Технические средства реализации информационных процессов

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ 
 

2.1.        Основные этапы развития информатики и вычислительной техники

История создания средств  цифровой вычислительной техники уходит в глубь веков. Она увлекательна и поучительна, с нею связаны имена выдающихся ученых мира. 

В работах гениального  итальянца Леонардо да Винчи (1452-1519 г.) были обнаружены рисунки, иллюстрирующие суммирующую вычислительную машину на зубчатых колесах, способную складывать 818f54di 13-разрядные десятичные числа. Интересно, что уже в наше время  специалисты из IBM воспроизвели машину и подтвердили ее работоспособность.  

Одной из первых действующих  суммирующих машин была ╚паскалина╩, созданная французом Блезом Паскалем (1623-1662 г.). Известны шести- и восьмиразрядные машины Паскаля, которые могли суммировать 818f54di и вычитать 818f54di десятичные числа. 

Чуть позже в 1673 году другой немецкий ученый-математик  Вильгельм Лейбниц (1646-1716 г.) создает  счетную машину (арифметический прибор, по словам самого Лейбница) для сложения и умножения двенадцатиразрядных  десятичных чисел. Теперь уже о машине Лейбница было известно в большинстве  стран Европы. 

Завершающий шаг  в эволюции цифровых вычислительных устройств (механического типа) сделал английский ученый Чарльз Беббидж (1791-1871 г.). Аналитическая машина (так назвал ее Беббидж), проект которой он разработал в 1836-1848 годах, явилась механическим прототипом появившихся спустя столетие электронных вычислительных машин (ЭВМ). В ней предполагалось иметь  те же, что и в ЭВМ, пять основных устройств: арифметическое, памяти, управления, ввода, вывода. Программа выполнения вычислений записывалась на перфокартах (пробивками), на них же записывались исходные данные и результаты вычислений. Автоматическое выполнение программы  вычислений обеспечивалось устройством  управления. Время сложения двух 50-разрядных  десятичных чисел составляло, по расчетам ученого, 1 с, умножения ≈ 1 мин. Однако Беббидж и его аналитическая  машина остались не понятыми современниками. 

Следует отметить, что  в это время параллельно с  развитием технических устройств для вычислений начинает развивать 818f54di ся и программирование вычислений. Дочь Байрона Ада Августа Лавлейс (1815-1852 г.) по праву считается первым программистом. Она разрабатывала программы для машины Беббиджа, которые во многом оказались схожими с программами, составленными впоследствии для первых ЭВМ. 

В истории развития вычислительной техники трудно переоценить  заслугу выдающегося англичанина  Джорджа Буля (1815-1864 г.), разработавшего еще в XIX веке алгебру логики (алгебра  Буля), ставшую через сто лет  математической основой для проектирования схем ЭВМ, использующих двоичную систему  счисления. 

Венцом механических вычислительных машин была машина Z1, разработанная в 1937 году немецким студентом  Конрадом Цузе (1910-1985 г.), работу над которой он начал за год до получения диплома инженера. Машина Z1 была, подобна машине Беббиджа, чисто механической, но в ней была реализована двоичная система и логика, подобная Булевой. 

На этом заканчивается  интересная эра неэлектронных вычислительных машин, которая заложила основы новой  эры ≈ эры электронных вычислительных машин, еще более интересной и интенсивно развивающейся. 

Конраду Цузе было суждено жить и работать 818f54di в двух эпохах развития вычислительных машин. В 1941 году Цузе с участием специалиста в области электроники Гельмута Шрайера создает релейную вычислительную машину с программным управлением Z3, содержащую 2000 реле и повторяющую основные характеристики Z1 и Z2. Она стала первой в мире полностью релейной цифровой вычислительной машиной с программным управлением. 

В 40-х годах XX века наступило время, когда объем  расчетных работ в развитых странах  стал нарастать 818f54di как снежный  ком, в первую очередь, в области  военной техники, чему способствовала вторая мировая война. Это послужило  мощным толчком к развитию ЭВМ. В 1942 году сотрудник технической школы  при Пенсильванском университете (США) ≈ физик Джон Мочли (1907-1986 г.) ≈ отправил в военное ведомство США предложение о создании мощного, по тем временам, компьютера на электронных лампах (ЭНИАК). К работе было привлечено около 200 человек, в том числе несколько десятков математиков и инженеров. Руководителями работы стали Джон Мочли и талантливый инженер-электронщик Преспер Эккерт (1919-1995 г.). Напряженная работа завершилась в конце 1945 года успешными испытаниями ЭНИАК. Впечатляющими были размеры ЭНИАК: 26 м в длину, 6 м в высоту, вес 35 тонн.  

В 1945 году для разработки ЭВМ в качестве консультанта был  направлен выдающийся математик  Джон фон Нейман (1903-1957 г.). 

В 1946 году фон Нейманом и др. учеными Принстонского института  перспективных исследований был  представлен отчет ╚Предварительное обсуждение логического конструирования устройства╩, который содержал развернутое и детальное описание принципов построения цифровых электронных вычислительных машин (ЭВМ). Изложенные в отчете принципы были реализованы во все поледующих ЭВМ и носили название Нейменовские.  

Работы по созданию ЭВМ после второй мировой войны  велись и в СССР. В 1948 году Сергеем  Александровичем Лебедевым (1890-1974 г.) был предложен первый проект отечественной  цифровой ЭВМ, а первые образцы ЭВМ  появились через несколько лет. 

Начиная со второй половине XX века развитие технических средств  пошло значительно быстрее. Это  время принято делить на пять этапов, которые имеют свои характерные  особенности. 

Первый этап ≈  до 1955 года. За точку отсчета эры  ЭВМ принимается 1946 год, когда началась эксплуатация первых опытных образцов ЭВМ. Ключевым моментом этого этапа  было применение электронных ламп. Ламповые ЭВМ имели большие габариты и массу, потребляли много энергии  и были очень дорогостоящими, что  резко сужало круг пользователей  ЭВМ, а следовательно, объем производства этих машин. Числа в ЭВМ вводились с помощью перфокарт и набора переключателей, а программа задавалась соединением гнезд на специальных наборных платах. 

Наиболее яркими представителями ЭВМ первого  этапа были в СССР МЭСМ (малая  электронно-счетная машина) и ENIAC в  США. 

Также в этот период в США разрабатывается и патентуется  память на магнитных сердечниках (1951 г.), а в СССР выпускается первая серийная ЭВМ ╚Стрела╩. 

Второй этап ≈  до 1965 года. Развитие электроники привело  к изобретению нового полупроводникового устройства ≈ транзистора, который  заменил лампы. Появление ЭВМ, построенных  на транзисторах, привело к уменьшению их габаритов, массы, энергозатрат и стоимости, а также к увеличению их надежности и производительности. 

Первым транзисторным  компьютером стал компьютер ╚Традис╩ фирмы ╚Белл телефон лабораторис╩, построенный на 800 транзисторах. 

В этот же период стали  создавать 818f54di алгоритмические языки  для инженерно-технических и экономических  задач. Так, в 1955 году появился ╚переводчик формул╩ Fortran (FORmule TRANslator). Для экономии машинных ресурсов (машинного времени и памяти) стали создавать 818f54di операционные системы (комплексы служебных программ, обеспечивающих лучшее распределение ресурсов ЭВМ при использовании пользовательских задач). Первые операционные системы просто автоматизировали работу оператора ЭВМ, связанную с выполнением задания пользователя: ввод в ЭВМ программы, вызов нужного транслятора, вызов необходимых библиотечных программ и т.д. 

В 1957 году фирмой IBM были разработаны дисковые запоминающие устройства. Первый жесткий диск имел размер в 24 дюйма, вмещал 5 Мбайт данных и стоил более миллиона долларов. 

Начало третьего этапа (до 1970 года) связано с созданием  технологии производства интегральных схем (ИС), где в одном кристалле  размещалось несколько десятков тысяч электронных элементов. ИС позволили увеличить быстродействие и надежность полупроводниковых  схем, а также уменьшить их габариты, потребляемую мощность и, соответственно, стоимость. 

В этот период появляются простые, дешевые и надежные машины ≈ мини-ЭВМ (IBM 360 в США и ЕС 1030 в СССР). 

Четвертый этап ≈  до 1978 года. Успехи в развитии электроники  привели к созданию больших интегральных схем (БИС). Это позволило разработать 818f54di более дешевые ЭВМ, имеющие  большую память и меньший цикл выполнения команд: стоимость байта  памяти и одной машинной операции резко снизилась. 

Историческим моментом в развитии персональных ЭВМ стало  создание фирмой Intel (США) в 1971 году первого микропроцессора (МП). Автором микропроцессора Intel-4004≈ многокристальной схемы, содержащей все основные компоненты центрального процессора, являлся Эдвард Хофф. Процессор 4004 был 4-битный и мог выполнять 60 тыс. операций в секунду. 

В 70-х годах стали  изготовлять и микро-ЭВМ ≈  универсальные вычислительные системы, состоящие из процессора, памяти, схем сопряжения с устройствами ввода/вывода и тактового генератора, размещенных  в одной БИС (однокристальная  ЭВМ) или в нескольких БИС, установленных  на одной плате (одноплатная ЭВМ). 

В 1977 году были запущены в массовое производство персо╜нальные компьютеры (ПК): Apple-2 и PET. 

В СССР представителем этого поколения ЭВМ был компьютер ╚Электроника 60М╩. 

Пятый этап ≈ по настоящее  время. За счёт улучшения технологии БИС повсеместно приступают к  изготовлению схем сверхбольшой степени  интеграции ≈ СБИС. 

С 1982 года фирма IBM приступила к изготовлению профессиональных персональных компьютеров IBM PC с операционной системой MS DOS. 

В 1984 году компании Apple и IBM выпускают ЭВМ пятого поколения ≈ персональные компьютеры Macintosh и PC/AT соответственно. 

Развитие ЭВМ пятого поколения продолжается до сегодняшнего дня. Стремительно возрастающие объемы информации предопределяют такое же стремительное развитие аппаратных средств. Сейчас персональный компьютер  с процессором Intel четвертого поколения имеет тактовую частоту до 3000 МГц. До середины 90-х годов фирма Intel не имела конкурентов на рынке процессоров, пока другая американская фирма AMD не приступила к выпуску процессоров для IBM-совместимых компьютеров. В последующих разделах будут рассмотрены аппаратные и программные средства современных персональных компьютеров(ПК) ≈ ЭВМ пятого поколения. 

2.2.        Состав и назначение основных  элементов 

персонального компьютера 

Аппаратные средства ПК являются составной частью их архитектуры. Под аппаратными средствами компьютера понимается набор электронных устройств, обеспечивающих его работу и предназначенных: 

╥                       для ввода данных в компьютер должно быть хотя бы одно устройство ввода, например, клавиатура и мышь; 

╥                       для временного хранения программ и обрабатываемых в текущий момент данных необходима оперативная память; 

╥                       для длительного хранения большого объема данных должны быть дополнительные накопители; 

╥                       для выдачи результатов обработки данных должен быть дисплей (монитор) или другие устройства вывода. Минимальный набор аппаратных средств, без которых невозможны запуск и работа ПК, определяет его базовую конфигурацию. В базовую конфигурацию ПК входят системный блок, монитор, клавиатура и ручной манипулятор √ мышь. 

Системный блок является центральной частью ПК. В корпусе  системного блока размещены внутренние устройства ПК. В состав системного блока входят следующие устройства: 

╥ системная (материнская) плата с микропроцессором; 

╥ оперативная память; 

╥ накопитель на жестком магнитном диске; 

╥ контроллеры или адаптеры для подключения и управления внешними устройствами ПК (монитор, звуковые колонки и др.); 

╥ порты для подключения внешних устройств (принтер, мышь и др.); 

╥ внешние запоминающие устройства для гибких магнитных дисков и лазерных дисков типа CD-ROM. 

Системная плата  является интегрирующим (объединяющим) узлом ПК. Системная плата во многом определяет конфигурацию ПК, поскольку  от ее параметров зависит тип используемого  микропроцессора, максимальный объем  оперативной памяти, количество и  способы подключения внешних  устройств ПК и другие характеристики. 

Микропроцессор √  это главная микросхема компьютера. Он запускает программный код, находящийся  в памяти, и управляет всеми  устройствами компьютера либо напрямую, либо через соответствующие контроллеры.