21. Комп’ютер як засіб навчання

На різних етапах розвитку техніки і технології були прийняті наступні назви для комп'ютерів: арифметично-логічний пристрій (АЛУ), програмований електронно-обчислювальний пристрій (ПЕВМ або ЕОМ), комп'ютер. Створення електронно-обчислювальних машин (ЕОМ) в середині XX в. можна віднести до найвидатніших досягнень в історії людства. ЕОМ в значній мірі розширили інтелектуальні можливості людини і за порівняно короткий термін (небагато чим більше 50 ліг) перетворилися на один з визначальних чинників науково-технічного прогресу. Багато крупних науково-технічних проектів нашого часу, як, наприклад, атомна енергетика, космічні дослідження, глобальні екологічні проблеми, не могли б успішно розвиватися без застосування ЕОМ. Широке застосування комп'ютерів сприяє появі нових методів пізнання законів природи, їх використанню в практичній діяльності і, отже, перетворенню науки на продуктивну силу суспільства. Впродовж трьох останніх десятиліть обчислювальна техніка все стрімкіше і ширше охоплює різні сфери людської діяльності. Існує багато причин такого бурхливого розвитку обчислювальної техніки. Воно стимулюється розробкою прогарамного забезпечення, яке вимагає створення досконалішої апаратури, що у свою чергу служить передумовою для виникнення високопродуктивних програм. Істотне зниження вартості устаткування, обумовлене не тільки технічним прогресом, по і масовим характером виробництва, з'явилося передумовою для широкого впровадження обчислювальної техніки у всі сфери людської діяльності. Історія використання механічних і напівавтоматичних засобів для арифметичних операцій налічує не одне тисячоліття. Час виникнення рахунків втрачається в глибині століть, а деякі види обчислювальних пристроїв були створені, мабуть, в Стародавній Греції. У 1642 р. французький математик Блез Паскаль (1623 - 1662) сконструював арифмометр, який міг механічно виконувати чотири арифметичні дії. Згодом він використовувався для виконання достатньо складних розрахунків (наприклад, розрахунки балістичних таблиць для артилерійської стрілянини).

Німецький філософ і математик Готфрід Вільгельм фон Лейбніц (1646-1716) описав у загальних рисах те, що тепер називається програмою автоматизації мислення. У 1692 р. він винайшов механічну рахункову машину, що уміє не тільки складати, але і умножати. Англієць Чарльз Беббідж (1792- 1871) вперше ясно уявив собі універсальну обчислювальну машину з гнучкою схемою програмування і пристроєм, що запам'ятовує. В 1833 р. він дав опис пристрою, названого їм аналітичною машиною. Така машина повинна була уміти виконувати програми: точну послідовність певних інструкцій, записаних в порядку виконання на мові, зрозумілій машині. Програми вводилися за допомогою перфокарт - карт з щільного матеріалу, на яких інформація представлена у вигляді комбінації отворів і повинні були мати «склад» (пам'ять в сучасній машині) для запам'ятовування даних і проміжних результатів. Проте ця машина виявилася дуже складною для техніки того часу. Перша половина XX в. ознаменувалася послідовним розвитком і впровадженням багатьох обчислювальних пристроїв. Значний внесок в цю область вніс англійського математика Алан Матісон Тюрінг (1912 1954). Машина Тюрінга була лише теоретичною побудовою і ніколи серйозно не розглядалася як економічно прийнятна машина (яка працювала б неприпустимо поволі), але вона привернула увагу дослідників до питання про можливість створення універсальної обчислювальної машини. У 1943 р. американець Говард Ейкен за допомогою робіт Беббіджа на основі вже створених до цього часу електромеханічних реле зміг побудувати на одному з підприємств фірми 1ВМ таку машину, названу «Марк-1». Ще раніше за ідею Беббіджа були переоткрыты німецьким інженером Конрадом Цузе, який побудував обчислювальну машину в 1941 р.

Істотний прогрес в створенні перших обчислювальних машин (ЕОМ) в XX в. був досягнутий за рахунок застосування электронних ламп. Починаючи з 1943 р. група фахівців під керівництвом Джона Мочлі і Преспера Екерта в США почала конструювати машину на основі електронних ламп, яка була побудована для балістичних розрахунків в 1946 р. і названа ЕНІ-АК Схема роботи цієї машини була розрахована на виконання конкретної послідовності обчислень. Для іншої послідовності схему потрібно було практично вмонтовувати наново, що вимагало багато часу. Один з видатних математиків нашого сторіччя Джон фон Нейман (1903-1957) розробив принципи побудови логічної схеми обчислювальної машини, здатної використовувати гнучку програму, що запам'ятовується, яку можна було б змінювати, не перебудовувавши всієї схеми машини. Запропоновані ним принципи лягли в основу побудови універсальних по своєму застосуванню електронних машин. Перший комп'ютер, в якому були втілені принципи фон Неймана, був побудований в 1949 р. англійським дослідником Морісом Уїлксом. Комп'ютери

40-х і 50-х років були дуже великими - величезні зали були заставлені шафами з електронним устаткуванням. Все це коштувало дуже дорого, тому комп'ютери були доступні тільки крупним компаніям і установам. Перший крок до зменшення розмірів комп'ютерів став можливий з винаходом в 1948 р. транзисторів - мініатюрних електронних приладів, які змогли замінити в комп'ютерах електронні лампи. В середині 50-х років були знайдені дуже дешеві способи виробництва транзисторів, і в другій половині 50-х років з'явилися комп'ютери, засновані на транзисторах. Вони були в сотні разів менше лампових такій же продуктивності. Єдина частина комп'ютера, де транзистори не змогли замінити електронні лампи, - це блоки пам'яті, але там замість ламп почали використовувати винайдені на той час схеми пам'яті на магнітних сердечниках.

До середини 60-х років з'явилися і значно компактніші зовнішні пристрої для комп'ютерів, що дозволило фірмі випустити в 1965 р. перший міні-комп'ютер РВР-8 розміром з холодильник. Але на той час був підготовлений ще один крок до мініатюризації комп'ютерів - були винайдені інтегральні схеми.

До появи інтегральних схем транзистори виготовлялися окремо, і при збірці схем їх доводилося сполучати і спаювати уручну. У 1958 р. Джек Колбі придумав, як на одній пластині напівпровідника отримати декілька транзисторів. У 1959 р. Роберт Нойс (майбутній засновник фірми Інтел) винайшов досконаліший метод, що дозволив створювати на одній пластині і транзистори, і всі необхідні з'єднання між ними. Отримані електронні схеми почали називатися інтегральними схемами, або чіпами. Надалі кількість транзисторів, яку вдавалося розмістити на одиницю площі інтегральної схеми, збільшувалася приблизно удвічі щороку. У 1968 р. фірма випустила перший комп'ютер на інтегральних схемах, а в 1970 р. фірма Інтел почала продавати інтегральні схеми пам'яті.

У тому ж році був зроблений ще один важливий крок на шляху до персонального комп'ютера - Маршиан Едвард Хофф з тієї ж фірми Інтел сконструював інтегральну схему, аналогічну по своїх унціям центральному процесору великої ЕОМ. Гак з'явився перший мікропроцесор. Можливості Інтел -400 були куди скромніше, ніж у центрального процесора великої ЕОМ: він працював набагато повільніше і міг обробляти одночасно тільки 4 бита інформації (процесори великих ЕОМ обробляли 16 або 32 бита одночасно). Але в 1973 р. фірма Інтел випустила 8-бітовий мікропроцесор Інтел-8008, а в 1974 р. - його вдосконалену версію Інтел-8080, яка до кінця 70-х років стала стандартом для мікрокомп'ютерної індустрії. Спочатку ці мікропроцесори використовувалися тільки електронниками - любителями і в різних спеціалізованих пристроях. Але в 1974 р. декілька фірм оголосили про створення на основі мікропроцесора Інтел-8008 комп'ютера - пристрою, що виконує ті ж функції, що і велика ЕОМ. На початку 1975 р. з'явився перший комерційно поширюваний комп'ютер Альтаїр- 8800, побудований на основі мікропроцесора Інтел - 8080. Хоча можливості його були вельми облежаний (оперативна пам'ять складала всього 256 байт, клавіатура і екран були відсутні), його поява була зустрінута з великим ентузіазмом. Покупці цього комп'ютера забезпечували його додатковими пристроями: монітором для виведення інформації, клавіатурою, блоками розширення пам'яті і так далі Незабаром ці пристрої почали випускатися іншими фірмами. В кінці 1975 р. Пів Алеї і Біл Гейтс (майбутні засновники фірми Майкрософт) створили для комп'ютера «Альтаїр» інтерпретатор мови Ваsiс, що дозволило користувачам досить просто спілкуватися з комп'ютером і легко писати для нього програми. Це також сприяло популярності персональних комп'ютерів.

Успіх фірми Інтел змусив багато фірм також зайнятися виробництвом персональних комп'ютерів. З'явилося і декілька журналів, присвячених персональним комп'ютерам. Комп'ютери почали продаватися вже в повній комплектації, з клавіатурою і монітором, попит на них склав десятки, а потім і сотні тисяч штук в рік. Зростанню об'єму продажів вельми сприяли численні корисні програми, розроблені доячи ділових застосувань. З'явилися і комерційно поширювані програми, наприклад програма для редагування текстів wordstar і табличний процесор visicalc (відповідно 1978 і 1979). Ці і багато інших програм зробили для ділового світу покупку комп'ютерів вельми вигідним вкладенням грошей: з їх допомогою стало можливо значно ефективніше виконувати бухгалтерські розрахунки, складати документи і так далі В результаті виявилось, що для багатьох організацій необхідні ним розрахунки можна було виконувати не на великих ЕОМ або МІНІ-ЕОМ, а на персональних комп'ютерах, що значно дешевше.

Розповсюдження персональних комп'ютерів до кінця 70-х років привело до деякого зниження попиту на великі ЕОМ і міні ЭВМ. Це стало предметом серйозного неспокою фірми ІВМ - провідній компанії по виробництву великих ЕОМ, і в 1979г. вона вирішила спробувати свої сили на ринку персональних комп'ютерів. Проте керівництво фірми недооцінило майбутню важливість цього ринку і розглядало створення комп'ютера всього лише як дрібний експеримент. Розробникам було дозволено не конструювати персональний комп'ютер з нуля, а використовувати блоки, виготовлені іншими фірмами. Як основний мікропроцесор комп'ютера був вибраний новітній тоді 16-розрядний мікропроцесор Інтел-8088. Його використання допомогло значно збільшити потенційні можливості комп'ютера, оскільки новий мікропроцесор дозволяв працювати з 1 Мб пам'яті, а вага що були тоді комп'ютери були обмежені 64 Кб. У комп'ютері були використані і що інші комплектують різних фірм, а його програмне забезпечення було доручено розробити невеликій фірмі Майкрософт

У серпні 1981 р. новий комп'ютер під назвою 1ВМ РС був офіційно представлений, і незабаром після цього він придбав велику популярність у користувачів. Через один-два роки комп'ютер ІВМ РС зайняв провідне місце на ринку, витіснивши моделі 8-бітових комп'ютерів. Фактично 1ВМ РС став стандартом персонального комп'ютера. Зараз такі комп'ютери (сумісні з 1ВМ РС) складають більше 90% всіх вироблюваних в світі персональних комп'ютерів. Якби 1ВМ РС був зроблений так само, як інші комп'ютери, що існували під час його появи, він би застарілий через два-три роки. Але в 1ВМ РС була закладена можливість удосконалення його окремих частин і використання нових пристроїв. Фірма 1ВМ зробила комп'ютер не єдиним нероз'ємним пристроєм, а забезпечила можливість його збірки з незалежно виготовлених частин аналогічно дитячому конструктору, причому методи сполучення пристроїв з комп'ютером 1ВМ РС не тільки не трималися в секреті, але і були доступні всім охочим. Цей принцип, званий принципом відкритої архітектури, разом з іншими достоїнствами забезпечив небувалий у:пех комп'ютеру 1ВМ РС. На основній електронній платі комп'ютера 1ВМ РС (системною, або материнською, платі) розміщені тільки ті блоки, які здійснюють обробку інформації (обчислення). Схеми, керівники рештою всіх пристроїв комп'ютера - монітора, дисків, принтером і так далі, реалізовані на окремих платах (контроллерах), які вставляються в стандартні роз ' єми на системній платі, - слоти. До цих електронних схем підводиться електроживлення з єдиного блоку живлення, а для зручності і надійності все це полягає в загальний металевий або пластмасовий корпус - системний блок. Мал. 17. Жорсткий диск

Відвертість полягає в тому. що для 1ВМ РС сумісних комп'ютерів всі специфікації взаємодії зовнішніх пристроїв з контроллерами, контроллерів з системною платою (точніше, шиною) і так далі доступні всім охочим. Це положення зберігається до цього дня, хоча з тієї пори до конструкції 1ВМ РС-СОВМЕСТІМИХ комп'ютерів було внесено багато нововведень.

У 1983 р. був выпушен комп'ютер 1ВМ РС ХТ, що має вбудований жорсткий диск (мал. 17), в 1985 р. - комп'ютер 1ВМ РС АТ на основі нового мікропроцесора Інтел-80286, що працює в 3-4 рази швидше 1ВМ – РС ХТ.

Пристрій і принципи дії комп'ютера

Один з видатних математиків нашого сторіччя Джон фон Нейман розробив принципи побудови логічної системи обчислювальної машини, здатної використовувати гнучку програму, що запам'ятовується, яку можна було б змінювати, не перебудовувавши всієї схеми машини. Відповідно до принципів фон Неймана для роботи комп'ютера необхідні наступні пристрої: арифметично-логічний пристрій, що виконує арифметичні і логічні операції (АДУ); пристрій управління, яке організовує процес виконання програм (УУ);

пристрій, що запам'ятовує, або пам'ять, для зберігання програм і даних (ЗУ);

зовнішні пристрої для введення-виводу інформації (УВВ); пульт управління (ПУ).

Мал. 18. Схема основних пристроїв коп’ютера

Пам'ять комп'ютера повинна складатися з деякої кількості пронумерованих осередків, в кожній з яких можуть знаходитися або оброблювані дані, або інструкції програм. Всі елементи пам'яті повинні бути однаково досяжні для інших пристроїв комп'ютера (мал. 18).

У загальних рисах роботу комп'ютера можна описати так. Спочатку за допомогою якого-небудь зовнішнього пристрою в пам'ять комп'ютера вводиться програма. Пристрій управління прочитує вміст елементу пам'яті, де знаходиться перша інструкція (команда) програми, і організовує її виконання. Ця команда може задавати виконання арифметичних або логічних операцій, читання з пам'яті даних для цих операцій або запис їх результатів в пам'ять, введення даних із зовнішнього пристрою в пам'ять або виведення даних з пам'яті на зовнішній пристрій.

Як правило, після виконання однієї команди пристрій управління починає виконувати команду з елементу пам'яті, яка знаходиться безпосередньо за тільки що виконаною командою. Проте цей порядок може бути змінений за допомогою команд передачі управління (переходу). Ці команди указують пристрою управління, що йому слід продовжити виконання програми, починаючи з команди, що міститься в деякій іншому елементу пам'яті. Такий «стрибок», або перехід, в програмі може виконуватися не завжди, а тільки при виконанні деяких умов, наприклад, якщо деякі числа рівні, якщо в результаті попередньої арифметичної операції вийшов нуль і так далі Це дозволяє використовувати одні і ті ж послідовності команд в програмі багато раз (організовувати цикли), виконувати різні послідовності команд залежно від певних умов і так далі, тобто створювати складні програми. Таким чином, пристрій, що управляє, виконує інструкції програми автоматично, без втручання людини. Воно може обмінюватися інформацією з оперативною пам'яттю і зовнішніми пристроями комп'ютера. Оскільки зовнішні пристрої працюють значно повільніше, ніж решта частин комп'ютера, пристрій, що управляє, може припиняти виконання програми до завершення операції введення-виводу із зовнішнім пристроєм. Всі результати виконаної програми повинні бути нею виведені на зовнішні пристрої комп'ютера, після чого комп'ютер переходить до очікування яких-небудь сигналів зовнішніх пристроїв.

Слід відмітити, що схема пристрою сучасних комп'ютерів декілька відрізняється від приведеної вище. Зокрема, арифметично-логічний пристрій і пристрій управління найчастіше об'єднані в єдиний пристрій - центральний процесор. Крім того, виконання програм може уриватися для виконання невідкладних дій, пов'язаних з сигналами, що поступили, від зовнішніх пристроїв комп'ютера, - переривань. Багато швидкодіючих комп'ютерів здійснюють паралельну обробку даних на декількох процесорах. Проте більшість сучасних комп'ютерів відповідають принципам, викладеним фон Нейманом.

Процесор, або мікропроцесор, є основним пристроєм ЕОМ і є функціонально закінченим пристроєм обробки інформації. Він призначений для виконання обчислень за програмою, що зберігається в пристрої, що запам'ятовує, і забезпечення загального управління ЕОМ. Швидкодія ЕОМ значною мірою визначається швидкістю роботи процесора. Для її збільшення процесор використовує власну пам'ять невеликого об'єму, що іменується місцевою, або над оперативною, що в деяких випадках виключає необхідність звернення до пристрою, що запам'ятовує, ЕОМ.

Обчислювальний процес повинен бути заздалегідь представлений для ЕОМ у вигляді програми. При виконанні програми ЕОМ вибирає чергову команду, розшифровує її, визначає, які дії і над якими операціями слід виконати. Цю функцію здійснює УУ. Воно ж поміщає вибрані із ЗУ АЛУ, де вони і обробляються. Само АЛУ працює під управлінням УУ. Оброблювані дані і виконувана програма повинні знаходитися в пристрої, що запам'ятовує, - пам'яті ЕОМ, куди вони вводяться через пристрій введення. Ємкість пам'яті вимірюється у величинах, кратних байту. Пам'ять є складною структурою, побудованою за ієрархічним принципом, і включає в себе пристрої різних типів, що запам'ятовують. Функціонально Вона ділиться на дві частини - внутрішню і зовнішню.

Внутрішня, або основна, пам'ять - це пристрій, що запам'ятовує, безпосередньо пов'язаний з процесором і призначений для зберігання виконуваних програм і даних, що безпосередньо беруть участь в обчисленнях. Звернення до внутрішньої пам'яті ЕОМ здійснюється з високою швидкодією, але він має обмежений об'єм, визначуваний системою адресації машини.

Внутрішня пам'ять, у свою чергу, ділиться на оперативну (ОЗУ) і постійну (ПЗП) пам'ять.

Постійна пам'ять забезпечує зберігання і видачу інформацієї. На відміну від вмісту оперативної пам'яті вміст постійної заповнюється при виготовленні ЕОМ і не може бути змінене в звичайних умовах експлуатації. У постійній пам'яті зберігаються часто використовувані (універсальні) програми і дані, наприклад, деякі програми операційної системи, програми тестування устаткування ЕОМ і ін. При виключенні живлення вміст постійної пам'яті зберігається. Як правило, ці дані не можуть бути змінені, виконувані на комп'ютері програми можуть тільки їх прочитувати. Такий вид пам'яті зазвичай називається ŔОМ або ПЗП (постійний пристрій, що запам'ятовує). Оскільки велика частина цих програм пов'язана з обслуговуванням вводу- виводу, цю пам'ять називають ŔОМ-ВІОŚ.

Оперативна пам'ять, за об'ємом складова велику "частину внутрішньої пам'яті, служить для прийому, зберігання і видачі інформації