2. Устройство компьютера
2.1. Развитие и поколения вычислительной техники
Непосредственными предшественниками ЭВМ были релейные вычислительные машины. Электромеханическое реле – это двухпозиционный переключатель, который имеет два состояния: включено и выключено. Это свойство позволяет использовать реле для кодирования информации в двоичном виде.
В процессе работы релейной машины происходят переключения тысяч реле из одного состояния в другое. Релейная машина «Марк-2», созданная в 1947 г. содержала около 13000 реле. Одной из наиболее совершенных релейных машин была машина советского конструктора Н.И. Бессонова – РВМ-1. Она была построена в1956 году и проработала почти 10 лет, конкурируя с существовавшими уже в то время ЭВМ. Реле сильно ограничивало скорость работы таких машин. Скорость РВМ-1 составляла 50 сложений или 20 умножений в секунду.
Первая половина ХХ века ознаменовалась бурным развитием радиоэлектроники. Основным элементом радиоэлектроники являлись электронно-вакуумные лампы, которые стали технической основой первых ЭВМ.
Первая ЭВМ – универсальная машина на электронных лампах – была построена в 1945 году в США. Эта машина называлась ENIAC (электронный цифровой интегратор и вычислитель). Скорость счёта этой машины превосходила скорость релейных машин того времени в тысячу раз. В машине ENIAC было около 18000 электронных ламп, которые при работе сильно нагревались, поэтому требовалось специальное охлаждение. Машина весила около 30 тонн и потребляла мощность почти 150 кВт.
ENIAC программировался штекерно-коммунитационным способом. Программа набиралась при помощи штекеров, вручную. На коммутационной доске соединялись проводниками отдельные блоки машины.
В 1949 году была построена первая ЭВМ с архитектурой фон Неймана – английская машина EDSAC.
В 1950 году появилась американская ЭВМ EDVAC. Эти машины существовали в единственных экземплярах. Серийное производство ЭВМ началось в развитых странах в 50-х годах ХХ века.
В нашей стране первая ЭВМ была создана в 1951 году. Называлась она МЭСМ – малая электронная счётная машина. Конструктором МЭСМ был Сергей Алексеевич Лебедев. Институт электротехники АН УССР возглавляемый С.А. Лебедевым находился в Киеве.
Под руководством С.А. Лебедева в 50-х годах в СССР были построены серийные ламповые ЭВМ БЭСМ-1 (быстродействующая электронная счётная машина), БЭСМ-2, М-20. В то время эти машины были одними из лучших в мире.
В 60-х годах ХХ века С.А. Лебедев руководил разработкой полупроводниковых ЭВМ БЭСМ-3М, БЭСМ-4, М-220, М-222. Выдающимся достижением того периода была машина БЭСМ-6. Это первая отечественная и одна из первых в мире ЭВМ с быстродействием 1 миллион операций в секунду.
Электронно-вычислительную технику принято делить на поколения. Смены поколений чаще всего были связаны со сменой элементной базы. Это всегда приводило к росту быстродействия и объёма памяти.
I поколение (1945 – 1950 гг.): Это эпоха становления вычислительной техники. Большинство машин первого поколения были экспериментальными устройствами. Элементная база машин первого поколения – электронно-вакуумные лампы.
Эти ЭВМ требовали большой площади помещения. Работоспособность машин поддерживал штат опытных инженеров, способных быстро находить неисправность и устранять её. Системное программное обеспечение отсутствовало. Основная специализация – решение математических задач.
II поколение (1950-1960 гг.): Элементной базой стали полупроводниковые приборы – транзисторы и диоды. Сократились размеры машин, потребление электроэнергии, что позволило открыть серийное производство этих ЭВМ, в состав которых входили печатающие устройства, магнитные накопители для хранения информации. Вместе с машинами II поколения появились языки программирования: Фортран, Алгол, Кобол, Бэйсик.
ЭВМ II поколения использовались не только для решения задач вычислительной математики, но и для решения задач обработки данных, например в бухгалтерском учёте, для учёта товаров на складе, организации различных каталогов.
К машинам этого поколения относятся: «РАЗДАН-2», «IВМ-7090», «Минск-22», «Урал-14», «БЭСМ-3», «М-220» и др.
Применение полупроводников в электронных схемах ЭВМ II поколения привели к увеличению производительности до 30 тыс. операций в секунду, и оперативной памяти до 32 Кб.
В программном обеспечении компьютеров второго поколения впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой.
III поколение (1960 – 1979 гг.): Основу элементной базы машин III поколения составляли интегральные схемы. Интегральные схемы – это обычные электронные схемы, состоящие из транзисторов, конденсаторов и сопротивлений, изготовленные на многослойной кристаллической плёнке. На 1 мм2 такой плёнки располагаются электронные схемы, содержащие тысячи и даже сотни миллионов элементов.
Соответственно резко уменьшились габариты ЭВМ, и в то же время значительно выросло их быстродействие. В составе ЭВМ появились удобные для пользователей устройства вывода информации – дисплеи.
У нас в стране серию машин III поколения составляло семейство ЕС, за рубежом (США, 1965 г.) – IBM/360.
Производительность этих машин составляла 500 тыс. – 2 млн. операций в секунду, объём оперативной памяти достигал 8 – 192 Мб.
Для этого поколения характерно то, что в 1962 г. зародилась первая глобальная компьютерная сеть – прообраз того, что сейчас называется Интернетом. В 1969 г. появились операционная система Unix и язык программирования С («Си»), оказавшие огромное влияние на программный мир.
В 1971 году фирма Intel создала микропроцессор. Соединение микропроцессора с устройствами ввода/вывода, внешней памяти, позволило получить новый тип компьютера: микроЭВМ.
В 1974 г. фирма MITS начало производство компьютера Altair 8800, который, как считается, положил начало персональным компьютерам. Одна из причин успеха этого компьютера заключалась в простоте архитектуры по отношению к «большим ЭВМ».
IV поколение (1980 г. – по настоящее время): На смену ЭВМ III поколения пришли многопроцессорные машины. Элементной базой машин IV стали БИС (большие интегральные схемы), в которых на одном кристалле кремния размещаются сотни тысяч логических элементов.
С 1980 года передовым производителем компьютеров становится фирма IBM. Её конструкторам удалось создать такую архитектуру, которая стала фактически международным стандартом на персональные компьютеры (ПК). Машины этой серии получили название IBM PC (Personal Computer).
В конце 80-х – начале 90-х годов ХХ века большую популярность приобрели машины фирмы Apple Corporation марки Macintosh.
V поколение: ЭВМ пятого поколения – это машины будущего. В машинах пятого поколения планируется реализовать искусственный интеллект: голосовое общение пользователя с компьютером, машинное «зрение», машинное «осязание». Для увеличения памяти и быстродействия будут использоваться достижения оптоэлектроники, биопроцессоры и нанотехнологии для создания новых средств вычислительной техники с заданной атомной структурой.
2.2. Принципы фон Неймана и архитектура компьютера
Основные идеи (принципы), по которым долгие годы развивалась вычислительная техника, были разработаны в 1945 году крупнейшим американским математиком Джоном фон Нейманом:
1. Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.
2. Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
3. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
4. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек и процессору в любой момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.
Согласно тезису Чёрча–Тьюринга, все известные типы вычислительных машин качественно эквивалентны в своих возможностях: любое действие, выполнимое на одной вычислительной машине, также выполнимо и на другой. Это один из основных фундаментальных принципов информатики, который заложен в основу архитектуры современных компьютеров.
Архитектура компьютера разработана Тьюрингом и фон Нейманом. Однако в рамках современной информатики учёные изучают также и другие типы машин такие, как параллельные и квантовые компьютеры, а также сугубо абстрактные математические модели, например, РАМ-машина, которая имеет бесконечное число регистров.
Архитектура фон Неймана (см. рис. 2) основана на принципе совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные машины, построенные на этом принципе, часто обозначают термином «Машина фон Неймана». В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессного модуля от устройств хранения программ и данных.
Рисунок 2 – Функциональная схема ЭВМ, предложенная фон Нейманом
В соответствии с принципами фон Неймана современные вычислительные машины состоят из:
процессора;
устройств ввода-вывода;
памяти для хранения данных и программ.
2.3. Основные блоки компьютера
Компьютер состоит из следующих основных блоков:
системный блок;
монитор;
клавиатура.
Системный блок – основной блок компьютера, в котором находятся основные элементы компьютера, такие как:
материнская плата:
процессор;
оперативная память;
чипсет;
микросхема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ);
энергозависимая память CMOS;
шинные интерфейсы;
слоты;
жесткий диск;
дисковод гибких дисков;
дисковод компакт-дисков;
видеокарта (видеоадаптер);
звуковая карта.
Монитор (дисплей) – устройство для визуального отображения информации.
Клавиатура – клавишное устройство управления персональным компьютером. Служит для ввода информации, а также команд управления. Стандартная клавиатура имеет 101 клавишу, функционально распределенных по трём группам: основную, управления курсором и цифровую.
По основным блокам компьютера имеется достаточное количество различных источников информации, некоторые из которых указаны в списке литературы настоящего пособия.
2.4. Основные элементы компьютера
К основным элементам компьютера относятся:
материнская плата;
процессор;
оперативная память (ОЗУ);
постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);
видеокарта;
звуковая карта.
Рассмотрим основные из них.
Материнская плата – основная плата персонального компьютера, определяющая его возможности с помощью подключения различных элементов. Имеет следующие шинные интерфейсы, через которые осуществляется подключение устройств: ISA, EISA, VLB, PCI, FSB, AGP, PCMCIA, USB.
Процессор – основная микросхема компьютера, выполняющая арифметико-логические операции и вычисления по программному коду, находящемуся в памяти и руководит работой всех устройств компьютера. Конструктивно состоит из ячеек. Внутренние ячейки процессора называют регистрами.
Основные параметры процессора:
рабочее напряжение;
разрядность;
рабочая тактовая частота;
коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты;
размер кэш-памяти.
С другими устройствами компьютера процессор связан несколькими группами проводников, которые называются шинами. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.
Процессор – это «мозг» компьютера.
Оперативная память – это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. Основные характеристики модулей оперативной памяти: объем памяти и время доступа. При выключении питания все данные, находящиеся в оперативной памяти, стираются.
Чипсет (микропроцессорный комплект) – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – устройство для длительного хранения информации. Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен. Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS). Основное назначение программ этого пакета – проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков.
Энергозависимая память (CMOS). В микросхеме CMOS хранятся данные о гибких дисках, о процессоре, о некоторых других устройствах материнской платы. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения компьютера, а от ПЗУ – тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно.
Жёсткий диск – устройство для долговременного хранения больших объемов информации и программ.
Дисковод CD – устройство для считывания числовых данных с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности CD-диска. Основной параметр CD-дисководов – скорость чтения данных.
Видеокарта (видеоадаптер) – устройство, преобразующее изображение, находящееся в памяти компьютера, в видеосигнал для монитора. Физически видеоадаптер выполнен в виде отдельной платы, которая вставляется в один из слотов материнской платы.
Звуковая карта – устройство для вывода звука. Подключается к одному из слотов материнской платы в виде платы или встраивается непосредственно в материнскую плату. Выполняет вычислительные операции, связанные с обработкой звука, речи, музыки.
2.5. Периферийные устройства
К компьютеру могут подключаться различные дополнительные устройства ввода и вывода информации. Эти устройства называются периферийными. К таким устройствам относятся:
мышь;
принтер;
сканер;
модем;
факс;
средства мультимедиа.
Этот список можно перечислять и дальше, например, к компьютеру можно подключить сотовый телефон, видеокамеру и т. д. В списке перечислены основные периферийные устройства, которые в настоящее время востребованы практически каждым пользователем.
С помощью подключения специальных периферийных устройств обычный персональный компьютер можно превратить в тренажёрный комплекс, метеорологическую лабораторию, средство управления бытовыми приборами.