (Т Платформы, Россия, 2009, 0. 9 Pflops)

Большие компьютеры (мэйнфреймы) Большой компьютер (Mainframe) – для обработки больших объемов данных крупных предприятий, организаций, отраслей. Имеет мультипроцессорную архитектуру, позволяет подклю чать сотни рабочих мест. По производительности уступает суперкомпьютеру, но имеет более широкий круг задач. Мэйнфреймы отличаются высокой стоимостью оборудования и обслуживания, поэтому их работа организована по непре рывному циклу. Трудоемкие и продолжительные вычисления – в ночные часы. В дневное время – менее трудоемкие, но более многочисленные задачи. Компьютер работает одновре менно с многими задачами и многими пользователями (принцип разделения времени).

Большие компьютеры (мэйнфреймы) На базе мэйнфреймов создают вычислительные центры, в которые входят: n центральный процессор; n группа системного программирования; n группа прикладного программирования; n группа подготовки данных; n группа технического обеспечения; n группа информационного обеспечения; n отдел выдачи данных.

Мини-компьютер Имеют однопроцессорную архитектуру, развитую систему периферийных устройств. От мэйнфреймов отличаются меньшими размерами, производительностью и стоимостью. Применяются для управления производственными процес сами в сочетании с другими задачами. Требует специального ВЦ. Термин применяется все реже, уступая понятию «персональный компьютер» . Супер мини. ЭВМ – имеют мультипроцессорную архитек туру, позволяющую подключать до нескольких сот терми налов, наращиваемые дисковые запоминающие устройства. По характеристикам не уступают мэйнфремам.

Микрокомпьютер – устройство на основе одного или нескольких микропроцессоров. Микрокомпьютеры используются в производстве и в аппаратуре автоматического управления. Для их обслуживания достаточно небольшой вычислительной лаборатории. Системные программы покупают вместе с микрокомпьютером. Программисты сочетают качества системных и прикладных программистов.

Персональный компьютер Персональный компьютер (ПК, PC – Personal Computer) – компьютер на базе микропроцессора, предназначенный для обслуживания одного рабочего места. Характерны небольшие размеры и массовое производство. Позволяют использовать Интернет как источник научной, спра вочной, учебной, культурной и развлекательной информации. Являются удобным средством автоматизации учебного процесса, организации дистанционного обучения, досуга. Используются в надомной трудовой деятельности.

Свойства персонального компьютера n Малая стоимость, доступная для индивидуального покупателя. n Автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды. n Гибкость архитектуры, адаптируемость к применению в сфере управления, науки, образования и в быту. n Дружественность ПО, обусловливающая возможность работы пользователя без специальной профессиональной подготовки. n Высокая надежность работы (более 5000 ч наработки на отказ).

Классификация компьютеров по уровню специализации Компьютеры делят на: n универсальные – обеспечивают решение различных задач; n специализированные – предназначены для решения конкретных задач: v бортовые компьютеры автомобилей, судов, самолетов, КА; v графические станции – подготовка фильмов, рекламы; v файловые серверы; v сетевые серверы и т. д. С задачами специализированных систем могут справляться универсальные компьютеры, но считается, что использование специализированных систем эффективнее.

Классификация компьютеров по типоразмерам Принято выделять: n настольные (desktop) – являются стационарными, предо ставляют наибольшие возможности пользователям; n портативные (notebook) – позволяют работать в команди ровках и переездах. Подключив компьютер к сети, можно устано вить обмен данными с центральным компьютером организации. На рабочем месте не очень удобны; n карманные (palmtop) – выполняют функции интеллекту альных записных книжек. Позволяют хранить оперативные данные и получать к ним быстрый доступ. Включают функции мобильной связи и работы с Интернетом.

Классификация компьютеров по совместимости Существует множество различных видов и типов компьюте ров. Выпускаются разными производителями, собираются из разных деталей, работают с разными программами. Важна совместимость компьютеров между собой. Рассматриваются: n аппаратная совместимость, от которой зависит взаимоза меняемость узлов разных компьютеров; n программная совместимость, обеспечивающая возмож ность переноса программ с одного компью тера на другой; n совмес тимость на уровне данных – возможность совместной работы разных типов компьютеров с одними и теми же данными.

Понятие аппаратной платформы По аппаратной совместимости различают так называемые аппаратные платформы. В области ПК существуют: n платформа IBM PC; n платформа Apple Macintosh; n другие платформы, распространенность которых ограничивается отдельными регионами или отраслями.

Конфигурация вычислительной системы Состав ВС называется конфигурацией. Рассматриваются: n аппаратная конфигурация; n программная конфигурация. Разделение имеет значение, т. к. решение одних задач может обеспечиваться как аппаратными, так и программными средствами. Критериями выбора аппаратного или программного решения являются производительность и эффективность. Аппаратные решения дороже, но реализация программных решений требует более высокой квалификации персонала.

Принцип открытой архитектуры n Регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовлен ных независимыми фирмами производителями. n Компьютер легко расширяется и модернизируется за счет внутренних расширительных гнезд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, и этим уста навливать конфигурацию своей машины в соответствии с личными предпочтениями.

Выгоды открытой архитектуры n Конкуренция между производителями привела к удешев лению комплектующих и самих компьютеров. n Изобилие компьютерного оборудования позволило покупа телям расширить выбор, что способствовало снижению цен на комплектующие и повышению их качества. n Модульная структура компьютера и простота сборки позво лила пользователям выбирать необходимые устройства и производить их установку в домашних условиях. n Возможность модернизации привела к тому, что пользова тели смогли выбирать компьютер исходя из своих текущих потребностей и финансовых возможностей.