Лекция 4 Поколения ЭВМ. Лекция 4 аппаратное обеспечение информатики
 Скачать 0.6 Mb.
|
|
Лекция 4 АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИНФОРМАТИКИ. Краткая история развития. Поколения ЭВМ Введение Как отмечалось в главе 1, в структуру информатики, при делении ее изнутри, входят взаимосвязанные аппаратные и программно-алгоритмические средства. Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка, называют вычислительной системой. Центральным устройством вычислительных систем является компьютер - электронный прибор, предназначенный для автоматизации, в первую очередь, хранения и преобразования данных (информации). Компьютер также называют электронной вычислительной машиной (ЭВМ). Но с его помощью можно решить далеко не все многочисленные задачи, связанные, в частности, с вводом-выводом данных, их передачей, поэтому используется большое количество других технических устройств (принтер, сканер, модем и др.). Совокупность устройств, предназначенных для автоматической обработки данных, называют вычислительной техникой.Именно она и образует аппаратные средства информатики. В современном обществе многим людям, имеющим дело с вычислительной техникой (даже не профессионалам в этой области), необходимо знание в той или иной степени аппаратных средств, их характеристик, что позволит решать поставленные задачи, а также повысить эффективность этих процессов. Дело в том, что недостаточная грамотность в этой области часто приводит, например, к тому, что необходимые для работы программы или не устанавливаются на компьютер, или не работают как надо из-за незнания возможностей аппаратной части. Также, сейчас нет технических проблем для «конструирования» компьютера из готовых блоков «под себя», его модернизации, но рынок компьютерной техники весьма разнообразен, поэтому часто очень трудно выбрать нужный блок, обращение же к специалистам не всегда возможно по различным причинам. Аппаратные и программные средства информатики, несмотря на их одинаковую значимость в информатике, рассматриваются отдельно вследствие существенного их различия как по своей природе, так и по задействованным в них технологиям. В этой главе рассмотрим первую составляющую. 3.1. Краткая история развития вычислительной техники Если рассматривать историю развития производства, то можно выделить этапы: ручного труда, использования простейших орудий (топор, копье и др.), механизации труда (различные станки, на которых работал человек), и, наконец, автоматизации труда (станки, которые по введенной программе могли работать и без человека). Аналогичная картина наблюдается и при развитии вычислительной техники: ручные, механические и автоматические вычислители. 3.1.1. Простейшие ручные вычислители Самым древним из известных ручных приспособлений для простых расчетов является абак – глиняная пластина с углублениями для камешков, представляющих числа. Его появление историки относят к четвёртому тысячелетию до н.э., место появления – Азия. В Средние века в Европе для вычислений использовался счет на линиях –разграфленные таблицы, которые наносили на поверхность стола (поэтому английское слово «table» означает и «стол» и «таблица»). Затем эти таблицы стали наноситься на скатерть. На Руси в это время придумали своё приспособление – счеты, прообразом которых был абак. Это изобретение было намного эффективней с точки зрения производительности по сравнению с приспособлениями, использующимися в Западной Европе. Счеты, как рабочий инструмент, дожили до ХХ века. 3.1.2. Механические вычислители В начале XVII века возникла необходимость в сложных вычислениях, и потребовались счетные устройства, способные выполнять большой объём вычислений с высокой точностью. Первое в мире механическое устройство для выполнения операции сложения разработал на основе часового механизма в 1623 г. Вильгельм Шикард – профессор университета в Германии. До настоящего времени тех образцов не сохранилось, но по имеющимся чертежам устройство было воспроизведено и показало свою работоспособность. В 1642 г. 18-летний французский математик и физик Блез Паскаль создал более компактную механическую вычислительную машину, которая могла выполнять операции сложения. В 1645 г. арифметическая машина «Паскалина» получила законченный вид. Она была первым механическим калькулятором, который выпускался серийно. До наших дней сохранилось 8 машин. В 1673 г. немецкий математик и философ Г.В.Лейбниц представил свой арифметический инструмент – счетную машину, которая механически производила сложение, умножение и деление. Окончательный вариант завершен в 1710 г. На протяжении XVIII века появились более совершенные модели, но принцип механического управления вычислениями оставался неизменным. В XIX в. (1880 г.) в России Вильгорд Однер сконструировал арифмометр «Феликс» с зубчатыми колесами с переменным числом зубьев, а в 1890 г. наладил выпуск арифмометров. Эти арифмометры в первой четверти XX в. были основными калькуляторами во всем мире. 3.1.3. Автоматические вычислители Идея автоматизации вычислений пришла из часовой промышленности, как и первое вычислительное устройство, упоминавшееся выше. Старинные башенные часы были настроены таким образом, чтобы в заданное время включать механизм, связанный с колоколами, т.е. использовалась программа по своей сути. Такое программирование было жестким: одна и та же операция выполнялась в одно и тоже время. Идея гибкой автоматизации механических работ была реализована в ткацком станке Жаккарда (1804 г.) с помощью перфорированной (с дырками) бумажной ленты. До автоматизации вычислений оставался один шаг, который был сделан английским математиком и изобретателем Чарльзом Бэббиджем. В 1823 г. он разработал проект «Разностной машины», предвосхищавшей современную программно–управляемую автоматическую машину. Впоследствии он ее усовершенствовал и предложил схему «Аналитической машины» (1830 г.), которая производит серию операций в определенной последовательности. Особенность заключалась в том, что здесь впервые был реализован принцип разделения информации на команды и данные. Такая машина не была реализована изобретателем при жизни, но была воспроизведена в наши дни по его чертежам. Машина должна была приводиться в действие силой пара, а программы кодировались на перфокарты. Она имела в своем устройстве три основные части: «склад» для хранения чисел, набиравшихся с помощью зубчатых колес; «фабрику» для операций над числами, изъятыми со склада; «устройство для управления» операциями над числами с помощью перфорированных карт (перфокарт). Историки особую роль в разработке проекта такой машины отводят графине Аде Лавлейс, дочери известного английского поэта лорда Байрона. Именно ей принадлежит идея использования перфокарт для программирования операций над числами. Леди Ада считается первым программистом в мире. В честь нее назван один из известных языков программирования («Ада»). В изобретении Ч.Бэббиджа можно отметить следующие фундаментальные для дальнейшего развития вычислительной техники идеи. 1. Использование программ для гибкой автоматизации вычислений: при смене программы меняется последовательность вычислений, причем скорость введения программы должна быть сравнимой со скоростью выполнения самих операций, поэтому программы записывались предварительно, а для их ввода в машину использовались перфокарты. 2. Необходимость специального устройства – памяти – для хранения данных, которые извлекались оттуда для выполнения операций, а потом опять помещались туда. Аналитическая машина Ч.Бэббиджа считается первым в мире механическим компьютером, поскольку в нем была заложена идея гибкой автоматизации вычислений, чего не было во всех вычислительных устройствах до этого. 3.1.4. Появление электронных компьютеров Идеи Ч.Бэббиджа были развиты в начале 40-х годов XX в. американским математиком Джоном фон Нейманом, который изложил принципы построения ЭВМ, использующиеся до сих пор. О них будет сказано ниже в п.3.2.2. Кроме имевших место теоретических разработок по созданию ЭВМ, необходимо подчеркнуть появление новой элементной базы вычислительной техники, что связано с бурным развитием электроники (это было подлинной революцией), начиная с начала XX в. Работа над созданием электронных вычислительных устройств началась в конце 30-х годов одновременно в США, Германии, Великобритании и СССР. К этому времени электроника была ламповой, транзисторов еще не существовало. Первым действующим электронным компьютером стал ENIАС, разработанный в США в 1945-1946 гг. Его название, составленное по первым буквам соответствующих английских слов, означает «электронно-числовой интегратор и вычислитель». Машина содержала порядка 18000 электронных ламп, около 1500 электромеханических элементов (реле). Быстродействие было на уровне 5000 операций сложения и 300 операций умножения в секунду. Длина составляла 30 м, объём - 85 м3, вес - 30 тонн. Она потребляла 150 кВт, что вполне достаточно для обеспечения многоквартирного дома. Первая ЭВМ в СССР была сделана в 1951 г, она называлась МЭСМ (малая электронно-счетная машина). В ней использовалось 6000 ламп, быстродействие составляло 5 тыс. операций в секунду. В середине 60-х годов была создана БЭСМ-6 (большая электронно-счетная машина, модель 6), которая была лучшей в мире на тот период. Кроме машин серии БЭСМ в Советском Союзе выпускались ЭВМ других серий: «Минск», «Мир», «Урал» и др. К сожалению, до 70-х годов XX в. создание компьютеров в СССР велось в полной изоляции от остального мира, эта отрасль рассматривалась как одна из самых секретных. Затем наша страна пошла по пути копирования американских машин (в первую очередь фирмы IBM). Видимо, поэтому, несмотря на отдельные успехи, что говорит о высочайшем потенциале наших ученых и инженеров, наша страна сильно отстала в этой области от стран-лидеров, что особенно проявилось при создании персональных компьютеров. 3.1.5. Поколения ЭВМ В основу деления ЭВМ на поколения чаще кладут физико-технологический принцип: в зависимости от того какие элементы в ней используются и какие технологии их изготовления применяют. Это позволяет даже неспециалистам увидеть тенденции развития ЭВМ, оценить достигнутые результаты, поскольку этот принцип деления очень хорошо проявляется: компьютеры становятся все меньше, а могут делать все больше. 1-е поколение, 1948-1958 гг. XX в. ЭВМ на электронных вакуумных лампах. Максимальное быстродействие процессора - до 10000 операций в секунду. К примеру, на такие операции как сложение, вычитание требовалось несколько секунд. На деление и умножение уходило до нескольких десятков секунд. А на вычисление логарифма или тригонометрической функции понадобилось больше минуты. Занимаемая площадь – 100-200 квадратных метров, вес – несколько тонн, потребляемая мощность – около 100 кВт. Необходимы специальные системы охлаждения. Все гудит и вибрирует как в цехе завода с многочисленными станками. Обслуживание – каждый час, поскольку часто перегорают лампы и выходят из строя другие узлы. Для каждой машины существует свой язык программирования в виде машинного кода (программы в виде нулей и единиц), т.е. машины являлись программно несовместимыми. Загрузка программ с перфокарт. В СССР, в частности, это машины «БЭСМ», «Стрела». В мире таких машин было всего несколько сотен (рис.3.1, 3.2).   2-е поколение, 1959-1967 гг. ЭВМ построены на полупроводниковых транзисторах, изобретенных еще в 1948 году. Транзистор способен заменить до 40 электронных ламп и работает с большей скоростью, что сократило занимаемую площадь и вес машины. Машины начали делиться большие, средние, малые. Запоминающие устройства сделаны на ферритовых сердечниках и магнитных лентах. Максимальное быстродействие процессора – до 1 млн. операций в секунду (у больших машин в конце указанного периода). Занимаемая площадь сократилась до десятков квадратных метров, потребляемая мощность снизилась до нескольких киловатт. Существенно возросла надежность ЭВМ. Языки программирования - от ассемблера до языков высокого уровня. Но программная несовместимость машин осталась. С появлением компьютеров второго поколения расширилась сфера их применения. Кроме правительственных и военных учреждений они стали появляться в частных организациях, институтах, главным образом, за счет снижения стоимости машин и развитию программного обеспечения - начали создавать специальное системное программное обеспечение, которые были предшественниками операционных систем. 3-е поколение, 1968-1973 гг. ЭВМ построены на интегральных микросхемах (ИС) с малой и средней степенью интеграции. Одна ИС способна заменить десятки тысяч транзисторов, что еще более снизило занимаемую площадь, вес и потребляемую мощность машин. Машины третьего поколения - это семейства программно совместимых ЭВМ, имеющих развитые операционные системы. Программирование осуществляется на многочисленных языках высокого уровня (Фортран, Паскаль, Бейсик, Алгол и др.). Многие из этих языков используются и сегодня. В СССР это такие серии машин как ЕС ЭВМ (единая система ЭВМ) - для больших и средних машин, СМ ЭВМ (семейство малых ЭВМ), «Электроника» - для микро-ЭВМ. В их основу были положены американские прототипы фирм IBM и DEC, т.е. в СССР пошли по пути копирования, а не создания оригинальных машин, хотя до середины 60-х годов отставания от США у нас в этой области не было. Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Благодаря снижению весогабаритных показателей, ЭВМ применяются очень широко в различных учреждениях, на самолетах, кораблях. 4-е поколение, с 1972 г. Подлинную революцию в вычислительной технике произвело создание микропроцессорав 1971 г. американской компанией «Intel». Это устройство в виде одной крошечной по размерам микросхемы (площадью порядка 1 квадратного сантиметра), реализующее функции процессора ЭВМ. Такие интегральные микросхемы стали называться большими (БИС), имея в виду большое количество элементов, расположенных на этой площади: одна БИС по вычислительной мощности равнялась примерно 1000 обычных ИС. Также на основе БИС стали выполняться и запоминающие устройства. Быстродействие микропроцессоров достигало 100 млн. операций в секунду. Появились монохромные графические дисплеи. Последствия появления микропроцессоров трудно переценить, поскольку они огромны не только для вычислительной техники, но и для всего научно-технического прогресса в целом. Это связано с созданием персонального компьютера (ПК) – небольшой и относительно дешевой ЭВМ, предназначенной для одного пользователя. Это стало возможным вследствие существенного снижения весогабаритных показателей машины и стоимости с одновременным повышением надежности. Впервые за компьютер мог сесть и решать на нем задачи человек, ничего не знающий о программировании, поскольку работа на всех предыдущих машинах была связана с необходимостью написания программ, т.е. не только профессиональные программисты должны были в той или иной степени владеть этим ремеслом. Это привело к тому, что миллионы и миллионы людей стали выполнять свою работу на компьютерах, ЭВМ вошли практически в каждый дом, что коренным образом изменило наш мир, дав толчок по развитию процесса становления информационного общества. Далее в вычислительной технике стали применяться СБИС (сверхбольшие интегральные схемы), объединяющие миллионы транзисторов в одном корпусе, примерно с 1985 г. Количество операций в секунду приблизилось к 1 млд. Появились цветные графические дисплеи. 5-е поколение, примерно с 1990 г. Разработка последующих поколений компьютеров производится на основе больших интегральных схем повышенной степени интеграции, использования оптоэлектронных принципов (лазеры, голография). Ставятся совершенно другие задачи, нежели при разработке всех прежних ЭВМ. Если перед разработчиками ЭВМ с 1 по 4 поколений стояли такие задачи, как увеличение производительности в области числовых расчётов, достижение большой ёмкости памяти, то основной задачей разработчиков ЭВМ 5 поколения является создание искусственного интеллекта машины: возможность делать логические выводы из представленных фактов и устранение барьера между человеком и компьютером. Компьютеры будут способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. Это позволит общаться с ЭВМ всем пользователям, даже тем, кто не обладает специальных знаний в этой области. ЭВМ будет помощником человеку во всех областях. Считается, что структура компьютеров пятого поколения будет содержать два основных блока. Один из них - собственно компьютер, а другой – блок, осуществляющий связь с пользователем. Задачами последнего являются понимание текста, написанного на естественном (обычном) языке, или речи, и переведение изложенного таким образом условия задачи в работающую компьютерную программу. Эти задачи «интеллектуализации» компьютеров оказались существенно сложнее, чем виделось ранее, поэтому, несмотря на работы в этом направлении, ведется также совершенствование ЭВМ и 4 поколения. |