Лекция. Курс лекций Лекция вычислительные машины содержание типы вычислительных устройств 1 1 Счёты
 Скачать 1.46 Mb.
|
|
Профессор Игорь Н.Бекман КОМПЬЮТЕРНЫЕ НАУКИ Курс лекций Лекция 2. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ Содержание 1. ТИПЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ 1 1.1 Счёты 1 1.2 Логарифмическая линейка 2 1.3 Арифмометр 2 1.4 Калькулятор 3 1.5 Компьютеры 4 1.5.1 Персональный компьютер 5 1.5.2 Ноутбук 5 1.5.3 Промышленный компьютер 6 1.5.4 Карманный персональный компьютер 6 1.5.5 Суперкомпьютеры 7 1.5.6 Аналоговый компьютер 10 1.5.7 Компьютеры на элементах струйной автоматики 11 2. УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРА 12 2.1 Архитектура компьютера 13 2.2 Аппаратная часть компьютера 17 3. ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ 24 Вычислительные устройства имеют давнюю историю, причём некоторые из старых техник используются до сих пор, и, возможно, на их основе будет созданы компьютеры будущего. Всё же сейчас основная масса вычислений проводится на электронно-вычислительных машинах, функционирующих на базе потоков электронов, что делает современные компьютеры взрывоопасными и чувствительными к воздействию радиационных и высокочастотных полей. В данной лекции мы рассмотрим основные типы вычислительных устройств, как старых, так и современных. Затем коротко остановимся на устройстве основных типов компьютеров и на особенностях их применения в различных областях науки и техники. 1. ТИПЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ Вычислительная машина, счётная машина - механизм, электро-механическое или электронное устройство, предназначенное для автоматического выполнения математических операций. Вовсе не обязательна автоматика и уж тем более не обязательно участие электронов в вычислительном процессе! 1.1 Счёты Рис. 1. Русские счёты Русские счёты (аналог римского абака) - простое механическое устройство для произведения арифметических расчётов, являются одним из первых вычислительных устройств. Счёты представляют собой раму с нанизанными на спицы костяшками, обычно по 10 штук. Тот железный прут в счётах, на котором находятся всего 4 костяшки, использовался для расчётов в полушках. 1 полушка равна половине деньги, т. е. четверти копейки, соответственно, четыре костяшки составляли одну копейку. В наши дни этот прут отделяет целую часть набранного на счётах числа от дробной, и в вычислениях не используется. Счёты в ХХ веке часто использовали в магазинах, в ухгалтерском деле, для арифметических расчётов. С развитием прогресса их заменили электронные ка б лькуляторы. http://profbeckman.narod.ru/ Может, где и заменили… А в нашем (московском) отделении сбербанка вся из себя молодая операторша сначала долго считает на мощном, четырёхядерном компьютере (постоянно, кстати, зависающем), а потом перепроверяет результат именно на счётах! 1.2 Логарифмическая линейка Логарифми́ческая лине́йка – аналоговое вычислительное устройство, позволяющее выполнять несколько математических операций, в том числе умножение и деление чисел, возведение в степень (чаще всего в квадрат и куб) и вычисление квадратных и кубических корней, вычисление логарифмов, тригонометрических функций и другие операции. Рис. 2. Логарифмическая линейка. Умножение 1,3×2 или деление 2,6/2 (см. шкалы C и D). Принцип действия логарифмической линейки основан на том, что умножение и деление чисел заменяется соответственно сложением и вычитанием их логарифмов. Первый вариант линейки разработал английский математик-любитель Уильям Отред в 1622. Рис. 3. Круглая логарифмическая линейка Точность вычисления обычных линеек - два-три десятичных знака. Следует отметить, что, несмотря на простоту, на логарифмической линейке можно выполнять достаточно сложные расчёты. Раньше выпускались довольно объёмные пособия по их использованию. В СССР логарифмические линейки широко использовались для выполнения инженерных расчётов примерно до начала 80-х годов ХХ века, когда они были вытеснены калькуляторами. Может где и вытеснены, а я хоть и владею 7 компьютерами, все расчёты в практикуме аналитической химии веду на логарифмической линейке. Быстро и надёжно! Рис. 4. Часы Breitling Navitimer В начале ХХ1 века логарифмические линейки получили второе рождение в наручных часах. Дело в том, что следуя моде производители дорогих и престижных марок часов перешли от электронных хронометров с ЖК-экранами к стрелочным и соответственно места для встраиваемого калькулятора оказалось недостаточно. Однако спрос на хронометры со встроенным вычислительным устройством среди следящих за модой людей заставил производителей часов выпустить модели с встроенной логарифмической линейкой выполненной в виде вращающихся колец со шкалами вокруг циферблата. По прихоти производителей такие устройства обычно называются «навигационная линейка». Их достоинство - можно сразу, в отличие от микрокалькулятора, получить таблицу (например, расхода топлива на пройденное расстояние; перевода миль в километры и т. п.). 1.3 Арифмометр Арифмометр (αριθμός - число, счёт) - настольная (или портативная) механическая вычислительная машина, предназначенная для точного умножения и деления, а также для сложения и вычитания. Числа вводятся в арифмометр, преобразуются и передаются пользователю (выводятся в окнах счётчиков или печатаются на ленте) с использованием только механических устройств. При этом арифмометр может использовать исключительно механический привод (то есть для работы на них надо постоянно крутить ручку. Этот примитивный вариант используется, например, в «Феликсе») или производить часть операций с использованием электромотора. Арифмометры являются цифровыми (а не аналоговыми, как например логарифмическая линейка) устройствами. Поэтому результат вычисления не зависит от погрешности http://profbeckman.narod.ru/ считывания и является абсолютно точным. Арифмометры предназначены в первую очередь для умножения и деления. Поэтому почти у всех арифмометров есть устройство, отображающее количество сложений и вычитаний - счётчик оборотов. Арифмометры могут выполнять сложение и вычитание. Но на примитивных рычажных моделях (например, на «Феликсе») эти операции выполняются очень медленно - быстрее, чем умножение и деление, но заметно медленнее, чем на простейших суммирующих машинах или даже вручную. При работе на арифмометре порядок действий всегда задаётся вручную - непосредственно перед каждой операцией следует нажать соответствующую клавишу или повернуть соответствующий рычаг. Рис. 5. Арифмометр 1932 года выпуска. 1.4 Калькулятор Калькуля́тор (calculātor «счётчик»): 1) Электронное вычислительное устройство для выполнения операций над числами или алгебраическими формулами; 2) Компьютерная программа, эмулирующая функции калькулятора; 3) Специализированная программа, автоматически проводящая некоторый вид расчётов (калькулятор вкладов, калькулятор контактных площадок и т. п.); 4) Профессия (человек, производящий калькуляцию). В СССР для обозначения малогабаритного вычислительного устройства использовался термин «микрокалькулятор. Рис. 6. Современный инженерный калькулятор. Калькуляторы являются электронными устройствами. Есть калькуляторы, встроенные в персональные компьютеры, сотовые телефоны КПК и даже наручные часы. Они выполняют простые вычисления и работают по жёстким алгоритмам с использованием кнопок и клавиш. Простейшие калькуляторы имеют небольшие размеры и вес, один-два регистра памяти и минимальное число функций (как правило, только арифметические операции). Предназначены для широкого круга потребителей. Бухгалтерские калькуляторы имеют дополнительные средства для работы с денежными суммами (кнопки «00» и «000», фиксированное количество разрядов дробной части, автоматическое округление). Как правило, имеют настольные габариты. Предназначены для всех, кто по долгу работы вынужден считать деньги: бухгалтеров, кассиров и т. д. Финансовые калькуляторы ориентированы в первую очередь на выполнение различных расчетов со сложными процентами и имеют набор специфических функций, применяемых в банковской сфере и иных финансовых приложениях: расчёт аннуитета, перпетуитета, дисконтов, размера выплат по кредитам, приведенного денежного потока и т.п. Статистические калькуляторы предназначены для выполнения различных расчетов, необходимых при обработке больших массивов данных - результатов социологических опросов, научных исследований и т.п. Имеют средства для быстрого вычисления распределений, отклонений, корреляций, средних значений и т.д. Большинство инженерных калькуляторов также поддерживают важнейшие статистические функции. Инженерные (научные) предназначены для сложных научных и инженерных расчётов. Имеют большое количество функций, включая вычисление всех элементарных функций, статистические расчёты, задание углов в градусах минутах и секундах. Для сложных вычислений применяются скобки или обратная польская запись. Визуальные калькуляторы позволяют вводить длинное выражение и редактировать его. По нажатию кнопки «=» происходит вычисление значения этого выражения. Такие калькуляторы дороги и несколько неудобны для простейших расчётов, однако хороши, когда нужно провести большое количество однотипных расчётов с разными аргументами. Программируемые калькуляторы дают возможность вводить и исполнять программы пользователя. Имеют большое количество регистров памяти (10 и более). По функциональности приближаются к простейшим компьютерам. В зависимости от модели программируемые калькуляторы имеют несколько типов встроенных языков программирования: простейший (запоминает только нажатия клавиш без вывода на экран), показывающий коды команд, Бейсик или собственный язык программирования. Графические калькуляторы имеют графический экран, что позволяет отображать графики функций или даже выводить на экран произвольные рисунки. http://profbeckman.narod.ru/ Медицинские калькуляторы используется врачами, фармацевтами, медсёстрами, студентами-медиками. Может быть реализован как в виде отдельного устройства, планшета для обхода больных, так и в виде программы универсального компьютера/КПК. Реализует функции медицинского справочника, обеспечивает медицинские расчеты со справочным материалом, расчет дозировки лекарств, доступ к базам данных лечебного учреждения и т.д. Выпуск первого массового калькулятора начат в 1963 (Англия) на газоразрядных лампах, полная клавиатура для ввода числа + десять клавиш для ввода множителя). В 1964 начат выпуск первого массового полностью транзисторного калькулятора (США, 4 регистра). В 1969 выпущен первый настольный программируемый калькулятор - HP 9100A (США, транзисторный). В 1970 началась продажа калькуляторов, которые можно держать в руке, а в 1971 появился первый карманный калькулятор. Современные программируемые калькуляторы обладают графическим экраном; встроенным языком программирования высокого уровня; возможностью связи с персональным компьютером (обычно для загрузки программ или данных) или с внешними устройствами; системой символьных вычислений, включающей различные манипуляции с выражениями, решение уравнений или их систем, символьное дифференцирование и интегрирование, а часто и решение дифференциальных уравнений в символьном виде; программами для рисования различных двумерных и трёхмерных графиков и диаграмм; операциями линейной алгебры; развитыми средствами статистического анализа данных; пакетом финансовых вычислений; вычислениями с комплексными числами; у многих из них есть возможность программирования на C на компьютере, с последующей кросс-компиляцией и загрузкой кода. Их память обычно составляет 100-400 килобайт ОЗУ и сотни килобайт или даже мегабайты флэш-памяти. Часто используются процессоры с тактовой частотой десятки мегагерц. Рис. 7. Калькулятор TI-92. 1.5 Компьютеры Физически компьютер может функционировать за счёт перемещения каких-либо механических частей, движения электронов, фотонов, квантовых частиц или за счёт использования эффектов любых других физических явлений. Фундаментальным решением при проектировании компьютера является выбор, будет ли он цифровой или аналоговой системой. Если цифровые компьютеры работают с дискретными численными или символьными переменными, то аналоговые предназначены для обработки непрерывных потоков поступающих данных. Сегодня цифровые компьютеры имеют значительно более широкий диапазон применения, хотя их аналоговые собратья все ещё используются для некоторых специальных целей. Следует также упомянуть, что здесь возможны и другие подходы, применяемые, к примеру, в импульсных и квантовых вычислениях, однако пока что они являются либо узкоспециализированными, либо экспериментальными решениями. Примерами аналоговых вычислителей, от простого к сложному, являются: логарифмическая линейка, астролябия, осциллограф, телевизор, аналоговый звуковой процессор, автопилот, мозг. Среди наиболее простых дискретных вычислителей известен абак (счёты); наиболее сложной из такого рода систем является суперкомпьютер. Существуют два основных типа компьютеров: аналоговые и цифровые. Они различаются принципом построения, способом внутреннего представления информации и реакцией на команды. Аналоговый компьютер работает, имитируя то, что он вычисляет; он делает это, непрерывно варьируя свои характеристики. Такая реакция представляет собой аналог процесса, воплощенного в задаче, с которой он имеет дело. В универсальном аналоговом компьютере имеются резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, между которыми могут устанавливаться соединения, отражающие условия той или иной задачи. Цифровые компьютеры изменяют величины двоичных чисел, или битов, которые представляют элементы задачи, подлежащей решению. Числа в цифровом компьютере могут быть использованы также для представления других символов, таких, как буквы, знаки «плюс» и «минус» и т.п. Цифровые компьютеры, в отличие от аналоговых, работают конечными шагами. Гибридные компьютеры, соединяют в себе характеристики упомянутых двух основных типов. http://profbeckman.narod.ru/ 1.5.1 Персональный компьютер Персона́льный компью́тер (personal computer), ПК, персона́льная ЭВМ – компьютер, предназначенный для личного использования, цена, размеры и возможности которого удовлетворяют запросам большого количества людей. Созданный как вычислительная машина, компьютер, тем не менее, всё чаще используется как инструмент доступа в компьютерные сети. Рис. 8. Основные составные части персонального компьютера. 1. Monitor Монитор; 2. Motherboard Материнская плата; 3. CPU (Microprocessor) Центральный процессор; 4. Main memory (RAM) Оперативная память; 5. Expansion cards Карты расширений; 6. Power supply unit Блок питания; 7. Optical disc drive Оптический привод; 8. Hard disk drive (HDD) Жесткий диск; 9. Mouse Компьютерная мышь; 10 Keyboard Клавиатура. В активное употребление термин был введён в конце 1970-х компанией Apple Computer для своего компьютера Apple II и впоследствии перенесён на компьютеры IBM PC. В CCCР вычислительные машины, предназначенные для личного использования, носили официальное название персональных электронных вычислительных машин (ПЭВМ). Как правило, один экземпляр персонального компьютера используется только одним, или, в крайнем случае, несколькими пользователями (например, в семье). В соответствии со своим назначением, он обеспечивает работу наиболее часто используемых приложений, таких как текстовые процессоры, веб- браузеры, почтовые программы, мессенджеры, мультимедийные программы, компьютерные игры, графические редакторы, среды разработки программного обеспечения и т. п. Для упрощения взаимодействия с людьми подобные программы оснащаются удобным графическим интерфейсом. Стационарные персональные компьютеры не предназначаются для переноски. Они состоят из отдельных частей, в частности, системного блока, монитора, клавиатуры, соединённых проводами. Главная часть компьютера - системный блок, в котором находятся практически все основные устройства. Известны два вида компоновки системного блока – desktop и tower. Десктоп - стационарный компьютер, сделанный так, чтобы располагаться целиком на столе дома или в офисе. Системный блок такого компьютера делается широким, на него можно установить монитор. Системный блок tower делается высоким, может располагаться под столом. В настоящее время из-за уменьшения массы и размеров системных блоков tower их также стали располагать на столе, а термин десктоп (настольный компьютер) практически превратился в синоним стационарного компьютера. 1.5.2 Ноутбук Компактные компьютеры (ноутбуки), содержащие все необходимые компоненты (в том числе монитор) в одном небольшом корпусе, как правило, складывающемся в виде книжки. Приспособлены для работы в дороге, на небольшом свободном пространстве. Для достижения малых размеров в них применяются специальные технологии: специально разработанные специализированные микросхемы (ASIC), ОЗУ и жёсткие диски уменьшенных габаритов, компактная клавиатура, не содержащая цифрового поля, внешние блоки питания, минимум гнёзд расширения. Содержат развитые средства подключения к проводным и беспроводным сетям, встроенное мультимедийное оборудование (динамики, часто микрофон и веб-камеру). Рис. 9. Ноутбук В последнее время вычислительная мощность ноутбуков не сильно уступает стационарным ПК, а иногда и превосходит их. Очень компактные модели не содержат CD/DVD-накопителя. Посредством специальных доков ноутбуки могут превращаться в настольные ПК: вставляя ноутбук в такой док, пользователь подключает к http://profbeckman.narod.ru/ вычислительным устройствам ноутбука внешний большой экран, ь, динамики и порты и м а оси и раскрываться, предоставляя доступ к расположенной внутри лавиатуре. Вычислительная мощь уступает настольным ПК, так как для длительной работы без внешнего ь энергосберегающие процессоры, накопители и экран. для решения задач промышленной автоматизации. Отличаются стойко м л а м режиме с другими компьютерами; служить домашним или даже интернет-сервером; агают ПК значительно меньше по азмерам, чем стандартные. Такие модели занимают меньше места в рабочей или домашней обстановке, е обычных ПК. ставима с настольными ПК. Тем не менее, они содержат все признаки персонального компьютера: ьного телефона (коммуникаторы). Встрое полноразмерную клавиатуру, мыш подключения |