- •Тема 2. Технические средства реализации информационных процессов
- •2.1. Принципы построения компьютера
- •2.2. Поколения компьютеров
- •2.3. Основные виды архитектуры эвм
- •2.4. Классификация вм
- •2.5. Устройства персонального компьютера
- •2.5.1. Процессор
- •2.5.2. Системная шина
- •Запоминающие устройства
- •Процессор
- •Основная память
- •2.6. Основные устройства ввода данных
- •2.6.1. Клавиатура и манипуляторы
- •2.6.2. Устройства оптического считывания и сенсорные экраны
- •Основные устройства вывода
- •2.7.1. Видеосистема компьютера
- •2.7.2. Принтеры и графопостроители
- •2.8. Другие устройства
Тема 2. Технические средства реализации информационных процессов
2.1. Принципы построения компьютера
Потребность в облегчении вычислений, возникла давно. Для этих целей примерно в V - IV вв. до н.э. была создана – «саламинская доска» (по имени острова Саламин в Эгейском море), которая у греков и в Западной Европе назывались «абак». Китайцы придумали «суан-пан» (VI в.), японцы – «серобян» (XIV в.), а в России – «щоты» (XVI в.).
Появление механической машины, способной выполнять четыре арифметических действия, датируется началом XVII в. (Шикард). В 1642 г. –французский физик и математик Паскаль создал первую модель вычислительной машины - «Паскалину» или «Паскалево колесо». В 1674 г. Лейбниц создал свою счетную машину (которая механически производила сложение, вычитание, умножение и деление), известную как «зубчатое колесо Лейбница». В 1820 г. Томас изобрёл арифмометр и впервые в мире организовал его промышленное производство. Начиная с этого времени арифмометры получили широкое применение. На них выполняли сложные расчеты (например, расчеты баллистических таблиц для артиллерийских стрельб). Существовала и специальная профессия - счетчик, т.е. человек, работающий с арифмометром, быстро и точно соблюдающий определенную последовательность инструкций (такую последовательность инструкций впоследствии стали называть программой).
В XIX веке английский математик Бэббидж разработал несколько проектов вычислительных механических устройств (чтобы «заменить человека в одной из самых медленных операций его ума»), самым известным из них является «аналитическая машина» Бэббиджа. По его замыслу такая машина должна была автоматически выполнять различные вычисления при последовательном вводе набора перфокарт, содержащих пары команд и данных. К сожалению, Бэббидж не смог довести свою работу до конца - задача оказалась слишком сложной для техники того времени. И только во второй половине XIX в. Холлерит разработал и создал такую машину (впервые она использовалась в 1890 г. в Америке при обработке результатов переписи населения). С тех пор машины с перфорированными картами получили широкое распространение. В 1896 г. он основал фирму, которая явилась предшественником известной фирмы IBM.
В истории развития вычислительной техники оставили заметный след такие ученые, как М.Бонч-Бруевич (изобрел ламповый триггер). А.Тьюринг (выдвинул идею абстрактной вычислительной машины). К.Шеннон (разработал аппарат математической логики). Г.Айкен (сконструировал автоматическую вычислительную машину с программным управлением на релейных и механических элементах) и др.
Следует сказать, что скорость вычислений в механических машинах существенно ограничена, поэтому в 30-х гг. XX в. начались разработки электронных вычислительных машин (ЭВМ), элементной базой которых стала трехэлектродная вакуумная лампа. Вторая мировая война дала серьезный толчок к усовершенствованию вычислительных устройств и технологии их производства. С 1943 г. по 1946 г. в университете г. Пенсильвания американским инженером Д.Эккертом и физиком Д.Моучли была сконструирована и построена первая электронная цифровая ЭВМ, получившая название «ENIAC» (Electronic Numerical Integrator and Computer). Главной целью при разработке этой машины было составление числовых таблиц для вычисления траектории полета снарядов и ракет. Машина весила около 30 тонн и занимала площадь 200 м2, содержала 18 тыс. ламп. Команды по программе вводились вручную. Каждая новая программа требовала новой комбинации сигналов. В результате на создание и выполнение даже самой простой программы требовались очень много времени. Сложности в программировании на первой ЭВМ натолкнули Джона фон Неймана (консультанта этого проекта) на разработку принципов построения ЭВМ.
Итак, электронно-вычислительная машина представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами. Основу ЭВМ или компьютеров образует аппаратура (HardWare), построенная, в основном, с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств. Принцип действия компьютеров состоит в выполнении заранее заданных программ (SoftWare), т.е. четко определённых последовательностей арифметических, логических и других операций.
Принципы Джона фон Неймана. В основу архитектуры подавляющего большинства электронных вычислительных машин (архитектура ЭВМ – это ее логическая организация, информационные связи, структура и ресурсы) положены общие принципы, сформулированные в 1945 году американским ученым Джоном фон Нейманом:
Принцип программного управления. Из него следует, что программа хранится в ЭВМ и состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности (выборка команд из памяти осуществляется при помощи счетчика команд), т.е процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.
-
Принцип однородности памяти. Программы и данные (записанные в двоичном коде) хранятся в одной и той же памяти. Компьютер не должен различать, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда.
-
Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.
Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских (но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских).
Компьютер (по Нейману) должен иметь следующие устройства:
-
арифметико-логическое устройство (АЛУ) – обрабатывает данные по заданной программе (выполняет над ними арифметические и логические операции);
-
устройство управления (УУ) - организует процесс выполнения программ;
-
запоминающее устройство, или память – служит для хранения программ и данных;
-
внешние устройства – осуществляют ввод и вывод информации.
Арифметико-логическое
устройство
Устройство
управления
Внешние
устройства
Оперативная память
(одинарные линии это управляющие связи, двойные – информационные)
Выполнение программы (точнее, ее команд) осуществляется следующим образом:
-
из ячейки памяти выбирается команда;
-
команда передаётся в устройство управления;
-
устройство управления расшифровывает адрес команды;
-
по сигналам устройства управления операнды выбираются из памяти в арифметико-логическое устройство;
-
устройство управления расшифровывает код операции и выдаёт сигнал арифметико-логическому устройству выполнить операцию;
-
результат операции остаётся в процессоре, либо возвращается в оперативную память.
ЭВМ, созданные в середине XX века, имели две важные особенности, которыми не обладали ранее созданные машины - это возможность программирования и способность хранения информации. Заметим, что большинство современных компьютеров в основных чертах своего построения соответствуют принципам, изложенным фон Нейманом.