План:

Этапы развития технических средств и информационных ресурсов:

1. домеханический этап;

   механический этап;

   электронно-вычислительный этап.

Поколения ЭВМ.

1. Этапы развития технических средств и информационных ресурсов.

Всю историю вычислительной техники принято делить на три основных этапа:

домеханический,

механический,

электронно-вычислительный.

Заполните таблицу по ходу объяснения нового материала:

Устройство для счета

Дата изобретения

(или годы использования)

Место

изобретения

Изобретатель

… период

Домеханический период

Рис. 1 Китайский счет

Первым инструментом для счета были пальцы рук . Все арифметические операции выполнялись при помощи десяти пальцев рук. В Западной Европе существовала целая система позволяющая представлять на пальцах числа до 9999.

Пример, китайский счет на пальцах от 1 до 10 (рис.1)

Счет на пальцах, конечно, удобен, только с ним достаточно тяжело хранить информацию.

Рис. 2 Кости с зарубками

и узелки на веревках

С возникновением у древних людей способности счета появилась необходимость в использовании приспособлений, которые смогли бы облегчить эту работу. Одно из таких орудий труда наших предков было обнаружено при раскопках поселения Дольни Вестоници на юго-востоке Чехии в Моравии. Обыкновенная кость с зарубками (рис.2), получившая название “вестоницкая кость”, использовалась ими для ведения счета предположительно за 30 тыс. лет до н. э.

Примерно к VIII веку до н. э. древними индейскими цивилизациями был придуман другой способ для записи чисел. Для этих целей они использовали узелковое письмо (рис.2), в котором знаками служили камни и разноцветные ракушки, сплетенные вместе веревками.

Развитие государств Европы и Азии, а также усиление торговых отношений между ними привело к созданию совершенно нового инструмента, известного практически у всех народов. Впервые его начали применять в Вавилоне, а вскоре новое изобретение попало в Грецию, где получило свое дальнейшее развитие. Это приспособление представляло собой деревянную дощечку с бороздками (желобками), посыпанную морским песком. Размещенные в этих бороздках камешки обозначали цифры. При этом количество камешков в первой бороздке соответствовало единицам, во второй - десяткам, в третьей - сотням и т. д. Если в одной из бороздок набиралось десять камешков, то их снимали и добавляли один камешек в следующую бороздку.

Ученые назвали этот способ записи чисел единичной ("палочной") системой счисления. В ней для записи чисел применялся только один вид знаков – "палочка". В наше время счётные палочки используются для обучения первоклассников.

Немного позже вместо деревянных дощечек стали использовать каменные плиты с выточенными в них желобками.

Рис. 3 Абак

В Древнем Риме в V в н. э. появилась «счетная доска» и называлась она calculi или abakuli. Для изготовления римского абака (рис.3), помимо каменных плит, стали использовать бронзу, слоновую кость и даже цветное стекло. В вертикальных желобках, разделенных на два поля, также помещались камешки или мраморные шарики, при этом желобки нижнего поля служили для счета от единицы до пяти. Если в этом желобке набиралось пять шариков, то в верхнее отделение добавлялся один шарик, а из нижнего поля все шарики снимали.

Рис. 5 Соробан

Рис. 4 Суан-пан

(рис.4) - китайская разновидность абака - появилась в VI веке н. э. Также как и римский абак, суан-пан разделен на два поля, имеющих свои названия. Большее поле называется “Земля”, а меньшее - “Небо”. В большем поле на каждой веревке нанизано по пять шариков, а в меньшем всего по два. При подсчете шарики уже не снимаются с поля, они лишь передвигаются в сторону соседнего поля. Каждый шарик большего поля соответствует единице, а каждый шарик меньшего поля - пяти.

Рис.6 Счеты

Японской разновидностью абака является соробан (рис.5).

В 1658 году впервые упоминается слово “счеты” (рис. 6). А в начале XVIII века счеты приняли свой привычный вид. В них осталось лишь одно счетное поле, на спицах которого размещалось по десять косточек.

Механический период

Первые идеи механизации вычислительного процесса появились в конце 15 века. Эскиз суммирующего устройства был разработан не безызвестным Леонардо да Винчи.

Рис. 7 Первая механическая счетная машина

(«паскалина»)

1642 год, французский физик Блез Паскаль создал первую механическую счетную машину (рис.7). Она представляла собой шкатулку, на крышке которой, как на часах, были расположены циферблаты. На них устанавливали числа. Для цифр разных разрядов были отведены различные зубчатые колеса. Каждое предыдущее колесо соединялось с последующим с помощью одного зубца. Этот зубец вступал в сцепление с очередным колесом только после того, как были пройдены все девять цифр данного разряда.

Рис. 8 «Счетное

колесо» Лейбница

1671 год, немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструировал свою счетную машину, известную как «счетное колесо» Лейбница (рис.8), позволяющую не только складывать и вычитать, но также умножать многозначные числа. Вместо колец использовались цилиндры, на которые были нанесены цифры. Каждый цилиндр имел девять рядов выступов: один выступ на первом ряду, два на втором и так далее. Эти цилиндры были подвижны и устанавливались в определенном положении. Такой механизм позволил ускорить повторяющиеся операции сложения, необходимые для умножения. Само повторение тоже осуществлялось автоматически.

Рис.9 Аналитическая машина

1830 год, английский математик Чарльз Бэббидж попытался построить универсальное вычислительное устройство, т.е. компьютер. Бэббидж называл его аналитической машиной (рис.9). Именно Бэббидж додумался до того, что компьютер должен содержать память и управляться с помощью программы. Бэббидж хотел построить свой компьютер как механическое устройство, а программой собирался управлять посредством перфокарт – карт из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий (в то время они активно использовались на ткацких станках).

Дочь лорда Байрона, великого английского поэта, Аду Августу Лавлейс (рис.10) чрезвычайно заинтересовала аналитическая машина, изобретенная Бэббиджем. Она перевела и прокомментировала замечания о его машине, написала несколько программ для нее, разработала начала теории программирования. Лишь благодаря ей, мы знаем все подробности о труде Бэббиджа, который сам не удосужился описать свое детище, ограничившись подробными чертежами.

Рис. 10 Ада

Августа Лавлейс

Таким образом, Ада стала первой в истории программисткой. Не удивительно, что один из современных языков программирования носит ее имя ADA .

Рис.12 Табулятор

Рис. 11. Перфокарта

Первым кому удалось реализовать идеею Чарльза Бэббиджа использования перфокарт (рис.11) для программирования, был Герман Холлерит, разработавший машину ля обработки результатов переписи населения. Впервые использовалась в 1890 году и сократила период обработки результатов с восьми лет до трех. Американский инженер Г. Холлерит сконструировал электромеханическое вычислительное устройство – табулятор (рис.12). Табулятор в несколько раз превосходил арифмометр по скорости вычислений, имел память на перфокартах – картонных картах, на которых пробивались (перфорировались) специальные отверстия. Определенная система отверстий изображала число. Табуляторы нашли широкое применение и были предшественниками вычислительных машин нашего времени, они использовались для учета, статистических разработок, планово-экономических и частично инженерно-технических и других расчетов в различных областях народного хозяйства СССР.

Электронно-вычислительный этап

1941 год, немецкий инженер Конрад Цузе построил небольшой компьютер на основе электромеханического реле. Но из-за войны его работы не были опубликованы.

1943 год, в США на одном из предприятий фирмы IBM Говард Эйкен создал более мощный компьютер под названием «Марк-1», который реально использовался для военных расчетов. В нем использовалось сочетание электрических сигналов и механических приводов. Программа обработки данных вводилась с перфоленты. Размеры: 15 Х 2,5 м., 750000 деталей. “Марк-1” мог перемножить два 23-х разрядных числа за 4 с.

Первая ЭВМ «ЭНИАК» (цифровой интегратор и вычислитель) была создана в США после второй мировой войны в 1946 году.

2.Поколения ЭВМ.

Всю электронно-вычислительную технику принято делить на поколения. Смена поколений зависит от элементной базы ЭВМ, т.е. технической основы. От элементной базы зависит мощность ЭВМ, что в свою очередь приводит к изменениям в архитектуре ЭВМ, расширению круга ее задач, к изменению способа взаимодействия пользователя и компьютера.

Характеристика

Значения

I поколение

Годы

1949-1958 гг.

Элементная база

Электронно-вакуумные лампы

Размер (габариты)

Громоздкое сооружение, занимающее сотни квадратных метров, потреблявшее сотни киловатт электроэнергии и содержащие в себе тысячи ламп

Максимальное

быстродействие

компьютера

20 тысяч операций в секунду

Максимальный

объем ОЗУ

Несколько тысяч и команд программы

Периферийные

устройства

Перфоленты и перфокарты

Программное

обеспечение

Программы составлялись на языке машинных команд, поэтому программирование было доступно не всем. Существовали библиотеки стандартных программ.

Области применения

Инженерные и научные расчеты, не связанные с переработкой больших объемов данных.

Примеры

Mark 1, ENIAC, БЭСМ, Урал

II поколение

Годы

1959-1963 гг.

Элементная база

Транзисторы

Размер (габариты)

ЭВМ стали компактнее, надежнее, менее энергоемкими

Максимальное

быстродействие

компьютера

Десятки и сотни тысяч операций в секунду

Максимальный

объем ОЗУ

Увеличился в сотни раз

Периферийные

устройства

Внешняя память на магнитных барабанах и лентах

Программное

обеспечение

Стали развиваться языки программирования высокого уровня ФОРТРАН, АЛГОЛ, КОБОЛ. Программы стали проще, понятнее, доступнее и программирование стало широко распространяться среди людей с высшим образованием

Области применения

Создание информационно – справочных и информационных систем

Примеры

М-220, Мир,БЭСМ-4,Урал-11, IBM -7094

III поколение

Годы

1964-1976 гг.

Элементная база

Интегральные схемы

Размер (габариты)

ЭВМ делятся на большие, средние, мини и микро

Максимальное

быстродействие

компьютера

До 30 миллионов операций в секунду. При проектировании процессора стали использовать технику микропрограммирования – конструирование сложных команд процессора из простых

Максимальный

объем ОЗУ

До 16 Мбайт. Появляется ПЗУ

Периферийные

устройства

Внешняя память на магнитных дисках, дисплеи, графопостроители

Программное

обеспечение

Появились операционные системы и множество прикладных программ. Новые алгоритмические языки высокого уровня. Многопрограммный режим работы - возможность выполнять несколько программ одновременно

Области применения

Базы данных, первые системы искусственного интеллекта, системы автоматизированного проектирования и управления

Примеры

PDP -11, IBM /360, CDC 6600, БЭСМ-6, Минск-32

IV поколение

Годы

1977-наши дни

Элементная база

БИС и СБИС

Размер (габариты)

Микро ЭВМ – малые габариты, сравнимые с размерами бытовых телевизоров; супер компьютеры, состоящие из отдельных блоков и центральный процессор которых занимает отдельное помещение

Максимальное

быстродействие

компьютера

2,5 МГц у первых моделей и до 109 операций в секунду

Максимальный

объем ОЗУ

От 16 Мбайт и более 107 Кбайт

Периферийные

устройства

Цветной графический дисплей, манипуляторы типа «мышь», «джойстик», клавиатура, магнитные и оптические диски, принтеры, сканеры и т.д.

Программное

обеспечение

Пакеты прикладного программного обеспечения, сетевое ПО, мультимедиа и т.д.

Области применения

Все сферы научной, производственной, учебной деятельности, отдых и развлечение, Интернет

Примеры

IBM PC, Macintosh, Cray, ЭЛЬБРУС

V поколение

Годы

Элементная база

Оптоэлектроника, криоэлектрика

Размер (габариты)

Возможно карманные и меньше

Максимальное

быстродействие

компьютера

1012 операций в секунду

Максимальный

объем ОЗУ

108 Кбайт

Периферийные

устройства

Программное

обеспечение

Интеллектуальные программные системы

Области применения

В творческой деятельности человека, искусственный интеллект

Примеры

ЭВМ пятого поколения - это машины недалекого будущего. Основным их качеством быть высокий интеллектуальный уровень. Карманный компьютер сможет проинформировать владельца о последних новостях, позвонить, заказать билеты, уплатить налоги и т.д.

Вопросы для контроля:

Сколько этапов развития технических средств и информационных ресурсов существует?

К какому поколению ЭВМ относится карманный компьютер?

Домашнее задание : прочитать записи в тетради, ответить на вопросы индивидуальных карт (упражнение 3), ответить на вопрос «Зачем нужно переходить к цифровому хранению информации?»

I «Абак и счеты»

Как переводится с греческого языка слово «абак»?

Где использовали абак в Древней Греции и Риме?

В какой системе счисления велся счет с помощью устройства абак?

Какие арифметические операции могли выполнять с помощью абака?

Как назывался абак в Древнем Риме?

В каком году появились русские счеты?

II «Блез Паскаль»

Где и когда родился Блез Паскаль?

Кем был Б.Паскаль (профессия, род занятий)?

Каким образом осуществлялось сложение чисел в машине Паскаля?

Как связано его имя с информатикой?

Кем была написана первая программа для аналитической машины Ч. Беббиджа?

III «Готфрид Вильгельм Лейбниц».

Где и когда родился Лейбниц?

В развитие, каких наук внес свой вклад Лейбниц.

Какое устройство было изобретено Лейбницем?

Какие арифметические операции мог выполнять арифмометр?

IV « Чарльз Беббидж ».

Где и когда родился Чарльз Беббидж?

Кем по профессии был Ч.Беббидж?

В каком году у Чарльза Беббиджа возникла мысль о создании аналитической машины?

Какова была идея аналитической машины?

Была ли простроена аналитическая машина? Если да, то когда и кем?

V « Герман Холлерит ».

Где и когда родился Герман Холлерит?

Какое устройство было изобретено Г. Холлеритом? В каком году?

Для чего в США в 1890 году был использован табулятор?

Сколько времени заняло это событие, и сколько долларов было сэкономлено?

Что представляет собой перфокарта и где они применялись?

История науки и есть сама наука.
И. Гёте

Основные хронологические этапы развития вычислительной техники представлены в табл. 7.1.

Таблица 7.1.Основные этапы развития вычислительной техники

Рассмотрим основные моменты каждого из этапов.

Более трех тысяч лет назад в Средиземноморье было распространено простейшее приспособление для счета: доска, разделенная на полосы, где перемещались камешки или кости. Такая счетная дощечка называлась абак и использовалась для ручного счета. В Древнем Риме абак назывался calculi или abaculi и изготавливался из бронзы, камня, слоновой кости и цветного стекла. Слово calculus означает «галька», «голыш». От этого слова произошло латинское слово calculatore (вычислять), а затем слово «калькуляция». Абак позволял лишь запоминать результат, а все арифметические действия должен был выполнять человек.

Первая механическая машина была построена немецким ученым Вильгельмом Шиккардом (предположительно в 1623 году). Машина была реализована в единственном экземпляре и предназначалась для выполнения арифметических операций. Из-за недостаточной известности машины Шиккарда более 300 лет считалось, что первую суммирующую машину сконструировал Блез Паскаль.

Блез Паскаль (французский математик, физик, религиозный философ и писатель) в 1642 году изобрел механическую счетную машину, выполнявшую сложение, а в 1674 году Готфрид Лейбниц расширил возможности машины Паскаля, добавив операции умножения, деления и извлечения квадратного корня. Специально для своей машины Лейбниц применил систему счисления, использующую вместо привычных для человека десяти цифр две: 1 и 0. Двоичная система счислений широко используется в современных ЭВМ.

Ни одна из этих машин не была автоматической и требовала непрерывного вмешательства человека. В 1834 году Чарлз Бэббидж (Charles Babbage) первым разработал подробный проект автоматической вычислительной машины. Он так и не построил свою машину - в то время невозможно было достичь требуемой точности изготовления ее узлов.

Ч. Бэббидж выделял в своей машине следующие составные части:

• «склад» для хранения чисел (по современной терминологии - память);
• «мельницу» для производства арифметических действий (арифметическое устройство, процессор);
• устройство, управляющее последовательностью выполнения операций (устройство управления);
• устройства ввода и вывода данных.

В качестве источника энергии для приведения в действие механизмов машины Ч. Бэббидж предполагал использовать паровой двигатель.

Ч. Бэббидж предложил управлять своей машиной с помощью перфорированных карт, содержащих коды команд, подобно тому как использовались перфокарты в ткацких станках Жаккара. На этих картах было представлено то, что сегодня мы назвали бы программой.

Ч. Бэббидж довольно подробно рассматривал вопросы, связанные, как мы сейчас говорим, с программированием. В частности, им была разработана весьма важная для программирования идея «условной передачи управления». Идеи Бэббиджа заложили фундамент, на котором со временем были построены ЭВМ.

Первые программы для вычислительной машины Бэббиджа создавала Ада Лавлейс (Ada Lovelace) - дочь известного поэта Джорджа Байрона, в честь которой впоследствии был назван один из языков программирования. Выражаясь современным языком, А. Лавлейс составила программу вычисления чисел Бернулли, разработала основные принципы программирования, которые остаются актуальными до настоящего момента времени.

Ряд терминов, введенных А. Лавлейс, используются и сейчас, например «цикл», «рабочие ячейки».

Теоретические основы современных цифровых вычислительных машин заложил английский математик Джордж Буль (1815-1864). Он разработал алгебру логики, ввел в обиход логические операторы И, ИЛИ и НЕ. (Заметим, что его дочь Э. Войнич - автор известного произведения «Овод».)

В 1888 году Германом Холлеритом (Herman Hollerith) была сконструирована первая электромеханическая машина для сортировки и подсчета перфокарт. Эта машина, названная табулятором, содержала реле, счетчики, сортировочный ящик. Изобретение Холлерита было использовано при подведении итогов переписи населения в США.

Успех вычислительных машин с перфокартами был феноменален. То, чем за десять лет до этого занимались 500 сотрудников в течение 7 лет, Г. Холлерит сделал с 43 помощниками на 43 вычислительных машинах за 4 недели.

В 1896 году Г. Холлерит основал фирму Computing Tabulation Company. Спустя несколько лет это предприятие переименовали в известнейшую теперь фирму International Business Machine Corporation (IBM).

Немецкий инженер Конрад Цузе (Konrad Zuse) был первым, кто успешно осуществил идею создания автоматической электромеханической вычислительной машины на основе двоичной системы счисления. В 1936 году он начал конструировать вычислительный аппарат, работающий в двоичной системе счисления, который впоследствии был назван Zuse 1 (Z1).

В 1941 году Цузе сумел построить действующую модель Zuse 3, которая состояла из 600 реле счетного устройства и 2000 реле устройства памяти.

В 1944 году(по другим источникам, в 1943 году) в Англии было разработано полностью автоматическое вычислительное устройство Colossus II. Основным его назначением была дешифровка перехваченных сообщений военного противника.

В том же году была построена еще одна полностью автоматическая вычислительная машина, изобретенная профессором Гарвардского университета Говардом Айкеном (Aiken Howard, 1900-1973) при участии группы инженеров фирмы IBM. Она была названа ASCC (другое название Mark 1) и была электромеханической (построена на реле), состоящей приблизительно из 750 тыс. компонентов. На умножение она тратила около 4 с. До знакомства с работами Цузе научная общественность считала машину ASCC первой электромеханической машиной.

В 1937 году в США Джордж Атанасов начал работы по созданию электронной вычислительной машины . Им были созданы и запатентованы первые электронные схемы отдельных узлов ЭВМ. Совместно с Клиффордом Берри к 1942 году была построена электронная машина ABC (Atanasoff-Berry Computer).

Электронная вычислительная машина, разработанная Преспером Эккертом и Джоном Маучли (John W. Mauchly и J. Presper Eckert, Jr.) в США в 1946 году, была названа ENIAC. При создании этой машины Эккерт и Маучли заимствовали основные идеи у Дж. Атанасова. ENIAC была примерно в 1000 раз быстрее, чем ASCC. Она состояла из 18 тыс. электронных ламп, 1500 реле, имела вес более 30 т., потребляла мощность более 150 кВт.

Фотография позволяет наглядно оценить прогресс вычислительной техники. Несколько человек находятся внутри ENIAC - современные ЭВМ уже можно разместить внутри человека.

Первоначально ENIAC программировалась путем соединения проводами соответствующих гнезд на коммутационной панели, что делало составление программы очень медленным и утомительным занятием. Американский математик и физик венгерского происхождения Джон фон Нейман (1903-1957) предложил хранить программу - последовательность команд управления ЭВМ - в памяти машины, что позволяло оперировать с программой так же, как с данными. Последующие ЭВМ строились с большим объемом памяти, с учетом того, что там будет храниться программа.

В докладе Дж. фон Неймана, посвященном описанию ЭВМ, выделено пять базовых элементов компьютера:

• арифметико-логическое устройство (АЛУ);
• устройство управления (УУ);
• запоминающее устройство (ЗУ);
• система ввода информации;
• система вывода информации.

Описанную структуру ЭВМ принято называть архитектурой фон Неймана.

ЭВМ первого поколения в качестве элементной базы использовали электронные лампы и реле.

Изобретение в 1948 году транзисторов и запоминающих устройств на магнитных сердечниках оказало глубокое воздействие на вычислительную технику. Ненадежные вакуумные лампы, которые требовали большой мощности для нагревания катода, заменялись небольшими германиевыми (впоследствии кремниевыми) транзисторами. Компьютеры, построенные в середине 50-х годов ХХ века, стали называть машинами второго поколения.

Революционный прорыв в миниатюризации и повышении надежности компьютеров произошел в 1958 году, когда американский инженер Д. Килби (Jack Kilby) разработал первую интегральную микросхему. В середине 1960-х годов появилось третье поколение ЭВМ, основу элементной базы которых составляли микросхемы малой и средней степени интеграции.

Другая революция в технологии изготовления ЭВМ произошла в 1971 году, когда американский инженер Маршиан Эдвард Хофф (Marcian E. Hoff) объединил основные элементы компьютера в один небольшой кремниевый чип (кристалл), который он назвал микропроцессором. Первый микропроцессор получил маркировку Intel 4004.

ЭВМ четвертого поколения строятся на интегральных микросхемах с большой степенью интеграции. На одном кристалле размещается целая микроЭВМ. Заметим, что переход от третьего поколения ЭВМ к четвертому не был революционным. Отличия коснулись не столько принципов построения ЭВМ, сколько плотности упаковки элементов в микросхемах.

Развитие ЭВМ идет по пути непрерывного повышения быстродействия, надежности, расширения функциональных возможностей, уменьшения габаритов и потребляемой мощности, упрощения правил работы на компьютере. Среди ЭВМ четвертого поколения появились персональные компьютеры (ПК или ПЭВМ), которые позволяют индивидуально работать каждому пользователю.

Первой ПЭВМ можно считать компьютер Altair-8800, созданный в 1974 году Э. Робертсом. Для этого компьютера П. Аллен и Б. Гейтс в 1975 г. создали транслятор с популярного языка Basic. Впоследствии Пол Аллен и Билл Гейтс создали известную компанию Microsoft.

В 1976 году Стивен П. Джобс и Стефан Г. Возниак основали в гараже Пало-Альто (Калифорния) предприятие Apple Computer. После 6 месяцев работы Возниаку удалось собрать действующий макет под названием Apple 1. Сейчас компания с таким названием хорошо известна многим пользователям ЭВМ.

В настоящее время ведется разработка ЭВМ пятого поколения, характерными особенностями которых будут способность к самообучению и наличие речевого ввода и вывода информации.

Таким образом, вычислительная техника постоянно впитывала в себя самые последние достижения науки, техники и технологии (электронные лампы, транзисторы, микроэлектроника, лазеры, средства связи), благодаря чему ее развитие идет необычайно высокими темпами.

В ХХI веке, когда на смену электронным приборам придут квантовые, оптические или биоэлектронные приборы, современные нам ЭВМ будут казаться будущим пользователям такими же м7.2. Архитектура ЭВМ

Электронная вычислительная машина (ЭВМ) - это устройство, выполненное на электронных приборах, предназначенное для автоматического преобразования информации под управлением программы.

Основные элементы электронной вычислительной машины (фон-неймановской структуры) и связи между ними показаны на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Основные элементы электронной вычислительной машины

Процессор выполняет логические и арифметические операции, определяет порядок выполнения операций, указывает источники данных и приемники результатов. Работа процессора происходит под управлением программы.

При первом знакомстве с ЭВМ считают, что процессор состоит из четырех устройств: арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления (УУ), блока регистров (БР) и кэш-памяти. АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными. Промежуточные результаты сохраняются в БР. Кэш-память служит для повышения быстродействия процессора путем уменьшения времени его непроизводительного простоя. УУ отвечает за формирование адресов очередных команд, т. е. за порядок выполнения команд, из которых состоит программа.

Программа - это набор команд (инструкций), составленный человеком и выполняемый ЭВМ. Команда обеспечивает выработку в УУ управляющих сигналов, под действием которых процессор выполняет элементарные операции.

Таким образом, программы состоят из команд, а при выполнении команд процессор разбивает команды на элементарные операции.

Элементарными операциями для процессора являются арифметические и логические действия, перемещение данных между регистрами процессора, счет и т. д.

Основная функция системной шины - передача информации между процессором и остальными устройствами ЭВМ. Системная шина состоит из трех шин: шины управления, шины данных и адресной шины. По этим шинам циркулируют управляющие сигналы, данные (числа, символы), адреса ячеек памяти и номера устройств ввода-вывода.

Сделаем образное сравнение работы системной шины с работой почты. По шине данных пересылаются письма в места, адреса которых указаны на шине адреса. Шина управления следит, чтобы письма при движении не мешали друг другу и перемещались по очереди. Под письмами нужно понимать операнды (данные и команды), которыми обмениваются отдельные блоки ЭВМ.

Память предназначена для записи, хранения, выдачи команд и обрабатываемых данных.

Существует несколько разновидностей памяти: оперативная, постоянная, внешняя, кэш, CMOS (КМОП), регистровая. Существование целой иерархии видов памяти объясняется их различием по быстродействию, энергозависимости, назначению, объему и стоимости. Многообразие видов памяти помогает снять противоречие между высокой стоимостью памяти одного вида и низким быстродействием памяти другого вида.

Память современных компьютеров строится на нескольких уровнях, причем память более высокого уровня меньше по объему, быстрее и в пересчете на 1 байт памяти имеет бóльшую стоимость, чем память более низкого уровня.

Регистровая память - наиболее быстрая (ее иногда называют сверхоперативной). Она представляет собой блок регистров (БР), которые размещены внутри процессора. Регистры используются при выполнении процессором простейших операций: пересылка, сложение, счет, сдвиг операндов, запоминание адресов, фиксация состояния процессора и т. д.

Наилучшим вариантом было бы размещение всей памяти на одном кристалле с процессором. Однако из-за существующих технологических сложностей изготовления памяти большого объема пришлось бы большое число микросхем отправить в брак.

Кэш-память по сравнению с регистровой памятью имеет больший объем, но меньшее быстродействие. В ЭВМ число запоминающих устройств с этим видом памяти может быть различным. В современных ЭВМ имеется два-три запоминающих устройства этого вида.

Кэш-память первого уровня располагается внутри процессора, а кэш-память второго уровня - вне процессора (на так называемой материнской плате).

В переводе с английского cache (кэш) означает «тайник», так как кэш-память недоступна для программиста (она автоматически используется компьютером). Кэш-память используется для ускорения выполнения операций за счет запоминания на некоторое время полученных ранее данных, которые будут использоваться процессором в ближайшее время. Введение в компьютер кэш-памяти позволяет сэкономить время, которое без нее тратилось на пересылку данных и команд из процессора в оперативную память (и обратно). Работа кэш-памяти строится так, чтобы до минимума сократить время непроизводительного простоя процессора (время ожидания новых данных и команд).

Этот вид памяти уменьшает противоречие между быстрым процессором и относительно медленной оперативной памятью.

Кэш-память первого уровня, которая размещается на одном кристалле с процессором, принято обозначать символами L1. Кэш-память, которая располагается на материнской плате (второй уровень), обозначается символами L2.

На структурной схеме показана только кэш-память L1. Энергозависимая память CMOS (КМОП-память) служит для запоминания конфигурации данного компьютера (текущего времени, даты, выбранного системного диска и т. д.). Для непрерывной работы этого вида памяти на материнской плате ЭВМ устанавливают отдельный малогабаритный аккумулятор или батарею питания.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) используется для кратковременного хранения переменной (текущей) информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций. Это значит, что процессор может выбрать из ОЗУ команду либо обрабатываемые данные (режим считывания) и после арифметической или логической обработки данных поместить полученный результат в ОЗУ (режим записи). Размещение новых данных в ОЗУ возможно на тех же местах (в тех же ячейках), где находились исходные данные. Понятно, что прежние команды (или данные) будут стерты.

ОЗУ используется для хранения программ, составляемых пользователем, а также исходных, конечных и промежуточных данных, получающихся при работе процессора.

В качестве запоминающих элементов в ОЗУ используются либо триггеры (статическое ОЗУ), либо конденсаторы (динамическое ОЗУ).

ОЗУ - это энергозависимая память, поэтому при выключении питания информация, хранившаяся в ОЗУ, теряется безвозвратно.

По быстродействию ОЗУ уступает кэш-памяти и тем более - сверхоперативной памяти БР . Но стоимость ОЗУ значительно ниже стоимости упомянутых видов памяти.

В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится информация, которая не изменяется при работе ЭВМ. Такую информацию составляют тест-мониторные программы (они проверяют работоспособность компьютера в момент его включения), драйверы (программы, управляющие работой отдельных устройств ЭВМ, например, клавиатурой) и др.

ПЗУ - энергонезависимое устройство, поэтому информация в нем сохраняется даже при выключении электропитания.

Перспективным видом постоянной памяти считается память с электрическим способом стирания и записи информации - FLASH-память , которая при острой необходимости позволяет перепрограммировать ПЗУ и тем самым оперативно улучшить характеристики ЭВМ.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) предназначены для долговременного хранения информации. К ВЗУ относятся накопители на магнитной ленте (магнитофоны, стримеры), накопители на жестких дисках (винчестеры), накопители на гибких дисках, проигрыватели оптических дисков. ВЗУ по сравнению с ОЗУ имеют, в основном, больший объем памяти, но существенно меньшее быстродействие.

К устройствам ввода информации относятся: клавиатура, мышь, трекбол, джойстик, трек-пойнт, трекпад, сканер, сенсорный экран, световое перо, информационные перчатки, информационный костюм, шлем, джойстринг, диджитайзер, цифровая видеокамера, микрофон, датчики и др.

К устройствам вывода информации относятся: дисплей (монитор), принтер, плоттер, акустические колонки и др.

Модем выполняет функции и устройств ввода, и устройств вывода информации. Он позволяет соединяться с другими удаленными компьютерами с помощью телефонных линий связи и обмениваться информацией между ЭВМ. Модем на передаче превращает цифровые сигналы в звуки, а на приеме – наоборот.

Одной из плодотворных идей, положенных в основу персональных компьютеров, является открытость архитектуры. Согласно этой концепции, каждый пользователь может самостоятельно формировать конфигурацию своего компьютера по своему усмотрению. Это означает, что в зависимости от потребности пользователь может подключить к системной шине различные устройства: модем, звуковую плату, клавиатуру электромузыкального инструмента, плату телевизионного приемника и т. п. Открытость архитектуры позволяет легко модернизировать имеющийся компьютер, например, заменить винчестер на жесткий диск большего объема, или заменить процессор, увеличить объем оперативной памяти и т. д.

Общий принцип работы ЭВМ заключается в следующем. Из процессора на шину адреса (на структурной схеме она не показана и находится внутри системной шины) выдается адрес очередной команды. Считанная по этому адресу команда (например, из ПЗУ) поступает по шине данных (внутри системной шины) в процессор, где она выполняется с помощью АЛУ. Устройство управления процессора определяет адрес следующей выполняемой команды (фактически номер очередной ячейки памяти, где находится очередная команда). После исполнения процессором текущей команды на шину адреса выводится адрес ячейки памяти, где хранится следующая команда и т. д.

Сигналы, передаваемые по управляющей шине, синхронизируют работу процессора, памяти, устройств ввода и вывода информации.

Порядок выбора адресов из памяти (и очередности выполнения команд) определяет программа, которая может располагаться в ПЗУ, но чаще выполняемая в данный момент времени программа находится в ОЗУ. В линейных программах команды последовательно выбираются из очередных ячеек памяти. В разветвляющихся программах естественный порядок выбора адресов ячеек памяти может нарушаться. В результате может происходить переход (резкий скачок) к ячейке памяти, расположенной в любом месте ОЗУ. При одном наборе исходных данных переход происходит, а при другом наборе данных - перехода нет. По этой причине такие команды называют командами условной передачи управления.

Нередко при работе ЭВМ программа вводится с клавиатуры в ОЗУ. Затем процессор под управлением этой программы выполняет необходимые действия. Чаще управляющую программу загружают в ОЗУ с внешнего запоминающего устройства или по вычислительной сети. При выполнении загруженной программы ЭВМ запрашивает у пользователя необходимые данные и процессор после выполнения указанных в программе команд отправляет результат по системной шине на одно из устройств вывода информации.

Выполнение основной программы иногда может приостанавливаться для выполнения какого-то другого срочного задания, например для передачи данных на принтер. Такой режим работы, когда временно приостанавливается выполнение основной программы и происходит обслуживание запроса, называется прерыванием . По завершении обслуживания прерывания процессор возвращается к выполнению временно отложенной основной программы.

Запросы на прерывание могут возникать из-за сбоев в аппаратуре, переполнения разрядной сетки, деления на ноль, требования внешним устройством выполнения операции ввода информации и т. д. Например, при нажатии клавиши на клавиатуре возникает прерывание, обработка которого сводится к записи кода нажатой клавиши в буфер клавиатуры. Обслуживание прерываний осуществляется с помощью специальных программ обработки прерываний.

Очевидно, что устройство современной ЭВМ много сложнее рассмотренной здесь конструкции. На структурной схеме не изображены тактовый генератор, который подключен к процессору, адаптеры (или контроллеры), включенные между системной шиной и каждым устройством ввода-вывода, и другие блоки. Однако выбранный уровень детализации позволяет легче понять общий принцип работы ЭВМ.

Приведенный вид структурной схемы ЭВМ является фон-неймановской структурой, названной так в честь американского ученого венгерского происхождения фон Неймана.

Существуют и другие структуры, в частности многопроцессорные, позволяющие вести параллельную обработку данных с помощью нескольких процессоров. Так, самый быстрый в мире компьютер ASCI Red содержит более 9 тыс. процессора Pentium Pro.

Основные блоки ПЭВМ показаны на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Основные блоки ПЭВМ

В системном блоке находится материнская плата (на ней располагаются процессор, ОЗУ, ПЗУ и др.), накопители на гибких, жестких и оптических дисках, внутренние модемы, сетевые, звуковые карты и др.

онстрами, какими нам кажутся вычислительные машины 40-х годов ХХ в.