Учебный материал / Кафедра экономики и менеджмента / КИТ. Курс лекций. Л.Г.Шипулина

Во втором поколении (1955-1964) вместо электронных ламп использовались транзисторы, а в качестве устройств памяти стали применяться магнитные сердечники и магнитные барабаны - далекие предки современных жестких дисков. Все это позволило резко уменьшить габариты и стоимость компьютеров, которые тогда впервые стали строиться на продажу.

Но главные достижения этой эпохи принадлежат к области программ. Во втором поколении впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой. Тогда же были разработаны первые языки высокого уровня - Фортран, Алгол, Кобол. Эти два важных усовершенствования позволили значительно упростить и ускорить написание программ для компьютеров.

При этом расширялась сфера применения компьютеров. Теперь уже не только ученые могли рассчитывать на доступ к вычислительной технике, поскольку компьютеры нашли применение в планировании и управлении, а некоторые крупные фирмы даже начали компьютеризовать свою бухгалтерию, предвосхищая этот процесс на двадцать лет.

Втретьем поколении (1965-1974) впервые стали использоваться интегральные схемы - целые устройства и узлы из десятков и сотен транзисторов, выполненные на одном кристалле полупроводника (микросхемы). В это же время появляется полупроводниковая память, которая и по сей день используется в персональных компьютерах в качестве оперативной.

Вэти годы производство компьютеров приобретает промышленный размах. Фирма IBM первой реализовала серию полностью совместимых друг с другом компьютеров от самых маленьких, размером с небольшой шкаф (меньше тогда еще не делали), до самых мощных и дорогих моделей. Наиболее распространенным в те годы было семейство System/360 фирмы IBM, на основе которого в СССР была разработана серия ЕС ЭВМ. Еще в начале 60-х появляются первые миникомпьютеры - небольшие маломощные компьютеры, доступные по цене небольшим фирмам или лабораториям. Миникомпьютеры представляли собой первый шаг на пути к персональным компьютерам, пробные образцы которых были выпущены только в середине 70-х годов.

Между тем количество элементов и соединений между ними, умещающихся в одной микросхеме, постоянно росло, и в 70-е годы интегральные схемы содержали уже тысячи транзисторов.

В 1971 г. фирма Intel, выпустив первый микропроцессор, который предназначался для только-только появившихся настольных калькуляторов. Этому изобретению суждено было произвести в следующем десятилетии настоящую революцию. Микропроцессор является главной составляющей частью современного персонального компьютера.

На рубеже 60-х и 70-х годов двадцатого столетия (1969 г) зародилась первая глобальная компьютерная сеть ARPA, прототип современного Интернета. В том же 1969 г. одновременно появились операционная система Unix и язык программирования С ("Си"), оказавшие огромное влияние на программный мир и до сих пор сохраняющие свое передовое положение.

Четвертое поколение (1975 – 1985) характеризуется все меньшим количеством принципиальных новаций в компьютерной науке. Прогресс идет в основном по пути

11

развития того, что уже изобретено и придумано, прежде всего за счет повышения мощности и миниатюризации элементной базы и самих компьютеров.

Самая главная новация четвертого поколения – это	появление в начале 80-х годов
персональных компьютеров. Благодаря персональным	компьютерам вычислительная

техника становится по-настоящему массовой и общедоступной. Несмотря на то, что персональные и миникомпьютеры по-прежнему в вычислительных мощностях отстают от больших машин, львиная доля новшеств, таких как графический пользовательский интерфейс, новые периферийные устройства, глобальные сети, связана появлением и развитием именно этой техники.

Большие компьютеры и суперкомпьютеры, конечно же, продолжают развиваться. Но теперь они уже не доминируют на компьютерной арене, как было раньше.

Некоторые характеристики вычислительной техники четырех поколений приведены в табл.

1.1.

Таблица 1.1

Поколения вычислительной техники

Поколение	I	II	III	IV
Годы	1945-1954	1955-1964	1965-1974	1975-1985
Основной элемент	Эл. лампа	Транзистор	Интегральная	Большая
			схема	интегральная
				схема
				(микропроцес
				сор)
Количество ЭВМ	Сотни	Тысячи	Десятки тысяч	Миллионы
в мире (шт.)
Размеры ЭВМ	Большие	Значительно	Мини-ЭВМ	микроЭВМ
		меньше
Быстродействие	Несколько	Несколько	Несколько тысяч	Несколько
(условное)операци	единиц	десятков		десятков
й/ сек				тысяч
Носитель	Перфокарта,	Магнитная	Диск	Гибкий
информации
	Перфолента	лента		диск

Пятое поколение (1986 до настоящего времени) в значительной мере определяется результатами работы японского Комитета научных исследований в области ЭВМ, опубликованными в 1981г. Согласно этому проекту ЭВМ и вычислительные системы пятого поколения кроме высокой производительности и надежности при более низкой стоимости с помощью новейших технологий, должны удовлетворять следующим качественно новым функциональным требованиям:

12

обеспечить простоту применения ЭВМ путем реализации систем ввода/вывода информации голосом, а также диалоговой обработки информации с использованием естественных языков;

обеспечить возможность обучаемости, ассоциативных построений и логических выводов;

упростить процесс создания программных средств путем автоматизации синтеза программ по спецификациям исходных требований на естественных языках;

улучшить основные характеристики и эксплуатационные качества вычислительной техники для удовлетворения различных социальных задач, улучшить соотношения затрат и результатов, быстродействия, легкости, компактности ЭВМ;

обеспечить разнообразие вычислительной техники, высокую адаптируемость к приложениям и надежность в эксплуатации.

В настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию оптоэлектронных ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой, представляющих собой распределенную сеть большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Вопрос 2. Классификация электронно-вычислительных машин

В общем случае ЭВМ можно классифицировать по ряду признаков.

1 . П о п р и н ц и п у д е й с т в и я ЭВМ делятся на три больших класса в зависимости от формы представления информации, с которой они работают:

АВМ – аналоговые вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения);

ЦВМ – цифровые вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной (цифровой) форме;

ГВМ – гибридные вычислительные машины комбинированного действия работают с информацией, представленной как в цифровой, так и в аналоговой форме. ГВМ совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. Их целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

2 . П о н а з н а ч е н и ю ЭВМ можно разделить на три группы:

универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженернотехнических задач: экономических, математических, информационных и других задач,

13

отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах. Характерными чертами универсальных ЭВМ является: высокая производительность; разнообразие форм обрабатываемых данных при большом диапазоне их изменения и высокой степени их представления; обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических, так и специальных; большая емкость оперативной памяти; развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств;

проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими процессами. Они используются для регистрации, накопления и обработки относительно небольших объемов данных, выполнения расчетов по относительно несложным алгоритмам. Проблемноориентированные ЭВМ обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами;

специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Узкая ориентация ЭВМ позволяет четко определить их структуру, существенно снизить сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы. К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения, а также адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.

3 . П о р а з м е р а м и ф ун к ц и о н а л ь н ы м в о з м о ж н о с т я м ЭВМ делятся на:

сверхбольшие (суперЭВМ) – мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов - десятки миллиардов операций в секунду с объемом оперативной памяти в десятки Гбайт. В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперЭВМ, таких как Cray 3, Cray 4, Cray Y-MP C90 фирмы Cray Research, Cyber 205 фирмы Control Data, SХ-3 и SХ-Х фирмы NЕС, VP 2000 фирмы Fujitsu (Япония), VРР 500 фирмы Siemens (ФРГ). Среди лучших суперЭВМ можно отметить и суперкомпьютер "СКИФ", созданный в рамках союзного договора между Россией и Беларусью.

большие ЭВМ чаще всего называют мэйнфреймами (Mainframe). К мэйнфреймам относят, как правило, компьютеры, имеющие производительность десятки миллионов операций в секунду, емкость памяти до 1000 Мбайт и многопользовательский режим работы. Основные направления эффективного применения мэйнфреймов – это решение научнотехнических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами. Родоначальником современных больших ЭВМ является фирма IBM.

малые (мини-ЭВМ) используются чаще всего для управления технологическими процессами. Они более компактны и значительно дешевле больших ЭВМ. Их появление (70 годы прошлого столетия) обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области электронной элементной базы, а с другой – избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Мини-ЭВМ имеют быстродействие десятки миллионов операций в секунду, объем

14

оперативной памяти 512 Мбайт, и могут также поддерживать многопользовательский режим. Первыми мини ЭВМ были компьютеры РDР-11 (Program Driven Processor – программноуправляемый процессор) фирмы DЕС, США. Они явились прообразом советских мини ЭВМ

(СМ ЭВМ): CM 1, 2,3,4,1400,1700 и др.

сверхмалые (микро-ЭВМ) обязаны своим появлением изобретению микропроцессора, наличие которого служило первоначально определяющим признаком микроЭВМ, хотя сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ. Микро-ЭВМ делятся на универсальные и специализированные; в свою очередь и универсальные и специализированные микро-ЭВМ делятся на многопользовательские и однопользовательские:

-Универсальные многопользовательские микроЭВМ представляют собой мощные микроЭВМ, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям.

-Универсальная однопользовательская микро-ЭВМ – это ничто иное, как хорошо известный персональный компьютер (ПК).

-Специализированные многопользовательские микро-ЭВМ используются в сетевых вычислительных системах и называются серверами.

-Специализированные однопользовательские микро-ЭВМ представляют собой

рабочие станции, и используются для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и др.).

Следует отметить, что приведенная выше классификация ЭВМ носит достаточно условный характер и может быть расширена по ряду других признаков.

Вопрос 3. Принципы строения и функционирования ЭВМ Джона фон Неймана

Большинство современных ЭВМ функционируют на основе принципов, сформулированных в 1945 году американским ученым венгерского происхождения Джоном фон Нейманом:

1.Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных символов (сигналов).

2.Принцип программного управления. Компьютерная программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

3.Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

15

4. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, любая из которых которая доступна процессору в произвольный момент времени.

Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков (рис 2.1): 1) устройства ввода/вывода информации; 2) памяти ЭВМ; 3) процессора, включающего устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ)

В ходе работы ЭВМ информация через устройства ввода попадает в память. Процессор извлекает из памяти обрабатываемую информацию, работает с ней и помещает в нее результаты обработки. Полученные результаты через устройства вывода сообщаются человеку.

Память ЭВМ состоит из двух видов памяти: внутренняя (оперативная) и внешняя

(долговременная) память.

Оперативная память – это электронное устройство, которое хранит информацию, пока питается электроэнергией.

Внешняя память – это различные магнитные носители (ленты, диски), оптические диски.

За прошедшие десятилетия процесс совершенствования ЭВМ шел в рамках приведенной обобщенной структуры.

2.4.1 Классификация персональных компьютеров

Как указывалось выше, персональный компьютер представляет собой универсальную однопользовательскую микроЭВМ.

16

Персональный компьютер (ПК) в первую очередь является общедоступной ЭВМ и обладает определенной универсальностью.

В общем случае, для удовлетворения потребностей пользователя ПК должен обладать следующими свойствами:

иметь относительно небольшую стоимость, находящуюся в пределах доступности для индивидуального покупателя;

обеспечивать автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;

обеспечивать гибкость архитектуры, делающей возможным ее перестройку для разнообразных применений в сфере управления, науки, образования, в быту;

операционная система и программное обеспечение должно быть достаточно простым, чтобы с ПК мог работать пользователь без профессиональной специальной подготовки;

высокую надежность работы (более 5000 ч наработки на отказ).

В соответствии с международным стандартом-спецификацией PC99 ПК п о н а з н а ч е н и ю делятся на следующие категории:

1.массовый ПК (Consumer);

2.деловой ПК (Office PC);

3.портативный ПК (Mobile PC);

4.рабочая станция (Workstation PC);

5.развлекательный ПК (Entertainment PC).

Большинство ПК, присутствующих в настоящее время на рынке, попадают в категорию массовых ПК. Для деловых ПК минимизированы требования к средствам воспроизведения графики, а к средствам работы со звуковыми данными требования вообще не предъявляются. Для портативных ПК обязательным является наличие средств для создания соединений удаленного доступа, то есть средств компьютерной связи. В категории рабочих станций повышены требования к устройствам хранения данных, а в категории развлекательных ПК –

ксредствам воспроизведения звука и видео.

По п о к о л е н и я м ПК подразделяются:

ПК 1-го поколения - используют 8-битные микропроцессоры;

ПК 2-го поколения - используют 16-битные микропроцессоры;

17

ПК 3-го поколения .-используют 32-битные микропроцессоры;

ПК 4-го поколения - используют 64-битные микропроцессоры.

ПК можно также разделить на две большие группы: стационарные и переносные. К переносным компьютерам относятся ноутбуки, электронные записные книжки, секретари и блокноты.

2.4.2 Типовой комплект персонального компьютера

В соответствии структурой ЭВМ Джона фон Неймана (Рис.2.1.) типовой комплект ПК должен обеспечивать функционирование основных структурных составляющих.

Конструктивно типовой комплект состоит из системного блока, монитора, клавиатуры,

мыши и печатающего устройства (принтера).

Внутри системного блока находятся два из трех (см. п. 2.3.) основных структурных составляющих: процессор и память.

Системный блок включает:

1)системную (материнскую) плату, где расположены процессор, оперативная и постоянная память, которые выполнены в виде больших интегральных микросхем (БИС). Кроме них на системной плате расположены генератор тактовых импульсов (ГТИ) и специальные переключатели, которые необходимы для обеспечения работы компьютера при выбранном составе внешних устройств.

2)адаптеры, контроллеры и порты – устройства, обеспечивающие связь с внешними устройствами;

3)накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД), на гибких магнитных дисках (НГМД), на оптических дисках (НОД);

4)блок питания.

Примечание. Конструктивно адаптеры, контроллеры могут располагаться непосредственно на системной плате.

Монитор, клавиатура, мышь и принтер являются базовыми устройствами ввода/вывода, обеспечивающими минимально необходимые функции ПК.

С помощью клавиатуры пользователем в ПК вводится символьно-цифровая информация.

Монитор (экран) служит для отображения информации в удобном для пользователя виде. Мониторы в настоящее время подразделяются на мониторы с электронно-лучевой трубкой и жидко кристальные мониторы. Размеры мониторов измеряются в дюймах (||) по диагонали. Стандартными являются 14||, 15||,17||,19||,22|| - мониторы. Кроме размеров важнейшей характеристикой монитора является частота обновления. Чем выше частота обновления, тем

18

лучше качество изображения. Современные мониторы работают на частоте 75, 85, 100 или 120 Гц. Наилучшим качеством отличаются мониторы фирм LG и Samsung.

Мышь позволяет в графической среде WINDOWS осуществлять управление курсором на экране монитора, а также запускать выполнение команд и программ. Мыши бывают механические и оптические.

С помощью принтера осуществляется вывод информации на бумажные носители. В зависимости от способа и принципа печати принтеры делятся на лазерные, струйные (чернильные) и матричные (игольчатые). Наиболее распространенными в настоящее время на рынке являются принтеры фирм Hewlett-Packard, Epson, Lexmark, Xerox.

2.4.3 Структурная схема ПК. Внутренние устройства ПК

Структурная схема ПК представлена на рис. 2.2.

Микропроцессор (МП) является основным элементом ПК и предназначен для управления работой всего ПК, а также для выполнения арифметических и логических операций. В настоящее время наиболее распространенными моделями являются микропроцессоры Pentium, Celeron фирмы Intel и Athlon фирмы AMD. В состав микропроцессора входят:

арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор);

регистры общего назначения (РОН) – это быстродействующие ячейки памяти, используемые в основном как различные счетчики и указатели на адресное пространство ПК. В современных микропроцессорах имеется шестнадцать 64 –х битных регистров общего назначения. Обращение к регистрам позволяет значительно увеличить быстродействие выполняемой программы;

кэш-память – блок высокоскоростной памяти, в которую копируются данные, извлеченные из оперативной памяти. Такое сохранение основных команд позволяет повысить производительность процессора. Современные микропроцессоры имеют кэш-память первого (L1) и второго (L2) уровней. Кэш-память первого уровня (L1), как правило, имеет объем 128 Кбайт, емкость кэшпамяти второго уровня достигает 1 Мбайта;

устройство управления (УУ) формирует и подает во все элементы ПК в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций;

19

схемы управления шиной реализуют сопряжение и связь с другими устройствами ПК через системную шину

20