Персональные компьютеры (ПК). История создания и развития персональных компьютеров

История развития ЭВМ. Поколения. Классификация ЭВМ. Перспективы развития.

Лекция № 2.

Тема: Технические средства информатики информатики. Общие сведения об ЭВМ. Технические средства персонального компьютера.

2.1. История развития вычислительной техники. Первые электронно-вычислительные машины. Поколения ЭВМ. Классификация и характеристики ЭВМ. Перспективы развития

2.2. Персональные компьютеры (ПК). История создания и развития персональных компьютеров.

2.3. Архитектура персонального компьютера. (ПК). Назначение и характеристики основных устройств ПК. Процессоры и сопроцессоры, общие и локальные шины.

2.4. Устройства хранения информации: оперативная память, постоянная память, кэш-память, внешняя память - накопители на жестких, гибких, лазерных, магнито-оптических дисках и магнитных лентах.

2.5. Устройства ввода-вывода текстовой и графической информации и их классификация. Клавиатура. Принтеры и их классификация. Речевой ввод-вывод. Устройства управления - "мышь", трекбол, джойстик.

2.6. Совместимость ЭВМ. Семейства, модели, конфигурация. Распределенные и локальные сети. Глобальные сети. Топология сетей. Организация работы в сетях. Модемы.

Литература

Основы информатики и вычислительной техники. Методические рекомендации по подготовке к вступительному экзамену по информатике.- М.: РГГУ, 2000, стр. 26-32.

История развития Первая машина, способная автоматически выполнять четыре арифметических действия появилась в XVII веке. В 1623 г. В.Шикард изобрел машину, способную не только суммировать и вычитать числа, но и частично перемножать и делить их.

В 1642г. французский философ и ученый Б.Паскаль изобрел арифмометр для механизации канцелярских расчетов.

В 1671г. немецкий философ и математик Г.Лейбниц создал свою счетную машину, известную как “зубчатое колесо Лейбница”.

В 19 веке английский математик Ч.Бэббидж разработал несколько проектов вычислительных механических устройств, самым известным из них является “аналитическая машина” Бэббиджа. Эта машина представляла собой программируемое автоматическое вычислительное устройство. Программы кодировались и переносились на перфокарты. эту идею Бэббидж позаимствовал у французского изобретателя Ж.Жаккара, который впервые применил ее для контроля ткацких операций. По замыслу Бэббиджа такая машина должна была автоматически выполнять различные вычисления при последовательном вводе набора перфокарт, содержащих пары команд и данных. Изменяя расположение отверстий на карте и последовательность следования карт можно было менять порядок вычислений.

Меценат проекта - графиня Ада Августа Лавлейс - была программистом этой “аналитической машины”. Именно она убедила Бэббиджа в необходимости использования двоичной системы счисления вместо десятичной. Ею были разработаны новые принципы программирования, предусматривающие повторение одной и той же последовательности команд и выполнение этих команд при определенных условиях (команды условного перехода). Ее именем назван разработанный в 1979 году алгоритмический язык ADA.

Во второй половине 19 века Г.Холлерит разработал машину с перфокарточным вводом, способную автоматически классифицировать и составлять таблицы данных. Наличие-отсутствие отверстия в перфокарте обнаруживалось электрическими контактными щетками, а в счетчиках применялись реле. Впервые эта машина использовалась в 1890г. в Америке при обработке результатов переписи населения. Именно тогда стало ясно, что без создания новых процессов обработки данных невозможно выполнять обработку больших массивов информации. С тех пор машины с перфорированными картами получили широкое распространение в деловой и административной сферах. В 1896г. Холлерит основал фирму, которая явилась предшественницей знаменитой IBM (это название возникло в 1924г.).

Скорость вычислений в механических машинах на основе зубчатого колеса и в электрических машинах, выполненных на реле, была ограничена, поэтому в 30-х гг. начались разработки электронных вычислительных машин (ЭВМ), элементной базой которых стала трехэлектродная вакуумная лампа, изобретенная в 1906 г. Лидом Форестом.

Первая треть 20 века ознаменовалась последовательным развитием и внедрением многих вычислительных устройств. Весьма значительный вклад в эту область внес математик Алан Тьюринг, который в 1937 г. опубликовал работу с описанием универсальной схемы вычислений. Хотя машина Тьюринга была лишь теоретическим построением и никогда серьезно не рассматривалась как экономически приемлемая машина, она привлекла внимание ряда исследователей.

Вторая мировая война дала серьезный толчок к усовершенствованию вычислительных устройств и технологии их производства. В 1944 г. Говард Айкен и группа исследователей из IBM построили электрическую вычислительную машину на релейных логических элементах.

С 1943 г. по 1946 г. в Университете г. Пенсильвания (США) была построена первая полностью электронная цифровая ЭВМ, получившая название ENIAK. Главной цель при разработке этой машины было составление числовых таблиц для вычисления траектории полета снарядов и ракет. Машина весила 30 т., занимала площадь 200 кв.м., содержала 18 тыс. ламп. В ее работе использовалась десятичная система счисления. Команды по программе вводились вручную; после введения программы порядок выполнения мог быть изменен только после выполнения всей программы. Каждая новая программа требовала новой комбинации сигналов, путем установки переключателей и коммуникации разъемов. В результате на создание и выполнение даже самой простой программы требовалось очень много времени.

Сложности в программировании на ENIAK натолкнули Джона фон Неймана (1903-1957), бывшего консультантом проекта, на разработку новых принципов построения архитектуры ЭВМ.

Принцип I - произвольный доступ к основной памяти. Память состоит из дискретных элементов - ячеек, каждая из которых может содержать набор символов, называемых словом. Время доступа (чтения или записи) не зависит от адреса ячейки.

Принцип II - хранение программы. Информация, хранимая в основной памяти не имеет признаков принадлежности к определенному типу (программа или данные). Поэтому процессор не различает, что он обрабатывает в данный момент времени.

Эти принципы были реализованы в новой ЭВМ EDVAC. В этой машине применялась двоичная арифметика, основная память была способна хранить 1024 44-разрядых слова. Эта ЭВМ была введена в эксплуатацию в 1951 г.

ЭВМ, созданные в первой половине 20 века, имели две важные особенности, которыми не обладали ранее созданные машины: возможность программирования и способность хранения информации.

Поколения ЭВМ Историю развития вычислительных машин принято рассматривать по поколениям.

Первое поколение (1946-1960) - это время становления архитектуры машин фон-неймановского типа, построенных на электронных лампах с быстродействием 10-20 тыс. арифметических операций в сек. В Советском Союзе к первому поколению относится первая отечественная вычислительная машина МЭСМ (Малая Электронная Счетная Машина), созданная в 1951 г. в г. Киеве под руководством академика С.А.Лебедева, серийные машины Минск -1, Стрела, БЭСМ (Большая Электронная Счетная Машина), Урал-1, Урал-4 и др.

ЭВМ первого поколения были громоздкими, ненадежными и нуждались во вспомогательных холодильных установках. Использовались они для решения вычислительных задач научного характера. Процесс программирования на этих машинах требовал очень хорошего знания устройства машины и то, как она реагирует на ту или иную ситуацию.

Второе поколение (1960- 1964) - машины, построенные на транзисторах, с быстродействием до сотен тыс. операций в сек. Стала использоваться библиотека стандартных программ, а процесс программирования стал более легким. Первой полупроводниковой машиной была, появившаяся в 1959 г., модель RCA-501. В советском Союзе к этому поколению относятся машины Минск-2, Минск-22, Минск-32, БЭСМ-2, БЭСМ-4, БЭСМ-6, быстродействие которой составляло миллион операций в сек.

Третье поколение (1964-1970) - характеризуется тем, что вместо транзисторов стали использоваться интегральные схемы (ИС) и полупроводниковая память. Для повышения эффективности использования возникла необходимость в системной программе, управляющей устройствами ЭВМ. Так была создана операционная система.

Вычислительные машины третьего поколения, как правило, образуют серии (семейства) машин, совместимых программно. Такая серия состоит из ЭВМ, производительность и объем памяти которых возрастают от одной машины серии к другой. Но программа, отлаженная на одной из машин серии, может быть сразу запущена на другой машине этой серии (на машинах большей мощности).

Первым таким семейством машин третьего поколения была выпущенная в 1965 г. IBM/360. Она имеет свыше семи моделей.

В Советском Союзе такую серию составляли машины семейства ЕС ЭВМ (Единая Система ЭВМ), совместимых с IBM/360, так как являлись копиями американских ЭВМ.

Четвертое поколение (1970-1980-е) - это машины, построенные на больших интегральных схемах (БИС). Такие схемы содержат до нескольких десятков тысяч элементов на кристалле. ЭВМ этого поколения выполняют десятки и сотни миллионов операций в сек. Появляются микропроцессоры, способные обрабатывать числа длинной в 16 и 32 разряда, статическая память емкостью 256 Кбайт и динамическая память емкостью в 1 Мбайт.

ЭВМ по своим характеристикам так разнообразны, что их начинаю классифицировать на: сверх большие ЭВМ (B-7700 - фирма Барроуз, Иллиак -IV - Иллинойский университет, Эльбрус - СССР), большие (универсальные), мини-ЭВМ и микро-ЭВМ (ПК).

Пятое поколение (1980- в настоящее время не появились). В 1979 г. японскими специалистами, объединившими свои усилия под эгидой научно-исследовательского центра по обработке информации - JIPDEC, была впервые поставлена задача разработки принципиально новых компьютеров. В 1981 г. JIPDEC опубликовал предварительный отчет, содержащий детальный многостадийный план развертывания научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ с целью создания к 1991 г. прототипа ЭВМ нового поколения. Этот отчет лег в основу японской национальной программы создания ЭВМ пятого поколения. Отличительными чертами ЭВМ этого поколения являются:

- новая технология производства, не на кремнии, а на базе других материалов:

- отказ от архитектуры фон Неймана, переход к новым архитектурам (например, на архитектуру потока данных). И, как следствие этого, превращение ЭВМ в многопроцессорную систему (матричный процессор, процессор глобальных связей, процессор локальных связей, машины базы данных, процессор операционной системы и т.п.);

- новые способы ввода-вывода информации, удобные для пользователя (например, распознавание речи и образов, синтез речи, обработка сообщений на естественном языке);

- искусственный интеллект, т.е. автоматизация процессов решения задач, получения выводов, манипулирования знаниями.

Переход к ЭВМ пятого поколения означает резкий рост “интеллектуальных” способностей компьютера, в результате чего машина сможет непосредственно “понимать” задачу, поставленную перед ней человеком. Следовательно, отпадает необходимость в составлении программы как средства “общения” с ЭВМ при решении той или иной задачи.

Предполагается, что компьютеры пятого поколения будут вести диалог с непрофессиональными пользователями на естественном языке, в том числе в речевой форме или путем обмена графической информацией - с помощью чертежей, схем, графиков, рисунков. В состав ЭВМ пятого поколения также должна войти система решения задач и логического мышления, обеспечивающего способность машины к самообучению, ассоциативной обработки информации и получению логических выводов.

Официальная история ПК берет начало с августа 1981 г., когда фирма IBM (International Business Machines Corporation) известила о создании “Персонального компьютера”. К весне 1982 г. этот ПК продавался в больших количествах, причем спрос намного превышал предложение.

С самого начала появления ПК стало ясно, что необходима модель, которую можно носить с собой в небольшом чемодане. Это привело к появлению фирмы Compaq Computer. И первым пополнением семейства ПК стал компьютер, известный под названием Compaq. О его создании было официально объявлено осенью 1982 г., спустя чуть больше года после выпуска оригинального ПК.

Следующей весной, в 1983 г., свой вклад в пополнение семейства ПК внесла фирма IBM. Появилась модель XT, которая добавила к ПК жесткий диск памяти большого объема. Фирма Compaq Computer ответила тем же, создав аналогичную машину в переносном варианте осенью 1983 г. Эта модель была названа Compaq Plus.

Летом 1984 г. появились две высокопроизводительные модели ПК. Одной из них была модель Compaq Desk Pro, первый член семейства ПК, превосходивший исходную модель по производительности вычислений. Вскоре после этого IBM выпустила компьютер AT, скорость вычислений которого намного превышала соответствующие параметры моделей исходных компьютеров и XT, и даже нового Desk Pro. Тактовая частота - 4 МГц.

Для ускорения появления новых моделей фирма IBM пользуется микропроцессорами, которые производит фирма Intel. Машина PC AT была построена на базе процессора Intel 8088. Следующие модели - на базе процессоров 80286, 80386, 80486 и 80586. В названиях этих моделей используются последние три цифры номера процессора.

2.3 Архитектура персонального компьютера. Назначение и характеристики основных устройств ПК.

Под архитектурой ПК понимают совокупность ее устройств и связей между ними. На рисунке 1 приведена схема устройства ПК.

Особенности архитектуры IBM PC.

1) Архитектура ПК фирмы IBM строится по модульному принципу.

2) Она является открытой, т.е. позволяет наращивать мощность и возможности ПК, подсоединяя дополнительные устройства.

3) Передача информации в ПК между устройствами идет через линию связи - общую шину.

Микропроцессор осуществляет выполнение программ, работающих на компьютере, и управляет работой отдельных устройств компьютера. Микропроцессоры отличаются друг от друга двумя основными характеристиками: моделью и тактовой частотой.

Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах(МГц). Следует заметить, что разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции за разное число тактов. Чем выше модель микропроцессора, тем меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций.

Системный блок компьютера

Системная (материнская) плата

Сопроцессор Контроллер Клавиатура

Оперативная клавиатуры

память

Процессор Жесткий

диск

(винчестер)

Системная магистраль данных (шина) Дисководы

для гибких

дисков

(дискет)

Адаптер Контроллеры Адаптер Контроллер

монитора доп. устройств портов дисков

Доп. устройства Устройства, подключаемые

Монитор (стример, модем, через порты (принтер,

сканер и т.д.) мышь, джойстик и т.д.)

Рис.1. Схема устройства компьютера.

Сопроцессор - устройство, осуществляющее обработку чисел с плавающей запятой. При проведении расчетов с такими числами каждая операция над ними моделируется с помощью нескольких десятков операций микропроцессора. Это сильно снижает эффективность применения компьютера для научных вычислений, при использовании машинной графики и для других применений с интенсивным использованием чисел с плавающей точкой. Наличие сопроцессора может увеличить скорость выполнения этих операций в 5-15 раз.

Микропроцессоры Intel-80486 и Pentium сами поддерживают операции с плавающей точкой, поэтому при их использовании сопроцессор не требуется.

Если строка прайс-листа начинается с цифр: 286/287 или 386/387, это значит, что ПК имеет процессор 80286 и сопроцессор 80287 или процессор 80386 и сопроцессор 80387.

Наличие сопроцессора не ускоряет работу по подготовке текстов, ведению базы данных - функций, необходимых большинству пользователей из сферы бизнеса, но не требующих сложных математических расчетов.

Еще одна важная характеристика компьютера, которая наряду с типом основного микропроцессора определяет возможности и диапазон применимости компьютера - это тип системной магистрали передачи данных внутри компьютера, которую называют шиной. Шина входит в состав материнской (системной) платы и осуществляет обмен данными между процессором или оперативной памятью и контроллерами внешних устройств компьютера: клавиатуры, монитора, дисков и т.д. Все контроллеры внешних устройств, кроме размещенных непосредственно на материнской плате, подключаются к компьютеру путем вставки этих контроллеров в разъемы (слоты) шины.

Шина ISA предусматривает 16-разрядный канал обмена данными с пропускной способностью до 4 Мбайт/с.

Шины EISA и MCA - 32-разрядные с пропускной способностью более 33 Мбайт/c.

В некоторых ПК устанавливается дополнительно так называемая локальная шина, которая обеспечивает связь с быстродействующими периферийными устройствами (монитором и жестким диском).

Наиболее распространенные локальные шины VESA (VL-Bus) и PCI выполняют по существу одни и те же функции и имеют близкие характеристики.

В прайс-листах тип локальной (если она установлена) и общей шины указывается сразу за типом процессора:

486 DX2 EISA/66/...

486 DX2/VLB/ISA/66/...

Дата добавления: 2014-01-05