Из истории создания и развития ЭВМ

Техническая база информатики

Механические средства для вычислений были известны еще в далеком прошлом. Одно из самых древних вычислительных средств – счеты – использовалось древними египтянами и китайцами. Подобные устройства применялись для механизации счета и хранения текущего результата. В качестве постоянной памяти выступали дощечки из глины, бумага. Отсутствовала механизация управления последовательностями операций.

Чарльз Беббидж (1792 – 1871), английский физик и астроном, первый сформулировал идею создания универсальной вычислительной машины (аналитическая машина Беббиджа). Его, прежде всего, интересовало повышение точности астрономических расчетов. Беббидж разработал детальный проект машины, однако так и не завершил его, в том числе и по финансовым причинам.

В 1937 г. английский математик Алан Тьюринг опубликовал работу с описанием универсальной схемы вычислений. Его результаты были представлены в терминах гипотетической машины, названной “универсальной машиной Тьюринга”. Эта теоретическая разработка привлекла внимание большого числа специалистов к вопросу создания универсальной вычислительной машины.

Вторая мировая война дала толчок к усовершенствованию вычислительных устройств и технологии их производства. В 1944 г. Говард Айкен из IBM создал первую в мире ЭВМ на релейных элементах – Havard Mark I. В 1946 г. сотрудники IBM Дж. Эккерт и Дж. Мочли создали первый компьютер на электронных лампах – ENIAC.

В 1951 г. началось массовое производство машин серии UNIVAC – этот год принято считать годом появления технологии ЭВМ первого поколения.

В 1960 г. появились ЭВМ второго поколения – на полупроводниковых элементах.

Достижения в области полупроводниковой технологии – разработка технологии производства интегральных схем – привели к тому что в 60-х г.г. были созданы ЭВМ третьего поколения (1964 г.) на основе БИС (больших интегральных схем), а затем ЭВМ четвертого поколения (1970 г.) – на основе СБИС (сверхбольших интегральных схем).

В конце 70-х успехи развития микроэлектроники привели к созданию персональных компьютеров на основе микропроцессоров.

Успехи в разработке оборудования сопровождались достижениями в области программирования.

В 1955 г. создан первый язык высокого уровня – Фортран, включавший многие элементы алгебры. Были созданы другие языки для решения разных классов задач: КОБОЛ (для решения экономических задач), АЛГОЛ (для решения научных задач), PL/I (единый язык для решения задач прикладного и системного программирования).

Помимо языков программирования в 60-х г. XX в. разработан ряд операционных систем. Развивается в эти годы технология программирования, т.е. методы построения трансляторов языков (см раздел 1.3. “Программное обеспечение информатики”).

В начале 80-х г. XX в. японские специалисты выступили с амбициозным проектом создания ЭВМ пятого поколения, устройство которой позволило бы пользователю ставить задачу ЭВМ на своем профессиональном языке, а специальный блок такой ЭВМ, так называемый “интеллектуальный интерфейс”, выполнил бы всю ту работу, которую раньше делал программист.

Классификация ЭВМ

Под ЭВМ понимается большое число разнообразных машин, различающихся размерами, производительностью, стоимостью, назначением. Возможны разные типы классификаций вычислительных устройств. Если в качестве основания взять производительность, то можно построить следующую классификацию ЭВМ:

· супер ЭВМ;

· большие ЭВМ;

· мини ЭВМ;

· микро ЭВМ и микропроцессоры, встраиваемые в механизмы, приборы и машины.

Супер- и большие ЭВМ предназначены для решения сложных научных и технических задач. Мини ЭВМ используются в системах автоматизации управления и проектирования. Микро ЭВМ, или персональные ЭВМ, решают конкретные пользовательские задачи.

Классическая архитектура ЭВМ общего назначения

Классическая архитектура ЭВМ разработана американским инженером фон Нейманом, поэтому ее еще называют неймановской архитектурой. Согласно Нейману в состав ЭВМ входит пять функционально независимых блоков: устройство ввода информации в ЭВМ (Увв), запоминающее устройство (ЗУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ) и устройство вывода информации из ЭВМ (Увыв).

Рис. 1.2

Устройство ввода принимает кодированную информацию из внешней среды от человека-оператора или электромеханического прибора. Информация запоминается в ЗУ для последующего использования или сразу обрабатывается АЛУ. Шаги обработки информации определены программой, хранящейся в памяти ЭВМ. Результаты обработки возвращаются во внешнюю среду через устройство вывода. Все эти действия координируются устройством управления.

Обычно схемы АЛУ компонуются вместе со схемами УУ в виде одного блока, называемого центральным процессором (ЦП). Оборудование ввода и вывода объединяются термином: устройство ввода-вывода (Увв-выв).

В ЭВМ информация поступает двух типов: в виде команд и в виде данных. Команды, или инструкции, выполняют две функции: 1) управляют передачей информации внутри ЭВМ, а также между ЭВМ и внешней средой; 2) указывают, какие арифметические и логические операции должны быть выполнены. Последовательность команд, которые обеспечивают решение задачи, называется программой. Обычно решение задачи начинается с загрузки программы в память. Затем ЦП извлекает команды из ЗУ и выполняет предусмотренные операции. Таким образом, ЭВМ находится под полным управлением выполняемой программы, кроме тех случаев, когда поступают сигналы прерывания от оператора или электронных устройств, связанных с ЭВМ.

Определим данные как кодированную информацию, которая обрабатывается командами программы.

Информация в ЭВМ должна быть представлена в соответствующем формате. Поскольку ЭВМ состоит из электронных и цифровых схем, элементы которых имеют два устойчивых состояния, то используется двоичная система счисления для кодирования информации: каждое число, символ текста или команда кодируются цепочкой двоичных цифр – бит (см. раздел 2.4. “Системы счисления”).

Рассмотрим более подробно назначение и примеры отдельных устройств ЭВМ.

Устройство ввода информации. Функция этого устройства очевидна – ввод информации в ЭВМ из внешней среды. В качестве Увв выступают клавиатура, дисплей (монитор), вспомогательные дисплейные устройства ввода (различного типа манипуляторы, световое перо).

Запоминающее устройство (память). Единственная функция ЗУ – хранение программ и данных. Различают три класса устройств памяти: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

ПЗУ – это неизменяемая память ЭВМ, назначение которой хранить служебные программы, необходимые для работы системы.

ОЗУ – это быстродействующее запоминающее устройство. Оно содержит большое количество ячеек памяти, каждая из которых хранит 1 бит информации. Ячейки связаны в группы фиксированных размеров, называемые машинными словами. ОЗУ организовано таким образом, чтобы содержимое из n бит можно было найти или запомнить при помощи одной операции. Для облегчения доступа к любому слову ОЗУ с положением каждого слова связано некоторое имя (адрес). Длина машинного слова определяется разрядностью ЦП.

Для хранения большого объема данных применяются более дешевые ВЗУ, использующие в качестве носителей информации магнитные ленты и диски, оптические диски или электронные носители.

Устройство вывода информации. Выполняет обратную функцию по сравнению с устройствами ввода. Некоторые устройства совмещают обе функции, поэтому часто используется общий термин – устройство ввода-вывода. К устройствам вывода относятся дисплеи, печатающие устройства (принтеры), графопостроители (плоттеры).

Центральный процессор. Большинство операций в ЭВМ выполняется в АЛУ. Например, необходимо сложить два числа в оперативной памяти: они передаются в АЛУ, в нем складываются. Аналогично выполняется любая другая арифметическая или логическая операция. Для ускорения вычислений ЦП имеет высокоскоростные ячейки памяти – регистры – для временного хранения данных. ЦП – наиболее скоростное устройство ЭВМ, поэтому один ЦП может управлять рядом внешних устройств.

Все описанные устройства обеспечивают необходимые средства для хранения и обработки информации. Действие этих устройств должны быть согласованы, что является функцией УУ.

Дата добавления: 2014-01-05