Информатика — курс лекций. Курс лекций для студентов по направлениям 230100. 62 Информатика и вычислительная техника
 Скачать 2.08 Mb.
|
|
Третий этап (ЭВМ третьего поколения) — до начала 70-х годов XX века. Элементной базой в ЭВМ третьего поколения являются интегральные схемы. Создание техно- логии производства интегральных схем, состоящих из десятков электронных элементов, образован- ных в прямоугольной пластине кремния с длиной стороны не более 1 см, позволило увеличить быст- родействие и надежность ЭВМ на их основе, а также уменьшить габариты, потребляемую мощность и стоимость ЭВМ. Машины третьего поколения — это семейство машин с единой архитектурой, т.е. программ- но-совместимых. Они имеют развитые операционные системы, обладают возможностями мульти- программирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управ- ления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непо- средственно сама машина. Примеры машин третьего поколения — семейство IBM-360, IBM-370, PDP-8, PDP-11, отече- ственные ЕС ЭВМ (единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (семейство малых ЭВМ) и др. Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до мил- лионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов. В этот период широкое распространение получило семейство мини-ЭВМ. Простота обслужи- вания мини-ЭВМ, их сравнительно низкая стоимость и малые габариты позволяли снабдить этими машинами небольшие коллективы исследователей, разработчиков-экспериментаторов и т.д., т.е. дать ЭВМ прямо в руки пользователей. В начале 70-х годов с термином мини-ЭВМ связывали уже два существенно различных типа средств вычислительной техники: универсальный блок обработки данных и выдачи управляющих сигналов, серийно выпускае- мых для применения в различных специализированных системах контроля и управления; универсальную ЭВМ небольших габаритов, проблемно-ориентированную пользователем на решение ограниченного круга задач в рамках одной лаборатории, тех. участка и т.д., т.е. за- дач, в решении которых оказывались заинтересованы 10—20 человек, работавших над одной проблемой. 121 В период машин третьего поколения произошел крупный сдвиг в области применения ЭВМ. Если раньше ЭВМ использовались в основном для научно-технических расчётов, то в 60—70-е годы все больше места стала занимать обработка символьной информации. Четвертый этап (ЭВМ четвертого поколения) — по настоящее время. Этот этап условно делят на два периода: первый — до конца 70-х годов и второй — с начала 80-х по настоящее время. В первый период успехи в развитии электроники привели к созданию больших интегральных схем (БИС), где в одном кристалле размещалось несколько десятков тысяч электронных элементов. Это позволило разработать более дешёвые ЭВМ, имеющие большую память и меньший цикл выпол- нения команд: стоимость байта памяти и одной машинной операции резко снизилась. Но так как за- траты на программирование почти не сокращались, то на первый план вышла задача экономии чело- веческих, а не машинных ресурсов. Разрабатывались новые ОС, позволяющие программистам отлаживать свои программы пря- мо за дисплеем ЭВМ, что ускоряло разработку программ. Это полностью противоречило концепциям первых этапов информационной технологии: «процессор выполняет лишь ту часть работы по обра- ботке данных, которую принципиально люди выполнить не могут, т.е. массовый счёт». Стала про- слеживаться другая тенденция: «все, что могут делать машины, должны делать машины; люди вы- полняют лишь ту часть работы, которую нельзя автоматизировать». В 1971 г. был изготовлен первый микропроцессор — большая интегральная схема (БИС), в ко- торой полностью размещался процессор ЭВМ простой архитектуры. Стала реальной возможность размещения в одной БИС почти всех электронных устройств несложной по архитектуре ЭВМ, т.е. возможность серийного им пуска простых ЭВМ малой стоимости. Появились дешевые микрокальку- ляторы и микроконтроллеры — управляющие устройства, построенные на одной или нескольких БИС, содержащих процессор, память и системы связи с датчиками и исполнительными органами в объекте управления. Программа управления объектами вводилась в память ЭВМ либо при изготов- лении, либо непосредственно на предприятии. В 70-х годах стали изготовлять и микро-ЭВМ — универсальные вычислительные системы, со- стоящие из процессора, памяти, схем сопряжения с устройствами ввода-вывода и тактового генера- тора, размещенных в одной БИС (однокристальная ЭВМ) или в нескольких БИС, установленных на одной плате (одноплатная ЭВМ). Примерами отечественных ЭВМ этого периода являются СМ-1800, «Электроника 60М» и др. Во втором периоде улучшение технологии БИС позволяло изготовлять дешёвые электронные схемы, содержащие сотни тысяч элементов в кристалле — схемы сверхбольшой степени интегра- ции—СБИС. Появилась возможность создать настольный прибор с габаритами телевизора, в котором размещались микро-ЭВМ, клавиатура, а также схемы сопряжения с малогабаритным печатающим устройством, измерительной аппаратурой, другими ЭВМ и т.п. Благодаря ОС, обеспечивающей про- стоту общения с этой ЭВМ, большой библиотеки прикладных программ по различным отраслям че- ловеческой деятельности, а также малой стоимости такой персональный компьютер становится не- обходимой принадлежностью любого специалиста и даже ребенка. Кроме функций помощника в решении традиционных задач расчетного характера, персональный компьютер (ПК) может выпол- 122 нять функции личного секретаря; помогать в составлении личной картотеки; создавать, хранить, ре- дактировать и размножать тексты и т.п. С точки зрения структуры машины этого поколения представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Для этого периода характерно широкое применение систем управления базами данных, компьютерных сетей, систем распределённой обработки данных. Последующие поколения ЭВМ будут представлять, по-видимому, оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой — с распределённой сетью большого числа (де- сятки тысяч) несложных процессоров, моделирующих структуру нейронных биологических систем, произойдет качественный переход от обработки данных к обработке знаний. Классификация средств обработки информации Существуют различные системы классификации электронных средств обработки информа- ции: по архитектуре, по производительности, по условиям эксплуатации, по количеству процессоров, по потребительским свойствам и т.д. Один из наиболее ранних методов классификации — классифи- кация по производительности и характеру использования компьютеров. В соответствии с этой клас- сификацией компьютерные средства обработки можно условно подразделить на: микрокомпьютеры; мэйнфреймы; суперкомпьютеры. Данная классификация достаточно условна, поскольку интенсивное развитие технологий производства электронных компонентов и значительный прогресс в совершенствовании архитектуры компьютеров и наиболее важных составляющих их элементов приводят к размыванию границ между указанными классами средств вычислительной техники. Кроме того, рассмотренная классификация учитывает только автономное использование вычислительных систем. В настоящее время преобла- дает тенденция объединения разных вычислительных систем в вычислительные сети различного масштаба, что позволяет интегрировать информационно-вычислительные ресурсы для наиболее эф- фективной реализации информационных процессов. Вычислительная (компьютерная) сеть — комплекс территориально рассредоточенных ЭВМ и терминальных устройств, соединённых между собой каналами передачи данных. Оценка производительности ЭВМ всегда приблизительна, так как при этом ориентируются на некоторые усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально при решении раз- личных задач используются и различные наборы операций. Поэтому для характеристики ЭВМ вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстро- действие машины, так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определённого количества тактов. Такт — время однократного срабатывания логического элемента. Во всех ЭВМ есть специальное устройство — генератор тактовой частоты, которое выдаёт так называемые тактирующие импульсы, инициирующие срабатывание схем. Т.е. прежде чем логи- ческий элемент снова выполнит какую-либо минимальную функцию — микрооперацию, должно 123 пройти некоторое время, называемое тактом. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции. Часто для оценки производительности ЭВМ используют некоторое число MIPS (Mega Instruc- tion Per Second — миллион команд в секунду) или число FLOPS (FLoating Operations Per Second — операций над числами с плавающей запятой (точкой) в секунду). Микрокомпьютеры. Первоначально определяющим признаком микрокомпьютера служило наличие в нем микропроцессора, т.е. центрального процессора, выполненного в виде одной микро- схемы. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ, а к микроком- пьютерам относят более компактные в сравнении с мэйнфреймами ЭВМ, имеющие производитель- ность до сотен МИПС. Современные модели микрокомпьютеров обладают несколькими микропроцессорами. Про- изводительность компьютера определяется не только характеристиками применяемого микропро- цессора, но и ёмкостью оперативной памяти, типами периферийных устройств, качеством конструк- тивных решений и др. Микрокомпьютеры представляют собой инструменты для решения разнообразных сложных задач. Их микропроцессоры с каждым годом увеличивают мощность, а периферийные устройства — эффективность. Разновидность микрокомпьютера — микроконтроллер. Это основанное на микропроцессоре специализированное устройство, встраиваемое в систему управления или технологическую линию. Персональные компьютеры (ПК) — это микрокомпьютеры универсального назначения, рас- считанные на одного пользователя и управляемые одним человеком. В класс персональных компью- теров входят различные вычислительные машины — от дешёвых домашних и игровых с небольшой оперативной памятью, с памятью программы на кассетной ленте и обычным телевизором в качестве дисплея (80-е годы), до сверхсложных машин с мощным процессором, винчестерским накопителем ёмкостью в десятки гигабайт, с цветными графическими устройствами высокого разрешения, сред- ствами мультимедиа и другими дополнительными устройствами. Персональные компьютеры можно классифицировать и по конструктивным особенностям (рисунок 10). Рисунок 10 — Классификация ПК по конструктивным особенностям Персональные компьютеры Стационарные (настольные) Переносные Портативные (Laptop) Блокноты (Notebook) Карманные (Palmtop) 124 Переносные компьютеры обычно нужны руководителям предприятий, менеджерам, учёным, журналистам, которым приходится работать вне офиса — дома, на презентациях или во время ко- мандировок. Laptop (наколенник, от lap — колено и top — поверх) по размерам близок к обычному порт- фелю. По основным характеристикам (быстродействие, память) примерно соответствует настольным ПК. Сейчас компьютеры этого типа уступают место ещё меньшим. Notebook (блокнот, записная книжка) по размерам ближе к книге крупного формата. Имеет вес около 3 кг. Помещается в портфель-дипломат. Для связи с офисом его обычно комплектуют мо- демом. Ноутбуки зачастую снабжают приводами CD-ROM. Многие современные ноутбуки включают в себя взаимозаменяемые блоки со стандартными разъёмами. Такие модули предназначены для очень разных функций. В одно и то же гнездо можно по мере надобности вставлять привод компакт-дисков, накопитель на магнитных дисках, запасную батарею или съёмный винчестер. Ноутбук устойчив к сбоям в энергопитании. Даже если он получает энергию от обычной электросети, в случае какого-либо сбоя он мгновенно переходит на питание от аккумуляторов. Palmtop (наладонник) — самые маленькие современные персональные компьютеры. Уме- щаются на ладони. Магнитные диски в них заменяет энергонезависимая электронная память. Нет и накопителей на дисках — обмен информацией с обычными компьютерами идёт по линиям связи. Если Palmtop дополнить набором деловых программ, записанных в его постоянную память, получит- ся персональный цифровой помощник (Personal Digital Assistant). Возможности портативных компьютеров постоянно расширяются. Например, карманный компьютер iPAQ 3150 располагает всем необходимым для ведения списка задач, хранения записок, включая аудиофайлы, работы с календарём, чтения электронной почты, синхронизации с ПК, мо- бильным телефоном. Помимо этого iPAQ позволяет проигрывать видео- и звуковые ролики, работать с Интернетом, просматривать и редактировать документы и электронные таблицы, хранить файлы, искать в них слова, просматривать картинки, вести домашнюю бухгалтерию, играть в игры, читать электронные книги с помощью Microsoft Reader, полноценно работать с программным обеспечени- ем. Мэйнфреймы. Предназначены для решения широкого класса научно-технических задач и яв- ляются сложными и дорогими машинами. Их целесообразно применять в больших системах при наличии не менее 200—300 рабочих мест. Централизованная обработка данных на мэйнфрейме обходится примерно в 5—6 раз дешев- ле, чем распределённая обработка при клиент-серверном подходе с использованием микро-ЭВМ. Известный мэйнфрейм S/390 фирмы IBM обычно оснащается не менее чем тремя процессо- рами. Максимальный объём оперативного хранения достигает 342 терабайт. Производительность его процессоров, пропускная способность каналов, объём оперативного хранения позволяют наращивать число рабочих мест в широком диапазоне с помощью простого до- бавления процессорных плат, модулей оперативной памяти и дисковых накопителей. Несколько мэйнфреймов могут работать совместно под управлением одной операционной системы над выполнением единой задачи. 125 Суперкомпьютеры. Это очень мощные компьютеры с производительностью свыше 100 МФЛОПС. Они называются сверхбыстродействующими. Создать такие высокопроизводительные ЭВМ по современной технологии на одном микропроцессоре не представляется возможным ввиду ограничения, обусловленного конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300000 км/с), так как время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны МП) при быстродействии 100 млрд оп./с становится соизмеримым со временем выполнения одной операции. Поэтому супер-ЭВМ создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС). Классификация программного обеспечения Под программным обеспечением (Software) понимается совокупность программных средств для ЭВМ (систем ЭВМ), обеспечивающих функционирование, диагностику и тестирование их ап- паратных средств, а также разработку, отладку и выполнение любых задач пользователя с соответ- ствующим документированием, где в качестве пользователя может выступать как человек, так и лю- бое внешнее устройство, подключенное к ЭВМ и нуждающееся в её вычислительных ресурсах. Программное обеспечение (Software) — совокупность программ, выполняемых вычисли- тельной системой, и необходимых для их эксплуатации документов. К программному обеспечению (ПО) относится также вся область деятельности по проектиро- ванию и разработке ПО: технология проектирования программ (например, нисходящее проектирование, структурное и объектно-ориентированное проектирование и др.); методы тестирования программ; анализ качества работы программ; документирование программ; разработка и использование программных средств, облегчающих процесс проектирования программного обеспечения, и многое другое. Все программы по характеру использования и категориям пользователей подразделяют на два класса — утилитарные программы и программные продукты (изделия). Утилитарные программы («программы для себя») предназначены для удовлетворения нужд их разработчиков. Чаще всего утилитарные программы выполняют роль сервиса в технологии обра- ботки данных либо являются программами решения функциональных задач, не предназначенных для широкого распространения. Программные продукты (изделия) предназначены для удовлетворения потребностей пользо- вателей, широкого распространения и продажи. Программный продукт — программа или комплекс взаимосвязанных программ для реше- ния определенной проблемы (задачи) массового спроса, подготовленные к реализации как любой вид промышленной продукции. Программные продукты можно классифицировать по разным признакам. Наиболее общей является классификация, в которой основополагающим признаком служит сфера (область) использо- вания программных продуктов: 126 аппаратная часть компьютеров и сетей ЭВМ; технология разработки программ; функциональные задачи различных предметных областей. Исходя из этого выделяют три класса программных продуктов: системное программное обеспечение; инструментарий технологии программирования; пакеты прикладных программ. Системное программное обеспечение ЭВМ Системное программное обеспечение управляет всеми ресурсами ЭВМ (центральным про- цессором, памятью, вводом-выводом) и осуществляет общую организацию процесса обработки ин- формации и интерфейсы между ЭВМ, пользователем, аппаратными и программными средствами. Оно разрабатывается так, чтобы компьютер мог эффективно выполнять прикладные программы. Системное программное обеспечение (System Software) — совокупность программ и про- граммных комплексов для обеспечения работы компьютеров и сетей ЭВМ. Системное ПО тесно связано с типом компьютера, является его неотъемлемой частью и имеет общий характер применения, независимо от специфики предметной области решаемых с помощью ЭВМ задач. Структура системного программного обеспечения представлена на рисунке 11. Рисунок 11 — Классификация системного программного обеспечения компьютера Системное ПО состоит из базового программного обеспечения, которое, как правило, постав- ляется вместе с компьютером, и сервисного программного обеспечения, которое может быть приоб- ретено дополнительно. Системное программное обеспечение Базовое программное обеспечение Базовая система ввода-вывода (BIOS) Операционная система (Сетевая операционная система) Операционные оболочки Сервисное программное обеспечение Программы диагностики работоспособности компьютера Антивирусные программы Программы обслуживания дисков Программы архивирования данных Программы обслуживания сети |