Лекция 2. Эволюция средств электронной вычислительной техники. Персональные компьютеры (пк)

Эволюция средств вычислительной техники. Общие принципы функционирования электронных вычислительных машин (ЭВМ). Классы и поколения ЭВМ, их краткая характеристика. История создания и развития персональных компьютеров (ПК). Принцип открытой архитектуры в конструировании и создании ПК. Виды ПК. Перспективы и тенденции в развитии ПК. Применение вычислительной техники в медицине и здравоохранении. Основы пользовательского интерфейса IBM-подобных ПК.

1. Эволюция средств вычислительной техники.

Во все вре­ме­на лю­дям при­хо­ди­лось считать. В да­ле­ком про­шлом они счита­ли на паль­цах, использовали камешки или де­ла­ли на­сечки на дереве, камнях, кос­тях. При­мер­но 4 тыс. лет то­му на­зад, на за­ре чело­вечес­кой ци­ви­ли­за­ции бы­ли изо­бре­те­ны уже до­воль­но слож­ные сис­те­мы счис­ле­ния, по­зво­ляю­щие осу­ще­ст­в­лять тор­го­вые сдел­ки, рассчиты­вать ас­тро­но­мичес­кие цик­лы, из­ме­рять зе­мель­ные участ­ки и про­во­дить дру­гие вычис­ле­ния.Не­сколь­ко ты­сячеле­тий спус­тя поя­ви­лись пер­вые ручные вычис­ли­тель­ные уст­рой­ст­ва. В на­ши дни слож­ней­шие вычис­ли­тель­ные за­дачи, как и мно­же­ст­во дру­гих опе­ра­ций, ка­за­лось бы, не свя­зан­ных с чис­ла­ми, ре­ша­ют­ся с по­мо­щью ком­пь­ю­те­ров.

Со­вре­мен­ный ком­пь­ю­тер - это не мозг, а про­сто-на­про­сто ин­ст­ру­мент, еще од­но уст­рой­ст­во, при­ду­ман­ное для то­го, что бы об­легчить наш труд. Ни од­на дру­гая ма­ши­на в ис­то­рии чело­вечес­т­ва не при­нес­ла столь бы­ст­рых и глу­бо­ких из­ме­не­ний, как ЭВМ. При­ме­не­ние ЭВМ в об­лас­ти здравоохранения и ме­ди­ци­ны ока­зы­ва­ет глу­бо­кое влия­ние на качес­т­во жиз­ни в ци­ви­ли­зо­ван­ных стра­нах.

Компьютер (англ. computer — вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами.

Существуют два основных типа компьютеров:

• цифровые – устройства для обработки данных в цифровом (двоичном) коде;

• аналоговые – устройства, в которых исследуемая величина моделируется непрерывными (аналоговыми) физическими величинами (электрический ток, время и т.д.).

Так как в настоящее время в основном используются цифровые компьютеры, то в дальнейшем изложении материала будем понимать под термином компьютер цифровую ЭВМ.

Три тех­ничес­ких нов­ше­ст­ва сде­ла­ли воз­мож­ным по­яв­ле­ние ком­пь­ю­те­ра:

• элек­трон­ный пе­ре­ключатель схем;

• циф­ро­вое ко­ди­ро­ва­ние ин­фор­ма­ции;

• соз­да­ние уст­ройств ис­кус­ст­вен­ной па­мя­ти.

Современные компьютеры в полной мере используют кодирование информации в цифровом двоичном коде и ее хранение в технических устройствах, а электронные схемы, принимающие непосредственное участие в обработке информации, по своей сути представляют собой электронные переключатели.

Из всех изо­бре­та­те­лей про­шлых сто­ле­тий, внес­ших тот или иной вклад в раз­ви­тие ВТ, бли­же все­го к соз­да­нию ком­пь­ю­те­ра в со­вре­мен­ном его по­ни­ма­нии сто­ял анг­лий­ский ма­те­ма­тик ЧАРЛЗ БЭБ­БИДЖ (1791-1871).

В течение 13 лет Ч. Бэб­бидж за­ве­до­вал ка­фед­рой ма­те­ма­ти­ки Кем­бридж­ско­го уни­вер­си­те­та, ос­но­вал Ко­ро­лев­ское ас­тро­но­мичес­кое об­ще­ст­во, был ав­то­ром все­воз­мож­ных научных трак­та­тов. Сфе­ра его научных ин­те­ре­сов бы­ла чрез­вычай­но ши­ро­ка - от по­ли­ти­ки до тех­но­ло­гии от­дель­ных про­из­водств. Од­на­ко наи­выс­шим дос­ти­же­ни­ем это­го уди­ви­тель­но­го ге­ния бы­ла раз­ра­бот­ка в 1834 го­ду прин­ци­пов, по­ло­жен­ных в ос­но­ву со­вре­мен­ных ком­пь­ю­те­ров, за це­лое сто­ле­тие до то­го как поя­ви­лась тех­ничес­кая воз­мож­ность их реа­ли­за­ции.

Ана­ли­тичес­кая ма­ши­на Ч. Бэб­бид­жа содержала та­кие ком­по­нен­ты как"мель­ни­цу" и "склад"(в со­вре­мен­ной тех­но­ло­гии - ариф­ме­тичес­кое уст­рой­ст­во и па­мять). По за­мыс­лу ав­то­ра, па­мять ма­ши­ны долж­на бы­ла вме­щать до 100 40-раз­ряд­ных чисел. Ре­зуль­та­ты вычис­ле­ний ли­бо от­прав­ля­лись в па­мять, ли­бо рас­печаты­ва­лись. Ин­ст­рук­ции или ко­ман­ды вво­ди­лись в Ана­ли­тичес­кую ма­ши­ну с по­мо­щью пер­фо­карт. Написанием программ для Аналитической машины занималасьАда Лавлейс(дочь поэта Байрона), считающейся первым программистом. До по­след­них дней сво­ей жиз­ни Бэб­бидж ра­бо­тал над про­ек­том Ана­ли­тичес­кой ма­ши­ны, не пы­та­ясь ее по­стро­ить. И толь­ко в 1906 го­ду сы­ном Бэб­бид­жа бы­ли вы­пол­не­ны де­мон­ст­ра­ци­он­ные мо­де­ли от­дель­ных уз­лов ма­ши­ны. Ес­ли бы ма­ши­ны бы­ла за­вер­ше­на, то по оцен­ке Ч. Бэб­бид­жа, ей по­тре­бо­ва­лось бы на сло­же­ние двух чисел 2 с, на ум­но­же­ние - око­ло 1 мин.

Чарлз Бэббидж и Ада Лавлейс

Пер­вым соз­да­те­лем ав­то­ма­тичес­кой вычис­ли­тель­ной ма­ши­ны счита­ет­ся не­мец­кий ин­же­нер К. Цу­зе, которому пришлось заново открыть идеи Ч. Бэббиджа.

Ра­бо­ты над соз­да­ни­ем вычис­ли­тель­ной ма­ши­ны им бы­ли начаты в 1933 г. К. Цузепришел к выводу, что будущие компьютеры будут основаны на шести принципах:

• двоичная система счисления;

• использование устройств, работающих по принципу "да/нет" (логические 1 и 0);

• полностью автоматизированный процесс работы вычислителя;

• программное управление процессом вычислений;

• поддержка арифметики с плавающей запятой;

• использование памяти большой емкости.

В1937 г. Цу­зе по­стро­ил мо­дель ме­ха­ничес­ко­го ком­пь­ю­те­ра, в ко­то­ром ис­поль­зо­ва­лась двоичная ариф­ме­ти­ка, пер­фо­кар­точный ввод дан­ных и ко­манд. В1938 г.Цу­зе по­стро­ил компьютерную мо­дель Z1, через три го­да (1941 г.) - Z3с про­грамм­ным управ­ле­ни­ем. В качес­т­ве эле­мент­ной ба­зы Цу­зе ис­поль­зо­вал элек­тричес­кие пе­ре­ключате­ли-ре­ле. Это былдвоичный ре­лей­ный (электромеханический) ком­пь­ю­терс па­мя­тью в 64 22-раз­ряд­ных чис­ла с пла­ваю­щей за­пя­той (7 раз­ря­дов для по­ряд­ка и 15 раз­ря­дов для ман­тис­сы). Вре­мя сло­же­ния двух чис­ле у Z3 со­став­ля­ло 0,3 с, ум­но­же­ния - 4,5 с.

Как вид­но, ме­ж­ду иде­ей Ч. Бэббиджа (1834 г.) и ее тех­ничес­ким во­пло­ще­ни­ем про­шло почти 100 лет. Та­кой раз­рыв обу­слов­лен тем, что при соз­да­нии ЭВМ од­ним из глав­ных мо­мен­тов яв­ля­ет­ся эле­мент­ная ба­за, т.е., те "кир­пичики", из ко­то­рых стро­ит­ся лю­бая вычис­ли­тель­ная сис­те­ма. Аналитическая машина во времена Ч. Бэббиджа оказалась слишком сложной для технического исполнения. Толь­ко по­яв­ле­ние электронно-вакуумной лам­пы по­зво­ли­ло пре­вра­тить в ре­аль­ность идею соз­да­ния ЭВМ.

В 1946 го­ду два аме­ри­кан­ских ученых из Пен­силь­ван­ско­го уни­вер­си­те­та

ДЖОН МОУЧЛИ И ДЖОН ПРЕ­СПЕР ЭК­КЕРТ скон­ст­руи­ро­ва­ли пер­вый в ми­ре элек­трон­ный ком­пь­ю­тер ЭНИ­АК (ENIAC- Electronic Numerical Integrator and Automatic Calculator)ⁱ, в ко­то­ром вме­сто элек­тро­ме­ха­ничес­ких пе­ре­ключате­лей-ре­ле бы­ли ис­поль­зо­ва­ны элек­трон­ные лам­пы.

Это бы­ла са­мая боль­шая вычис­ли­тель­ная ма­ши­на с ис­поль­зо­ва­ни­ем элек­трон­ных ламп (ма­ши­на ве­си­ла 30 т., за­ни­ма­ла пло­щадь 9Х15 кв. м, по­треб­ля­ла мощ­ность 150 кВт, со­дер­жа­ла 18000 элек­трон­ных ламп, так­то­вая час­то­та со­став­ля­ла все­го 100 Кгц, вре­мя сло­же­ния двух чисел - 0,2 мс, вычита­ния - 2,8 мс и стои­ла почти 2,7 млн. дол­ла­ров по це­нам то­го вре­ме­ни; се­го­дня та­кую вычис­ли­тель­ную мощ­ность мож­но бы­ло бы вме­стить в не­до­ро­гом си­ли­ко­ном чипе раз­ме­ром с дет­ский но­го­ток, и стои­ла бы она не бо­лее 10 дол­ла­ров). ЭНИ­АК ис­поль­зо­вал­ся для расчета бал­ли­стичес­ких таб­лиц, пред­ска­за­ний по­го­ды, расчетов в об­лас­ти атом­ной энер­ге­ти­ки и т.д. Хо­тя по срав­не­нию с се­го­дняш­ни­ми мо­де­ля­ми, по­ме­щаю­щи­ми­ся на пись­мен­ном сто­ле, ЭНИ­АК был гро­мозд­ким как ди­но­завр, он был ос­но­ван на том же прин­ци­пе, что и со­вре­мен­ные ком­пь­ю­те­ры: на циф­ро­вой об­ра­бот­ке ин­фор­ма­ции. Это значит, что ин­фор­ма­ция хра­ни­лась в па­мя­ти ком­пь­ю­те­ра в ви­де за­ко­ди­ро­ван­ных чисел и об­ра­ба­ты­ва­лась в ви­де опе­ра­ций над эти­ми чис­ла­ми.

Ог­ром­ное влия­ние на раз­ви­тие вычис­ли­тель­ной тех­ни­ки ока­зал бле­стя­щий американский ма­те­ма­тик венгерского происхождения

ДЖОН ФОН НЕЙ­МАН (1903-1957).

	Джон фон Нейманвы­дви­нулидею хра­не­ния про­грамм внут­ри ком­пь­ю­те­ра и их ав­то­ма­тичес­ко­го вво­да в дей­ст­вие.До по­яв­ле­ния ком­пь­ю­те­ра вычис­ли­тель­ные ма­ши­ны мог­ли вы­пол­нять толь­ко ко­ман­ды, по­сту­паю­щие из­вне от опе­ра­то­ра. В сво­ем ис­то­ричес­ком док­ла­де, опуб­ли­ко­ван­ном в 1945 г., ДЖОН ФОН НЕЙ­МАНвы­де­лил и де­таль­но опи­сал5 ключевых ком­по­нен­тов то­го,

что ны­не на­зы­ва­ют "ар­хи­тек­ту­рой фон Ней­ма­на" со­вре­мен­но­го ком­пь­ю­те­ра.Что­бы ком­пь­ю­тер был эф­фек­тив­ным и уни­вер­саль­ным ин­ст­ру­мен­том, он дол­жен (по фон Ней­ма­ну) включать в се­бя сле­дую­щие струк­ту­ры: