2. Технические средства реализации информационных процессов Представление информации в технических устройствах

• Название: 2. Технические средства реализации информационных процессов Представление информации в технических устройствах
• Дата: 06.06.2019
• Размер: 390.5 Kb.
• Имя файла: _2.doc
• Тип: Документы; #80651
• страница: 3 из 6

2.4.Принцип автоматической обработки информации вычислительным устройством

Основным отличием вычислительной машины от таких счётных устройств как счёты, арифмометр, калькулятор, заключается в том, что вся последовательность команд на вычисление предварительно записывается в память вычислительной машины и выполняется последовательно автоматически. Впервые принцип вычислительной машины с автоматическим выполнением команд предложил американский учёный фон Нейман. Он описал основные узлы, которые должна содержать такая машина. Такой принцип получил название фон-неймановской вычислительной машиной. Большинство современных КС, в настоящее время, построено именно по этому принципу.

Машина фон Неймана состояла из памяти, представлявшей собой набор регистров, АЛУ, устройства ввода-вывода и устройства управления (рис. 2.8).

Устройство ввода передавало команды и данные в АЛУ, откуда они записывались в память. Все команды, совокупность которых называется программой, записываются в память в соседние ячейки по возрастанию их адресов, а данные, которые требуют обработки в ячейки с произвольными адресами. Последняя команда программы – это обязательно команда остановки работы. Каждая команда содержит код операции, которую необходимо выполнить и адреса ячеек, в которых находятся данные, обрабатываемые этой командой. Устройство управления содержит специальный регистр, который называется "Счётчик команд". После загрузки программы и данных в память в счётчик команд записывается адрес первой команды программы. После чего вычислительная машина переходит в режим автоматического выполнения программы.

Устройство управления считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счётчике команд, и помещает его в специальное устройство – "Регистр команд". Регистр команд хранил команду во время её исполнения. Устройство управления расшифровывает тип операции команды, считывает из памяти данные, адреса которых указанны в команде и приступает к её выполнению. Для каждой команды устройство управления имеет свой алгоритм обработки, который заключается в выработке управляющих сигналов для всех остальных устройств машины. Этот алгоритм мог быть реализован на основе комбинационных логических схем или с помощью специальной внутренней памяти, куда эти алгоритмы были записаны в виде микрокоманд, объединённых в микропрограммы. Выполнение микропрограммы происходит по тому же принципу, что и программы в основной памяти, то есть по принципу фон Неймана. Каждая микрокоманда содержит набор управляющих сигналов для устройств машины. Отметим, что устройства управления выполнением команд процессоров в современных компьютерных системах так же строятся по принципу комбинационных схем или микропрограммных автоматов, в соответствии с чем, делятся на RISC и CISC процессоры, о которых будет рассказано ниже.

Микропрограмма выполнения любой команды обязательно содержит сигналы, изменяющие содержимого счётчика команд на единицу. Таким образом, после завершения выполнения очередной команды, счётчик команд указывал на следующую ячейку памяти, в которой находилась следующая команда программы. Устройство управления читает команду, адрес которой находится в счётчике команд, помещает её в регистр команд и т.д. Этот процесс продолжается до тех пор, пока очередная исполняемая команда не оказывается командой останова исполнения программы. Интересно отметить, что и команды и данные, находящиеся в памяти, представляют собой целочисленные двоичные наборы. Отличить команду от данных устройство управления не может, поэтому если программист забыл закончить программу командой останова, устройство управления читает следующие ячейки памяти, в которых уже нет команд программы, и пытается интерпретировать их как команды.

Особым случаем можно считать команды безусловного или условного перехода, когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов. В этом случае команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление. Этот адрес записывается устройством управления непосредственно в счётчик команд и происходит переход на соответствующую команду программы.

2.5.Поколения цифровых устройств обработки информации

В период развития цифровых технологий были разработаны компьютеры самых разных типов. Многие из них давно забыты, но некоторые оказали сильное влияние на развитие современных вычислительных систем. Здесь мы дадим краткий обзор некоторых этапов развития вычислительных машин, чтобы показать, как человеческая мысль пришла к современному пониманию компьютерных технологий.

Устройства, облегчающие счёт или запоминание его результатов известны давно, но нас будут интересовать только устройства для вычислений, которые автоматически выполняют заложенные в них программы, поэтому не рассматриваем такие устройства как счёты, механические арифмометры и электронные калькуляторы.

Первая счётная машина с хранимой программой была построена французским учёным Блезом Паскалем в 1642 году. Она была механической с ручным приводом и могла выполнять операции сложения и вычитания. Немецкий математик Готфрид Лейбниц в 1672 году построил механическую машину, которая могла делать так же операции умножения и деления. Впервые машину, работающую по программе, разработал в 1834 году английский учёный Чарльз Бэббидж. Она содержала запоминающее устройство, вычислительное устройство, устройство ввода с перфокарт и печатающее устройство. Команды считывались с перфокарты и выполняли считывание данных из памяти в вычислительное устройство и запись в память результатов вычислений. Все устройства машины Бэббиджа, включая память, были механическими и содержали тысячи шестерёнок, при изготовлении которых требовалась точность недоступная в 19 веке. Машина реализовала любые программы, записанные на перфокарте, поэтому впервые для написания таких программ потребовался программист. Первым программистом была англичанка Ада Ловлейс, в честь которой уже в наше время был назван язык программирования Ada.

В 20 веке начала развиваться электроника и её возможности немедленно взяли на вооружение разработчики вычислительных машин. С построения вычислительных машин, базовая система элементов которых была построена на электронных компонентах, начинается отсчёт поколений цифровых вычислительных машин. Отметим, что деление периода развития цифровой техники на этапы связано, в основном, с переводом базовой системы элементов на новые технологии производства электронных компонентов.

Первое поколение – электронные лампы (1945-1955 г.г.)

В основе базовой системы элементов этого поколение компьютеров лежали электронные лампы. Их использование определяло и достоинства и недостатки цифровых устройств. Электронные лампы обеспечивали высокую скорость переключения логических элементов, что увеличивало скорость вычисления по сравнению с попытками создать вычислительную машину, базовый элемент которой был построен на основе электромеханического реле. Электронные лампы были достаточно долговечны и обеспечивали надёжную работу компьютера. К сожалению недостатков у ламповых компьютеров тоже было достаточно. Во-первых электронные лампы работали с напряжениями в десятки вольт и расходовали много энергии, кроме того размер электронных ламп, по совремённым понятиям микроэлектроники, был огромным – несколько десятков кубических сантиметров. Для построения вычислительной машины нужны были тысячи логических элементов, поэтому размер ламповых вычислительных машин по занимаемой площади составлял десятки квадратных метров, а потребляемая мощность колебалась в пределах от единиц до десятков и даже сотен киловатт. Такая мощность приводила к перегреванию ламп, которые были размешены довольно компактно, и ставила задачу эффективного охлаждения электронных компонентов машины. Скорость обработки информации в ламповых машинах колебалась от нескольких сотен до нескольких тысяч операций в секунду.

Второе поколение – транзисторы(1955-1965 г.г.)

Полупроводниковые приборы – транзисторы были изобретены в 1948 году. Они отличаются от электронных ламп малыми размерами, низким напряжением питания и малой потребляемой мощностью. Все эти достоинства полупроводниковых приборов произвели революцию в радиоэлектронной промышленности. Стали появляться миниатюрные приёмо-передающие радио и теле устройства, появилась возможность встраивать управляющие устройства непосредственно в объекты управления и т.д. Новая элементная база для компьютеров на основе транзисторов произвела революцию и в производстве компьютеров. Значительное уменьшение габаритов, снижение потребляемой мощности и стоимости позволило создавать архитектуры компьютера с большими функциональными возможностями, резко повысить быстродействие компьютеров до сотен тысяч и даже миллионов операций в секунду. Увеличение производительности обеспечивалось как за счёт более высокой скорости работы транзисторов по сравнению с электронными лампами, так и путём введение в состав вычислительной машины нескольких обрабатывающих устройств, работающих параллельно. Площадь, требуемая для размещения компьютера, снизилась до нескольких квадратных метров, предпринимались попытки изготавливать и настольные варианты. Снижение стоимость увеличило число потенциальных пользователей компьютеров. Появились крупные фирмы по производству компьютеров широкого назначения: InternationalBusiness Machines(IBM), ControlDataCorporation(CDC), DigitalEquipmentCorporation(DEC) и другие. Следует отметить компьютер PDP-8 фирмы DEC – первого мини-компьютера с общей шиной, оказавшего большое влияние на развитие архитектур персональных компьютеров.

Третье поколение – интегральные схемы(1965-1980 г.г.)

Полупроводниковые элементы и другие электронные компоненты выпускались электронной промышленностью в виде отдельных элементов, так полупроводниковый кристалл, на котором размещался транзистор, заключался в специальный металлический или пластмассовый корпус. Требование уменьшения габаритов электронных устройств привело к тому, что сначала полупроводниковые приборы стали производиться в бескорпусном исполнении, а затем в 1958 году была предпринята попытка разместить в одном полупроводниковом кристалле все компоненты одного функционального узла. Так появились интегральные схемы (ИС), которые позволили резко уменьшить размеры полупроводниковых схем и снизить потребляемую мощность. На основе ИС строились мини-ЭВМ, которые выполнялись в виде одной стойки и периферийных устройств. Мощность, потребляемая компьютером на ИС, уменьшилась до сотен ватт. Увеличение быстродействия узлов, построенных на ИС, позволило довести быстродействие компьютеров до десятков миллионов операций в секунду. Электронная промышленность приступила к массовому производству электронных компонентов на ИС, что позволило снизить их стоимость и резко уменьшить стоимость аппаратной составляющей компьютеров. Уменьшение стоимость привело к разработке и практической реализации мощных вычислительных систем, использующих параллельную обработку: многопроцессорные и конвейерные вычислители.

Четвёртое поколение – сверхбольшие интегральные схемы(1980- … г.г.)

Микроминиатюризация электронных устройств привела к появлению новой отрасли промышленности – микроэлектроники, которая относится к области высоких технологий. Используя последние научно-технические достижения физики, химии, кристаллографии, материаловедения и даже космонавтики (в невесомости можно получить полупроводниковые кристаллы очень высокой чистоты) добились размещения на одном кристалле размером несколько квадратных миллиметров сначала сотен, затем тысяч и, наконец, миллионов транзисторов и других электронных компонентов. Теперь полупроводниковая схема содержала уже не набор нескольких логических элементов, из которых строились затем функциональные узлы компьютера, а целиком функциональные узлы и в первую очередь процессор, который, учитывая его размеры, получил название микропроцессор, устройства управления внешними устройствами – контроллеры внешних устройств. Такие интегральные схемы получили название сначала больших интегральных схем (БИС), а затем и сверхбольших интегральных схем (СБИС).

Итогом такого бурного развития микроэлектроники стало появление одноплатных ЭВМ, где на одной плате, размером несколько десятков квадратных сантиметров размещались несколько СБИС, содержащих все функциональные блоки компьютера. Одноплатные компьютеры встраивались в различные промышленные, медицинские и бытовые приборы, для оперативной обработки информации и управления. Стоимость одноплатных компьютеров так упала, что появилась возможность их приобретения отдельными людьми. Такой возможностью воспользовались английские инженеры Стив Джобс и Стив Возняк. Используя выпускаемые промышленностью функциональные узлы: плата микро-ЭВМ с процессором и памятью, клавиатура, дисплей, они собрали дешёвую настольную вычислительную машину – микрокомпьютер. Его привлекательность для непрофессиональных пользователей заключалась в том, что это был готовое к употреблению устройство, содержащее всё необходимое оборудование и программное обеспечения для работы. Этот микрокомпьютер получил название Appleи стал первым в мире персональным компьютером.

Персональными компьютерами, которые получили большое распространение на компьютерном рынке, заинтересовалась крупная компания, занимавшаяся выпуском мощных вычислительных систем – IBMи решила наладить выпуск своей модели персонального компьютера. Совместно с фирмой Intel, разработавшей микропроцессорный комплект, и фирмой Microsoft, которая оснастила компьютер операционной системой MSDOS, IBM создала персональный компьютер IBMPC. Огромный потенциал фирмы IBM позволил в короткие сроки произвести огромное количество таких компьютеров. Их привлекательная для покупателей цена и некоторые новшества, например, больший, по сравнению с выпускавшимися в то время персональными компьютерами других фирм, объём оперативной памяти, позволили компьютеру IBM PC стать самой популярной "персоналкой" в мире.