вычислительные системы в информатике. вычислительные системы (копия). В россии в xvixvii веках появилось намного более передовое изобретение
 Скачать 0.79 Mb.
|
|
История развития вычислительной техники. Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных, называется вычислительной техникой. В это число устройств входит и компьютер — электронный прибор, предназначенный для автоматизации, создания, хранения, обработки и транспортировки данных. Анализируя раннюю историю вычислительной техники, некоторые зарубежные исследователи в качестве древнего предшественника компьютера называют механическое счетное устройство — абак. Абак представляет собой глиняную пластинку с желобами, в которых раскладывались камни, представлявшие числа. В России в XVI—XVII веках появилось намного более передовое изобретение —русские счеты. В Западной Европе около 1500 года Леонардо да Винчи разработал эскиз 13-разрядного суммирующего устройства. Первую же действующую суммирующую машину построил в 1642 году Паскаль. Его машина была восьмиразрядной, механической с ручным приводом и могла выполнять операции сложения и вычитания. В 1672 году Лейбниц построил механическую машину, которая могла выполнять все четыре арифметические действия. Впервые машину, работающую по программе, создал в 1834 году английский ученый Бэббидж. Все эти машины были механические, содержали тысячи шестеренок, которые надо было изготовить с высокой точностью. Программу для машины Бэббиджа записывали на перфокартах. Первым программистом для этой машины была дочь Байрона — Ада Ловлейс, в честь которой уже в наши дни был назван язык программирования Ada. Впервые автоматически действующие вычислительные машины появились в середине XX века. Это стало возможным благодаря использованию электромеханических реле. Так появились релейные машины, которые могли выполнять несколько десятков операций в секунду. Однако эти машины были быстро вытеснены электронными, гораздо более производительными и надежными. Первой действующей ЭВМ стал ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer, США, 1946 год). Руководили проектом американцы Моучли и Эккерт. Эта машина содержала около 18 тыс. электроламп, множество электромеханических элементов и потребляла 150 кВт электроэнергии. В СССР до 1970-х годов создание ЭВМ велось полностью самостоятельно. Первая отечественная ЭВМ — МЭСМ (малая электронно-счетная машина) была создана в 1951 году под руководством академика Лебедева. Одной из лучших в мире для своего времени была БЭСМ-6, созданная в середине 60-х годов. Различают несколько поколений электронных вычислительных машин на основе физико-технологического принципа: машину относят к тому или иному поколению в зависимости от использования в ней физических элементов или технологии ее изготовления . В основе базовой системы элементов машин первого поколения лежали электронные лампы. Они определяли достоинства и недостатки цифровых устройств. Лампы были долговечны и достаточно надежны. Однако они работали с напряжением в десятки вольт, расходовали много энергии, занимали большой объем. Для их охлаждения требовалось решить трудные технологические задачи. ЭВМ первого, второго и третьего поколений сейчас в лучшем случае музейные экспонаты. Приход полупроводниковой техники (транзистор изобретен в 1948 году) резко изменил ситуацию. ЭВМ сильно уменьшились в размерах, стали меньше потреблять электроэнергии, их стоимость также снизилась, а быстродействие увеличилось. Появились крупные фирмы по производству компьютеров широкого назначения: International Business Machines (IBM), Control Date Corporation (CDC), Digital Equipment Corporation (DEC). Уже начиная со второго поколения, электронно-вычислительные машины стали делиться на большие, средние и малые по признакам размеров, стоимости и вычислительных возможностей. В начале 70-х годов XX века с появлением интегральных технологий в электронике были созданы микроэлектронные устройства, содержащие несколько десятков транзисторов и резисторов на одной небольшой кремниевой подложке. Без пайки на них "выращивались" электронные схемы, выполняющие функции основных логических узлов ЭВМ. Так появились интегральные схемы (ИС), которые позволили резко уменьшить размеры полупроводниковых схем и снизить потребляемую мощность. На их основе строились ЭВМ, которые выполнялись в виде одной стойки и периферийных устройств. В то же время радикально изменились возможности программирования. Программы стали писаться на языках высокого уровня (ЯВУ). В 1971 году компанией Intel было создано устройство, реализующее на одной крошечной микросхеме функции процессора. Появилась новая отрасль промышленности — микроэлектроника, которая стала производить большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы. 1976 год стал началом эры массового появления персональных ЭВМ, первым представителем которой стал Apple, созданный американцами Возняком и Джобсом. В 1981 году IBM выпустила свои персональные компьютеры IBM PC XT и PC AT, которые были оснащены операционной системой MS DOS, созданной фирмой Microsoft. С тех пор IBM PC стала самой популярной "персоналкой" в мире. К 1990 году микроэлектроника подошла к пределу, разрешенному физическими законами. В дальнейшем совершенствовании ЭВМ видны два пути. На физическом уровне это переход к использованию иных физических принципов построения узлов ЭВМ— на основе оптоэлектроники и криогенной электроники, использующей сверхпроводящие материалы при низких температурах. Кроме того должна повыситься роль сетей ЭВМ, позволяющих разделить решение задачи между несколькими компьютерами. В дальнейшем сети будут доминировать.
Классификация ЭВМ Существуют различные классификации компьютерной техники: по производительности; по условиям эксплуатации; по области применения; по целевому назначению и т.д. Четких границ между классами компьютеров не существует. По мере совершенствования структур и технологии производства, появляются новые классы компьютеров, границы существующих классов существенно изменяются. Классификация ЭВМ по производительности. По этому признаку ЭВМ можно условно разбить на три части: суперкомпьютеры, мэйнфреймы (универсальные компьютеры) и микрокомпьютеры. Определить суперкомпьютеры можно лишь относительно. Их производительность свыше 100 мегафлоп (1 мегафлоп— миллион операций с плавающей точкой в секунду). Эти машины представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Различают суперкомпьютеры среднего класса, класса выше среднего и переднего края (highend). Архитектура суперкомпьютеров основана на идеях параллелизма и конвейеризации вычислений. В этих машинах параллельно, т. е. одновременно, выполняются множество похожих операций. Таким образом, сверхвысокое быстродействие обеспечивается не для всех задач, а только для задач, поддающихся распараллеливанию. Отличительной особенностью суперкомпьютеров являются векторные процессоры, оснащенные аппаратурой для параллельного выполнения операций с многомерными цифровыми объектами — векторами и матрицами. Суперкомпьютеры используют для решения больших и сложных научных задач: моделирование ядерных взрывов, гидрометеорологических процессов и т. п. Супер-ЭВМ требуют особого температурного режима, водяного охлаждения (или даже охлаждения жидким азотом). Такие параметры, как стоимость и вес, не являются определяющими. Мэйнфреймы предназначены для решения широкого класса научно-технических задач и являются сложными и дорогими машинами с производительностью от 10 до 100 млн. операций в секунду. 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 дешевле, чем распределенная обработка при клиент-серверном подходе. Эти машины также требуют специального помещения, жесткого температурного режима. Конструктивно выполняются в виде одной стойки. Их стоимость может достигать 300 тыс. долларов. Мини-ЭВМ появились в начале 1970-х годов. Их традиционное использование — либо для управления технологическими процессами, либо в режиме разделения времени в качестве управляющей машины небольшой локальной сети. Сейчас компьютеры этого класса вымирают, уступая место микрокомпьютерам Микрокомпьютеры — это компьютеры, в которых центральный процессор выполнен в виде микропроцессора. Современные модели микрокомпьютеров имеют несколько микропроцессоров. Производительность компьютера определяется не только характеристиками применяемого микропроцессора, но и емкостью оперативной памяти, типами периферийных устройств, качеством конструктивных решений и т. п. Самые популярные в настоящее время микрокомпьютеры — персональные компьютеры. Это компьютеры универсального назначения, рассчитанные на одного пользователя и управляемые одним человеком. С ними связано понятие мультимедиа. Мультимедиа — это сочетание нескольких видов данных в одном документе (текстовые, графические, музыкальные и видеоданные) или совокупность устройств для воспроизведения этого комплекса данных. Классификация ЭВМ по условиям эксплуатации По условиям эксплуатации компьютеры делятся на два типа: офисные (универсальные); специальные. Офисные предназначены для решения широкого класса задач при нормальных условиях эксплуатации. Cпециальные компьютеры служат для решения более узкого класса задач или даже одной задачи, требующей многократного решения, и функционируют в особых условиях эксплуатации. Машинные ресурсы специальных компьютеров часто ограничены. Однако их узкая ориентация позволяет реализовать заданный класс задач наиболее эффективно. Специальные компьютеры управляют технологическими установками, работают в операционных или машинах скорой помощи, на ракетах, самолётах и вертолётах, вблизи высоковольтных линий передач или в зоне действия радаров, радиопередатчиков, в неотапливаемых помещениях, под водой на глубине, в условиях пыли, грязи, вибраций, взрывоопасных газов и т.п. Классификация ЭВМ по области применения. Наиболее надежным классификационным признаком является потенциальная область применения, по которому ЭВМ подразделяют на ЭВМ общего назначенияи проблемно-ориентированные (специализированные). ЭВМ общего назначения имеют большие операционные ресурсы (большой объем памяти, универсальную систему команд, высокие быстродействие и разрядность, большой набор разнообразных устройств ввода-вывода и отображения, развитое ПО, обеспечивают высокую точность расчетов). ЭВМ общего назначения предназначены для решения широкого круга научно-технических, экономических и информационно-логических задач. Как правило, это большие ЭВМ которые устанавливаются на ВЦ. На их основе возможно создание крупных банков данных, АСУ отраслью, САПР. Однако уже появились универсальные мини- и даже микро-ЭВМ. Проблемно-ориентированные ЭВМ приспособлены для решения ограниченного круга задач (или даже одной задачи). Эти ЭВМ должны быть дешевы, просты в эксплуатации. Нужные характеристики достигаются в этих ЭВМ за счет разумного ограничения машинных ресурсов: уменьшены разрядность, объем оперативной памяти, ограничены набор команд, количество типов обрабатываемых данных, набор УВВ. Обычно это мини- и микро-ЭВМ. Они используются в качестве управляющих ЭВМ для автоматизации технологических процессов, контроля и измерений, при первичной обработке данных (по месту их получения), для выполнения расчетов ограниченной сложности, для создания автоматизированных рабочих мест (АРМ) различного назначения и т. п. Более низкая стоимость и специфическая структура мини-ЭВМ позволяют встраивать их в локальные сети пользователей при значительно меньших материальных затратах, чем в случае применения ЭВМ общего назначения. Вместе с тем в классе малых ЭВМ уже появились супермини-ЭВМ, которые по своей производительности, разрядности и надежности могут конкурировать со средними и большими ЭВМ. По сравнению с мини-ЭВМ микро-ЭВМ, полностью построенные на основе микропроцессорных БИС и СБИС, имеют лучшие массо - габаритные показатели. Микро-ЭВМ общего пользования оснащаются стандартным набором УВВ (дисплеем, клавиатурой), малогабаритным внешним ЗУ на основе накопителя на диске типовым ПО, имеют открытую магистраль, к которой можно подключить специализированные сопроцессоры (арифметику, графику, символьную обработку и т. п.), размещаются на рабочем столе, могут комплектоваться печатающим устройством. В классе микро-ЭВМ обособляется специальная группа недорогих персональных машин (ПЭВМ), ориентированных на индивидуальную самостоятельную работу пользователя без помощи профессионального программиста. Операционная система (ОС) ПЭВМ гарантирует простое и наглядное управление процессом решения задачи в режиме диалога пользователя с машиной, обязательно предоставляет большое число пакетов прикладных программ, (ППП) и алгоритмический язык высокого уровня. Классификация ЭВМ по целевому назначению. По целевому назначению ПЭВМ подразделяют на профессиональные, бытовые, учебные и др. Профессиональные ЭВМ предназначены для инженерных, научно-исследовательских расчётов, обработки текстов и т.п. В бытовых компьютерах предусматривается возможность подключения бытовых приборов пользователя: телевизора, магнитофона, т. п., операционная система содержит ПО для решения широкого круга хозяйственных задач (ведение бюджета, ведение дневников, справочников и т. п.), а также для обработки текстов, работы с базами данных, электронных игр, выход в Интернет и многое другое. В классе микро-ЭВМ также можно выделить супермикро-ЭВМ, которые по производительности и разрядности приближаются к мини-ЭВМ. Узкоспециализированные ЭВМ за счет полного соответствия-архитектуры и структуры реализуемому алгоритму позволяют при ограниченных возможностях элементной базы в рамках относительно простой системы обеспечить высокую производительность. Кодирование информации Для автоматизации работы с данными, относящимися к разным типам, унифицируют их форму представления. Это можно сделать с помощью кодирования данных на единой основе. Язык— это система кодирования понятий. Чтобы записать слова, применяется опять же кодирование — азбука. Проблемами универсального кодирования занимаются различные области науки, техники, культуры. Подготовка данных для обработки на компьютере в информатике имеет свою специфику, связанную с электроникой. История кодирования очень обширна. В быту используются такие системы кодировки, как код Морзе , Брайля , код морских сигналов и т. п. В вычислительной технике система кодирования называется двоичным кодированием и основана на представлении данных в двоичной системе. Такое представление наиболее просто реализовать в электронных схемах с двумя устойчивыми состояниями: есть ток— 1, нет тока— 0. Таким образом, используются два знака 0 и 1. Эти знаки называются двоичными цифрами. Двумя битами можно закодировать четыре различных комбинации 00, 01, 10 и 11, три бита дадут восемь комбинаций 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111 и т. д. Общая формула имеет вид N = 2m, где: N — количество независимых кодируемых значений, т — разрядность кодирования, принятая в данной системе. Системы счисления Системой счисления называется принятый способ записи чисел и сопоставления этим записям реальных значений. Все системы счисления разделяются на два класса: позиционные и непозиционные. Позиционной системой счисления называется такое представление чисел, в котором последовательные числовые разряды являются последовательными целыми степенями некоторого целого числа, называемого основанием системы счисления. Основание системы счисления — это отношение соседних разрядов числа. Позиционные системы для записи чисел используют ограниченный набор символов, называемых цифрами, и величина числа зависит не только от набора цифр, но и от того, в какой последовательности записаны цифры, т. е. от позиции, занимаемой цифрой. Непозиционные системы для записи числа используют бесконечное множество символов, и значение символа не зависит от того места, которое он занимает в числе. Примером непозиционной системы может служить римская система счисления. Например, числа один, два и три кодируются буквой 1: I, II, III. Для записи числа пять выбирается новый символ V, для десяти — X и т. д. Кроме сложной записи самих чисел такая форма их представления приводит к очень сложным правилам арифметики. Число в позиционной системе счисления с основанием gможет быть представлено в виде многочлена по степеням gследующим образом: X = хп-1 gn-1 + хп-2 gn-2 +…. +х1 g1 + х0 g0 + х-1 g-1+ ….+ х-mg-m, где : X— запись числа в системе счисления с основанием g, хi — цифра в i -ом разряде, п — число разрядов целой части, т— число разрядов дробной части. Записывая слева направо числа, получим закодированную запись числа в g -ичной системе счисления X = хп-1 хп—2……..х1 х2х-1……х-m В двоичной системе счисления все арифметические действия выполняются весьма просто, например таблица сложения и умножения будет иметь восемь правил (табл. 1.1). Однако запись числа в двоичной системе счисления длиннее записи того же числа в десятичной системе счисления в log2 10 раз (примерно в 3,3 раза). Это громоздко и неудобно для использования. Наряду с двоичной системой в информатике применяются восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления. Восьмеричная система счисления имеет восемь цифр (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8), шестнадцатеричная— шестнадцать (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8,9, А, В, С, D, Е, F). Таблица 1.1. Арифметические действия в двоичной системе счисления
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||