Что входит в состав вычислительной техники. Понятие о вычислительной технике. Персональные компьютеры. Функциональная схема компьютера. Вычислительная техника: значение слова
Электронно-вычислительные машины принято классифицировать по целому ряду признаков, в частности: по функциональным возможностям и характеру решаемых задач, по способу организации вычислительного процесса, по архитектурным особенностям и вычислительной мощности.
По функциональным возможностям и характеру решаемых задач выделяют:
Универсальные (общего назначения) ЭВМ;
Проблемно-ориентированные ЭВМ;
Специализированные ЭВМ.
Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых разных инженерно-технических задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных.
Проблемно-ориентированные ЭВМ предназначены для решения более узкого круга задач, связанных с регистрацией, накоплением и обработкой небольших объемов данных.
Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач (микропроцессоры и контроллеры, выполняющие функции управления техническими устройствами).
По способу организации вычислительного процесса ЭВМ подразделяются на однопроцессорные и многопроцессорные, а также последовательные и параллельные.
Однопроцессорные. В составе ЭВМ имеется один центральный процессор и все вычислительные операции и операции по управлению устройствами ввода-вывода информации осуществляются на этом процессоре.
Многопроцессорные. В составе ЭВМ имеется несколько процессоров между которыми перераспределяются функции по организации вычислительного процесса и управлению устройствами ввода-вывода информации.
Последовательные. Работают в однопрограммном режиме, когда работа ЭВМ построена так, что она может исполнять только одну программу, и все ее ресурсы используются только в интересах исполняемой программы.
Параллельные. Работают в мультипрограммном режиме, когда в ЭВМ на исполнении находится несколько пользовательских программ и между этими программами происходит разделение ресурсов, обеспечивая их параллельное выполнение.
По архитектурным особенностям и вычислительной мощности различают:
Рассмотрим схему классификации ЭВМ по этому признаку (рис.1).
Рис.1. Классификация ЭВМ по архитектурному признаки
и вычислительной мощности.
Суперкомпьютеры – это самые мощные по быстродействию и производительности вычислительные машины. К суперЭВМ относятся “Cray” и “IBM SP2” (США). Используются для решения крупномасштабных вычислительных задач и моделирования, для сложных вычислений в аэродинамике, метеорологии, физике высоких энергий, также находят применение и в финансовой сфере.
Большие машины или мейнфреймы (Mainframe). Мейнфреймы используются в финансовой сфере, оборонном комплексе, применяются для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров.
Средние ЭВМ широкого назначения используются для управления сложными технологическими производственными процессами.
Мини-ЭВМ ориентированы на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов, в качестве сетевых серверов.
Микро-ЭВМ - это компьютеры, в которых в качестве центрального процессора используется микропроцессор. К ним относятся встроенные микро – ЭВМ (встроенные в различное оборудование, аппаратуру или приборы) и персональные компьютеры PC.
Персональное компьютеры. Бурное развитие приобрели в последние 20 лет. Персональный компьютер (ПК) предназначен для обслуживания одного рабочего места и способен удовлетворить потребности малых предприятий и отдельных лиц. С появлением Интернета популярность ПК значительно возросла, поскольку с помощью персонального компьютера можно пользоваться научной, справочной, учебной и развлекательной информацией.
К персональным компьютерам относятся настольные и переносные ПК. К переносным ЭВМ относятся Notebook (блокнот или записная книжка) и карманные персональные компьютеры (Personal Computers Handheld - Handheld PC, Personal Digital Assistants – PDA и Palmtop).
Встроенные компьютеры. Компьютеры которые используются в различных устройствах, системах, комплексах для реализации конкретных функций. Например диагностика автомобилей.
С 1999 года для классификации ПК используется международный сертификационный стандарт – спецификация РС99. В соответствии с этой спецификацией ПК делятся на следующие группы:
· массовые ПК (Consumer PC);
· деловые ПК (Office PC);
· портативные ПК (Mobile PC);
· рабочие станции (WorkStation);
· развлекательные ПК (Entertaiment PC).
Большинство ПК относится к массовым и включают стандартный (минимально необходимый) набор аппаратных средств. В этот набор входят: системный блок, дисплей, клавиатура, манипулятор типа «мышь». При необходимости этот набор легко дополняется другими устройствами по желанию пользователя, например, принтером.
Деловые ПК включают минимум средств воспроизведения графики и звука.
Портативные ПК отличаются наличием средств коммуникации отдаленного доступа.
Рабочие станции отвечают повышенным требованиям к объемам памяти устройств хранения данных.
Развлекательные ПК ориентированы на высококачественное воспроизведение графики и звука.
По конструктивным особенностям ПК делятся на:
· стационарные (настольные, Desktop);
· переносимые:
· портативные (Laptop);
· блокнотные (Notebook);
· карманные (Рalmtop).
К основным характеристикам вычислительной техники относятся ее эксплуатационно-технические характеристики, такие, как быстродействие, емкость памяти, точность вычислений и др.
Быстродействие ЭВМ рассматривается в двух аспектах. С одной стороны, оно характеризуется количеством элементарных операций, выполняемых центральным процессором в секунду. Под элементарной операцией понимается любая простейшая операция типа сложения, пересылки, сравнения и т. д. С другой стороны, быстродействие
ЭВМ существенно зависит от организации ее памяти. Время, затрачиваемое на поиск необходимой информации в памяти, заметно сказывается на быстродействии ЭВМ.
В зависимости от области применения выпускаются ЭВМ с быстродействием от нескольких сотен тысяч до миллиардов операций в секунду. Для решения сложных задач возможно объединение нескольких ЭВМ в единый вычислительный комплекс с требуемым суммарным быстродействием.
Наряду с быстродействием часто пользуются понятиемпроизводительность . Если первое обусловлено, главным образом, используемой в ЭВМ системой элементов, то второе связано с ее архитектурой и разновидностями решаемых задач. Даже для одно» ЭВМ такая характеристика, как быстродействие, не является величиной постоянной. В связи с этим различают:
пиковое быстродействие, определяемое тактовой частотой процессора без учета обращения к оперативной памяти;
номинальное быстродействие, определяемое с учетом времени обращения к оперативной памяти;
системное быстродействие, определяемое с учетом системных издержек на организацию вычислительной процесса;
эксплуатационное, определяемое с учетом характера решаемых задач (состав, операций или их «смеси»).
Емкость, или объем памяти определяется максимальным количеством информации которое можно разместить в памяти ЭВМ. Обычно емкость памяти измеряется в байтах. Как уже отмечалось, память ЭВМ подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя, или оперативная память, по своему объему у различных классов машин различна и определяется системой адресации ЭВМ. Емкость внешней памяти из-за блочной структуры и съемных конструкций накопителей практически неограниченна.
Точность вычислений зависит от количества разрядов, используемых для представления одного числа. Современные ЭВМ комплектуются 32- или 64-разрядными микропроцессорами, что вполне достаточно для обеспечения высокой точности расчетов самых разнообразных приложениях. Однако, если этого мало, можно использовать уд военную или утроенную разрядную сетку.
Система команд - это перечень команд, которые способен выполнить процессор ЭВМ. Система команд устанавливает, какие конкретно операции может выполнять процессор, сколько операндов требуется указать в команде, какой вид (формат) должна имеет команда для ее распознания. Количество основных разновидностей команд невелико, с их помощью ЭВМ способны выполнять операции сложения, вычитания, умножена деления, сравнения, записи в память, передачи числа из регистра в регистр, преобразования из одной системы счисления в другую и т. д. При необходимости выполняете модификация команд, учитывающая специфику вычислений. Обычно в ЭВМ используется от десятков до сотен команд (с учетом их модификации). На современном этап развития вычислительной техники используются два основных подхода при формировании системы команд процессора. С одной стороны, это традиционный подход, свзязанный с разработкой процессоров с полным набором команд, - архитектура CIS (Complete Instruction Set Computer - компьютер с полным набором команд). С друге стороны, это реализация в ЭВМ сокращенного набора простейших, но часто употреблю емых команд, что позволяет упростить аппаратные средства процессора и повысить ei быстродействие - архитектура RISC (Reduced Instruction Set Computer - компьютер сокращенным набором команд).
Стоимость ЭВМ зависит от множества факторов, в частности от быстродействия, емкости памяти, системы команд и т. д. Большое влияние на стоимость оказывает конкретная комплектация ЭВМ и, в первую очередь, внешние устройства, входящие в состав машины. Наконец, стоимость программного обеспечения ощутимо влияет на стоимость ЭВМ.
Надежность ЭВМ - это способность машины сохранять свои свойства при заданных условиях эксплуатации в течение определенного промежутка времени. Количественной оценкой надежности ЭВМ, содержащей элементы, отказ которых приводит к отказу всей машины, могут служить следующие показатели:
вероятность безотказной работы за определенное время при данных условиях эксплуатации;
наработка ЭВМ на отказ;
среднее время восстановления машины и др.
Для более сложных структур типа вычислительного комплекса или системы понятие «отказ» не имеет смысла. В таких системах отказы отдельных элементов приводят к некоторому снижению эффективности функционирования, а не к полной потере работоспособности в целом.
Важное значение имеют и другие характеристики вычислительной техники, например: универсальность, программная совместимость, вес, габариты, энергопотребление и др. Они принимаются во внимание при оценивании конкретных сфер применения ЭВМ.
Вычислительная техника
Основные понятия.
Часто понятие «вычислительная техника» отождествляют с понятием «компьютер». В этом случае под данным понятием имеют ввиду следующее:
Определение: Компьютер (англ. computer – «вычислитель») – машина для проведения вычислений.
При помощи вычислений компьютер способен обрабатывать информацию по заранее определённому алгоритму. Кроме того, большинство компьютеров способны сохранять информацию и осуществлять поиск информации, выводить информацию на различные виды устройств выдачи информации. Своё название компьютеры получили по своей основной функции – проведению вычислений. Однако в настоящее время лучше сказать, что основные функции компьютеров – обработка информации и управление.
Основные принципы : Выполнение поставленных перед ним задач компьютер может обеспечивать при помощи перемещения каких-либо механических частей, движения потоков электронов, фотонов, квантовых частиц или за счёт использования эффектов от любых других хорошо изученных физических явлений.
Наибольшее распространение среди компьютеров получили так называемые «электронно-вычислительные машины», ЭВМ . Собственно, для подавляющего большинства людей, слова «электронно-вычислительные машины» и «компьютеры» стали словами – синонимами, хотя на самом деле это не так. Наиболее распространённый тип компьютеров – электронный персональный компьютер.
Архитектура компьютеров может непосредственно моделировать решаемую проблему, максимально близко (в смысле математического описания) отражая исследуемые физические явления. Так, электронные потоки могут использоваться в качестве моделей потоков воды при моделировании дамб или плотин. Подобным образом сконструированные аналоговые компьютеры были обычны в 60-х годах XX века, однако сегодня стали достаточно редким явлением.
В большинстве современных компьютеров проблема сначала описывается в математических терминах, при этом вся необходимая информация представляется в двоичной форме (в виде единиц и нулей), после чего действия по её обработке сводятся к применению простой алгебры логики. Поскольку практически вся математика может быть сведена к выполнению булевых операций, достаточно быстрый электронный компьютер может быть применим для решения большинства математических задач (а также и большинства задач по обработке информации, которые могут быть легко сведены к математическим).
Было обнаружено, что компьютеры всё-таки могут решить не любую математическую задачу. Впервые задачи, которые не могут быть решены при помощи компьютеров, были описаны английским математиком Аланом Тьюрингом.
Результат выполненной задачи может быть представлен пользователю при помощи различных устройств ввода-вывода информации, таких, как ламповые индикаторы, мониторы, принтеры и т. п.
Начинающие пользователи и особенно дети зачастую с трудом воспринимают идею того, что компьютер – просто машина и не может самостоятельно «думать» или «понимать» те слова, которые он показывает. Компьютер лишь механически отображает заданные программой линии и цвета при помощи устройств ввода-вывода. Человеческий мозг сам признаёт в изображённом на экране образы, числа или слова и придаёт им те или иные значения.
С точки зрения деления информатики на отдельные науки, говорят о науке «вычислительная техника».
Определение: Информатика и вычислительная техника – это область науки и техники, которая включает в себя совокупность средств, способов и методов человеческой деятельности, направленных на создание и применение:
· ЭВМ, систем и сетей;
· автоматизированных систем обработки информации и управления;
· систем автоматизированного проектирования;
· программного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных систем.
Определение: Вычислительная техника – это
1) область техники, объединяющая средства автоматизации математических вычислений и обработки информации в различных областях человеческой деятельности;
2) наука о принципах построения, действия и проектирования этих средств.
§2. «Вычислительная техника» = «компьютер».
Этимология
Слово компьютер является производным от английских слов to compute , computer , которые переводятся как «вычислять», «вычислитель» (английское слово, в свою очередь, происходит от латинского computo – «вычисляю»). Первоначально в английском языке это слово означало человека, производящего арифметические вычисления с привлечением или без привлечения механических устройств. В дальнейшем его значение было перенесено на сами машины, однако современные компьютеры выполняют множество задач, не связанных напрямую с математикой.
Впервые трактовка слова компьютер появилась в 1897 году в Оксфордском английском словаре. Его составители тогда понимали компьютер как механическое вычислительное устройство. В 1946 году словарь пополнился дополнениями, позволяющими разделить понятия цифрового, аналогового и электронного компьютеров.
Классификации компьютеров
Четких границ между классами компьютеров не существует . По мере совершенствования структур и технологии производства, появляются новые классы компьютеров, границы существующих классов существенно изменяются.
Существуют различные классификации компьютерной техники:
I. по принципу действия
1. аналоговые (АВМ),
2. цифровые (ЦВМ)
3. гибридные (ГВМ)
II. по этапам создания (по поколениям)
1. 1-е поколение , 50-е гг.: ЭВМ на электронных вакуумных лампах;
2. 2-е поколение , 60-е гг.: ЭВМ на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах);
3. 3-е поколение , 70-е гг.: ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни - тысячи транзисторов в одном корпусе); Примечание. Интегральная схема – электронная схема специального назначения, выполненная в виде единого полупроводникового кристалла, объединяющего большое число диодов и транзисторов.
4. 4-е поколение , 80-е гг.: ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах - микропроцессорах (десятки тысяч - миллионы транзисторов в одном кристалле);
5. 5-е поколение , 90-е гг.: ЭВМ со многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы;
6. 6-е и последующие поколения : оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой - с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.
III. по назначению
1. универсальные (общего назначения),
2. проблемно-ориентированные
3. специализированные
1. Базовая ЭВМ .
2. Универсальная ЭВМ .
3. Специализированная ЭВМ .
1) Управляющая ЭВМ .
2) Бортовая ЭВМ .
3) Выделенная ЭВМ .
4) Бытовая (домашняя) ЭВМ .
IV. по размерам и функциональным возможностям
1. сверхбольшие (суперЭВМ),
2. большие,
4. сверхмалые (микроЭВМ)
1) универсальные
а) многопользовательские
б) однопользовательские (персональные)
2) специализированные
а) многопользовательские (серверы)
б) однопользовательские (рабочие станции)
V. По условиям эксплуатации компьютеры делятся на два типа:
1. офисные (универсальные);
2. специальные.
Следует отметить, что существуют и другие классификации. Например:
· по архитектуре.
· по производительности.
· по количеству процессоров.
· по потребительским свойствам.
Краткое описание классов компьютеров
По принципу действия
Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают (смотри рисунок).
Рис. Две формы предоставления информации в машинах:
а – аналоговая; б – цифровая импульсная.
Цифровые вычислительные машины (ЦВМ) – вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.
Такие вычислительные машины часто называют ЭВМ (электронно-вычислительные машины, электронные вычислительные машины). Наиболее широкое применение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации – электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания об их цифровом характере.
В отличие от АВМ, в ЭВМ числа представляются в виде последовательности цифр. В современных ЭВМ числа представляются в виде кодов двоичных эквивалентов, то есть в виде комбинаций 1 и 0. В ЭВМ осуществляется принцип программного управления. ЭВМ можно разделить на цифровые, электрифицированные и счётно-аналитические (перфорационные) вычислительные машины.
ЭВМ разделяются на большие ЭВМ, мини-ЭВМ и микроЭВМ. Они отличаются своей архитектурой, техническими, эксплуатационными и габаритно-весовыми характеристиками, областями применения.
Достоинства ЭВМ:
§ высокая точность вычислений;
§ универсальность;
§ автоматический ввод информации, необходимый для решения задачи;
§ разнообразие задач, решаемых ЭВМ;
§ независимость количества оборудования от сложности задачи.
Недостатки ЭВМ:
§ сложность подготовки задачи к решению (необходимость специальных знаний методов решения задач и программирования);
§ недостаточная наглядность протекания процессов, сложность изменения параметров этих процессов;
§ сложность структуры ЭВМ, эксплуатация и техническое обслуживание;
§ требование специальной аппаратуры при работе с элементами реальной аппаратуры
Аналоговые вычислительные машины (АВМ) – вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).
Аналоговые вычислительные машины весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них, как правило, нетрудоемкое; скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана сколь угодно большой(больше, чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность 2-5 %). На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики.
Это вычислительная машина непрерывного действия, обрабатывающая аналоговые данные. Предназначена она для воспроизведения определенных соотношений между непрерывно изменяющимися физическими величинами. Основные области применения связаны с моделированием различных процессов и систем.
В АВМ все математические величины представляются как непрерывные значения каких-либо физических величин. Главным образом, в качестве машинной переменной выступает напряжение электрической цепи. Их изменения происходят по тем же законам, что и изменения заданных функций. В этих машинах используется метод математического моделирования (создаётся модель исследуемого объекта). Результаты решения выводятся в виде зависимостей электрических напряжений в функции времени на экран осциллографа или фиксируются измерительными приборами. Основным назначением АВМ является решение линейных и дифференцированных уравнений.
Достоинства АВМ:
§ высокая скорость решения задач, соизмеримая со скоростью прохождения электрического сигнала;
§ простота конструкции АВМ;
§ лёгкость подготовки задачи к решению;
§ наглядность протекания исследуемых процессов, возможность изменения параметров исследуемых процессов во время самого исследования.
Недостатки АВМ:
§ малая точность получаемых результатов (до 10%);
§ алгоритмическая ограниченность решаемых задач;
§ ручной ввод решаемой задачи в машину;
§ большой объём задействованного оборудования, растущий с увеличением сложности задачи
Гибридные вычислительные машины (ГВМ) – вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.
Иногда такие машины называют «комбинированные вычислительные машины », «аналого-цифровые вычислительные машины (АЦВМ) »
Они имеют такие характеристики, как быстродействие, простота программирования и универсальность. Основной операцией является интегрирование, которое выполняется с помощью цифровых интеграторов.
В таких машинах числа представляются как в ЭВМ (последовательностью цифр), а метод решения задач как в АВМ (метод математического моделирования).
По этапам создания
Деление компьютерной техники на поколения – весьма условная, нестрогая классификация вычислительных систем по степени развития аппаратных и программных средств, а также способов общения с компьютером.
Идея делить машины на поколения вызвана к жизни тем, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию как в смысле элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в смысле изменения её структуры, появления новых возможностей, расширения областей применения и характера использования.
ЭВМ I-го поколения [ first-generation computer ]
К первому поколению обычно относят машины, созданные на рубеже 50-х годов.
Все ЭВМ I-го поколения были сделаны на основе электронных ламп , что делало их ненадежными – лампы приходилось часто менять.
Рис. Электронная лампа
Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами , которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла .
Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства.
Рис. Перфокарта
Быстродействие порядка 10-20 тысяч операций в секунду.
Но это только техническая сторона. Очень важна и другая – способы использования компьютеров, стиль программирования, особенности математического обеспечения.
Программирование выполнялось на языках программирования низкого уровня. Программы для этих машин писались на языке конкретной машины . Математик, составивший программу, садился за пульт управления машины, вводил и отлаживал программы и производил по ним счет. Процесс отладки был наиболее длительным по времени.
Несмотря на ограниченность возможностей, эти машины позволили выполнить сложнейшие расчёты, необходимые для прогнозирования погоды, решения задач атомной энергетики и др.
Опыт использования машин первого поколения показал, что существует огромный разрыв между временем, затрачиваемым на разработку программ, и временем счета.
Рис. а – Компьютер "Эниак", б – ЭВМ «Урал»
Эти проблемы начали преодолевать путем интенсивной разработки средств автоматизации программирования, создания систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность её использования . Это, в свою очередь, потребовало значительных изменений в структуре компьютеров, направленных на то, чтобы приблизить её к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации компьютеров.
Отечественные машины первого поколения: МЭСМ (малая электронная счётная машина), БЭСМ, Стрела, Урал, М-20.
ЭВМ II -го поколения [second -generation computer ]
Машины этого поколения были сконструированы примерно в 1955-65 годах.
В 1958 г . в ЭВМ (ЭВМ II-го поколения) были применены полупроводниковые транзисторы , изобретённые в 1948 г. Уильямом Шокли.
История изобретения:
· 1 июля 1948 года на одной из страниц «New York Times», посвященной радио и телевидению, было помещено скромное сообщение о том, что фирма «Белл телефон лабораториз» разработала электронный прибор, способный заменить электронную лампу. Физик-теоретик Джон Бардин и ведущий экспериментатор фирмы Уолтер Браттэйн создали первый действующий транзистор. Это был точечно-контактный прибор, в котором 2 металлических «усика» контактировали с бруском из поликристаллического германия.
· Созданию транзистора предшествовала упорная, почти 10-летняя работа, которую в 1938 или 1939 году начал физик-теоретик Уильям Шокли. Впрочем, если быть точнее, история транзистора началась гораздо раньше. Еще в 1906 году француз Пикар предложил кристаллический детектор, затем в 1922 году советский радиофизик О.В. Лосев показал возможность усиления и генерирования колебаний с помощью таких детекторов. Спустя 3 года профессор Лейпцигского университета Юлиус Лилиенфельд попытался создать усилительный полупроводниковый прибор. Однако эти эксперименты были забыты. О них вспомнили лишь после того, как транзистор завоевал всемирное признание.
· Произошло это, кстати, довольно быстро. После нескольких лет поисков технологии изготовления полупроводниковых приборов и изобретения новых конструкций (в частности, плоскостного транзистора, запатентованного У. Шокли в 1951 году) целый ряд американских фирм приступил к серийному выпуску транзисторов, которые на первых порах использовались в основном в аппаратуре радио и связи.
Транзисторы были более надёжны, долговечны, малы, могли выполнить значительно более сложные вычисления, обладали большой оперативной памятью. 1 транзистор способен был заменить ~ 40 электронных ламп и работает с большей скоростью.
При этом сначала в этих компьютерах применялись как электронные лампы, так и дискретные транзисторные логические элементы. Позже дискретные транзисторные логические элементы вытеснили электронные лампы .
§ В качестве носителей информации использовались магнитные ленты ("БЭСМ-6", "Минск-2","Урал-14") и магнитные сердечники .
§ Их оперативная памят ь была построена на магнитных сердечниках .
§ Стал расширяться диапазон применяемого оборудования ввода-вывода, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски .
§ В качестве программного обеспечения стали использовать языки программирования высокого уровня . Средства таких языков допускают описание всей необходимой последовательности вычислительных действий в наглядном, легко воспринимаемом виде . Программа, написанная на алгоритмическом языке, непонятна компьютеру, воспринимающему только язык своих собственных команд. Поэтому специальные программы, которые называются трансляторами , переводят программу с языка высокого уровня на машинный язык.
§ Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач.
§ Появились мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ . Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы.Таким образом, операционная система является программным расширением устройства управления компьютера. Для некоторых машин второго поколения уже были созданы операционные системы с ограниченными возможностями.
§ Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость , которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х годов наметился переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.
§ Быстродействие – до сотен тысяч операций в секунду.
§ Ёмкость памяти – до нескольких десятков тысяч слов.
Особенности, отличие от первого поколения.
1. Более высокая надежность.
2. Меньшее потребление энергии.
3. Более высокое быстродействие за счет:
· Повышение скорости переключения счетных и запоминающих элементов
· Изменения в структуре машин.
Рис. а – Транзистор, б – память на магнитных сердечниках
Уже начиная со второго поколения, машины стали делиться на большие, средние и малые по признакам размеров, стоимости, вычислительных возможностей. Так, небольшие отечественные машины второго поколения (“Наири”, “Раздан”, “Мир” и др.) с производительностью порядка 10 4 операций в секунду были в конце 60-х годов вполне доступны каждому вузу, в то время как упомянутая выше БЭСМ-6 имела профессиональные показатели (и стоимость) на 2 – 3 порядка выше.
Рис. БЭСМ-6.
ЭВМ III -го поколения [third-generation computer ]
В 1960 г. появились первые интегральные схемы (ИС), которые получили широкое распространение в связи с малыми размерами, но громадными возможностями.
Рис. Интегральные схемы
ИС (интегральная схема) – это кремниевый кристалл, площадь которого примерно 10 мм 2 . Первая ИС способна заменить десятки тысяч транзисторов. Один кристалл выполняет такую же работу, как и 30-ти тонный “Эниак”. А компьютер с использованием ИС достигает производительности в 10 млн. операций в секунду.
В 1964 году, фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства IBM 360 (System 360), ставших первыми компьютерами третьего поколения.
Машины третьего поколения – это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно совместимых. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы, которые также называются микросхемами.
Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина.
Примеры машин третьего поколения – семейства IBM-360, IBM-370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др. Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.
Первые интегральные схемы (ИС)
Первая интегральная схема, разработанная в 1960 году, была прототипом современных микрочипов. Интегральная схема состоит из миниатюрных транзисторов и других элементов, монтируемых на кремниевом кристаллике.
37 лет назад, в 1964 году, фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства IBM 360 (System 360), ставших первыми компьютерами третьего поколения.
Модели имели единую систему команд и отличались друг от друга объемом оперативной памяти и производительностью. Глава фирмы IBM Томас Уотсон-младший назвал появление данного семейства машин "самым важным событием в истории компании". Первые образцы машин серии IBM 360 поступили к заказчикам во второй половине 1965 года, а к 1970 году фирма разработала около 20 моделей, однако некоторые из них так и не были доведены до серийного производства (Всего было выпущено более 33 тыс. машин этого семейства).
При создании моделей семейства использовался ряд новых принципов, что делало машины универсальными и позволяло с одинаковой эффективностью применять их как для решения задач в различных областях науки и техники, так и для обработки данных в сфере управления и бизнеса (число 360 в названии серии указывает на способность машин работать во всех направлениях – в пределах 360°). Наиболее важными из нововведений являлись:
· элементная и технологическая база машин третьего поколения;
· программная совместимость всех моделей семейства;
· операционная система, содержащая трансляторы для наиболее распространенных в то время языков программирования (Фортран, Кобол, RPG, Алгол 60, ПЛ/1), причем имелась возможность включать в систему трансляторы для других языков;
· "универсальность" системы команд, которая обеспечивалась путем добавления дополнительных команд для различных целей к так называемой стандартной системе команд;
· возможность подключения большого количества внешних устройств и стандартного сопряжения этих устройств с процессором через аппаратуру каналов связи (при этом имелась возможность объединять несколько машин в одну вычислительную систему);
· организация памяти, не зависящая от физической реализации, обеспечивающая простое перемещение и гибкую защиту программ;
· мощная система аппаратно-программных прерываний, позволявшая организовать эффективную работу машин в реальном масштабе времени. Создание моделей серии IBM 360 оказало существенное влияние на весь ход развития компьютерной техники. Структура и архитектура этих машин с теми или иными изменениями в элементной базе были воспроизведены в ряде семейств ЭВМ многих стран.
ЭВМ III-го поколения. В 1960 г . появились первые интегральные схемы (ИС) , которые получили широкое распространение в связи с малыми размерами, но громадными возможностями.
· Компьютер с использованием ИС достигает производительности в 10 млн. операций в секунду .
· В 1964 году, фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства IBM 360 (System 360), ставших первыми компьютерами третьего поколения.
· Машины третьего поколения - это семейства машин с единой архитектурой , т.е. программно совместимых .
· В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы , которые также называются микросхемами .
· Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы .
· Они обладают возможностями мультипрограммирования , т.е. одновременного выполнения нескольких программ.
ЭВМ IV-го поколения [fourth-generation computer ]
В начале 70-х годов начали использовать средние интегральные схемы. А позже – большие интегральные схемы.
Помимо изменения элементно-технологической базы, появились новые идеи по структуре вычислительных машин, программированию, использованию и эксплуатации вычислительных систем и т.п.
Впервые стали применяться большие интегральные схемы (БИС), которые по мощности примерно соответствовали 1000 ИС. Это привело к снижению стоимости производства компьютеров. В 1980 г. центральный процессор небольшой ЭВМ оказалось возможным разместить на кристалле площадью 1/4 дюйма (0,635 см 2 .).
БИСы применялись уже в таких компьютерах, как “Иллиак”, ”Эльбрус”, ”Макинтош”. Быстродействие таких машин составляет тысячи миллионов операций в секунду. Емкость ОЗУ (оперативной памяти) возросла до 500 млн. двоичных разрядов. В таких машинах одновременно выполняются несколько команд над несколькими наборами операндов.
C точки зрения структуры: машины этого поколения представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы , работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Ёмкость оперативной памяти порядка 1 – 64 Мбайт.
Распространение персональных компьютеров к концу 70-х годов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и мини-ЭВМ. Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM (International Business Machines Corporation) – ведущей компании по производству больших ЭВМ, и в 1979 г. фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров, создав первые персональные компьютеры – IBM PC.
Для них характерны:
· применение персональных компьютеров;
· телекоммуникационная обработка данных;
· компьютерные сети;
· широкое применение систем управления базами данных;
· элементы интеллектуального поведения систем обработки данных и устройств.
ЭВМ четвертого поколения– используют большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС), виртуальную память , многопроцессорный с параллельным выполнением операций принцип построения, развитые средства диалога .
ЭВМ V-го поколения [fourth-generation computer ], ЭВМ VI-го поколения и так далее
ЭВМ пятого поколения– 90-е гг.: ЭВМ со многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы.
ЭВМ шестого поколения и последующие поколения: оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой – с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.
Каждое следующее поколение ЭВМ имеет по сравнению с предшествующим существенно лучшие характеристики. Так, производительность ЭВМ и емкость всех запоминающих устройств увеличиваются, как правило, больше чем на порядок.
Если перед разработчиками ЭВМ с I по IV поколений стояли такие задачи, как увеличение производительности в области числовых расчётов, достижение большой ёмкости памяти, то основной задачей разработчиков ЭВМ V поколения (и последующих) является создание искусственного интеллекта машины (возможность делать логические выводы из представленных фактов), развитие "интеллектуализации" компьютеров – устранения барьера между человеком и компьютером. Компьютеры будут способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. Это позволит общаться с ЭВМ всем пользователям, даже тем, кто не обладает специальных знаний в этой области. ЭВМ будет помощником человеку во всех областях.
Разработка последующих поколений компьютеров производится на основе больших интегральных схем повышенной степени интеграции , использования оптоэлектронных принципов (лазеры, голография ).
Происходит качественный переход от обработки данных к обработке знаний .
Предполагается, что архитектура компьютеров будущего поколения будет содержать два основных блока. Один из них – это традиционный компьютер. Но теперь он лишён связи с пользователем. Эту связь осуществляет блок, называемый термином «интеллектуальный интерфейс» . Его задача – понять текст, написанный на естественном языке и содержащий условие задачи, и перевести его в работающую программу для компьютера.
Будет также решаться проблема децентрализации вычислений с помощью компьютерных сетей, как больших, находящихся на значительном расстоянии друг от друга, так и миниатюрных компьютеров, размещённых на одном кристалле полупроводника.
По назначению
Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, 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 являются:
- высокая производительность;
- разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, символьных, при большом диапазоне их изменения и высокой точности 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 объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами.
К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы.
Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.
К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами; устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.
Базовая ЭВМ [original computer ] – ЭВМ, являющаяся начальной исходной моделью в серии ЭВМ определенного типа или вида.
Универсальная ЭВМ [universal computer ] – ЭВМ, предназначенная для решения широкого класса задач. ЭВМ этого класса имеют разветвленную и алгоритмически полную систему операций, иерархическую структуру ЗУ и развитую систему устройств ввода-вывода данных.
Специализированная ЭВМ [specialized computer ] – ЭВМ, предназначенная для решения узкого класса определенных задач. Характеристики и архитектура машин этого класса определяются спецификой задач, на которые они ориентированы, что делает их более эффективными в соответствующем применении по отношению к универсальным ЭВМ . К разряду специализированных могут быть отнесены, в частности, – “управляющие”, “бортовые“, “бытовые“ и “выделенные“ ЭВМ.
Управляющая ЭВМ [control computer ] – ЭВМ, предназначенная для автоматического управления объектом (устройством, системой, процессом) в реальном масштабе времени. Сопряжение ЭВМ с объектом управления производится с помощью аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей .
Существует достаточно много систем классификации компьютеров. Мы рассмотрим лишь некоторые из них, сосредоточившись на тех, о которых наиболее часто упоминают в доступной технической литературе и средствах массовой информации.
Классификация по назначению
Классификация по назначению — один из наиболее ранних методов классификации. Он связан с тем, как компьютер применяется. По этому принципу различают большие ЭВМ (электронно-вычислительные машины), мини-ЭВМ, микро-ЭВМ и персональные компьютеры, которые, в свою очередь, подразделяют па массовые, деловые, портативные, развлекательные и рабочие станции.
Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Аппаратные и программные средства вычислительной техники принято рассматривать отдельно. Соответственно, отдельно рассматривают аппаратную конфигурацию вычислительных систем и их программную конфигурацию. Такой принцип разделения имеет для информатики особое значение, поскольку очень часто решение одних и тех же задач может обеспечиваться как аппаратными, так и программными средствами. Критериями выбора аппаратного или программного решения являются производительность и эффективность.
В чем вы видите диалектический характер связи между программным обеспечением и аппаратным?
Назовите четыре основных уровня программного обеспечения. Каков порядок их взаимодействия?
К какому классу относятся программные средства, встроенные в видеомагнитофон, программируемую стиральную машину, СВЧ-печь?
В чем преимущества и недостатки выполнения офисных работ (например копировально-множительных) аппаратными и программными средствами?
Какие категории программного обеспечения могут быть использованы в работемалого предприятия и для каких целей?
Какие виды работ, характерные для крупного промышленного предприятия (например машиностроительного завода), могут быть автоматизированы с
помощью компьютеров? Какие категории программных средств для этого
необходимы?
Назовите основные категории программного обеспечения, относящиеся к классуграфических редакторов. В чем состоит принципиальная разница между этимикатегориями?
Что общего и в чем различие между понятиями программное обеспечение и информационное обеспечение средств вычислительной техники?
Понятие о вычислительной технике.- совокупность технических и математических средств, методов и приёмов, используемых для механизации и автоматизации процессов вычислений и обработки информации. Основу технических средств современной вычислительной техники составляют электронные вычислительные машины (ЭВМ, компьютеры), устройства ввода, вывода, представления и передачи данных (сканеры, принтеры, модемы, мониторы, плоттеры, клавиатуры, накопители на магнитных лентах и дисках и т. д.), ноутбуки, микрокалькуляторы, электронные записные книжки и пр.
Персональный компьютер – это настольная или переносная однопользовательская микроЭВМ, удовлетворяющая требованием общедоступности и универсальности.
Основой ПЭВМ является микропроцессор. Развитие техники и технологии микропроцессоров определило смену поколений ПК:
1 – е поколение (1975 – 1980 гг.) – на базе 8 – и разрядного МП;
2 – е поколение (1981 – 1985 гг.) – на базе 16 – и разрядного МП;
3 – е поколение (1986 – 1992 гг.) – на базе 32 – х разрядного МП;
4 – е поколение (с 1993 г.) – на базе 64 – х разрядного МП.
Сегодня компьютерный мир стоит на пороге революции: CPU с транзисторами нового поколения и мощные мобильные чипы на порядок увеличат производительность ноутбуков, планшетов и смартфонов.
Процессорные элементы размером 10 и 12 нм в наступающем году полностью изменят компьютерный мир: по толщине они в 10000 раз меньше человеческого волоса (100000 нм), а по диаметру приближаются к атомам кремния (0,3 нм).
Основными производителями микропроцессоров для ПЭВМ в настоящее время по-прежнему являются:
Intel – пионер в создании и производстве современных процессоров. На сегодняшний день на рынке дорогих компьютеров наиболее популярны ПК с процессорами на базе многоядерной архитектуры Intel Core.
В апреле 2012 года Intel представила 3-е поколение семейства четырехъядерных процессоров Intel® Core™, доступные в мощных настольных системах профессионального уровня и мобильных и тонких моноблочных ПК, которые представляют собой первые в мире микросхемы, созданные по 22-нм производственной технологии и с использованием трехмерных транзисторов Tri-Gate.
AMD (Advanced Micro Deviced) – наиболее реальный конкурент Intel. До недавнего времени занимал на компьютерном рынке нишу недорогих, но быстрых процессоров, предназначенных, в основном, для недорогих компьютеров и upgrade.
C созданием в 1999 г. процессора Athlon, процессоров Thunderbird, Polamino, Thoroughbred, Barton и после 2003 г. процессоров серии К8 начал серьезно конкурировать с Intel. Сегодня обе компании выпускают хороший качественный продукт, который может удовлетворить потребности практически любых требовательных пользователей.
В настоящее время на базе этих процессоров производится около 85% ПЭВМ. В зависимости от назначения их можно разделить на три группы:
Бытовые, предназначенные для массового потребления и имеющие простейшую базовую конфигурацию;
Общего назначения, предназначенные для решения научно-технических, экономических и др. задач и обучения. Этот класс получил наибольшее распространение и обслуживается, как правило, пользователями-непрофессионалами;
Профессиональные, используемые в научной сфере, для решения сложных информационных и производственных задач. Они отличаются высокими техническими характеристиками и обслуживаются профессиональными пользователями.
Кроме того, по конструктивному исполнению ПЭВМ разделяются на:
LAPTOP-компьютеры («наколенный» компьютер). В Laptop клавиатура и системный блок выполнены в одном корпусе, который сверху закрывается крышкой с ЖК-дисплеем. Большинство моделей не отличается в лучшую сторону своими техническими параметрами и имеют монохромные дисплеи;
NOTEBOOK («блокноты»). Последние модели имеют достаточно высокие технические параметры, сопоставимые с ПЭВМ общего назначения (процессоры Core i7-3612QM, видео до 6144 Mb, жесткие диски – HDD более 600 Гб или SSD до 256 Гб;
УЛЬТРАБУК (англ. Ultrabook) - ультратонкий и легкий ноутбук, обладающий ещё меньшими габаритами и весом по сравнению с обычными субноутбуками, но при этом - большей частью характерных черт полноценного ноутбука. Термин стал широко распространяться в 2011 году, после того как корпорация Intel презентовала новый класс мобильных ПК - ультрабуки, концепт компаний Intel и Apple, разработан на основе выпущенного в 2008 году ноутбука Apple MacBook Air. Ультрабуки меньше обычных ноутбуков, но несколько больше нетбуков. Они оснащаются небольшим жидкокристаллическим дисплеем от 11 до 13.3 дюймов, компактны - толщина до 20 мм, и обладают массой до 2 кг. Вследствие малых размеров ультрабуки имеют малое количество внешних портов и большинство из них не имеют DVD-привода.
Нетбук (англ. Netbook) - ноутбук с относительно невысокой производительностью, предназначенный в основном для выхода в Интернет и работы с офисными приложениями. Обладает небольшой диагональю экрана в 7-12 дюймов, низким энергопотреблением, небольшим весом и относительно невысокой стоимостью.
Принцип работы современных ПК можно описать следующим алгоритмом:
I. Инициализация
После включения ЭВМ, загрузки ОС и необходимой программы программному счётчику присваивается начальное значение, равное адресу первой команды этой программы.
II. Выборка команды
ЦП производит операцию считывания команды из памяти. В качестве адреса ячейки памяти используется содержимое программного счётчика.
III. Интерпретация команды и увеличение программного счётчика
Содержимое считанной ячейки памяти интерпретируется ЦП как команда и помещается в регистр команды. УУ приступает к интерпретации команды. По полю кода операции из первого слова команды УУ определяет её длину и, если это необходимо, организует дополнительные операции считывания, пока вся команда не будет прочитана ЦП. Длина команды прибавляется к содержимому программного счётчика, и когда команда будет полностью прочитана, в программном счётчике сформируется адрес следующей команды.
IV. Дешифрация команды и выполнение команды
По адресным полям команды УУ определяет, имеет ли команда операнды в памяти. Если имеет, то на основе указанных в адресных полях режимов адресации вычисляются адреса операндов и производятся операции чтения памяти для считывания операндов.
УУ и АЛУ выполняют операцию, указанную в поле кода операции команды. Во флаговом регистре процессора запоминаются признаки операции.
V. При необходимости УУ выполняет операцию записи результата в память.
Если последняя команда не была «остановить процессор», то описанная последовательность операций выполняется вновь. Эта последовательность операций называется циклом процессора .
В конкретных ЭВМ реализация этого алгоритма может незначительно отличаться. Но в принципе, функционирование любой фон-Неймановской ЭВМ описывается подобным алгоритмом и представляет собой последовательность достаточно простых операций.
ПК включает три основных устройства: системный блок, клавиатуру и дисплей . Для расширения функциональных возможностей ПК дополнительно подключаются периферийные устройства: принтер, сканер, манипуляторы и др. Эти устройства либо подсоединяются к системному блоку с помощью кабелей через разъёмы, расположенные на задней стенке системного блока, либо вставляются в системный блок непосредственно. ПК имеет модульную структуру. Все модули связаны с системной шиной.
Для управления внешними устройствами служат контроллеры (адаптеры ВУ) . После получения команды от МП, контроллер, функционируя автономно, освобождает МП от выполнения специфических функций по обслуживанию внешнего устройства.
Необходимо отметить, что рост быстродействия современных МП и отдельных внешних по отношению к нему устройств (основной и внешней памяти, видеосистем и др.) привёл к проблеме увеличения пропускной способности системной шины при подключении этих устройств. Для решения этой проблемы были разработаны локальные шины, подключаемые непосредственно к шине МП.
Главным устройством в ПК является системный блок . В его состав входят ЦП, сопроцессор, модули постоянной и оперативной памяти, контроллеры, накопители на магнитных дисках, блок питания и другие функциональные модули. Конфигурацию ПК можно изменять, подключая дополнительные модули. Для обеспечения согласованной работы устройств ПК системная плата содержит чипсет, т.е. набор микросхем (чипов).
Чипсет определяет основные возможности платы:
· типы поддерживаемых ЦП;
· максимальную частоту системной шины;
· логику коммутации устройств;
· поддерживаемые типы и максимальный размер основной памяти;
· скорости работы с каждым типом памяти;
· поддержку ускоренного графического порта;
· тип дискового интерфейса и его режимы;
· максимальное число слотов расширения;
· мониторинг ПК.
Чипсет современного ПК обычно состоит из двух чипов: северного моста (North Bridge) или контроллера-концентратора памяти (англ. Memory Controller Hub, MCH), обслуживающего центральные устройства и содержащего контроллеры основной памяти, графической шины, системной шины и шины памяти, и южного моста (South Bridge) или контроллера-концентратора ввода-вывода (англ. I/O Controller Hub, ICH), содержащего контроллеры устройств ввода/вывода и стандартных периферийных устройств.
Функциональная схема компьютера-По своему назначению компьютер - это универсальный прибор для работы с информацией. По принципам своего устройства компьютер - это модель человека, работающего с информацией.
Персональный компьютер (ПК) - это компьютер, предназначенный для обслуживания одного рабочего места. По своим характеристикам он может отличаться от больших ЭВМ, но функционально способен выполнять аналогичные операции. По способу эксплуатации различают настольные (desktop), портативные (laptop и notebook) и карманные (palmtop) модели ПК.
Аппаратное обеспечение. Поскольку компьютер предоставляет все три класса информационных методов для работы с данными (аппаратные, программные и естественные), принято говорить о компьютерной системе как о состоящей из аппаратных и программных средств, работающих совместно. Узлы, составляющие аппаратные средства компьютера, называют аппаратным обеспечением. Они выполняют всю физическую работу с данными: регистрацию, хранение, транспортировку и преобразование как по форме, так и по содержанию, а также представляют их в виде, удобном для взаимодействия с естественными информационными методами человека.
Совокупность аппаратных средств компьютера называют его аппаратной конфигурацией.
Программное обеспечение. Программы могут находиться в двух состояниях: активном и пассивном. В пассивном состоянии программа не работает и выглядит как данные, содержательная часть которых - сведения. В этом состоянии содержимое программы можно «читать» с помощью других программ, как читают книги, и изменять. Из него можно узнать назначение программы и принцип ее работы. В пассивном состоянии программы создаются, редактируются, хранятся и транспортируются. Процесс создания и редактирования программ называется программированием.
Когда программа находится в активном состоянии, содержательная часть ее данных рассматривается как команды, согласно которым работают аппаратные средства компьютера. Чтобы изменить порядок их работы, достаточно прервать исполнение одной программы и начать исполнение другой, содержащей иной набор команд.
Совокупность программ, хранящихся на компьютере, образует его программное обеспечение. Совокупность программ, подготовленных к работе, называют установленным программным обеспечением. Совокупность программ, работающих в тот или иной момент времени, называют программной конфигурацией.
Устройство компьютера. Любой компьютер (даже самый большой)состоит из четырех частей:
- устройства ввода информации
- устройства обработки информации
- устройства хранения
- устройства вывода информации.
Конструктивно эти части могут быть объединены в одном корпусе размером с книгу или же каждая часть может состоять из нескольких достаточно громоздких устройств
Базовая аппаратная конфигурация ПК. Базовой аппаратной конфигурацией персонального компьютера называют минимальный комплект аппаратных средств, достаточный для начала работы с компьютером. С течением времени понятие базовой конфигурации постепенно меняется.
Чаще всего персональный компьютер состоит из следующих устройств:
- Системный блок
- Монитор
- Клавиатура
Дополнительно могут подключатся другие устройства ввода и вывода информации, например звуковые колонки, принтер, сканер...
Системный блок
- основной блок компьютерной системы. В нем располагаются устройства, считающиеся внутренними. Устройства, подключаемые к системному блоку снаружи, считаются внешними. Для внешних устройств используют также термин периферийное оборудование.
Монитор
- устройство для визуального воспроизведения символьной и графической информации. Служит в качестве устройства вывода. Для настольных ПК в настоящее время наиболее распространены мониторы, основанные на электронно-лучевых трубках. Они отдаленно напоминают бытовые телевизоры.
Клавиатура
- клавишное устройство, предназначенное для управления работой компьютера и ввода в него информации. Информация вводится в виде алфавитно-цифровых символьных данных.
Мышь
- устройство «графического» управления.
Внутренние устройства персонального компьютера.
Внутренними считаются устройства, располагающиеся в системном блоке. Доступ к некоторым из них имеется на лицевой панели, что удобно для быстрой смены информационных носителей, например гибких магнитных дисков. Разъемы некоторых устройств выведены на заднюю стенку - они служат для подключения периферийного оборудования. К некоторым устройствам системного блока доступ не предусмотрен - для обычной работы он не требуется.
Процессор.
Микропроцессор - основная микросхема персонального компьютера. Все вычисления выполняются в ней. Основная характеристика процессора - тактовая частота (измеряется в мегагерцах, МГц). Чем выше тактовая частота, тем выше производительность процессора. Так, например, при тактовой частоте 500 МГц процессор может за одну секунду изменить свое
состояние 500 миллионов раз. Для большинства операций одного такта недостаточно, поэтому количество операций, которые процессор может выполнить в секунду, зависит не только от тактовой частоты, но и от сложности операций.
Единственное устройство, о существовании которого процессор «знает от рождения», - оперативная память - с нею он работает совместно. Оттуда поступают данные и команды. Данные копируются в ячейки процессора (они называются регистрами), а потом преобразуются в соответствии с содержанием команд. Более полную картину того, как процессор взаимодействует с оперативной памятью, вы получите в главах, посвященных основам программирования.
Оперативная память. Оперативную память можно представить как обширный массив ячеек, в которых хранятся числовые данные и команды в то время, когда компьютер включен. Объем оперативной памяти измеряется в миллионах байтов - мегабайтах (Мбайт).
Процессор может обратиться к любой ячейке оперативной памяти (байту), поскольку она имеет неповторимый числовой адрес. Обратиться к индивидуальному биту оперативной памяти процессор не может, так как у бита нет адреса. В то же время, процессор может изменить состояние любого бита, но для этого требуется несколько действий.
Материнская плата. Материнская плата - это самая большая плата персонального компьютера. На ней располагаются магистрали, связывающие процессор с оперативной памятью, - так называемые шины. Различают шину данных, по которой процессор копирует данные из ячеек памяти, адресную шину, по которой он подключается к конкретным ячейкам памяти, и шину команд, по которой в процессор поступают команды из программ. К шинам материнской платы подключаются также все прочие внутренние устройства компьютера. Управляет работой материнской платы микропроцессорный набор микросхем - так называемый чипсет.
Видеоадаптер. Видеоадаптер - внутреннее устройство, устанавливаемое в один из разъемов материнской платы. В первых персональных компьютерах видеоадаптеров не было. Вместо них в оперативной памяти отводилась небольшая область для хранения видеоданных. Специальная микросхема (видеоконтроллер) считывала данные из ячеек видеопамяти и в соответствии с ними управляла монитором.
По мере улучшения графических возможностей компьютеров область видеопамяти отделили от основной оперативной памяти и вместе с видеоконтроллером выделили в отдельный прибор, который назвали видеоадаптером. Современные видеоадаптеры имеют собственный вычислительный процессор (видеопроцессор), который снизил нагрузку на основной процессор при построении сложных изображений. Особенно большую роль видеопроцессор играет при построении на плоском экране трехмерных изображений. В ходе таких операций ему приходится выполнять особенно много математических расчетов.
В некоторых моделях материнских плат функции видеоадаптера выполняют микросхемы чипсета - в этом случае говорят, что видеоадаптер интегрирован с материнской платой. Если же видеоадаптер выполнен в виде отдельного устройства, его называют видеокартой. Разъем видеокарты выведен на заднюю стенку. К нему подключается монитор.
Звуковой адаптер.
Для компьютеров IBM PC работа со звуком изначально не была предусмотрена. Первые десять лет существования компьютеры этой платформы считались офисной техникой и обходились без звуковых устройств. В настоящее время средства для работы со звуком считаются стандартными. Для этого на материнской плате устанавливается звуковой адаптер. Он может быть интегрирован в чипсете материнской платы или выполнен как отдельная подключаемая плата, которая называется звуковой картой.
Разъемы звуковой карты выведены на заднюю стенку компьютера. Для воспроизведения звука к ним подключают звуковые колонки или наушники. Отдельный разъем предназначен для подключения микрофона. При наличии специальной программы это позволяет записывать звук. Имеется также разъем (линейный выход) для подключения к внешней звукозаписывающей или звуковоспроизводящей аппаратуре (магнитофонам, усилителям и т.п.).
Жесткий диск.
Поскольку оперативная память компьютера очищается при отключении питания, необходимо устройство для длительного хранения данных и программ. В настоящее время для этих целей широко применяют так называемые жесткие диски.
Принцип действия жесткого диска основан на регистрации изменений магнитного поля вблизи записывающей головки.
Основным параметром жесткого диска является емкость, измеряемая в гигабайтах (миллиардах байтов), Гбайт. Средний размер современного жесткого диска составляет 80 - 160 Гбайт, причем этот параметр неуклонно растет.
Дисковод гибких дисков. Для транспортировки данных между удаленными компьютерами используют так называемые гибкие диски. Стандартный гибкий диск (дискета) имеет сравнительно небольшую емкость 1,44 Мбайт. По современным меркам этого совершенно недостаточно для большинства задач хранения и транспортировки данных, но низкая стоимость носителей и высокая степень готовности к работе сделали гибкие диски самыми распространенными носителями данных.
Для записи и чтения данных, размещенных на гибких дисках, служит специальное устройство - дисковод. Приемное отверстие дисковода выведено на лицевую панель системного блока.
Дисковод CD-ROM. Для транспортировки больших объемов данных удобно использовать компакт-диски CD-ROM. Эти диски позволяют только читать ранее записанные данные - производить запись на них нельзя. Емкость одного диска составляет порядка 650-700 Мбайт.
Для чтения компакт-дисков служат дисководы CD-ROM. Основной параметр дисковода CD-ROM- скорость чтения. Она измеряется в кратных единицах. За единицу принята скорость чтения, утвержденная в середине 80-х гг. для музыкальных компакт-дисков (аудиодисков). Современные дисководы CD-ROM обеспечивают скорость чтения 40х - 52х.
Основной недостаток дисководов CD-ROM - невозможность записи дисков - преодолен в современных устройствах однократной записи - CD-R. Существуют также устройства CD-RW, позволяющие осуществлять многократную запись.
Принцип хранения данных на компакт-дисках не магнитный, как у гибких дисков, а оптический.
Коммуникационные порты. Для связи с другими устройствами, например принтером, сканером, клавиатурой, мышью и т. п., компьютер оснащается так называемыми портами. Порт - это не просто разъем для подключения внешнего оборудования, хотя порт и заканчивается разъемом. Порт - более сложное устройство, чем просто разъем, имеющее свои микросхемы и управляемое программно.
Сетевой адаптер. Сетевые адаптеры необходимы компьютерам, чтобы они могли обмениваться данными между собой. Этот прибор следит за тем, чтобы процессор не подал новую порцию данных на внешний порт, пока сетевой адаптер соседнего компьютера не скопировал к себе предыдущую порцию. После этого процессору дается сигнал о том, что данные забраны и можно подавать новые. Так осуществляется передача.
Когда сетевой адаптер «узнает» от соседнего адаптера, что у того есть порция данных, он копирует их к себе, а потом проверяет, ему ли они адресованы. Если да, он передает их процессору. Если нет, он выставляет их на выходной порт, откуда их заберет сетевой адаптер очередного соседнего компьютера. Так данные перемещаются между компьютерами до тех пор, пока не попадут к адресату.
Сетевые адаптеры могут быть встроены в материнскую плату, но чаще устанавливаются отдельно, в виде дополнительных плат, называемых сетевыми картами.
