Лекция 2. Технические средства реализации информационных процессов

История развития вычислительной техники

Вычислительной техникой называют совокупность устройств, пред­назначенных для автоматической или автоматизированной обработки дан­ных.

Потребность в автоматизации обработки данных возникла очень давно. Одним из первых простейших ручных приспособлений человека можно назвать абак, который появился в Азии в 4000 до н.э. Далее абак заменили счеты и другие механические приспособления: «механические часы» для опе­раций сложения Вильгельма Шикарда (1623 г.); «суммирующее устройство» Блеза Паскаля (1642 г.); механический калькулятор Готфрида Лейбница (1673 г.). В 1833 г. Чарльз Беббидж разработал проект «аналитической ма­шины», в который заложил принцип разделения информации на команды и данные. Эта идея в XX в. была развита Джоном фон Нейманом и использу­ется в со­временных компьютерах. Однако, все эти устройства были меха­ническими. Лишь появление электронных технологий позволило совершить прорыв в вы­числительной технике.

В истории современной вычислительной техники существует свое­образная периодизация ЭВМ по поколениям. В ее основу положен физико-технологический принцип – машину относят к тому или иному поколению в зависимости от используемых в ней физических элементов или технологии их изготовления.

По этапам создания и используемой элементной базе ЭВМ условно делятся на поколения:

1-е поколение (1945-1955): ЭВМ на электронных вакуумных лампах (эти машины занимали громадные залы, весили сотни тонн и расходовали сотни киловатт электроэнергии, их быстродействие и надежность были низкими, а стоимость достигала 500-700 тыс. долл.);

2-е поколение (1955-1965): ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах) (малые габариты, снижение потребляемой мощно­сти и стоимости позволило повысить быстродействие компьютеров до сотен тысяч операций в секунду);

3-е поколение (1965-1980): ЭВМ на полупроводниковых интеграль­ных схемах с малой и средней степенью интеграции (Роберт Нойс, основа­тель фирмы Intel, изобрел метод, позволивший создать на одной пластинке и транзисторы, и все необходимые соединения между ними, что привело к резкому увеличению надежности ЭВМ и к снижению размеров, энергопо­требления и стоимости до 50 тыс. долл.);

4-е поколение (1980-?): ЭВМ на больших и сверхбольших инте­граль­ных схемах – микропроцессорах (фирма Intel выпустила большую ин­те­гральную схему, содержащую в себе практически всю основную электро­нику компьютера, по цене в несколько десятков долл.);

5-е поколение (1985-?): ЭВМ с многими десятками параллельно рабо­тающих микропроцессоров и ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с па­раллельно-векторной структурой (одновременно выполняют десятки после­довательных команд программы);

6-е поколение и последующие поколения: оптоэлектронные и крио­электронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой (рас­пределенная сеть большого числа несложных микропроцессоров, модели­рующих архитектуру нейронных биологических систем).

Каждое следующее поколение ЭВМ имеет по сравнению с предшест­вующими существенно лучшие характеристики.

Принципы функционирования компьютера

В 1945 г. американский математик Джон фон Нейман сформулиро­вал общие принципы функционирования компьютеров как универсальных вы­числительных устройств. Большинство современных компьютерных систем построено именно на этих принципах.

1. Принцип использования двоичной системы счисления – инфор­мация (программы и данные) в компьютере представляется и обра­батывается в двоичном виде.

2. Принцип программного управления – компьютер управляется программой, состоящей из команд (каждая из которых осуществляет еди­ничный акт преобразования информации).

После ввода программы и данных в память, компьютер работает автоматически, выполняя команды без вмешательства человека.

3. Принцип условного перехода – возможность перехода на тот или иной участок программы в процессе вычислений в зависимости от полу­ченных промежуточных результатов (это позволяет легко организовывать в программе циклы и осуществлять автоматический выход из них).

4. Принцип хранимой программы – команды программы представ­ляются числовыми кодами и хранятся в памяти компьютера (точно так же, как и исходные данные). Т.к. вся программа или ее часть хранится в оперативной памяти, то над ее командами можно выполнять различные операции.

Трудности реализации единого емкого быстродействующего запоми­нающего устройства требуют иерархического построения памяти.

5. Принцип иерархичности запоминающих устройств – память де­лится на быстродействующую оперативную и долговременную.

Данные, участвующие в счете в данный момент и в ближайшее время, хранятся в быстром запоминающем устройстве малой емкости, а более редко используемые в медленном, но гораздо большей емкости.

Обобщенная структура эвм

Компьютер (построенный в соответствии с принципами Джона фон Неймана) содержит в своем составе следующие устройства:

1. арифметико-логическое устройство (АЛУ) – выполняет арифме­тические и логические операции, задаваемые в программе;

2. устройство управления (УУ) – организует выполнение опера­ций, задаваемых в программе;

В современных компьютерах АЛУ и УУ объединяются в одно устрой­ство – центральный процессор.

3. оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – состоит из неко­торого количества ячеек и предназначено для временного хранения про­грамм и данных;

4. внешние устройства для ввода-вывода информации;

5. канал ввода-вывода – осуществляет управление операциями ввода-вывода, обеспечивая независимый доступ устройств ввода-вывода к памяти.

(стрелки с тонкими линиями отражают управляющие связи,

с жирными линиями – информационные)

ОЗУ хранит команды и данные исполняемых программ, АЛУ обеспе­чивает числовую обработку информации, осуществляя ее занесение в ОЗУ. Канал ввода-вывода представляет собой специализированное устройство, работающее по командам, подаваемым УУ. УУ обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы.

Компьютеры, выполненные по архитектуре закрытого типа, не имеют возможности подключения дополнительных устройств, не предусмот­ренных разработчиком. Они плохо приспособлены для реализации компью­терных технологий, требующих подключения дополнительных внешних уст­ройств и высокой скорости обмена с ними информацией.