2.ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

2.1.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 г. Леонардо да Винчи разработал эскиз 13- разрядного суммирующего устройства. Первую же действующую суммирующую машину построил в 1642 г. Паскаль . Его машина была восьмиразрядной, механической с ручным приводом и могла выполнять операции сложения и вычитания. В 1672 г. Лейбниц

построил механическую машину, которая могла выполнять все четыре арифметические действия. Впервые машину, работающую по программе, создал в 1834 г. 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 г.). 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 г. 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 её изготовления (см. табл. 2.1).

В основе базовой системы элементов машин первого поколения лежали электронные лампы. Они определяли достоинства и недостатки цифровых устройств. Лампы были долговечны и достаточно надёжны. Однако они работали с напряжением в десятки вольт, расходовали много энергии, занимали большой объем. Для их охлаждения требовалось решить труд-

Леонардо да Винчи (1452 - 1519) – итальянский ученый и инженер.Блез Паскаль (1623 – 1662) – французский математик.

Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646 – 1716) – немецкий математик.

Чарльз Бэббидж (1792 - 1871) – английский математик.

Джорж Ноэл Гордон Байрон (1788 - 1824) – английский поэт.

Джон Уильям Моучли (1907 - 1980) и Джон Преспер Эккерт (1919 - 1995) – американские математики

и инженеры-изобретатели.

Сергей Александрович Лебедев (1902 – 1974) – советский математик.

						Таблица 2.1
Показатель			Поколения ЭВМ
	I	II	III		IV	V
	1945-1955	1955-1965	1965-1980		с 1980
Элементная	Лампы	Транзисторы	Интегральные		Сверхболь-	Оптоэлектро-
база			схемы (ИС) и		шие ИС	ника и крио-
			большие ин-		(СБИС)	электроника
			тегральные
			схемы (БИС)
Ёмкость	102	103	105		107	108
ОЗУ (байт)
Быстродейст-	104	106	108		109	1012
вие (опер/с)
Языки прог-	Машинный	Ассемблер	Процедурные		Процедурные	Новые не-
раммирования	код		языки высо-		и непроцдур-	процедурные
			кого уровня		ные ЯВУ	ЯВУ
			(ЯВУ)
Средства свя-	Пульт	Перфокарты	Алфавитно-		Дисплей и	Устройство
зи с пользова-	управ-	и перфолен-	цифровой		клавиатура	голосовой
телем	ления и пер-	ты	терминал и			связи
	фокарты		монохромный
			дисплей

ные технологические задачи. ЭВМ первого, второго и третьего поколений сейчас в лучшем случае музейные экспонаты.

Приход полупроводниковой техники (транзистор изобретен в 1948 г.) 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 ма- лые по признакам размеров, стоимости и вычислительных возможностей.

Вначале 70-х годов ХХ века с появлением интегральных технологий в электронике были созданы микроэлектронные устройства, содержащие несколько десятков транзисторов

ирезисторов на одной небольшой кремниевой подложке. Без пайки на них “выращивались” электронные схемы, выполняющие функции основных логических узлов ЭВМ. Так появи- лись интегральные схемы (ИС), которые позволили резко уменьшить размеры полупровод- никовых схем и снизить потребляемую мощность. На их основе строились ЭВМ, которые выполнялись в виде одной стойки и периферийных устройств. В то же время радикально из- менились возможности программирования. Программы стали писаться на языках высокого уровня (ЯВУ).

В1971 г. компанией Intel было создано устройство, реализующее на одной крошечной микросхеме функции процессора. Появилась новая отрасль промышленности – микроэлек- троника, которая стала производить большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы. 1976 год стал началом эры массового появления персональных ЭВМ, первым пред-

ставителем которой стал Apple, созданный американцами Возняком и Джобсом . В 1981 г. IBM выпустила свои персональные компьютеры IBM PC XT и PC AT, которые были осна- щены операционной системой MS DOS, созданной фирмой Microsoft. С тех пор IBM PC ста- ла самой популярной “персоналкой” в мире.

Стивен Возняк (р. 1950) и Стивен Пол Джобс (р. 1955) – американские инженеры и предприниматели, основа- тели корпорации Apple.

60

К 1990 г. микроэлектроника подошла к пределу, разрешенному физическими закона- ми. В дальнейшем совершенствовании ЭВМ видны два пути. На физическом уровне это пе- реход к использованию иных физических принципов построения узлов ЭВМ – на основе оп- тоэлектроники и криогенной электроники, использующей сверхпроводящие материалы при низких температурах. Кроме того должна повыситься роль сетей ЭВМ, позволяющих разде- лить решение задачи между несколькими компьютерами. В дальнейшем сети будут домини- ровать.

2.2. Классификация компьютеров по сферам применения

Вопрос любой классификации всегда достаточно условен. Компьютеры классифици- руются по назначению, по уровню специализации, по типоразмерам, по совместимости, по типу используемого процессора. Наиболее часто используется такая характеристика компь- ютера как производительность, под которой понимается время, затрачиваемое компьютером на решение той или иной задачи. Схема классификации компьютеров, исходящая из их про-

изводительности

изображе-

ЭВМ

на на рис. 2.1. Эту схему

можно условно

разбить

на

три части: суперкомпьюте-

Супер ЭВМ

Большие ЭВМ

Мини - ЭВМ

Микро - ЭВМ

ры, мэйнфреймы (универ-

сальные

компьютеры)

и

Мини -

Многопользовательские

микрокомпьютеры.

Супер

Определить

супер-

компьютеры

можно

лишь

Мощные -

Встроенные

относительно. Их произ-

Супер

водительность

свыше

100

Рабочие станции

мегафлоп

(1

мегафлоп –

миллион операций с пла-

вающей точкой в секунду).

Персональные

Эти машины

представляют

Рис. 2.1. Классификация ЭВМ

собой многопроцессорные и

многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних уст- ройств. Различают суперкомпьютеры среднего класса, класса выше среднего и переднего края (high end). Архитектура суперкомпьютеров основана на идеях параллелизма и конвейе- ризации вычислений. В этих машинах параллельно, т. е. одновременно, выполняются мно- жество 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 цифро- выми объектами – векторами и матрицами.

Суперкомпьютеры используют для решения больших и сложных научных задач: мо- делировании ядерных взрывав, гидрометеорологических процессов и т. п. Супер ЭВМ тре- буют особого температурного режима, водяного охлаждения (или даже охлаждения жидким азотом). Такие параметры как стоимость и вес не являются определяющими.

Мэйнфреймы (большие ЭВМ на рис. 2.1) предназначены для решения широкого клас- са научно-технических задач и являются сложными и дорогими машинами с производитель- ностью от 10 до 100 млн. операций в секунду. Их целесообразно применять в больших сис- темах при наличии не менее 200-300 рабочих мест. Централизованная обработка данных на мэйнфрейме обходится примерно в 5-6 раз дешевле, чем распределенная обработка при кли- ент – серверном подходе. Эти машины также требуют специального помещения, жесткого температурного режима. Конструктивно выполняются в виде одной стойки. Их стоимость может достигать 300 тыс. долларов.

61

Мини – ЭВМ появились в начале 1970-х гг. Их традиционное использование – либо для управления технологическими процессами, либо в режиме разделения времени в качест- ве управляющей машины небольшой локальной сети. Сейчас компьютеры этого класса вы- мирают, уступая место микрокомпьютерам.

Микрокомпьютеры – это компьютеры, в которых центральный процессор выполнен в виде микропроцессора. Современные модели микрокомпьютеров имеют несколько микро- процессоров. Производительность компьютера определяется не только характеристиками применяемого микропроцессора, но и ёмкостью оперативной памяти, типами периферийных устройств, качеством конструктивных решений и т. п. Самые популярные в настоящее время микрокомпьютеры – это персональные компьютеры. Это компьютеры универсального на- значения, рассчитанные на одного пользователя и управляемые одним человеком. С ними связано понятие мультимедиа. Мультимедиа – это сочетание нескольких видов данных в од- ном документе (текстовые, графические, музыкальные и видеоданные) или совокупность устройств для воспроизведения этого комплекса данных.

2.3. Базовая система элементов компьютерных систем

При построении функциональных узлов компьютерных систем используются элемен- ты, которые реализуют базовую систему логических функций ( , ,), условные обозначения

которых показаны на рис. 2.2. Мы уже знаем, что любую достаточно сложную логическую функцию можно реализовать, имея относительно простой набор базовых логических опера- ций. Первоначально этот тезис был технически реализован “один к одному”: были разрабо- таны и выпускались микросхемы, соответствующие основным логическим действиям. По- требитель, комбинируя имеющиеся в его распоряжении элементы, мог получить схему с реа- лизацией необходимой логики. Базовый логический элемент компьютера – это часть элек- тронной логической схемы, которая реализует элементарную логическую функцию. На

x1

рис. 2.2, кроме того, показаны зна-

1

x1

чения выходного сигнала в зависи-

y=x1

x2

x2

x2

мости от входных сигналов. Ноль

y

t

изображается на

диаграммах низ-

а) элемент логическое ИЛИ

ким значением сигнала, а едини-

x1

x1

ца – высоким. Таблицы истинности

&

этих

трех логических

элементов

y=x1

x2

x2

x2

приведены в табл. 1.8 – 1.10.

y

t

Кроме приведенных исполь-

б) элемент логическое И

зуются еще несколько простейших

логических элементов: И-НЕ, ИЛИ-

x

y=x

x

НЕ

и

операция

исключающего

ИЛИ. Схема И-НЕ состоит из эле-

y

t

мента И и инвертора (НЕ), реали-

в) элемент логическое НЕ

зующего

операцию

отрицания.

Связь между выходом y

и входами

Рис. 2.2. Условные обозначения основных логических элементов

x1 и

x2

схемы записывается сле-

дующим образом: y = x1 x2 и читается “инверсия x1 и x2 ”. Условное обозначение схемы

И-НЕ представлено на рис. 2.3 а, а таблица истинности в табл. 2.2.

Аналогично схемы элементов ИЛИ-НЕ и исключающего ИЛИ показаны на рис. 2.3 б, в, а их таблицы истинности в табл. 2.3 и 2.4.

62