Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. МАШИНА БЭББИДЖА
• 2. ПРИНЦИПЫ ФОН НЕЙМАНА
• 3. ЭТАПЫ СОЗДАНИЯ СОВРЕМЕННО ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, изобретение ЭВМ является одним из выдающихся достижений XX века. Немногим более чем за полвека вычислительная техника прошла путь от идеи создания и первых, достаточно простых с современной точки зрения, устройств до сложнейших систем. Это касается как технической и технологической базы, так и способов организации этих систем и управления ими, которое осуществляется с помощью программного обеспечения. В развитие вычислительных систем вложена интеллектуальная мощь самых высокоразвитых стран мира.

1. МАШИНА БЭББИДЖА

В первой половине XIX в. англичанин Чарльз Бэббидж (1791-1871) разработал конструкцию машины, которую можно было бы назвать первым компьютером. Но он не был построен, так как машина должна была быть механической, а необходимая точность изготовления деталей для этой машины в середине XIX в. была недостижима. Устройство компьютера по чертежам Бэббиджа было описано Августой Адой Лавлейс. Она же разработала теорию программирования, написала несколько программ для еще не существующей вычислительной машины. Загружать программу надо было при помощи карточек с пробитыми дырочками - перфокарт.

Основные части первого компьютера были теми же, что и в любой современной ЭВМ:

- устройство для ввода данных;

- запоминающее устройство, способное хранить исходные данные и промежуточные результаты (Бэббидж назвал его "складом");

- арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции ("мельница");

- устройство управления, руководящее перемещениями со "склада" на "мельницу" и работой "мельницы" и обеспечивающее выполнение нужных действий в нужном порядке по заданной программе;

- устройство для вывода результата.

Приборы, которые можно отнести к программируемым устройствам:

- математик и корабел А. Н. Крылов (1863-1945) изобрел машину для решения дифференциальных уравнений;

- в 1915 г. немецкая фирма "Аскания" построила вычислительную машину для расчета времени приливов и отливов на северном побережье Германии, она работала до 1975 г.;

- в 1804 г. французский инженер Жозеф Мари Жаккард сконструировал станки, которые ткали сложные узоры, руководствуясь последовательностью перфокарт;

- различные музыкальные автоматы, шарманки, механические пианино.

2. ПРИНЦИПЫ ФОН НЕЙМАНА

Первая вычислительная машина и подавляющее большинство последующих машин были основаны на принципах, которые были предложены американским ученым Джоном фон Нейманом. Укажем эти принципы в современной трактовке.

Вычислительная машина состоит из следующих основных блоков:

устройство управления,

арифметико-логическое устройство,

запоминающее устройство,

устройство ввода-вывода.

Программы и данные хранятся в одной и той же памяти (концепция хранимой программы). Команды представляются в числовой форме и хранятся в том же запоминающем устройстве, что и данные для вычислений. Таким образом, команды можно посылать в арифметическое устройство и преобразовывать как обычные числа. Это позволяет создавать программы, способные в процессе вычислений изменять самих себя.

Устройство управления и арифметическое устройство (обычно объединенные в центральный процессор) определяют действия подлежащие выполнению путем считывания команд из оперативной памяти (концепция последовательного потока команд управления). При этом:

программа состоит из набора команд, которые выполняются одна за другой,

адрес очередной ячейки памяти, из которой следует брать команду, указывается счетчиком команд в устройстве управления,

в зависимости от полученных результатов имеется возможность менять последовательность вычислений (условный переход),

данные, с которыми работает программа, могут включать переменные (т.е. имена). Области памяти могут быть также поименованы, так что к запомненным в них значениям можно впоследствии обращаться или менять их во время выполнения программы с использованием присвоенных имен.

Первые вычислительные машины были предназначены только для производства вычислений. Дальнейшее развитие вычислительных средств диктовалось все расширяющимся кругом задач, решение которых и определило развитие технических и программных средств.

3. ЭТАПЫ СОЗДАНИЯ СОВРЕМЕННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

беббидж нейман компьютер вычислительный

Развитие поколений ЭВМ рассмотрим по схеме: задачи, структура и режим работы, программное обеспечение и технология.

ЭВМ I поколения

Задачи: - обработка числовой информации

Структура:

индивидуальный режим

рис. 1

Процессор является основным элементом ЭВМ. Он включает в себя арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления. АЛУ выполняет арифметические операции, логические операции и операции сдвига. С помощью этих операций выполняются все действия, которые производит ЭВМ.

Ядром АЛУ является сумматор, который позволяет выполнять операцию сложения. С помощью сложений и сдвигов выполняются операции умножения и деления. Операция вычитания так же выполняется с помощью сложения, предварительно видоизменив вычитаемое (вычитаемое представляется в так называемом дополнительном коде).

Память представляет устройство для хранения информации. Память состоит из ячеек, каждая из которых предназначена для хранения одного двоичного числа и имеет определенный адрес. По этому адресу из ячейки может быть извлечено число (снята копия), либо в эту ячейку записано другое число, заместив предыдущее. Ячейки памяти пронумерованы, и номер ячейки является ее адресом. Как указывалось выше, это двоичное число может представлять собой либо данные, либо команду, либо иной код.

За пультом управления работал человек, который был одновременно поставщиком задачи, алгоритмистом, программистом, оператором, инженером-наладчиком и т.п., т.е. человеком, который знает машину в совершенстве и умеет работать на ней.

Язык: - машинный язык (цифровые коды), который умеет выполнять арифметические операции, логические операции, операции передачи управления, операции изменения команд.

Программное обеспечение: - библиотеки стандартных подпрограмм на машинном языке (вычисление элементарных функций, организация ввода-вывода и т.п.); программы включения этих подпрограмм в нужное место исполняемой программы.

Технология: - машины изготовлены на электронных лампах, уникальны. Малы память и быстродействие. Велика потребляемая мощность. Машины огромны.

ЭВМ II поколения

Задачи: - к существующим добавились задачи экономической обработки, обработки текстовой информации.

Структура:

Как видно из структуры ЭВМ, произошла дифференциация памяти, и она разделилась на оперативную память и внешнюю память.

Внешняя память, как правило, выполнялась на магнитных барабанах. Магнитный барабан представляет собой вращающуюся цилиндрическую поверхность, на которой нанесен магнитный слой. С помощью магнитных головок читается или записывается информация на дорожках, расположенных на поверхности барабана.

однопрограммный пакетный режим

рис.2

В составе ЭВМ появились регистры. Регистр - это устройство для хранения информации и обеспечения быстрого доступа к ней. Регистр состоит из элементов, которые, как правило, имеют два устойчивых состояния. Эти состояния интерпретируются как «0» и «1». Таким образом, каждый элемент регистра может хранить 1 бит информации. Бит - это наименьшая «порция» информации, содержащая либо 1, либо 0. В регистре, состоящем из n элементов, можно запомнить слово. Слово (или машинное слово) - это совокупность битов, рассматриваемая аппаратной частью вычислительной машины, как единое целое. Число битов в слове называется длиной слова, или размером слова. Сейчас обычно это 16 или 32.

Часто регистр имеет тот же размер, что и машинное слово, однако, при необходимости он может иметь длину в байтах или битах, отличающуюся от длины слова. Информация, хранящаяся в регистре, может интерпретироваться как двоичное число, команда, буквенно-цифровой знак и т.д. Регистры служат для ускорения работы ЭВМ в целом, адресации памяти, согласования работы быстрых и медленных устройств и т.п.

В машинах второго поколения изменился и режим взаимодействия человека-пользователя и ЭВМ. Поскольку скорость работы человека и ЭВМ несоизмеримы, было предложено организовать пакетный режим, когда несколько задач объединялись в пакет. Каждая задача обрамлялась указаниями по ее выполнению и готовилась на внешних носителях информации (перфокартах или перфолентах). Такие пакеты затем загружались в ЭВМ (считывались во внешнюю память) и выполнялись в порядке определенном в заданиях согласно приоритетом и специальном алгоритмам. При таком режиме присутствие пользователя-программиста (универсала) стало необязательным, поскольку он не мог вмешаться в работу ЭВМ, и его место занял профессионал-оператор, формирующий пакеты и в общем случае не знающий какие решаются задачи и какие предположительно должны быть получены результаты.

Пульт управления был заменен пультом оператора, а пользователь был отстранен от ЭВМ и дождался результатов или сообщений об ошибках иногда по несколько дней.

Язык: - алгоритмические языки (языки высокого уровня - ЯВУ); машинный язык, к которому добавились операции работы с символами, операции работы с регистрами; язык управления заданиями.

Программное обеспечение: - библиотеки программ на машинных языках и языках высокого уровня; трансляторы (компиляторы, интерпретаторы); диспетчеры (понимают язык управления заданиями, обеспечивают смену заданий и т.п.)

Технология: - основными элементами ЭВМ являются транзисторы. Машины стали серийными, более компактными.

В целом можно сказать, что, несмотря на улучшение характеристик, во втором поколении пользователя оттеснили от ЭВМ, усложнив его общение с машиной вследствие введения пакетного режима и языка управления заданиями.

ЭВМ III поколения

Задачи: - в третьем поколении особенно остро стал вопрос обработки больших массивов информации

Структура:

многопрограммный режим

рис.3

В структуре ЭВМ произошла еще большая дифференциация памяти. Появилось сверхоперативное запоминающее устройство (СОЗУ) для хранения микропрограмм выполнения операций, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) для хранения жизненно важных для работы ЭВМ программ. Значительно увеличился объем оперативного запоминающего устройства.

Для того чтобы обслуживать перемещение информации между различными устройствами ЭВМ в состав машин третьего поколения были включены специализированные процессоры (каналы), которые решают весь комплекс задач для обеспечения синхронной работы внешних устройств (форматирование, буферизация и т.п.). Введение дополнительных процессоров разгрузило центральный процессор от рутинных операций и позволило более рационально организовать работу медленных внешних устройств, обеспечив увеличение производительности ЭВМ в целом.

Организация многопрограммного режима путем разделения времени центрального процессора между различными задачами позволило, во-первых, вновь приблизить пользователей к ЭВМ, а во-вторых, породила ряд проблем, главная из которых заключалась в том, что задачи стали мешать друг другу. Эти проблемы были решены путем организации системы прерываний (аппаратно-программной), повлекшей включение специальных регистров прерывания, регистров маскирования (блокировка реакции ЭВМ на те или иные события), таймеров.

В третьем поколении значительно выросла номенклатура внешних устройств. Это терминалы, телетайпы, экранные пульты, графопостроители, устройства печати и т.п. Внешняя память в основном была организована на различных магнитных дисках (стационарных, съемных, гибких, винчестерских и т.п.) и магнитных лентах.

Язык: - к существующим языкам добавился язык привилегированных команд, которые выполняются только в режиме операционной системы.

Программное обеспечение:

в III поколении сформировалась в современном представлении операционная система (ОС) - комплекс программ, которые совместно управляют ресурсами системы и процессами, использующими эти ресурсы при вычислениях.

системы управления базами данных (СУБД)

системы программирования (СП) (трансляторы, редакторы, отладчики)

пакеты прикладных программ (ППП)

Технология: - основными элементами ЭВМ являются интегральные схемы (БИС). Оформились семейства совместимых машин (малы с ~10 тыс. опер./сек, средние ~100 тыс. опер./сек, большие ~1 млн. опер/сек). Повсеместно стало использоваться микропрограммирование для реализации операций машинного языка.

В целом в III поколении в основном оформились все основные черты архитектуры современных ЭВМ.

ЭВМ IV поколения

Задачи: - ЭВМ стали использоваться практически во всех областях человеческой деятельности, поэтому круг задач резко расширился.

Структура:

в структуре ЭВМ можно выделить следующие направления:

Многопроцессорность - когда несколько центральных процессоров работают с общим полем оперативной памяти

Шинная организация - когда все устройства ЭВМ подключены к общей шине, через которую осуществляется обмен информацией между устройствами

В структуре ЭВМ появляются сопроцессоры (СП), расширяющие возможности ЭВМ.

Сопроцессор - вычислительное устройство, которое дополняет функциональные возможности основного (центрального) процессора (например, высокоскоростная арифметика с плавающей точкой, вычисление тригонометрических функций и т.п.) и может иметь свой набор команд.

Разделение спектра быстродействия

В четвертом поколении произошло разделение ЭВМ на суперЭВМ и микроЭВМ

Интеллектуальные терминалы - это микроЭВМ, предназначенные для осуществления обмена информацией с более крупной вычислительной системой и осуществляющие предварительную обработку информации.

Следует отметить, что микроЭВМ IV поколения зачастую имеют лучшие характеристики (объем памяти, быстродействия и т.п.), чем большие ЭВМ III поколения.

Объединение ЭВМ в сети.

Сети ЭВМ возникли в III поколении. Для IV поколения их использование типично. Идет бурное развитие сетевых технологий и топологий сетей.

Язык: - в IV поколении определилась тенденция повышения уровня машинного языка и приближения его к языкам высокого уровня.

Программное обеспечение: - получили мощное развитие проблемно-ориентированные системы (ПОС), ориентированные на пользователя - непрофессионального программиста.

Технология: - основными элементами ЭВМ являются сверхбольшие интегральные схемы (СБИС).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из новых принципов построения вычислительных систем последующих поколений можно выделить организацию вычислительных систем с программируемой архитектурой (создание некоторой виртуальной вычислительной системы на базе имеющихся технических средств для решения определенного класса задач), управление потоком данных вместо потока команд, отказ от классических принципов построения вычислительных систем, в том числе от неймановского принципа программного управления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бауэр, Ф. Л. Информатика. Вводный курс: В 2 ч. / Ф. Л. Бауэр, Г. Гооз.- М.: Мир, 1990. - 202 с.

2. Водовозов , В .. Введение в вычислительную технику и компьютерные технологии.- Вологда : ВоГТУ , 2000 .- 108 с.

3. Заварыкин В.М., Основы информатики и вычислительной техники, М: Просвещение, 1987 г.

4. Каган , Б .. Электронные вычислительные машины и системы : Учеб . пособие для вузов. - М .:Энергоатомиздат , 1985.-552 с.

5. Кушниренко , А .. Основы информатики и вычислительной техники.- М .: Просвещение , 1999 .-223 .

Размещено на Allbest.ru