Глава 2. Технические средства реализации информационных процессов

1. Принципы работы вычислительной системы. Основные этапы развития вычислительной техники. Архитектуры компьютеров.

   1. Понятие вычислительной системы и принципы ее работы. Поколения компьютеров.

Компьютер (от английского computer - вычислитель) принято рассматривать как вычислительную систему (устройство), способную выполнять заданную, четко определенную программой последовательность операций для манипулирования различными типами данных, проведения обработки и преобразований содержащейся в них информации.

Впервые ответ на вопрос: какую систему мы называем компьютер, и какие основные элементы и устройства должны входить в его состав?, был сформулирован американ­ским ученым Джоном фон Нейманом в виде его модели универсального вычислительного устройства «Компьютера фон Ней­мана», ко­торая, в современном понимании, включает в себя четыре типа компонент:

1. Вычисляющее арифметически-логическое устройство. (АЛУ). Сюда относится процессор и дополнительные микросхемы, размещенные с ним на специальной материнской плате (кэш-память, интерфейсы, чипсет, и т, д.).

2. Устройство управления. (УУ) Эту функцию обеспечивает, совместно с процессором, на­бор микросхем материнской платы (чипсет).

3. Запоминающее устройство (ЗУ) Блоки памяти для хранения обрабатываемой информа­ции и управляющего работой АЛУ кода программ. В первую очередь это оперативная память (RAM), жесткий диск (винчестер) а также и другие типы накопителей, внутри и вне компьютера.

4. Внешние устройства (периферия). Монитор, клавиатура, мышь, принтер, сканер, внешний модем, зву­ковые колонки и др. устройства, необходимые для ввода в компьютер и вывода из него инфор­ма­ции различных типов.

Устройства, включающие в себя все эти компоненты, представляют автоматические средства обработки информации и первоначально назывались электронно- вычислительные машины (ЭВМ) , а в последствии компьютеры . Впервые они появились в начале 50-х го­дов прошлого века, хотя историю их развития принято отсчитывать с середины сороковых годов , когда почти одновременно в нескольких странах: Англии, США и СССР были созданы первые ЭВМ. Так, в 1946 году, в Пенсильванском университете американскими инженером- электронщиком Д. Эккертом и физиком Д. Моучли был создан «вычислитель» ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer)¹. Первым же, кто еще в 1812 г. сформулировал принцип универсальной вычислительной машины и принцип программного управления вычислениями был английский изобретатель Чарльз Беббидж. Автоматизацию процесса работы ЭВМ обеспечивает принцип программного управления. Согласно этому принципу решение любой задачи компьютер выполняет по программе, которая определяет последовательность его действий. Графиня Августа Ада Лавлейс (дочь поэта Байрона), как считают, создала первую программу, управляющую механическим вычислительным устройством Беббиджа. В её честь назван один из языков программирования – Ада.

Влияние элементной базы на развитие средств вычислительной техники всегда было настолько велико, что впоследствии, в зависимости от типа применяемых конструктивных элементов в ЭВМ, их отнесли к ряду поколений.

Первое поколение ЭВМ (начало50-х—конец 50-х годов) создавалось на электронных лампах, быстродействие их было, как правило, в пределах 2—3 тыс. арифметических операций в секунду. Машины предназначались в основном для решения вычислительных задач. На данном этапе программирование задач выполнялось сначала только в кодах ЭВМ (машинный код), затем появились автокоды и ассемблеры, в определенной мере автоматизирующие процесс программирования. К этому поколению ЭВМ можно отнести: DEDUCE (Англия), ENIAC, MARK-3, (США), М-20, МЭСМ, БЭСМ-1, БЭСМ-2, «Стрела», М-1, М-З, «Минск-1», «Урал-1», «Урал-2», «Урал-3» (СССР) и др. В машинах первого поколения были реализованы логические принципы построения электронно-вычислительных машин архитектуры Джона фон Неймана.

Второе поколение ЭВМ (1960—1965-х годов) конструировали на транзисторах. Новая элементная технология позволила резко повысить надежность ЭВМ, снизить габариты и потребляемую мощность, а также значительно повысить их производительность. Машины нашли широкое применение для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве. Кроме непосредственного доступа к ЭВМ появился пакетный режим обработки информации, включающий мультипрограммирование.

Стали строить специализированные компьютеры, например ЭВМ для решения экономических задач, для управления производственными процессами, системами передачи информации и т.д. В рамках второго поколения все более четко проявляется дифференциация ЭВМ на малые, средние и большие, позволившая существенно расширить сферу применения ЭВМ в областях автоматизизации систем управления предприятиями и технологическими процессами. К ЭВМ второго поколения относятся IBM 7090, LARC (США), ATLAS (Англия), М-220, М-222, БЭСМ-4, , БЭСМ-6, Урал-14, Урал-16, Минск-22, Минск-32, БЭСМ-3, МИР-2, Наири, Проминь, Рута (СССР) и др.

Третье поколение ЭВМ (1965- 70-е годы) связывают с появлением ЭВМ с элементной базой на интегральных схемах (ИС) пока относительно малой степени интеграции. Развитие этого поколения серий совместимых ЭВМ, использующие ИС-технологию, началось с создания фирмой IBM (США) ряда компьютеров различной производительности-серии IBM-360/370, совместимых программно снизу вверх, обладающих возрастающими от модели к модели возможностями. Чрезвычайно важным оказалось то, что была достигнута стандартизация систем команд процессоров ЭВМ, что привело к резкому сокращению дублирования разработок программного обеспечения для компьютеров от разных производителей, а также унификацию периферийных устройств ЭВМ. Кроме того, возникли технологии работы с разделением времени и ресурсов компьютера между многими пользователями одновременно.

В СССР была создана серия Единой Системы ЭВМ (ЕС ЭВМ) совместимая с серией моделей IBM-360/370. Среди других можно отметить серии мини ЭВМ PDP-8, PDP-11, B3500. В нашей стране наряду с серией ЕС ЭВМ были созданы серии малых ЭВМ (СМ ЭВМ), совместимых с известной PDP-серией.

Четвертое поколение ЭВМ (с середины 70-х годов) создано на сверхбольших интегральных схемах (СБИС). Высокая степень интеграции способствовала увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, и привело к появлению микро-ЭВМ. Резко возросла производительность и расширились области применения компьютеров. Еще более тесной становится связь структуры машины с ее программным обеспечением, основным становится визуально-графический способ управления работой компьютера, через операционную систему (CP/M,Windows, Unix, Linux и т.д.) - комплекс программ по управлению работой аппаратно-программной части ЭВМ и организации взаимодействия пользователя с ЭВМ.

Машины четвертого поколения можно условно разделить на пять основных классов: микро-ЭВМ и персональные компьютеры (ПК), мини-ЭВМ, специальные ЭВМ, ЭВМ общего назначения и супер-ЭВМ. К особенности применения четвертого поколения следует также отнести и создание больших информационно-вычислительных сетей, объединяющих различные классы и типы ЭВМ, а также информационно-интеллектуальных систем различного назначения.