КЛ_АВС

Особенности:

Поскольку лампы имеют существенные размеры и их тысячи, то машины имели огромные размеры.

Поскольку ламп много и они имеют свойство перегорать, то часто компьютер простаивал из-за поиска и замены вышедшей из строя лампы.

Лампы выделяют большое количество тепла, следовательно, вычислительные машины требуют специальные мощные охладительные системы.

Примеры компьютеров:

Колоссус – секретная разработка британского правительства (в разработке принимал участие Алан Тьюринг). Это первый в мире электронный компьютер, хотя и не оказавший влияние на развитие компьютерной техники (из-за своей секретности), но помог победить во Второй мировой войне.

Эниак. Создатели: Джон Моушли и Дж. Преспер Экерт. Вес машины 30 тонн. Минусы: использование десятичной системы счисления; множество переключателей и кабелей.

Эдсак. Достижение: первая машина с программой в памяти. Whirlwind I. Слова малой длины, работа в реальном времени.

Компьютер 701 (и последующие модели) фирмы IBM. Первый компьютер, лидирующий на рынке в течение 10 лет.

Второе поколение. Компьютеры на транзисторах (1955-1965)

Быстродействие: сотни тысяч операций в секунду.

По сравнению с электронными лампами использование транзисторов позволило уменьшить размеры вычислительной техники, повысить надежность, увеличить скорость работы (до 1 млн. операций в секунду) и почти свести на нет теплоотдачу. Развиваются способы хранения информации: широко используется магнитная лента, позже появляются диски. В этот период была замечена первая компьютерная игра.

Первый компьютер на транзисторах TX стал прототипом для компьютеров ветки PDP фирмы DEC, которые можно считать родоначальниками компьютерной промышленности, т.к появилось явление массовой продажи машин. DEC выпускает первый миникомпьютер (размером со шкаф). Зафиксировано появление дисплея.

Фирма IBM также активно трудится, производя уже транзисторные версии своих компьютеров.

Компьютер 6600 фирмы CDC, который разработал Сеймур Крей, имел преимущество над другими компьютерами того времени – это его быстродействие, которое достигалось за счет параллельного выполнения команд.

Третье поколение. Компьютеры на интегральных схемах (1965-1980)

Быстродействие: миллионы операций в секунду.

11

Интегральная схема представляет собой электронную схему, вытравленную на кремниевом кристалле. На такой схеме умещаются тысячи транзисторов. Следовательно, компьютеры этого поколения были вынуждены стать еще мельче, быстрее и дешевле.

Последнее свойство позволяло компьютерам проникать в различные сферы деятельности человека. Из-за этого они становились более специализированными (т.е. имелись различные вычислительные машины под различные задачи).

Появилась проблема совместимости выпускаемых моделей (программного обеспечения под них). Впервые большое внимание совместимости уделила компания IBM.

Было реализовано мультипрограммирование (это когда в памяти находится несколько выполняемых программ, что дает эффект экономии ресурсов процессора).

Дальнейшее развитие миникомпьютеров (PDP-11).

Четвертое поколение. Компьютеры на больших (и сверхбольших) интегральных схемах (1980-…)

Быстродействие: сотни миллионов операций в секунду.

Появилась возможность размещать на одном кристалле не одну интегральную схему, а тысячи. Быстродействие компьютеров увеличилось значительно. Компьютеры продолжали дешеветь и теперь их покупали даже отдельные личности, что ознаменовало так называемую эру персональных компьютеров. Но отдельная личность чаще всего не была профессиональным программистом. Следовательно, потребовалось развитие программного обеспечения, чтобы личность могла использовать компьютер в соответствие со своей фантазией.

В конце 70-х – начале 80-х популярностью пользовался компьютера Apple, разработанный Стивом Джобсом и Стивом Возняком. Позднее в массовое производство был запущен персональный компьютер IBM PC на процессоре Intel.

Позднее появились суперскалярные процессоры, способные выполнять множество команд одновременно, а также 64-разрядные компьютеры.

Пятое поколение?

Сюда относят неудавшийся проект Японии

(http://ru.wikipedia.org/wiki/Компьютеры_пятого_поколения). Другие источники относят к пятому поколению вычислительных машин так называемые невидимые компьютеры (микроконтроллеры, встраиваемые в бытовую технику, машины и др.) или карманные компьютеры.

Также существует мнение, что к пятому поколению следует относить компьютеры с двухядерными процессорами. С этой точки зрения пятое поколение началось примерно с 2005 года.

12

Типы компьютеров

Существующие в настоящее время типы компьютеров очень многочисленны

и разнообразны; они различаются размерами, стоимостью, вычислительной мощью и назначением. Наиболее распространенным типом компьютеров являются персональные компьютеры, широко используемые как дома, так и в учебных заведениях, офисах всевозможных компаний. Настольные компьютеры — наиболее популярная форма персональных компьютеров. У настольного компьютера имеются устройства для обработки

ихранения данных, дисплей и звуковые выходные устройства, а также клавиатура, располагающаяся на рабочем столе. Устройствами для хранения данных являются жесткие диски, CD-ROM и дискеты. Портативным компьютером {ноутбуком) называется компактная версия персонального компьютера, в которой все компоненты размещаются в одном блоке, имеющем размер небольшого тонкого портфеля. Рабочие станции с графическими входными и выходными устройствами, характеризующиеся высокой разрешающей способностью и имеющие размер настольных компьютеров, обладают значительно большей вычислительной мощью, нежели персональные компьютеры. Они часто используются при выполнении инженерных расчетов, в первую очередь для решения задач автоматизированного проектирования.

Наряду с рабочими станциями существует еще целый спектр больших

иочень

мощных компьютерных систем — от корпоративных серверов и серверов, находящихся в нижней части этого спектра, до суперкомпьютеров, относящихся к его вершине. Корпоративные серверы и мэйнфреймы используются для обработки деловых данных в средних и крупных корпорациях, которым необходимы значительно большая вычислительная мощь и емкость запоминающих устройств, чем могут обеспечить рабочие станции. Серверы содержат устройства для хранения баз данных и могут обрабатывать большое количество запросов. Они широко используются в сфере образования, в бизнесе и различных некоммерческих организациях. Запросы к серверам и их ответы часто транспортируются с помощью коммуникационных средств Интернета. В настоящее время всемирная сеть и связанные с ней серверы являются основным источником всех типов информации мирового уровня. Коммуникационные средства Интернета представляют собой сложный комплекс высокоскоростных оптоволоконных магистральных линий, к которым с помощью телевизионных кабелей и телефонных линий подсоединяются учебные заведения, всевозможные компании и организации, а также дома и квартиры индивидуальных пользователей.

Суперкомпьютеры предназначены для проведения крупномасштабных числовых вычислений, необходимых таким приложениям, как, скажем, метеорологические системы или системы для конструирования самолетов и

13

имитационного моделирования. Функциональные блоки (в том числе процессорные комплексы) корпоративных систем, серверов и суперкомпьютеров могут состоять из множества отдельных и часто очень больших устройств.

14

1. Информационно-логические основы ЭВМ.

Представление информации в ЭВМ.

H=logeN – К двоичной системе счисления формула Шеннона. Существуют разные способы оценки количества информации.

Классическим является подход который использует формулу Шеннона.

H – Количество информации, несущей представление о состоянии в котором находиться объект.

N – Количество равновероятных/альтернативных состояний объекта

Любая информация обрабатываемая в ЭВМ должна быть представлена двоичными цифрами: 0/1. Различные виды информации (Числа, текст, графика, звук) имеют свои правила кодирования. Коды отдельных значений, относящиеся к различным видам информации, могут совпадать, поэтому расшифровка данных осуществляется по контексту при выполнении команд программиста.

Представление числовой информации

В ЭВМ используется 3 вида чисел

Числа с фиксированной точкой

Числа с плавающей точкой

Двоично-десятичное представление чисел У числа с фиксированной точкой в двоичном формате предполагается

строго определённое место точки. Обычно это место определяется или перед 1ой значащей цифрой числа, или после последней значащей цифры числа.

Если точка фиксируется перед 1ой значащей цифрой, это означает, что

число по модулю < 1. Диапазон изменения чисел в этом случае: 2-n< |A2| < 1-

2-n (1)

Если точка фиксирована после последней значащей цифры, то это означает, что n-разрядные числа являются целыми.

Диапазон изменений: 0<|A2| < 2n – 1 (2)

Перед самым старшим разрядом двоичного числа фиксируется его знак “+” -> 0; “-” -> 1; (другая форма представления чисел)

Числа с плавающей точкой представляются в виде мантиссы (ma)

и порядка (ра)

Иначе такое представление называют в виде полулогарифма формы числа.

А данном случае представление СС фиксировано.

15

Например, 10: 205 =0.205 * 103 Для двоичных также мантисса и порядок

(основание -> 2)

Pamax = 2r – 1(для (2)) ; r – число бит отведённое на порядок (целое число) “+” и “-” значения порядка значительно усложняют обработку данных

вещественных чисел. Поэтому во многих современных ЭВМ используется не прямая Ра, а модифицированная, приведённая к интервалу: 0 < Pa < 2Pamax

Значение Ра называют – характеристикой числа.

Обычно под модифицированный порядок выделяют 1 байт.

Старший разряд характеристики отводится под знак числа, а 7 оставшихся обеспечивают изменение порядка в диапазоне: -64 < pa < 64

Мантисса представляется двоичным числом у которого точка фиксирована перед старшим разрядом (для (1)): 0< |ma| < 1 – 2-k, то старший разряд мантиссы в числе с основанием N отличен от нуля.

Такое число называется – нормализованным. Диапазон представления

нормализованных чисел с плавающей точкой:

2-1 * 2-(2k-1)<|A2| (1-2-k) * 2 (2r - 1)

В двоично-десятичной форме. С включением в состав различных ЭВМ специальных функциональных блоков или специальных процессоров десятичной арифметики появляется возможность обрабатывать десятичные числа напрямую (без преобразования).

Например: 2,2,0,4,4,1 = 0010, 0010, 0000, 0100, 0100, 0001.

Каждая цифра десятичного числа представляется двоичной. Положение десятичной точки отделяет целую часть от дробной,

обычно заранее фиксированное значение знака числа отличается кодом, отличным от кода цифр. Например: “+” -> 1100 ; “-” -> 1101.

Арифметические основы ЭВМ.

Выполнение любой операции в ВМ основано на использовании простейших микроопераций. Это позволяет иметь единое арифметикологическое устройство (АЛУ) для выполнения любых операций, связанных с обработкой информации.

Во всех ЭВМ без исключения все операции выполняются над числами представленными машинными кодами. Их использование позволяет обрабатывать знаковые разряды чисел, также, как и значащие разряды, а также заменять вычитание – сложением

16

Таблица 1

.Различают прямой, обратный и дополнительный код машинных чисел.

ПРЯМОЙ КОД образуется из абсолютных значений этого числа и кода знака, перед его старшим разрядом.

Например: 1010 = 10102 = 01010пк – 1515 = 11112 = 11111пк

ОБРАТНЫЙ КОД образуется по следующим правилам:

Обратный код положительных чисел совпадает с их прямым кодом

1010 = 10102 = 01010ок

Обратный код отрицательного числа содержит 1 в знаковом разряде, а значащие разряды числа заменяются на инверстные

-1510 = - 11112 = 10000ок

Свойства обратного кода:

1.Сложение положительного числа с его отрицательным значением даёт “машинную единицу” состоящую из 1 в знаковом и значащем разрядах.

2.Ноль имеет двойное значение:

а) положительным числом, когда все “0” б) отрицательным числом, что совпадает и машинной “1”

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ КОД положительных чисел совпадает с их прямым кодом. Дополнительный код отрицательного числа представляет собой результат суммы обратного кода числа с единицей младшего разряда.

А10 = +19; A2 = +10011; A2[п] = A2[ок] = А2[дк] = 010011;

А10 = -19; A2 = -10011; A2[ок] = 101100; А2[дк] = A2[ок] +20

=101101

Свойства дополнительного кода:

17

Сложение дополнительного кода положительного числа с его отрицательным значением, даёт “машинную единицу” дополнительного кода.

Дополнительный код называется так, потому что представление отрицательных чисел является дополнением прямого кода чисел до “машинной единицы” (максимального числа)

Модифицированный обратный и дополнительный коды двоичных чисел отличаются от простых кодов удвоенным значением разрядов. Знак “+” кодируется двумя нулевыми знаковыми разрядами , а

“-” двумя единичными.

Целью введения модифицированных кодов является фиксация и обнаружение случаев получения неправильного результата, когда значение результата превышают максимально возможный результат в отведённой разрядной сетке машины. В этом случае перенос из значащего разряда может исказить значение младшего знакового разряда. Значения знаковых разрядов “01” свидетельствует о положительном переполнении разрядной сетки,

а“10” об отрицательном переполнении.

Внастоящее время, почти во всех моделях ЭВМ роль удвоенных

разрядов для фиксации переполнения разрядной сетки убирают переносы идущие в знаковый разряд и из него.

Арифметические операции над числами с фиксированной точкой.

“+” /“-”: Операция “-” приводится к операции “+” путём преобразования чисел в обратный или дополнительный код. Сложение двоичных чисел осуществляется последовательно и по разрядам.

При выполнении сложения цифр необходимо соблюдать следующие правила:

1.Слагаемые должны иметь одинаковое число разрядов.

2.Знаковые разряды чисел участвуют в сложении также как и значащие.

3.Необходимое преобразование кодов производится с изменением знаков чисел. Приписанные незначащие нули изменяют свои значения, при преобразовании по общему правилу.

4.При образовании единицы переноса из старшего знакового разряда в случае использования обратного кода ->1 “+” с младшим числом разрядов. При использовании дополнительного кода -> 1 “+” переноса теряется. Знак результата формируется автоматически. Результат представляется в том же коде, что и слагаемое.

Умножение двоичных чисел наиболее просто реализуется в прямом

коде.

Операция деления как и в десятичной арифметике является обратной. Деление производится также как и в десятичной системе.

18

Арифметические операции над числами с плавающей точкой.

В современных ЭВМ числа с плавающей точкой хранятся в памяти машины, имея мантиссу и порядок в прямом коде и нормализованном виде. При этом порядки и мантиссы обрабатываются раздельно. Операция “+”, “-” производится в следующей последовательности:

1.Сравниваются порядки исходных чисел путём их вычитания. При выполнении этой операции определяется одинаковый ли порядок, имеют исходные слагаемые. Если разность порядков = 0, то это означает, что одноимённые разряды мантисс имеют одинаковый вес.

Иначе необходимо произвести выравнивание порядков. Для выравнивания порядка, число с наименьшим порядком сдвигается вправо на разницу порядков. Младшие разряды при этом теряются. После выравнивания порядков, мантиссы можно складывать и вычитать по общим правилам.

2.Порядок результата берётся равным большему порядку. Если мантисса результата не нормализована, то осуществляется нормализация и коррекция значащего порядка.

Умножение и деление

Операции умножения и деления чисел с плавающей точкой, также требует действий над порядками и мантиссами. Эти операции выполняются по следующему алгоритму:

1.При умножении (делении) порядки положительные (отрицательные) так, как это делается над числами с фиксированной точкой;

2.Мантиссы “+” (“/”)

3.Знаки произведения (частного) формируются путём положительных знаковых разрядов сомножителей. Переносы из знакового разряда при этом игнорируются

Арифметические операции над двоично-десятичными числами.

Действия над десятично-двоичными числами также приводятся к операции алгебры сложения отдельных цифр чисел представленных дополнительными кодами. Один из алгоритмов сложения:

1.Сложение двоично-десятичных чисел начинается с младших цифр и производится с учётом возникающих переносов из младших разрядов в старшие;

2.Знак суммы формируется специальной логической схемой по знаку большего слагаемого;

3.Для того чтобы при сложении двоично-десятичных цифр возникали переносы, аналогично переносам чисел в десятичном представлении необходимо проводить “десятичную коррекцию”

19

Логические основы ЭВМ

Yi = f(x1;x2;…;xn); j=1; т.к. X принадлежит {0;1}, Y {0;1}, то функция принимает всего два значения (Булова алгебра). Такая зависимость называется – булевой функцией у которой возможное число состояний каждой независимой переменной =2 т.е. она является функцией алгебры логики. Алгебра логики устанавливает основные законы формирования логических функций. Она позволяет представить любую сложную функцию. В виде композиции простейших функций.

Известно, что количество всевозможных функций N от n аргументов выражается зависимостью N=22n. При n=0 можно определить 2 функции зависящие от каких либо переменных Y=0/Y=1. Технической интерпретацией Y=1 может быть генератор импульсов. Функции Y=0 – отключённая схема от которой не поступают сигналы.

При n=1, N=4 (Таблицы истинности для функции одной переменной)

Если n=2, N=16

По таблице истинности не трудно составить аналитическое выражение для каждой функции. Для этого наборы переменных на которых функция принимает значение 1 записываются как конъюнкция (логическое умножение) и связывается знаками дизъюнкции (логическое сложение).

Также формы функций называют дизъюнктивными нормальными формами. Если в этих функциях конъюнкция содержит все значения в прямом/инверсном значении то такая форма функции называется

совершенной.

20