НН Трушин Информатика

Слово информация происходит от латинского informatio – осведомление, сообщение о чьей-то деятельности, сведения о чем-либо. Информация возникает за счет познания человеком материального мира и может быть получена либо путем наблюдения, либо в результате экспериментов, либо на основе логического вывода. По объектам получения или использования информация подразделяется на политическую, техническую, биологическую, химическую, физическую и т.д. По назначению информация может быть массовой и специальной. Научная информация – это логическая информация, адекватно отражающая объективные закономерности развития природы, общества и мышления. Наряду с научной информацией в сфере техники при решении производственных задач используется техническая информация , которая имеет различные содержания: конструкторско-технологическая информация, планово-экономическая информация, метрологическая информация и т.д. Информация, которая занесена на бумажный носитель, называется документальной . Информация также может быть истинной или ложной.
Таким образом, информация в широком смысле – это отражение реального мира; в узком смысле информация – это любые сведения, являющееся объектом хранения, передачи и преобразования.
Информация пронизывает все сферы деятельности человека и общества, играет в обществе все более важную роль. Ее ставят в один ряд с фундаментальными понятиями мироздания: веществом и энергией. Упорядоченную, доступную и активно используемую информацию оценивают как ресурс, наряду с материальными, энергетическими, финансовыми и интеллектуальными ресурсами.
Задача накопления, обработки и распространения (обмена) информации стояла перед человечеством на всех этапах его развития. В течение долгого времени основными инструментами для ее решения были мозг, язык и слух человека. По мере развития цивилизации происходили кардинальные изменения в сфере обработки информации, которые породили несколько информационных революций , приводивших к радикальным преобразованиям общественных отношений.
В течение длительного времени развития человеческого общества основным предметом труда оставались материальные объекты. Воздействуя на них, человек добывал себе средства к существованию. В процессе формирования трудовых коллективов возникала необходимость обмена знаниями. Первоначальные знания передавались устно из поколения в поколение. Появление письменности позволило по-новому показать накопленные знания – в виде информации. Огромное значение в истории письменности имело изобретение бумаги в Китае во II веке нашей эры. Поэтому первая информационная революция была обусловлена изобретением письменности.
Вторая информационная революция была обусловлена изобретением в Германии в середине XV века (около 1445 года) Иоганном Гутенбергом печатного станка, в результате чего человечество получило возможность накапливать и распространять информацию в компактной и надежной форме и дало новые возможности тиражировать знания.
Со второй половины XIX века в производство начали интенсивно внедряться все новые методы и средства механизации и автоматизации труда. Технический прогресс способствовал всестороннему развитию человеческого общества. Третья информационная революция (конец XIX века – начало XX века) была обусловлена изобретением средств электрической связи (телеграфа, телефона, радио, телевидения), благодаря чему стала возможна оперативная передача информации как на большие расстояния, так и в реальном масштабе времени.
Следует подчеркнуть, что эти информационные революции практически не затронули область переработки информации. Здесь основным и практически единственным рабочим инструментом продолжал оставаться человеческий мозг. Механизация отдельных операций по переработке информации (прежде всего вычислительных), достигнутая к началу ХХ века с помощью тех или иных технических средств (логарифмическая линейка, арифмометр и другие), ничего кардинально не меняла. По существу все эти средства оставались лишь инструментами , а не подлинными машинами автоматического действия.
Положение в корне изменилось с появлением в 40-х годах XX века электронных вычислительных машин (ЭВМ). Подобно тому, как изобретение механического двигателя открыло эру комплексной механизации и автоматизации физического труда, изобретение ЭВМ сделало то же самое в отношении труда умственного. Поэтому четвертая информационная революция связана с появлением ЭВМ и началом их массового производства.
ЭВМ открыли новую страницу в истории человеческих знаний и возможностей. В невиданных масштабах они подняли производительность труда при производстве вычислений, дали возможность изучать сложнейшие природные процессы, способствовали появлению новых видов человеческой деятельности. Сейчас нет ни одной отрасли экономики, где нельзя было бы применять ЭВМ. Более того, целые разделы науки и техники уже не могут существовать без них.
Внедрение средств вычислительной техники в процессы преобразования информации получило наименование информатизации общества , а все что связано с разработкой и применением вычислительных машин, или компьютеров, помогающих человеку вести обработку информации, с созданием программ для вычислительных машин стало называться информатикой . Информатику можно считать частью кибернетики – науки об общих законах управления в живой и неживой природе.
Термин информатика возник относительной недавно – в 60-х годах XX века во Франции, чтобы обозначить сферу деятельности, связанную с автоматизированной обработкой информации с помощью ЭВМ. В англоязычных странах термину "информатика" соответствует синоним "computer science" – наука о компьютерной технике. Главная функция информатики заключается в разработке методов и средств преобразования информации. Информатика сочетает в себе свойства фундаментальных и прикладных наук. Сферами деятельности информатики как науки являются:
- разработка вычислительных машин и систем, а также технологии их создания;
- разработка математических моделей естествознания и общественных явлений с целью их строгой формализации;
- обработка информации, создание численных и логических методов решения задач;
- разработка алгоритмов решения задач управления, расчета и анализа математических моделей;
- программирование алгоритмов, создание программ для вычислительных машин.
Широкая компьютеризация общества стала одним из наиболее актуальных направлений современного общественного прогресса. Интенсивное развитие вычислительной техники послужило толчком к развитию информационного общества , построенного на использовании различной информации. В информационном обществе большинство его работников занято производством, хранением, переработкой и реализацией информации, особенно высшей ее формы – знаний . Материальной и технологической базой информационного общества являются различного рода системы обработки информации, реализующие те или иные формы информационной технологии . Информационная технология – это процесс, использующий совокупность средств и методов сбора, обработки и передачи первичной информации для получения информации нового качества о состоянии какого-либо объекта, процесса или явления.
Интенсивное развитие вычислительной техники, разработка новых методов и средств обработки и хранения информации обеспечили создание автоматизированных систем обработки информации , предназначенных для организации, хранения, пополнения, поддержки и представления пользователям информации в соответствии с их запросами. Для работы с такими сложными техническими системами необходимы специалисты, обладающие глубокими знаниями в различных областях информационной технологии. Поэтому цель данного учебного пособия – дать фундаментальные знания в области информатики студентам, которым предстоит трудиться в различных отраслях экономики современного информационного общества.
1. ВВЕДЕНИЕ В ЭВМ
1.1. Эволюция средств вычислений
Термин "вычислительная машина" означает совокупность технических средств, создающая возможность проведения обработки информации и получения результатов в необходимой форме. В процессе своей работы вычислительная машина получает информацию, запоминает ее, обрабатывает по заданным алгоритмам, направляет потребителю (пользователю) либо передает в другие системы обработки.
Появление ЭВМ было подготовлено историческим развитием средств вычислений. Понятие числа возникло задолго до появления письменности. Люди научились считать. В первобытное время первым счетным инструментом у человека была его собственная рука. Пальцевый счет использовался человеком и на более высоких ступенях развития цивилизации – в Древней Греции и Древнем Риме.
Затем человек стал использовать для счета самые примитивные устройства. Сначала это были деревянные палочки с зарубками – бирки . Первое упоминание о них было найдено на барельефе фараона Сети I и относится примерно к 1350 году до нашей эры. Китайцы, персы, индийцы пользовались для представления чисел и счета ремнями и веревками с узлами. Запись чисел с помощью цифр появилась у древних египтян и вавилонян.
С ростом и расширением торговли понадобился более совершенный инструмент для записи чисел и счета. Это был абак , представляющий собой доску с вертикальными желобками, в которых передвигались камешки. По свидетельству древнегреческого историка Геродота египтяне им пользовались уже в V веке до нашей эры. Из Египта и Греции абак пришел в Древний Рим, Китай, Японию. Китайская и японская разновидности абака по конструкции напоминают современные русские торговые счеты. Русские счеты – это отечественная разновидность абака, они появились на рубеже XVI-XVII веков. Главное их отличие от аналогичных устройств – это десятичный принцип счисления. Форма счетов, установленная более 250 лет назад, к настоящему времени почти не изменилась.
Изобретение позиционной десятичной системы счисления, которой мы сейчас пользуемся, стало важным событием в истории вычислительной техники. Эта система счисления появилась, вероятно, в Индии. После изобретения десятичной системы были установлены правила выполнения арифметических действий: сложения, вычитания, умножения "столбиком" и деления "уголком". Появились десятичные дроби. Умение считать стало широко распространяться. В начале Х века в Европе началось распространение арабских цифр, и в начале XVII века арабские цифры, более удобные для ручных и машинных вычислений, окончательно вытеснили римские.
Особую роль в истории вычислительной техники сыграло изобретение логарифмов шотландским математиком Джоном Непером (1550–1617) С помощью логарифмов умножение и деление сводятся к сложению и вычитанию, в связи с чем арифметические операции сильно упрощаются. Поэтому вслед за изобретением логарифмов стали делаться попытки механизировать арифметические вычисления.
В 1617 году Непер предложил устройство умножения многозначных чисел на однозначные, названное палочками Непера . Позднее на основе логарифмической шкалы английского математика Эдмунда Гюнтера была изобретена логарифмическая линейка . Ее изобрели независимо друг от друга английские математики Уильям Отред и Ричард Деламейн. Первые образцы счетных линеек ими были изготовлены в период между 1620 и 1630 годами. В дальнейшем конструкция логарифмической линейки многократно совершенствовалась. Логарифмическую линейку, наиболее похожую на современную, сконструировал в 1850 году французский офицер Амедей Маннхейм.
В начале XVII века на свет появились первые механические суммирующие устройства. В 1623 году профессор математики Тюбенгенского университета Вильгельм Шиккард (1592–1636) сообщил об изобретении им машины, способной складывать числа. Однако изобретение Шиккарда не получило никакого практического применения. Французский математик, физик и философ Блез Паскаль (1623–1662) работал над своей первой арифметической машиной в течение 12 лет, сделал около 50 действующих моделей, первую из них – в 1642 году. Суммирующие устройства машин Шиккарда и Паскаля являлись соединением зубчатых передач.
Арифмометр стал развитием суммирующих устройств. Первым арифмометром стала "арифметическая машина" немецкого математика Готфрида Лейбница (1646–1716), первый вариант которой появился в 1670 году. Главной ее частью был горизонтально расположенный ступенчатый валик. Эта идея Лейбница оказалась весьма плодотворной. Вплоть до конца XIX века конструкция валика совершенствовалась и развивалась различными изобретателями. Арифмометры приводились в действие человеческой рукой и могли выполнять четыре арифметических действия.
На принципе ступенчатого валика был построен в 1820 году и арифмометр Чарльза Томаса, ставший первым в мире серийно изготавливаемым счетным устройством (до 100 штук в год).
Большой вклад в развитие счетной техники внеси и наши соотечественники. В 1878 году академик П. Л. Чебышев (1821–1894) сконструировал арифмометр, который в то время был одной из самых оригинальных вычислительных машин. В 1874 году петербургским механиком Вильгордом Однером была создана новая конструкция ручного арифмометра, которая оказалась настолько совершенной, что сохранилась до наших дней. Главным элементом арифмометра Однера было зубчатое колесо с переменным числом зубьев. В самом конце XIX века Однер организовал производство арифмометров на своем механическом заводе в Санкт-Петербурге, и в первый же год существования завод выпустил примерно 500 машин. Это событие положило начало в России новой отрасли промышленности – производству вычислительных машин.
В конце XIX века произошло коренное изменение в производстве средств вычислений, когда рост промышленности и транспорта, а также расширение коммерческой деятельности банков обусловили создание быстродействующих и надежных счетных машин. Особенно много конструкций счетных машин было создано в США. Удачная конструкция многоразрядной клавишной суммирующей машины была предложена в 1885 году американским механиком Дорром Фельтом, названная им комптометром . Это было первая счетная машина, нашедшая практическое применение в США. В том же 1885 году механик из Сент-Луиса Уильям Барроуз (1857–1898) сделал "бухгалтерскую машину", которая печатала вводимые числа, суммировала их, а затем печатала результат. Машины Барроуза выпускались на протяжении 60 лет начиная с 1887 года. В последних моделях машин ручной привод был заменен электромоторным.
Первая действующая счетно-аналитическая машина, или табулятор , была создана в США Германом Холлеритом (1860–1929) и впервые применена для автоматизации работ по переработке данных переписи населения в США в 1880 году. В качестве носителей информации в табуляторе Холлерита использовались перфокарты. В 1896 году Холлерит стал основателем фирмы по выпуску перфокарт и счетно-перфорационных машин, которая впоследствии стала всемирно известной компьютерной фирмой IBM.
За три столетия в различных странах было создано огромное количество всевозможных счетных машин. Как не блестящ был век механических арифмометров, но и он исчерпал свои возможности. Людям нужны были более производительные средства вычислений. Совершенствование вычислительной техники в XX веке продолжилось на электромеханической основе. Рукоятку арифмометра заменил электродвигатель, появились машины, записывающие результат на бумажной ленте.
Особую роль в развитии вычислительной техники сыграли работы профессора математики Кембриджского университета Чарльза Беббиджа (1791–1871). Главным направлением его научной деятельности стала разработка вычислительных машин, над созданием которых ученый работал около 50 лет. В 1833 году Беббидж предложил проект автоматического счетного устройства, названного "аналитической машиной" и ставшего прообразом современных компьютеров. Машина содержала основные устройства, присущие современным компьютерам: "склад" для хранения чисел, "фабрику" для производства арифметических операций, "контору" – устройство, управляющее последовательностью счетных операций, а также блок ввода исходных данных и печати результатов.
Вычислительная машина Беббиджа, как и предшествующие арифметические машины, задумывалась как чисто механический аппарат. Время на производство арифметических операций оценивалось автором так: сложение и вычитание – 1 с; умножение и деление – 1 мин. Вводить и выводить числовую информацию, управлять вычислительным процессом предлагалось с помощью перфокарт – картонных карточек с пробитыми на них отверстиями. Эту идею Беббидж заимствовал у француза Жозефа Жаккара, который в 1804 году изобрел способ управления ткацким станком с помощью перфокарт. Первым программистом в мире считается Ада Лавлейс, дочь английского поэта Джорджа Байрона, которая в 1843 году написала первую программу для машины Беббиджа. В ее честь получил название язык программирования Ада.
Беббидж составил подробную схему машины, выполнил более 200 чертежей отдельных узлов, воплотил в металле некоторые ее части. Но полностью создать машину он не смог, так как его идеи намного опередили время. К ним обратились только в 40-х годах XX века.
1.2. Эволюция ЭВМ
С начала XX века начинается интенсивное развитие электротехники, радиотехники, электроники. Большой материал, накопленный в ходе развития этих отраслей науки, позволил подойти к созданию вычислительных машин немеханического типа. Значительную роль при этом сыграли теория абстрактных автоматов , разработанная в 1936 году английским математиком Аланом Тьюрингом (1912–1954) и американским математиком Эмилем Постом (1897–1954), и теория переключательных схем , разработанная американским математиком Клодом Шенноном (р. 1916) в 1938 году на основе алгебры логики , созданной еще в середине XIX века английским математиком Джорджем Булем (1815–1864).
Первая чисто релейная универсальная вычислительная машина была создана в 1941 году немецким инженером Конрадом Цузе. Его машина Z-3 содержала 2600 электромагнитных реле, на которых было построено арифметическое устройство и память на 64 двоичных числа. Машина выполняла восемь команд, в том числе четыре арифметических действия и извлечение квадратного корня. Программа для работы машины задавалась с помощью перфорированной ленты, сделанной из кинопленки.
В 1944 году в США была построена электромеханическая вычислительная машина "Mark-1". Ее проект был предложен физиком и математиком Говардом Айкеном (1898–1970) еще в 1937 году независимо от Цузе. Машина приводилась электромотором мощностью 5 л.с., программа для нее задавалась на 24-дорожечной перфоленте. Машина "Mark-1" была передана Гарвардскому университету и с успехом эксплуатировалась в течение ряда лет. "Mark-1" выполнял сложение за 0,3 с, умножение – за 5,7 с, деление – за 15,3 с. Вторая машина Айкена "Mark-2", изготовленная в 1947 году, была уже чисто релейной машиной (около 13000 телефонных реле) и имела в своем составе все функциональные блоки, предусмотренные классической структурой Беббиджа.
Одной из наиболее совершенных релейных вычислительных машина была машина РВМ-1, созданная в СССР в 1956 году под руководством инженера Н. И. Бессонова (1906–1963). Машина содержала 5500 реле, скорость ее работы составляла 50 сложений или 20 умножений в секунду. РВМ-1 использовалась для решения экономических задач и эксплуатировалась до 1965 года.
Релейные вычислительные машины были выдающимися достижениями своего времени, и при их создании пришлось решить массу сложных технических задач. Однако и этим машинам не суждено было совершить революцию в вычислительной технике, так как их надежность и быстродействие были невелики.
Одна из первых попыток использовать электронные элементы в вычислительной машине была предпринята в США в 1938–1942 годах американским физиком профессором университета штата Айова
Д. Атанасовым. Совместно с К. Берри он сконструировал специализированную машину ABC для решения систем алгебраических уравнений. Однако эта машина осталась нереализованной.
В августе 1942 года сотрудник Электротехнической школы Мура при Пенсильванском университете Джон Моучли предложил проект электронной вычислительной машины. Начиная с середины 1943 года под руководством Моучли и Преспера Эккерта по контракту с армией США школа Мура начала работу над электронным цифровым интегратором и вычислителем ENIAC. Машина была закончена через два месяца после капитуляции Японии в 1945 году. Это было огромное сооружение, состоящее из 40 панелей, содержащих 18000 электронных ламп и 1500 реле. Машина потребляла более 150 кВт электроэнергии. На операцию сложения машина тратила 0,0002 с, на умножение – 0,0028 с. Первая ЭВМ использовалась для баллистических расчетов, предсказаний погоды и некоторых научно-технических вычислений. После этого в конце 40-х – начале 50-х годов первые ЭВМ практически одновременно появились в Великобритании, СССР и Франции.
В СССР первая ЭВМ, получившая название МЭСМ – малая электронная счетная машина, была запущена 25 декабря 1951 года в Институте электротехники АН УССР (г. Киев) под руководством академика С.А. Лебедева (1902–1974). МЭСМ имела производительность около 50 операций в секунду, содержала более 6000 электронных ламп, занимала площадь 50 м2 , потребляла 25 кВт электроэнергии. В 1952 году вступила в строй машина БЭСМ-1 (большая электронная счетная машина), созданная в Институте точной механики и вычислительной техники АН СССР под руководством С.А. Лебедева и основанная на структуре МЭСМ. ЭВМ БЭСМ-1 имела самую высокую по тем временам производительность – 8000 операций в секунду. Серийное производство ЭВМ в СССР началось в 1953 году.
Значительный шаг в развитии вычислительной техники сделал американский физик Джон фон Нейман (1903–1957). В 1946 году вместе с Г. Голдстайном и А. Берксом он опубликовал важную для дальнейшего развития компьютеров статью "Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства". В ней были высказаны две основные идеи, которые используются сейчас во всех ЭВМ: применение двоичной системы счисления, принцип хранимой программы, автоматизм работы. Статья также содержала ряд важных рекомендаций по конструированию вычислительных машин и методике программирования.
Уже в 1949 году идеи Неймана нашли практическое воплощение, когда в Кембриджском университете под руководством профессора Мориса Уилкса была построена машина EDSAC, которая стала первой ЭВМ с хранимой программой и промежуточной внутренней памятью. Скорость выполнения сложения составила 0,07 мс, умножения – 8,5 мс. Ввод данных производился с перфоленты, вывод – с помощью пишущей машинки. Годом позже было завершено создание аналогичной ЭВМ EDVAC в США.
Другой выдающейся научной работой, оказавшей существенное воздействие на прогресс вычислительной техники, была появившаяся в 1948 году книга "Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине" американского математика Норберта Винера (1894–1964), в которой были заложены основы кибернетики – науки, содержанием которой являются общие законы получения, хранения, передачи и переработки информации.
1.3. Поколения ЭВМ
За 50 лет своего развития сменилось четыре поколения ЭВМ. В наши дни уже работают ЭВМ пятого поколения. В основу градации поколений ЭВМ обычно кладут электронную базу, на которой строятся вычислительные машины, а также их возможности, области применения и другие признаки. Деление это весьма условно, так как случается, что ЭВМ, построенная на элементной базе одного поколения, по структурным особенностям и возможностям относится к машинам другого поколения.
ЭВМ первого поколения (1945 – середина 50-х годов) выполнялись на электронных лампах. Оперативная память строилась на ферритовых сердечниках, внешняя – на магнитных лентах и барабанах. В качестве носителей информации при вводе и выводе использовались перфоленты и перфокарты. Среднее быстродействие машин первого поколения достигало десятков тысяч операций в секунду. Отечественными представителями ЭВМ первого поколения были МЭСМ, БЭСМ-1, "Стрела", "Урал", М-20.
ЭВМ второго поколения (середина 50-х – середина 60-х годов) строились на дискретных полупроводниковых диодах и триодах
(транзисторах). Транзистор, один из самых замечательных приборов ХХ века, был изобретен в 1947 году тремя американскими физиками: Дж. Бардиным, У. Бретейном и У. Шокли. Машины второго поколения отличались от машин первого поколения более высокой надежностью, меньшим потреблением электроэнергии, более высоким быстродействием. Для них уже был характерен параллелизм в работе отдельных блоков, что позволило достичь быстродействия до миллиона операций в секунду. В качестве устройств внешней памяти стали использоваться накопители на магнитных дисках. Наиболее мощными среди ЭВМ второго поколения были STRETCH (США, 1961), ATLAS (Великобритания, 1962), БЭСМ-6 и "Минск" (СССР, 1966).
БЭСМ-6 по своим архитектурным решениям была близка к машинам следующего, третьего, поколения. На ЭВМ ATLAS впервые была реализована виртуальная оперативная память.
ЭВМ третьего поколения (середина 60-х – середина 70-х годов) строились на интегральных микросхемах малой степени интеграции. Микросхемы были созданы в конце 50-х годов независимо друг от друга двумя американскими инженерами: Д. Килби и Р. Нойсом. Переход на микросхемы способствовал улучшению качества ЭВМ, уменьшению их габаритных размеров и потребляемой ими энергии. Интеграция полупроводниковых приборов позволила повысить надежность и быстродействие вычислительных машин. ЭВМ третьего поколения стали универсальными средствами обработки информации научного, делового, коммерческого назначения. Эти машины создавались на принципах независимой параллельной работы различных устройств: процессора, памяти, ввода-вывода. Для ЭВМ третьего поколения были характерны многопрограммный и многопользовательский режимы работы. В эпоху машин третьего поколения появились первые компьютерные сети. Типичный представитель ЭВМ третьего поколения – машины семейств System 360 и System 370 фирмы IBM, первые модели которых были выпущены в 1965 и в 1970 годах соответственно. Эти машины предназначались для решения широкого спектра задач: научно-технических, экономических, управления. Их отечественный аналог – машины семейства ЕС ЭВМ (Единая серия ЭВМ), промышленный выпуск которых начался в 1972 году и продолжался до 1991 года. В конце 60-х годов появилась первая серийная мини-ЭВМ PDP-8 фирмы DEC (США)
Четвертое поколение ЭВМ (середина 70-х – середина 80-х годов) – это микроЭВМ, сердцем которых стали микропроцессоры и интегральные микросхемы большой степени интеграции (БИС). Большие интегральные микросхемы содержат десятки и сотни тысяч полупроводниковых элементов в одном корпусе. С начала 70-х годов миникомпьютеры стремительно внедряются практически во все сферы деятельности человека. Современные микроЭВМ по своим характеристикам догнали и значительно перегнали большие ЭВМ третьего поколения. Классический представитель ЭВМ четвертого поколения – персональная микроЭВМ (ПЭВМ).
Со второй половины 80-х годов ХХ века начинается эпоха ЭВМ пятого поколения . Они характеризуются наличием параллельных вычислительных структур и элементов искусственного интеллекта. Эти машины умеют не только производить числовые расчеты, но и выполнять функции обработки смысловой информации и операции логического анализа. Сфера применения ЭВМ еще более расширяется, а программы для них разрабатываются с привлечением методов искусственного интеллекта. Элементная база ЭВМ пятого поколения – сверхбольшие интегральные микросхемы (СБИС), содержащие более миллиона полупроводниковых элементов, и устройства оптоэлектроники. Современные ЭВМ все шире объединяются в локальные и глобальные информационно-вычислительные сети, воплощая тем самым принципы распределенной обработки информации. Производительность современных ЭВМ повышается в основном двумя путями: совершенствованием элементной базы и разработки методов параллельной обработки информации.
1.4. Классификация ЭВМ
В зависимости от вида перерабатываемой информации вычислительные машины делят на два больших класса: аналоговые и цифровые.
Аналоговая вычислительная машина (АВМ) оперирует информацией, представленной в виде непрерывных изменений некоторых физических величин. АВМ предназначены для моделирования физических процессов и решения узкого класса задач, которые могут быть описаны дифференциальными уравнениями. Первая АВМ была изобретена в 1927 году в Массачусетском технологическом институте (США).
Главный недостаток АВМ в том, что они не являются универсальными, так как для каждого класса математических задач требуется отдельная специальная вычислительная машина.
Цифровая вычислительная машина (ЦВМ) оперирует информацией, представленной в дискретном виде. В математике разработаны методы численного решения многих видов задач, что дает возможность решать на ЦВМ различные задачи с помощью набора простых арифметических и логических операций. Поэтому ЦВМ оказались более перспективными, так как любая ЦВМ является универсальным вычислительным средством. Наибольшее распространение получили электронные ЦВМ, к которым относятся все современные ЭВМ.
ЭВМ классифицируются по различным признакам. Традиционно ЭВМ классифицируются по габаритным показателям (рис 1.1).
Рис. 1.1 Схема классификации ЭВМ
Исторически первыми появились большие ЭВМ , элементная база которых прошла путь от электронных ламп до СБИС. В настоящее время применяются большие ЭВМ четвертого и пятого поколений. Эти ЭВМ, иначе называемые мэйнфреймами (mainframe), используются для решения трудоемких задач и в качестве серверов крупных неоднородных сетей ЭВМ. Конструктивно они выполнены в виде нескольких стоек, включая периферийные устройства. Для установки этих машин требуется достаточно большое помещение, оборудованное кондиционером воздуха. Обслуживание таких машин трудоемко. Их производительность – сотни тысяч и десятки миллионов операций в секунду. К большим ЭВМ относятся машины семейства System 360/370 фирмы IBM, советские БЭСМ-6, ЕС ЭВМ и другие машины первого, второго и третьего поколений. Современный представитель больших ЭВМ – компьютеры семейства System 390 фирмы IBM.
Однако для некоторых приложений производительность больших ЭВМ оказывается недостаточной. Это обстоятельство привело к созданию суперЭВМ . Они имеют большие габариты, требуют для своего размещения специальных помещений, принудительного охлаждения и весьма сложны в обслуживании. Их производительность – более миллиарда операций в секунду. В архитектурах суперЭВМ имеются принципиальные отличия от классической модели ЭВМ фон Неймана. Несмотря на большую стоимость суперЭВМ, эти компьютеры являются стратегическим товаром, и потребность в них постоянно растет. СуперЭВМ используются для решения особенно сложных научнотехнических задач, задач обработки больших объемов информации в реальном масштабе времени, поиска оптимальных решений в задачах планирования, автоматического проектирования сложных объектов. Наиболее известными среди зарубежных суперЭВМ являются компьютеры семейств Cray и Cyber американских фирм Cray Research и CDC. Так, например, суперЭВМ Cray-3 имела производительность 16 млрд операций в секунду. Отечественная суперЭВМ – это мультипроцессорный вычислительный комплекс "Эльбрус" (главный конструктор Б. А. Бабаян) с суммарным быстродействием более 1 млрд операций в секунду. Почти все современные суперЭВМ выпускаются в США и Японии, самые мощные из них уже имеют производительность более одного триллиона операций в секунду.
Появление мини-ЭВМ на рубеже 60-х – 70-х годов было обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области элементной базы, а с другой – избыточностью ресурсов больших ЭВМ для решения многих прикладных задач. К малым, или средним, ЭВМ часто относят машины, которые являются менее мощными по сравнению с мэйнфреймами и вместе с тем более мощными, чем микроЭВМ и ПЭВМ. Малые ЭВМ используются как для управления технологическими процессами, так и для обслуживания нескольких пользователей. Они конструктивно выполнены в виде одной или нескольких малогабаритных стоек (без учета периферийных устройств) и имеют более низкие по сравнению с большими ЭВМ быстродействие и стоимость. ЭВМ этого класса не требуют специально оборудованных помещений. Наиболее популярными мини-ЭВМ были машины семейств PDP-11 и VAX-11 фирмы DEC (США), а также их отечественные аналоги СМ-1420 и СМ-1700 Системы малых ЭВМ (СМ ЭВМ). Производительность наиболее мощных современных мини-ЭВМ сопоставима с производительностью больших ЭВМ; к ним относятся, например, машины семейства AS/400 фирмы IBM.
В середине 70-х годов появляется еще один класс ЭВМ – микроЭВМ . Один из основных отличительных признаков микроЭВМ – наличие микропроцессора. Появление высокопроизводительных микропроцессоров Pentium Pro и Xeon (Intel), PowerPC (IBM-Motorola-Apple), Alpha (DEC), SPARC (Sun Microsystems), PA-RISC (Hewlett-Packard), R10000 (MIPS), Athlon и Thunderbird (AMD) позволило создать модели микроЭВМ с очень высокими параметрами производительности. Представителями таких мощных компьютеров являются, например, рабочие станции и сетевые серверы фирм Sun Microsystems и Silicon Graphics.
Области применения микроЭВМ чрезвычайно многообразны и широки. Среди микроЭВМ можно выделить четыре вида: многопользовательские, автоматизированные рабочие места (АРМ), встроенные и персональные.
Многопользовательские микроЭВМ оборудованы несколькими видеотерминалами и предназначены для одновременного обслуживания нескольких пользователей. Они выполняются в виде одной малогабаритной стойки либо в настольном варианте.
АРМ, или рабочая станция, представляет собой ЭВМ, оборудованную техническими и программными устройствами, необходимыми для выполнения работ определенного типа. Существуют как настольные АРМ, так и АРМ, выполненные в виде малогабаритной стойки.
Встроенные микроЭВМ, к которым относятся и промышленные компьютеры , представляют собой вычислители, используемые для управления техническими объектами, технологическими процессами и для обработки результатов измерений. Конструктивно они выполняются в виде одной или нескольких плат, обеспечивают узкий набор вычислительных функций и функций взаимодействия с пользователем. К встроенным микроЭВМ относятся и однокристальные микроЭВМ, предназначенные для решения простых задач управления техническими объектами. Такая микроЭВМ содержит в одном корпусе микросхемы центральный процессор, оперативную память, постоянную память для программ, схемы управления вводом-выводом данных и другие вспомогательные устройства. МикроЭВМ, установленные на подвижном техническом объекте, называются бортовыми .
Персональная микроЭВМ – это универсальная однопользовательская вычислительная машина. Современные микроЭВМ чаще всего представлены в виде персональных ЭВМ.
Но наиболее массовый и дешевый тип персональной микроЭВМ – это микрокалькуляторы . Первый электронный калькулятор был создан в США в 1963 году. Он был собран на дискретных транзисторах и имел размеры кассового аппарата. Четыре года спустя фирма Texas Instruments (США) выпустила первый калькулятор на интегральных микросхемах. Серийное производство отечественных микрокалькуляторов семейства "Электроника" началось в 1974 году. Существует три основных разновидности микрокалькуляторов:
- простые микрокалькуляторы, предназначенные для выполнения четырех основных арифметических действий;
- инженерные микрокалькуляторы, выполняющие обычные
арифметические операции и вычисление некоторых математических функций;
- программируемые микрокалькуляторы, которые обладают всеми возможностями простых и инженерных вычислителей и могут в автоматическом режиме выполнять последовательность заранее введенных команд. Самые совершенные программируемые микрокалькуляторы позволяют составлять программы на языке программирования высокого уровня, например на Бейсике.
1.5. Общее устройство ЭВМ
Современная ЭВМ – это сложная техническая система, состоящая из совокупности механических, электронных и электротехнических устройств. Любая ЭВМ с архитектурой фон Неймана имеет в своем составе, как правило, следующие составные части (рис. 1.2):
– центральный процессор (ЦП), включающий в себя регистры, арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления;
– устройства памяти;
– устройства ввода информации; – устройства вывода информации.
Эти части соединяются в единое целое каналами связи, по которым передаются информация и управляющие сигналы. Стрелками на схеме показаны пути и направления движения информации.
Устройства памяти служат для приема информации от других устройств, ее хранения, а также для передачи информации в другие устройства ЭВМ. Память большинства ЭВМ состоит из двух частей: основной и внешней.
Основная память современных ЭВМ строится на полупроводниковых элементах и включает в себя оперативные и постоянные запоминающие устройства (ОЗУ, ПЗУ). ОЗУ может хранить информацию, когда ЭВМ работает. ПЗУ является энергонезависимым: информация в нем сохраняется и при выключении ЭВМ. Устройства внешней памяти чаще всего строятся на магнитных и оптических носителях информации.
Память ЭВМ характеризуется двумя главными параметрами: емкостью и быстродействием. Память разбивается на фиксированные участки малого размера, называемые ячейками . Номер такой ячейки называется адресом памяти . Объем памяти ЭВМ измеряется в байтах, каждый байт состоит из восьми двоичных разрядов – битов. Информация в оперативной памяти существует, только когда ЭВМ работает. При выключении ЭВМ содержимое оперативной памяти исчезает. Постоянные запоминающие устройства и внешняя память позволяют хранить информацию сколь угодно долгое время.
Рис. 1.2. Классическая структура ЭВМ
Арифметико-логическое устройство процессора выполняет переработку информации, над которой могут производиться как арифметические, так и логические операции. В каждой операции участвуют несколько специальных ячеек памяти, находящихся внутри самого процессора и называемых регистрами . Во время работы АЛУ вырабатывает также управляющие сигналы, необходимые для управления работой процессора и других частей ЭВМ.
Разрядность регистров (8, 16, 32, 64 и более бит) является одной из главных характеристик процессора ЭВМ. Другой важной характеристикой процессора является максимальный объем адресуемой памяти. Так, например, самые массовые микропроцессоры для ПЭВМ Pentium III и Celeron фирмы Intel имеют 32-разрядные регистры, а максимальный объем адресуемой ими основной памяти составляет 64 Гбайта.
Устройство управления процессора управляет процессом работы ЭВМ. Оно содержит микропрограммы работы процессора и работает в соответствии с заданной программой, состоящей из последовательности команд процессора. Для выполнения программы ее нужно поместить в оперативную память, а затем инициировать выполнение первой команды. Команды в оперативной памяти располагаются последовательно, одна за другой.
Программа на машинном языке состоит из последовательности двоичных чисел. В зависимости от назначения эти числа могут интерпретироваться либо как команда процессора, либо как адрес ячейки памяти, либо как данные. Команды, адреса и данные хранятся одинаково в единой области памяти.
Устройства ввода служат для ввода в память программ и данных. Устройства вывода предназначены для вывода результатов вычислений и приведения этих результатов в удобную для пользователя форму.

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать полную версию