Информатика Lec_2_1

Тема № 2 Технические средства информатизации

История развития ЭВМ. Понятие и основные виды архитектуры ЭВМ. Состав и назначение основных элементов персонального компьютера, их характеристики. Запоминающие устройства: классификация, принцип работы, основные характеристики. Устройства ввода/вывода данных, их разновидности и основные характеристики

Технические средства информатизации – это совокупность систем, машин, приборов,

механизмов, устройств и прочих видов оборудования, предназначенных для автоматизации различных технологических процессов информатики, причем таких, выходным про-

дуктом которых является именно информация (сведения, знания) или данные, используемые для удовлетворения информационных потребностей в разных областях предметной деятельности общества.

1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

В основу периодизации ЭВМ по поколениям (являющейся все-таки относительной) положены следующие факторы:

–физико-технологический принцип (поколением машины определяется в зависимости от используемых в ней физических элементов или технологии их изготовления);

–уровень программного обеспечения;

–быстродействие и др.

Как правило, границы поколений четко не определены, так как в один и тот же период

выпускались машины разного уровня.

История развития ВТ имеет несколько периодов: механический, электромеханический и электронный.

Доэлектронный (механический) период

Вопрос облегчения выполнения вычислений всегда волновал

умы ученых. Первый счеты появились около пяти тысяч лет назад.

Для проведения вычислений в Древнем Вавилоне (около 3 тыс. лет до н.э.), а затем в

Древней Греции и Древнем Риме (IV век до н.э.) использовали счетные доски под названием абак. Доска абака представляла собой глиняную пластину с углублениями, в кото-

рые раскладывали камушки. В дальнейшем углубления были заменены проволокой с нанизанными косточками (прообраз счет).

Конец XV – начало XVI века – Леонардо да Винчи (Leonardo da Vinci, 16.04.1452-

02.05.1519) создал 13-разрядное суммирующее устройство с десятизубными кольцами около 1500 года.

В17 веке в Европе ученые-математики (В. Шиккард (1623 г.) и Блез Паскаль (1642 г. – суммирующая машина «паскалина»), Г. Лейбниц (1671 г. – счетная машина для сложения

иумножения двенадцатиразрядных десятичных чисел)) изобретают механические ма-

шины, способные автоматически выполнять арифметические действия (прообраз арифмометра).

Впервой трети 19 века английский математик Ч. Бэббидж разработал проект программируемого автоматического вычислительного механического устройства, известного как «аналитическая машина» Бэббиджа.

Главная особенность – ПРОГРАММНЫЙ ПРИНЦИП РАБОТЫ Принцип программы, хранимой в памяти компьютера:

•программа вычислений вводится в память ЭВМ и хранится в ней наравне с исходными числами

•команды, составляющие программу, представлены в числовом коде по форме ни-

чем не отличающемся от чисел

Программы вычислений на «аналитической машине» Беббиджа, составленные дочерью Байрона графиней Адой Августой Лавлейс (1815-1852), меценатом проекта, порази-

тельно схожи с программами, составленными впоследствии для первых ЭВМ. Замеча-

тельную женщину назвали первым программистом мира.

Г. Холлерит в 1888 г. создал электромеханическую машину, которая состояла из

перфоратора, сортировщика перфокарт и суммирующей машины, названной табулятором. Впервые эта машина использовалась в США при обработке результатов переписи населения.

Скорость вычислений в механических и электромеханических машинах была ограни-

чена, поэтому в 1930-х гг. начались разработки электронных вычислительных машин

(ЭВМ), элементной базой которых стала трехэлектродная вакуумная лампа.

В1946 г. в университете г. Пенсильвания (США) была построена электронная вычислительная машина (руководители – Джон Моучли и Преспер Эккерт), получившая название ENIAK. Машина весила 30 т, занимала площадь 200 кв.м., содержала 18000 ламп.

Программирование велось путем установки переключателей и коммутации разъемов. В результате на создание и выполнение даже самой простой программы требовалось очень

много времени. Сложности в программировании на ENIAK натолкнули Джона фон Неймана, бывшего консультантом проекта, на разработку новых принципов построения архитек-

туры ЭВМ.

ВСССР первая ЭВМ была создана в 1948 г.

Историю развития ЭВМ принято рассматривать по поколениям.

Первое поколение (1946-1960) (1948 – 1958)– это время становления архитектуры машин фон-неймановского типа, построенных на электронных лампах с быстродействием 10-20 тыс.оп/с. ЭВМ первого поколения были громоздкими и ненадежными. программные

средства были представлены машинными языками.

В 1950 г. в СССР была запущена в эксплуатацию МЭСМ (малая электронная счетная машина), а еще через два года появилась большая электронно-счетная машина (10 тыс.оп/с).

Первое поколение создавалось на основе вакуумных электроламп, машина управлялась с пульта и перфокарт с использованием машинных кодов. Эти ЭВМ размещались в

нескольких больших металлических шкафах, занимавших целые залы.

Элементной базой машин этого поколения были электронные лампы – диоды и триоды. Машины предназначались для решения сравнительно несложных научно-технических

Третье поколение (1964 – 1970) (1968 – 1973) характеризуются тем, что вместо тран-

зисторов стали использоваться интегральные схемы (ИС) и полупроводниковая память. Большинство машин, относящихся к третьему поколению по своим особенностям,

входили в состав серии (семейства) машин «System/360» (аналог ЕС ЭВМ), выпущенной фирмой IBM в середине 60-х гг. Машины этой серии имели единую архитектуру и были программно совместимыми.

В этот время в СССР появился первый суперкомпьютер БЭСМ 6, который имел производительность 1 млн. оп/с.

Элементная база ЭВМ – малые интегральные схемы (МИС), содержавшие на одной пластинке сотни или тысячи транзисторов. Управление работой этих машин происходило с алфавитно-цифровых терминалов. Для управления использовались языки высокого

уровня и Ассемблер. Данные и программы вводились как с терминала, так и с перфокарт и перфолент. Машины предназначались для широкого использования в различных об-

ластях науки и техники (проведение расчетов, управление производством, подвижными объектами и др.). Благодаря интегральным схемам удалось существенно улучшить тех- нико-эксплуатационные характеристики ЭВМ и резко снизить цены на аппаратное обес-

печение. Например, машины третьего поколения по сравнению с машинами второго поколения имеют больший объем оперативной памяти, увеличилось быстродействие, по-

высилась надежность, а потребляемая мощность, занимаемая площадь и масса уменьшились.

Рис. 5. ЭВМ второго поколения МИР-2.

Четвертое поколение (1970 – 1980) (1974 – 1982) – это машины, построенные на больших интегральных схемах (БИС). Такие схемы содержат до нескольких десятков тысяч элементов в кристалле. ЭВМ этого поколения выполняют десятки и сотни миллионов операций в секунду.

Наиболее яркие представители четвертого поколения ЭВМ - персональные компью-

теры (ПК). Связь с пользователем осуществлялась посредством цветного графического

дисплея с использованием языков высокого уровня.

Машины предназначались для резкого повышения производительности труда в науке, производстве, управлении, здравоохранении, обслуживании и быту. Высокая степень ин-

теграции способствует увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности, что ведет к увеличению быстродействия ЭВМ и снижению ее

стоимости. Все это оказывает существенное воздействие на логическую структуру (архитектуру) ЭВМ и на ее ПО. Более тесной становится связь структуры машины и ее программного обеспечения, особенно ОС (или монитора) – набора программ, которые орга-

низуют непрерывную работу машины без вмешательства человека.

В 1971 г. появился первый в мире четырехразрядный микропроцессор Intel 4004, содержащий 2300 транзисторов на кристалле, а еще через год - восьмиразрядный процес-

сор Intel 8008. Создание микропроцессоров послужило основой для разработки персо-

нального компьютера (ПК), т.е. устройства, выполняющего те же функции, что и большой

компьютер, но рассчитанного на работу одного пользователя.

1973 г. фирма Xerox создала первый прототип персонального компьютера.

Рис. 6. ЭВМ четвертого поколения - СМ-1420

1974 г. появился первый коммерчески распространяемый персональный компьютер

Альтаир-8800, для которого в конце 1975 г. Пол Ален и Билл Гейтс написали интерпретатор языка Бэйсик.

В августе 1981 г. фирма IBM выпустила компьютер IBM PC. В качестве основного микропроцессора использовали новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intel 8088. ПК был построен в соответствии с принципами открытой архитектуры. Пользователи по-

лучили возможность самостоятельно модернизировать свои компьютеры и оснащать их дополнительными устройствами различных производителей. Через один – два года компьютер IBM PC занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-разрядных компьюте-

ров.

Пятое поколение ЭВМ (1990 – настоящее время)

Пятое поколение создано на основе сверхбольших интегральных схем (СБИС), которые отличаются колоссальной плотностью размещения логических элементов на кри-

сталле.

В соответствии с [5] основную концепцию ЭВМ пятого поколения можно сформулировать следующим образом:

–Компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструк-

ций программы.

–Компьютеры с многими сотнями параллельно работающих процессоров, позволяющих строить системы обработки данных и знаний, эффективные сетевые

компьютерные системы.

Предполагалось, что к 1991 г. будут созданы принципиально новые компьютеры, ори-

ентированные на решение задач искусственного интеллекта, то есть, для компьютеров

пятого поколения не пришлось бы писать программ, а достаточно было бы объяснить на

"почти естественном" языке, что от них требуется.

В работе [6] проект пятого поколения ЭВМ, опубликованный в начале 80-х годов 20-го столетия в Японии, рассмотрен более подробно.

Основная идея этого проекта – сделать общение конечного пользователя с компью-

тером максимально простым, подобным общению с любым бытовым прибором. Для решения поставленной задачи предлагались следующие направления (рис.7):

–разработка простого интерфейса, позволяющего конечному пользователю вести диалог с компьютером для решения своих задач. Подобный интерфейс может быть организован двумя способами: естественно-языковым и графическим. Поддержка естест-

венно-языкового диалога – очень сложная и не решенная пока задача. Реальным яв-

ляется создание графического интерфейса, что и сделано в ряде программных про-

дуктов, например, в ОС Windows’xx. Однако разработка доступных интерфейсов решает проблему только наполовину – позволяет конечному пользователю обращаться к заранее спроектированному программному обеспечению, не принимая участие в его

разработке;

–привлечение конечного пользователя к проектированию программных продуктов. Это направление позволило бы включить заказчика непосредственно в процесс создания

программ, что в конечном итоге сократило бы время разработки программных продук-

тов и, возможно, повысило бы их качество. Подобная технология предполагает два этапа проектирования программных продуктов:

–программистом создается «пустая» универсальная программная оболочка, способная наполняться конкретными знаниями и с их использованием решать практические задачи. Например, эту оболочку можно было бы заполнить пра-

вилами составления квартальных и иных балансов предприятий, и тогда она могла бы решать задачи бухгалтерского учета;

–конечный пользователь заполняет созданную программистом программную оболочку, вводя в нее знания, носителем которых (в некоторой предметной области) он является. После этого программный продукт готов к эксплуатации.

а) программист создает пустую программную оболочку

Программист

б) заказчик (конечный пользователь) наполняет оболочку знаниями

Заказчик

Рис. 7. Два этапа технологии подготовки прикладных задач к решению на компьютере, предлагаемые в проекте ЭВМ пятого поколения

Наполненная знаниями конечного пользователя программная оболочка готова к решению тех прикладных задач, правила решения которых внес в нее конечный пользователь. Таким образом, начинается эксплуатация программного продукта.

Предлагаемая технология имеет много серьезных проблем, связанных с представлением и манипулированием знаниями. Тем не менее, с ней связывают прорыв в области проектирования прикладных программных продуктов.

Шестое и последующие поколения ЭВМ

Электронные и оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом, нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров,

моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Деление ЭВМ по временным периодам и номерам поколений и, как уже упоминалось, достаточно условное. Ряд авторов вводят понятие нулевого поколения и существенно

иные временные интервалы для поколений.

В табл. 2.1 показана эволюция технологий использования компьютерных систем.

Однако, несмотря на то, что в стратегическую гонку втянулись ученые большинства развитых стран, заявленная цель до сих пор не реализована по причинам финансовым, техническим и целеполагающим: сегодня усилия разработчиков, в основном переключены на микропроцессорную технику и развитие сетевых технологий.