Основу ПК составляет системный блок, в котором размещены:
микропроцессор (МП);
блок оперативного запоминающего устройства (ОЗУ);
постоянного запоминающего устройства (ПЗУ); долговременной памяти на жёстком магнитном диске (Винчестер);
устройства для запуска компакт-дисков (CD) и дискет (НГМД).
Там же находятся платы: сетевая, видеопамяти, обработки звука, модем (модулятор-демодулятор), интерфейсные платы, обслуживающие устройства ввода-вывода: клавиатуры, дисплея, "мыши", принтера и др.
Все функциональные узлы ПК связаны между собой через системную магистраль, представляющую из себя более трёх десятков упорядоченных микропроводников, сформированных на печатной плате.Микропроцессор служит для обработки информации: он выбирает команды из внутренней памяти (ОЗУ или ПЗУ), расшифровывает и затем исполняет их, производя арифметические и логические операции. Получает данные из устройства ввода и посылает результаты на устройства вывода. Он вырабатывает также сигналы управления и синхронизации для согласованной работы его внутренних узлов, контролирует работу системной магистрали и всех периферийных устройств. Упрощённая схема микропроцессора представлена на нижней схеме (выделена штриховой линией с надписью ЦП). В его состав входят: арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции над двоичными числами; блок регистров общего назначения (РОН), используемых для временного хранения обрабатываемой информации (R0 - R5), указателя стека (R6) и счётчика команд (R7); устройство управления (УУ), определяющее порядок работы всех узлов микропроцессора. Одной из важнейших характеристик микропроцессора является его разрядность, определяемая числом разрядов АЛУ и РОН. Современные микропроцессоры имеют 16- , 32- и 64-разрядную длину двоичного числа, а также до 200 и более различных внутренних команд.
11. Основными функциональными характеристиками персонального компьютера являются:
1. производительность, быстродействие, тактовая частота. Производительность современных ЭВМ измеряют обычно в миллионах операций в секунду;
2. разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса. Разрядность - это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК;
3. типы системного и локальных интерфейсов. Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды;
4. емкость оперативной памяти. Емкость оперативной памяти измеряется обычно в Мбайтах. Многие современные прикладные программы с оперативной памятью, имеющей емкость меньше 16 Мбайт, просто не работают либо работают, но очень медленно;
5. емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера) . Емкость винчестера измеряется обычно в Гбайтах;
6. тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках. Сейчас применяются накопители на гибких магнитных дисках, использующие дискеты диаметром 3,5 дюйма, имеющие стандартную емкость 1,44 Мб;
7. наличие, виды и емкость кэш-памяти. Кэш-память - это буферная, недоступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Наличие кэш-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность персонального компьютера примерно на 20%;
8. тип видеомонитора и видеоадаптера;
9. наличие и тип принтера;
10. наличие и тип накопителя на компакт дисках CD-ROM;
11. наличие и тип модема;
12. наличие и виды мультимедийных аудиовидео-средств;
13. имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы;
14. аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ. Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ означает возможность использования на компьютере, соответственно, тех же технических элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин;
15. возможность работы в вычислительной сети;
16. возможность работы в многозадачном режиме. Многозадачный режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для нескольких пользователей (многопользовательский режим) ;
17. надежность. Надежность - это способность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции;
18. стоимость;
19. габаритами вес.
12 . Виды портативных персональных компьютеров . Сегодня на рынке существуют портативные системы трех основных категорий: laptop, notebook и subnotebook. Несколько в стороне стоят КПК (карманные персональные компьютеры. Определение таких систем не очень четкие, основаны они главным образом на размере и весе; эти характеристики имеют прямое отношение к возможностям системы, поскольку, чем больше корпус, тем более компонентов в него можно вложить.Поэтому неудивительно, что некоторые производители портативных компьютеров иногда "неверно называют" категории систем, выпускаемых - лэптоп называют ноутбуком или наоборот. Ниже рассмотрим все стандарты портативных систем.
Лэптоп . Так назывались первые портативные компьютеры. Сейчас лэптопами именуют самые портативные системы. Типичный ноутбук весит более 3 кг и имеет размер более 23 30 5 см. Появление на современном рынке экранов больших размеров привело к увеличению размеров (кроме высоты, которая в отдельных моделях уменьшилась) портативных компьютеров. Будучи когда-то наименьшими компьютерами, сейчас ноутбуки становятся суперсовременными машинами, по возможностям и производительности сравнимыми с настольными системами.Пример - портативный Pentium 4, собранный с использованием комплектующих обычных настольных компьютеров. Преимущества такой системы в уменьшении цены по сравнению с полностью функционально аналогичного ноутбука, повышения удобства в работе. Ограничения в использовании – условная мобильность, такая система более предназначена для максимального удобства рабочего стола менеджера.Во многих случаях ноутбуки представляются производителями как замена настольных систем, или как переносные мультимедийные системы для презентаций ("Дорожные системы"). Большие активно-матричные дисплеи с объемом оперативной памяти от 32 до 512 Мбайт, жесткие диски емкостью от 20 Гбайт и более, накопители CD-ROM и DVD, встроенные акустические системы, средства коммуникации и порты для подключения внешнего дисплея, накопителей и звуковых систем - вот те компоненты, которые включены в многих современных лэптоп-систем. Кроме того, некоторые "продвинутые" модели также содержат комбинированный дисковод DVD-CD/RW и устройство беспроводной связи Wi-Fi.Большинство лэптопов поставляются с стыковочным оборудованием, позволяет применять их в качестве "домашней базы" - подключаться к компьютерной сети и использовать полноразмерные монитор и клавиатуру. Для человека, постоянно разъезжает, это гораздо лучше, чем иметь отдельную настольную портативную систему, что требует постоянной синхронизации данных. Хотя, конечно, за все приходится платить: стоимость самых мощных лэптопов сейчас более чем вдвое превышает стоимость аналогичных настольных систем.
Нетбук . Целью разработчиков портативных систем этого типа были создание компьютера, по всем параметрам меньше, чем ноутбук. Нетбук весит 2-3 кг, имеет меньший, чем у ноутбука, дисплей с более низкой разрешающей способностью и мультимедиа-возможностями (но не стоит считать эти машины слабыми). Жесткие диски и память у многих из них никак не меньше, чем ноутбуки, а большинство даже содержат CD-ROM и звуковые адаптеры. Разработаны не как замена, а скорее как дополнение к настольной системы, нетбуки вряд ли поражают своими возможностями, но они полнофункциональными дорожными компьютерами. Для нетбуков существует большой выбор дополнительных устройств и аппаратных конфигураций, поскольку они предназначены для широкого круга пользователей - от профессионалов до торговых агентов, которые используют самый минимум функций.
Субноутбук . Субноутбук значительно меньше своих собратьев. Он прекрасно подойдет путешественнику, которому не нужны расширенные возможности больших и слишком тяжелых машин, но необходимая функциональность настольного компьютера в дороге и возможности подключения к офисной сети.В конструкции субноутбуков обычно отсутствует внутренний дисковод гибких дисков, но иногда есть разъем для подключения внешнего дисковода. Накопителей CD-ROM и других громоздких компонентов в нем также нет, однако есть сравнительно большой высококачественный дисплей, значительный дисковое пространство и полноразмерная (по стандартам портативных ПК) клавиатура для этих машин не редкость. Некоторые модели субноутбуков (например, IBM THINKPAD 570) оснащены специальным модулем, с помощью которого можно подключить "отсутствует оборудования ", например, накопитель CD-ROM или DVD.Существуют субноутбуки, предназначенные специально для "крутых" людей (Таких, как высший управленческий персонал), которые используют в основном электронную почту и средства планирования и при этом хотят иметь легкую, изящную и впечатляющую систему. Стоимость таких систем находится на уровне (Или выше) лэптопов. Примером может быть субноутбук Acer Pentium III (Частота процессора 1,13 МГц) или Acer Pentium IV (частота процессора 1,2 МГц) с объемом жесткого диска 20 ГБ приблизительным размерам 25 15 2 см.
Палмтопы . Эта категория появилась на рынке сравнительно недавно. Название этих компьютеров вполне соответствует их размерам - они могут поместиться на ладони. К этой категории портативных систем не относятся сетевые персональные помощники или системы под управлением Windows CE. Палмтопы – это полно функциональный компьютер с операционной системой как в настольных моделей. Клавиатура палмтопы зачастую представляет собой основной набор клавиш, причем меньшего размера. Поэтому такие компьютеры наилучшим подходят для отправки электронной почты или факса в пути, для решения других небольших задач.Типичным представителем палмтопы можно назвать серию компьютеров Libretto, выпускаемых компанией Toshiba (по более современной классификации их относят к субноутбуков). Такой компьютер весит около 700 граммов, имеет экран 8 дюймов, а в небольшую клавиатуру интегрирован устройство указания trakpoint. Такой палмтопы уступает по производительности другим типам портативных компьютеров, но имеет одно преимущество - на нем можно установить операционную систему Windows и все необходимые приложения.
Карманные ПК . Это компьютеры и органайзеры, которые могут разместиться управляемые системами Palm OC, Windows CE, Pocket PC, EPOC. Они могут быть клавиатурными (Handheld PC) и без клавиатурными (Palm size PC). Кроме того, существуют смартфоны - сочетание карманного компьютера и мобильного телефона. Такие компьютеры не являются полноценными в том смысле, что для обмена данным требуют подключения к стационарной машиной.Технологии мобильных компьютерных систем. Времени, когда слово "Портативный" означало "кейс с ручкой", портативные компьютеры, как и их настольные предшественники, очень изменились. Сегодняшние портативные системы могут конкурировать с настольными почти во всем. Многие компании предлагают их мобильным пользователям как основные компьютеры.
Персональные 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.
Компьютер -это универсальная техническая система,способная четко выполнять последовательностьопераций определенной программы. Персональным компьютером (ПК) может пользоваться один чело-век без помощи обслуживающего персонала. Взаимодействие с пользователем происходит через много сред, от алфавитно-цифрового или графического диалога с помощью дисплея, клавиатуры и мышки до устройств виртуальной реальности.
Первый персональный компьютер компании IBM был представлен на рынке в 1981 году. Компьютеры впервые были оснащены новой операционной системой MS-DOS компании Microsoft. Компьютер полу-чил наименование IBM PC и был построен на базе микропроцессора Intel 8088. Появление IBM PC ста-ло революционным событием в развитии информационных технологий благодаря заложенному при создании компьютера принципу открытой (модульной) архитектуры . В результате появилась возмож-ность достаточно легко изменять конфигурацию компьютера или модернизировать его путем замены морально устаревших блоков и узлов.
Большинство современных компьютеров является IBM PC-совместимыми персональными компьюте-рами. При этом имеется в виду, что они совместимы с компьютером IBM PC, разработанным в 1981 го-ду фирмой IBM. Понятие “совместимость” означает как возможность исполнения на любой модели IBM-совместимого компьютера любой программы, написанной для этого типа компьютеров (про-граммная совместимость), так и возможность независимого подключения к различным компьютерам IBM различных внешних устройств (аппаратная совместимость).
Важнейшую роль в развитии IBM PC-совместимых компьютеров сыграл заложенный в них фирмой IBM принцип открытой архитектуры . Фирма IBM сделала компьютер не единым неразъемным уст-ройством, а обеспечила возможность его сборки из независимо изготовленных частей.
За прошедшие годы сменилось несколько поколений машин IBM PC, прежде всего, характеризуемых типом процессора (см. ниже). Исторически первой и давно устаревшей моделью компьютера IBM была модель IBM PC XT (eXtended Technology) на основе микропроцессора Intel 8086. Появление в 1984 г.
стандарта компьютера IBM PC AT (Advanced Technology), основанного на микропроцессоре Intel 80286, можно считать за точку отсчета в истории современных IBM PC-совместимых ЭВМ. Современные ком-пьютеры также идентифицируются как «AT-совместимые».
Персональные IBM PC-совместимые компьютеры являются наиболее широко используемыми, их мощ-ность постоянно увеличивается, а область применения растет. Однако их возможности все же ограниче-ны, и не всегда их применение оправдано.
Персональные компьютеры условно можно поделить на профессиональные и бытовые,но в связи судешевлением аппаратного обеспечения, грань между ними размывается. С 1999 года введен междуна-родный сертификационный стандарт - спецификация РС99:
− массовый персональный компьютер (Consumer PC)
− деловой персональный компьютер (Office PC)
− портативный персональный компьютер (Mobile PC)
− рабочая станция (WorkStation)
− развлекательный персональный компьютер (Entertaiment PC)
Большинство персональных компьютеров на рынке подпадают в категорию массовых ПК. Деловые ПК - имеют минимум средств воспроизведения графики и звука. Портативные ПК отличаются наличием
средств коммуникации отдаленного доступа (компьютерная связь). Рабочие станции - увеличенные тре-бования к устройствам хранения данных. Развлекательные ПК - основной акцент на средствах воспро-изведения графики и звука.
Базовая конфигурация ПК
Несмотря на разнообразие типов, форм и архитектур персональных компьютеров, в составе большинст-ва ПК можно выделить следующее компоненты: системный блок, дисплей, клавиатура, мышь (или дру-гое указательное устройство) и периферийные устройства. В зависимости от потребностей и возможно-стей пользователей состав периферии может быть расширен аудиосистемой с синтезатором, модемом, принтером или сканером.
Обычно персональные компьютеры состоят из трех частей (блоков):
− системного блока;
− клавиатуры, позволяющей вводить символы в компьютер;
− монитора (или дисплея) – для изображения текстовой и графической информации.
Системный блок включает все основные составляющие персонального компьютера. Важнейшим его компонентом является материнская, или системная, плата. На ней расположены электронные модули, составляющие базовый комплект электроники компьютера:
− центральный процессор – главная микросхема, выполняющая вычислительные и логические опе-рации;
− оперативная память (оперативное запоминающее устройство – ОЗУ) – набор микросхем для хра-нения данных и программ во время работы компьютера;
− ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) – микросхеме для долговременного хранения дан-ных и программ;
− шины – наборы проводников для обмена сигналами между внутренними компонентами компью-
− чипсет – набор микросхем, управляющих работой внутренних компонентов компьютера и опреде-ляющих функциональные возможности материнской платы;
− разъемы (слоты) – расширения для подключения дополнительных устройств;
− контроллеры устройств и т.д.
В системном блоке также размещаются:
− блок питания, преобразующий напряжение сети в постоянный ток низкого напряжения, для пита-ния компонентов компьютера;
− дисководы (накопители) для чтения и записи дискет, магнитооптических дисков, компакт-дисков CD и видеодисков DVD;
− накопитель на жестком магнитном диске (винчестер).
К системному блоку подсоединены все внешние устройства: монитор, клавиатура, мышь, принтер, мо-дем, сканер, звуковые колонки и т.д.
Монитор (дисплей)отображает на экране текстовую и графическую информацию,вводимые с клавиа-туры или выводимые компьютером данные, сообщения компьютерной системой, копии документов и другую важную для пользователя информацию.
Клавиатура предназначена для ввода в компьютер команд и данных.
Мышь позволяет указывать на элементы экрана с помощью указателя и путем щелчка на кнопках вы-полнять определенные операции.
Принтер выводит в качестве твердой копии текстовую и графическую черно-белую и цветную инфор-мацию. Вывод может осуществляться на бумагу или на пленку.
Модем предназначен для подключения компьютера к телефонной линии.
Сканер обеспечивает ввод в ПК текстовой или графической,черно-белой или цветной информации дляее дальнейшей обработки.
Видеосистема ПК: монитор (назначение, классификация, технические характеристики) и ви-деокарта.
Мониторы
Первые компьютеры мониторов не имели, был лишь набор мигающих светодиодов и распечатка ре-зультатов на принтере. С развитием компьютерной техники появились мониторы и сейчас они являются необходимой частью базовой конфигурации персонального компьютера.
Монитор (дисплей) - это стандартное устройство вывода, предназначенное для визуального отображе-ния текстовых и графических данных. В зависимости от принципа действия, мониторы делятся на:
Мониторы с электронно-лучевой трубкой;
Дисплеи на жидких кристаллах.
Монитор с электронно-лучевой трубкой
Монитор с электронно-лучевой трубкой похож на телевизор. Электронно-лучевая трубка представляет собой электронно-вакуумное устройство в виде стеклянной колбы, в горловине которой находится электронная трубка, на дне - экран со слоем люминофора. При нагревании, электронная пушка излучает поток электронов, которые с высокой скоростью двигаются к экрану. Поток электронов (электронный
луч) проходит через фокусирующую и отклоняющую катушку, которая направляет его в определенную точку люминофорного покрытия экрана. Под действием электронов, люминофор излучает свет, кото-рый видит пользователь. Люминофор характеризуется временем излучения после действия электронно-го потока. Электронный луч двигается довольно быстро, расчерчивая экран строками слева направо и сверху вниз. Во время развертки, то есть передвижения по экрану, луч влияет на те элементарные уча-стки люминофорного покрытия, где может появиться изображение. Интенсивность луча постоянно из-меняется, что обуславливает свечение соответствующих участков экрана. Поскольку, свечение исчезает очень быстро, электронный луч должен непрерывно пробегать по экрану, восстанавливая его.
Время излучения и частота обновления свечения должны соответствовать друг другу. Преимуществен-но, частота вертикальной развертки равна 70-85 Гц, то есть свечение на экране возобновляется 70-85 раз
в секунду. Снижение частоты обновления приводит к миганию изображения, что утомляет глаза. Соот-ветственно, повышение частоты обновления приводит к размыванию или удвоению контуров изобра-жения.
Мониторы могут иметь как фиксированную частоту развертки, так и разные частоты в некотором диа-пазоне. Существует два режима развертки: Interlaced (черезстрочная) и Non Interlaced (построчная). Обычно, используют порядковую развертку. Луч сканирует экран построчно сверху вниз, формируя изображение за один проход. В режиме черезстрочной развертки, луч сканирует экран сверху вниз, но за два прохода: сначала нечетные строки, потом четные. Проход при черезстрочной развертке занимает вдвое меньше времени, чем формирование полного кадра в режиме построчной развертки. Поэтому время обновления для двух режимов одинаково.
Экраны для мониторов с электронно-лучевой трубкой бывают выпуклые и плоские. Стандартный мони-тор - выпуклый. В некоторых моделях используют технологию Trinitron, в которой поверхность экрана имеет небольшую кривизну по горизонтали, по вертикали экран абсолютно плоский. На таком экране наблюдается меньше бликов и улучшено качество изображения. Единственным недостатком можно считать высокую цену.
Дисплеи на жидких кристаллах (Liquid Crystal Display - LCD)
В дисплеях на жидких кристаллах безбликовый плоский экран и низкая мощность потребления элек-трической энергии (5 Вт, по сравнению, монитор с электронно-лучевой трубкой потребляет 100 Вт). Существует три вида дисплеев на жидких кристаллах:
Монохромный с пассивной матрицей;
Цветной с пассивной матрицей;
Цветной с активной матрицей.
В дисплеях на жидких кристаллах поляризационный фильтр создает две разные световые волны. Свето-вая волна проходит сквозь жидкокристаллическую ячейку. Каждая ячейка имеет свой цвет. Жидкие кристаллы представляют собой молекулы, которые могут перетекать как жидкость. Это вещество про-пускает свет, но под действием электрического заряда, молекулы изменяют свою ориентацию.
В дисплеях на жидких кристаллах с пассивной матрицей каждой ячейкой руководит электрический за-ряд (напряжение), который передается через транзисторную схему в соответствии с расположением ячеек в строках и столбцах матрицы экрана. Ячейка реагирует на импульс поступающего напряжения.
В дисплеях с активной матрицей каждая ячейка оснащена отдельным транзисторным ключом. Это обеспечивает высшую яркость изображения чем в дисплеях с пассивной матрицей, поскольку каждая ячейка находится под действием постоянного, а не импульсного электрического поля. Соответственно, активная матрица потребляет больше энергии. Кроме того, наличие отдельного транзисторного ключа для каждой ячейки усложняет производство, что, в свою очередь, увеличивает их цену.
Монохромные и цветные мониторы
По набору оттенков отображаемых цветов, мониторы делятся на цветные и черно-белые (монохром-ные). Монохромные мониторы дешевле, но не подходят для работы с операционной системой Windows.
В цветных мониторах используют более сложные методы формирования изображения. В монохромных электронно-лучевых трубках существует одна электронная пушка, в цветных - три. Экран монохромной электронно-лучевой трубки покрыт люминофором одного цвета (с желтым, белым или зеленым излуче-нием). Экран цветной электронно-лучевой трубки состоит из люминофорных триад (с красным, зеле-ным и синим излучением). Комбинации трех цветов предоставляет великое множество выходных от-тенков.
Основные параметры мониторов
С точки зрения пользователя, основными характеристиками монитора являются размер по диагонали, разрешающая способность, частота регенерации (обновление) и класс защиты.
Размер монитора. Экран монитора измеряется по диагонали в дюймах.Размеры колеблются от9дюй-мов (23 см) до 42 дюймов (106 см). Чем больше экран, тем дороже монитор. Распространенными явля-ются размеры 14, 15, 17, 19 и 21 дюйма. Мониторы большого размера лучше использовать для настоль-ных издательских систем и графических работ, в которых нужно видеть все детали изображения. Опти-мальными для массового использования являются 15- и 17-дюймовые мониторы.
Разрешающая способность .В графическом режиме работы изображение на экране монитора состоит източек (пикселов). Количество точек по горизонтали и вертикали, которые монитор способный воссоз-
дать четко и раздельно называется его разрешающей способностью. Выражение "разрешающая способ-ность 800х600" означает, что монитор может выводить 600 горизонтальных строк по 800 точек в каж-дой. Стандартными являются такие режимы разрешающей способности: 800 х600, 1024х768, 1152х864 и выше. Это свойство монитора определяется размером точки (зерна) экрана. Размер зерна экрана совре-менных мониторов не превышает 0,28 мм. Чем больше разрешающая способность, тем лучше качество изображения. Качество изображения также связанно с размером экрана. Так, для удовлетворительного качества изображения в режиме 800х600 на 15 -дюймовом мониторе можно ограничиться размером зер-на 0,28 мм, для 14-дюймового монитора с тем же размером зерна в одном и том же видеорежиме каче-ство мелких деталей изображения будет немного хуже.
Частота регенерации . Этот параметр иначе называется частотой кадровой развертки.Он показываетсколько раз в секунду монитор может полностью обновить изображение на экране. Частота регенерации измеряется в герцах (Гц). Чем больше частота, тем меньше усталость глаз и больше времени можно ра-ботать непрерывно. Сегодня минимально допустимой считается частота в 75 Гц, нормальной - 85 Гц, комфортной - 100 Гц и больше. Этот параметр зависит и от характеристик видеоадаптера.
Класс защиты монитора определяется стандартом,которому отвечает монитор с точки зрения требо-ваний техники безопасности. Сейчас общепринятыми считаются международные стандарты TCO-92, TCO-95 и ТСО-99, ограничивающие уровни электромагнитного излучения, эргометрические и экологи-ческие нормы, в рамках, безопасных для здоровья человека.
Видеоадаптер
Работой монитора руководит специальная плата, которую называют видеоадаптером (видеокартой). Вместе с монитором видеокарта создает видеоподсистему персонального компьютера. В первых ком-пьютерах видеокарты не было. В оперативной памяти существовал экранный участок памяти, куда про-цессор заносил данные об изображении. Контроллер экрана считывал данные об яркости отдельных то-чек экрана из ячеек памяти и руководил разверткой горизонтального луча электронной пушки монито-ра.
При переходе от монохромных мониторов к цветным и с увеличением разрешающей способности экра-на, участка видеопамяти стало недостаточно для хранения графических данных, а процессор не успевал обрабатывать изображения. Все операции, связанные с управлением экрана были отведены в отдельный блок - видеоадаптер.
Видеоадаптер имеет вид отдельной платы расширения, которую вставляют в определенный слот мате-ринской платы (в современных ПК это слот AGP). Видеоадаптер выполняет функции видеоконтролле-ра, видеопроцессора и видеопамяти.
За время существования ПК изменилось несколько стандартов видеоадаптеров:
MDA (Monochrom Display Adapter) -монохромный,
CGA(Color Graphics Adapter) - 4 цвета,
EGA(Enchanced Graphics Adapter) -16 цветов,
VGA (Video Graphics Array) - 256 цветов,
SVGA (Super VGA) - до 16,7 млн. цветов.
На эти стандарты рассчитанны все программы, предназначенные для IBM-совместимых компьютеров. Сформированное графическое изображение хранится во внутренней памяти видеоадаптера, которая на-зывается видеопамятью. Необходимая емкость видеопамяти зависит от заданной разрешающей способ-ности и палитры цветов, поэтому для работы в режимах с высокой разрешающей способностью и пол-ноцветной гаммой нужно как можно больше видеопамяти. Если еще недавно типичными были видео-адаптеры с 2-4 Мбайт видеопамяти, то уже сегодня нормальной считается емкость в 32-64 Мбайт. Большинство современных видеокарт обладает возможностю расширения объема видеопамяти до 128 Мбайт, а также свойством видеоакселерации. Суть этого свойства состоит в том, что часть операций по построению изображения может происходить без выполнения математических вычислений в основном процессоре, а чисто аппаратным путем - преобразованием данных в специальных микросхемах видеоак-селератора.
Видеоакселераторы могут входить в состав видеоадаптера, а могут поставляться в виде отдельной пла-ты расширения, устанавливаемой на материнской плате и подсоединяемой к видеокарте. Различают два типа видеоакселераторов: для плоской (2D) и трехмерной (3D) графики. Первые более эффективны для работы с прикладными программами общего назначения и оптимизованные для ОС Windows, другие ориентированы на работу с разными мультимедийними и развлекательными программами.
Принципы работы компьютера
Важнейшей функцией компьютера является преобразование данных (информации), кроме того, компьютер должен иметь возможность принимать, хранить и выводить данные. В связи с особенностями технической реализации внутреннее представление данных в компьютере отличается от представления для пользователя. Данные, с которыми работает компьютер, могут быть дискретными (т.е. составленными из отдельных частей) или непрерывными. Преобразованием непрерывных данных занимаются так называемые аналоговые компьютеры, а с дискретными данными работают цифровые компьютеры, которые получили в настоящее время наибольшее распространение. Существуют также комбинированные (аналого-цифровые) компьютеры. Непрерывные данные могут быть преобразованы в дискретные (процесс дискретизации) с определенной точностью (т.е. шагом или частотой дискретизации). Таким образом, данные любого рода могут быть представлены в унифицированном дискретном виде, например, в виде последовательности знаков некоторого алфавита. Наиболее простым и удобным с точки зрения технической реализации является алфавит, состоящий всего из двух знаков с противоположными значениями, - двоичный код, который принято записывать в виде цифр «1» и «0». В двоичной системе счисления знаки «1» и «0» называются битами. В электронных машинах значением одного знака будет наличие электрического сигнала, а другого - отсутствие сигнала.
Поскольку в современном цифровом компьютере любые данные (будь то текст, рисунок, звук, видеозапись и т.д.) представлены в виде последовательности цифр, их преобразование сводится к математическим и логическим операциям (вычислениям). Этим и объясняется название «вычислительная машина». С 1990-х в русском языке прочно укоренился термин «компьютер», который по целому ряду причин (интеграция России в мировое сообщество, повсеместное внедрение «персональных компьютеров» (‛Personal Computer‛ является торговой маркой фирмы IBM), увеличение разнородности выполняемых электронными машинами задач и др.) вытесняет термин «электронная вычислительная машина».
В отличие от многих других вычислительных устройств (логарифмической линейки, счет или простых калькуляторов) компьютеры обеспечивают возможность частичной или полной автоматизации процесса решения сложных (состоящих из множества шагов) задач. Автоматизация достигается за счет того, что любая задача, связанная с преобразованием информации и управлением машиной, формулируется в виде компьютерной программы. Компьютерная программа представляет собой алгоритм решения задачи, записанный на одном из языков программирования и переводимый в машинный код, т.е. последовательность «1» и «0».
Устройство компьютера
Функционирование компьютера обеспечивается двумя взаимосвязанными и равно необходимыми компонентами: техническим обеспечением (hardware - «хард», «железо»), т.е. комплексом технических устройств, и программным обеспечением, ПО (software - «софт»), включающим системные и прикладные программы.
Наиболее общие принципы построения и функционирования компьютеров принято называть архитектурой. Впервые такие принципы были сформулированы в 1946 американским ученым Джоном фон Нейманом. В соответствии с архитектурой фон Неймана в состав компьютера должны входить: устройство, выполняющее арифметические и логические операции (АЛУ); устройство управления; запоминающее устройство (ЗУ) и внешние устройства для ввода-вывода данных. Большинство современных компьютеров в целом соответствует принципам фон Неймана, однако, арифметическо-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в центральный процессор - вычислительный мозг машины. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах (многопроцессорные системы) или ядрах внутри одного процессора (многоядерные процессоры). Пользовательские данные и программы хранятся различных запоминающих устройствах, которые обобщенно называют памятью. Для долговременного хранения данных используют энергонезависимые и емкие устройства внешней памяти (жесткие диски, оптические компакт-диски и т.д.). Для хранения данных, непосредственно используемых процессором в текущем сеансе работы, применяются устройства внутренней памяти, многие из которых (оперативная память, кэш-память) выполняют роль буфера между процессором и более медленными устройствами (внешней) памяти. Ввод и вывод данных в компьютер осуществляется с помощью целого ряда устройств (клавиатуры, мыши, сканера, монитора, принтера и т.д.).
Современный персональный компьютер (ПК), построенный на базе открытой архитектуры, как правило, состоит из системного блока, в котором с помощью системы шин материнской (системной) платы объединены все важнейшие устройства, в том микропроцессор, модули оперативной памяти, жесткий диск, дисководы, а также карты расширения (для создания изображения служит видеокарта, для создания звука - звуковая карта, для подключения компьютера к сети - сетевая карта и т.д.). К системному блоку подключаются внешние устройства, в т.ч. устройства ввода и вывода информации. В некоторых компьютерах одни устройства могут интегрироваться с другими. Так, в корпусе портативных компьютеров (ноутбуки, КПК и т.д.) системный блок часто бывает совмещен с устройствами ввода-вывода информации. В бюджетных настольных компьютерах устройства преобразования аудио и видеосигнала, обеспечения сетевой коммуникации и т.д. могут быть интегрированы в чипсет материнской платы.
Типы компьютеров
Существующие компьютеры могут классифицироваться по разным основаниям.
По вычислительной мощности и габаритам все компьютеры делят на несколько классов. Наиболее мощные компьютеры своего времени называют суперкомпьютерами. Они стоят миллионы долларов, выпускаются партиями в десятки штук и используются только для самых сложных и важных расчетов. Менее производительны, но более доступны так называемые большие компьютеры, которые, как и суперкомпьютеры, требуют специального помещения и высокопрофессионального обслуживания. Промежуточное положение занимают компьютеры средней производительности и миникомпьютеры. Создание микропроцессоров привело к появлению класса микрокомпьютеров, к которому относятся в частности персональные компьютеры и ноутбуки. Мини- и микрокомпьютеры имеют шинную организацию, стандартизированное аппаратное и программное обеспечение. Определенная разница в габаритах между представителями вышеперечисленных классов достаточно очевидна, но различия в производительности зависят от времени выпуска: некоторые современные микрокомпьютеры не уступают в производительности устаревшим машинам более высокого класса.
По назначению компьютеры подразделяют на универсальные (предназначенные для решения широкого круга задач), специализированные (предназначенные для решения узкого класса определенных задач), управляющие (предназначенная для автоматического управления объектом (устройством, системой, процессом) в реальном масштабе времени), бытовые (см. Домашний ПК) и др.
По функциям, выполняемым в многомашинных комплексах, разделяют хост и сервер.
По степени развития компьютеры (с началом их серийного производства) условно подразделяются на несколько поколений. Каждое поколение отличается от других архитектурой, элементной базой (в особенности процессора), степенью развитости программных средств и средств взаимодействия с пользователем, производительностью и другими показателями. Временные рамки поколений компьютерной техники достаточно размыты, т.к. в одно и то же время выпускались машины разных поколений.
История вычислительной техники
История компьютера тесным образом связана с попытками облегчить и автоматизировать большие объемы вычислений. Даже простые арифметические операции с большими числами затруднительны для человеческого мозга. Поэтому уже в древности появилось простейшее счетное устройство - абак. В семнадцатом веке была изобретена логарифмическая линейка, облегчающая сложные математические расчеты. В 1642 Блез Паскаль сконструировал восьмиразрядный суммирующий механизм. Два столетия спустя в 1820 француз Шарль де Кольмар создал арифмометр, способный производить умножение и деление. Этот прибор прочно занял свое место на бухгалтерских столах.
Все основные идеи, которые лежат в основе работы компьютеров, были изложены еще в 1833 английским математиком Чарлзом Бэббиджем. Он разработал проект машины для выполнения научных и технических расчетов, где предугадал основные устройства современного компьютера, а также его задачи. Для ввода и вывода данных Бэббидж предлагал использовать перфокарты - листы из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий. В то время перфокарты уже использовались в текстильной промышленности. Управление такой машиной должно было осуществляться программным путем.
Идеи Бэббиджа стали реально воплощаться в жизнь в конце 19 века. В 1888 американский инженер Герман Холлерит сконструировал первую электромеханическую счетную машину. Эта машина, названная табулятором, могла считывать и сортировать статистические записи, закодированные на перфокартах. В 1890 изобретение Холлерита было впервые использовано в 11-й американской переписи населения. Работа, которую пятьсот сотрудников выполняли в течение семи лет, Холлерит сделал с 43 помощниками на 43 табуляторах за один месяц.
В 1896 Герман Холлерит основал фирму Computing Tabulating Recording Company, которая стала основой для будущей Интернэшнл Бизнес Мэшинс (International Business Machines Corporation, IBM) - компании, внесшей гигантский вклад в развитие мировой компьютерной техники.
Дальнейшее развитие науки и техники позволили в 1940-х годах построить первые вычислительные машины. В феврале 1944 на одном из предприятий Ай-Би-Эм (IBM) в сотрудничестве с учеными Гарвардского университета по заказу ВМС США была создана машина «Марк-1». Это был монстр весом около 35 тонн. «Марк-1» был основан на использовании электромеханических реле и оперировал десятичными числами, закодированными на перфоленте. Машина могла манипулировать числами длиной до 23 разрядов. Для перемножения двух 23-разрядных чисел ей было необходимо четыре секунды.
Но электромеханические реле работали недостаточно быстро. Поэтому уже в 1943 американцы начали разработку альтернативного варианта - вычислительной машины на основе электронных ламп. В 1946 была построена первая электронная вычислительная машина ENIAC. Ее вес составлял 30 тонн, она требовала для размещения 170 квадратных метров площади. Вместо тысяч электромеханических деталей ENIAC содержал 18 тысяч электронных ламп. Считала машина в двоичной системе и производила пять тысяч операций сложения или триста операций умножения в секунду.
Машина на электронных лампах работала существенно быстрее, но сами электронные лампы часто выходили из строя. Для их замены в 1947 американцы Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Брэдфорд Шокли предложили использовать изобретенные ими стабильные переключающие полупроводниковые элементы - транзисторы.
Совершенствование первых образцов вычислительных машин привело в 1951 к созданию компьютера UNIVAC, предназначенного для коммерческого использования. UNIVAC стал первым серийно выпускавшимся компьютером, а его первый экземпляр был передан в Бюро переписи населения США.
С активным внедрением транзисторов в 1950-х годах связано рождение второго поколения компьютеров. Один транзистор был способен заменить 40 электронных ламп. В результате быстродействие машин возросло в 10 раз при существенном уменьшении веса и размеров. В компьютерах стали применять запоминающие устройства из магнитных сердечников, способные хранить большой объем информации.
В 1959 были изобретены интегральные микросхемы (чипы), в которых все электронные компоненты вместе с проводниками помещались внутри кремниевой пластинки. Применение чипов в компьютерах позволяет сократить пути прохождения тока при переключениях, и скорость вычислений повышается в десятки раз. Существенно уменьшаются и габариты машин. Появление чипа знаменовало собой рождение третьего поколения компьютеров.
К началу 1960-х годов компьютеры нашли широкое применение для обработки большого количества статистических данных, производства научных расчетов, решения оборонных задач, создания автоматизированных систем управления. Высокая цена, сложность и дороговизна обслуживания больших вычислительных машин ограничивали их использование во многих сферах. Однако процесс миниатюризации компьютера позволил в 1965 американской фирме Digital Equipment выпустить миникомпьютер PDP-8 ценой в 20 тысяч долларов, что сделало компьютер доступным для средних и мелких коммерческих компаний.
В 1970 сотрудник компании Intel Эдвард Хофф создал первый микропроцессор, разместив несколько интегральных микросхем на одном кремниевом кристалле. Это революционное изобретение кардинально перевернуло представление о компьютерах как о громоздких, тяжеловесных монстрах. С микропроцессом появляются микрокомпьютеры - компьютеры четвертого поколения, способные разместиться на письменном столе пользователя.
В середине 1970-х годов начинают предприниматься попытки создания персонального компьютера - вычислительной машины, предназначенной для частного пользователя. Во второй половине 1970-х годов появляются наиболее удачные образцы микрокомпьютеров американской фирмы Apple, но широкое распространение персональные компьютеры получили с созданием в августе 1981 фирмой IBM модели микрокомпьютера IBM PC. Применение принципа открытой архитектуры, стандартизация основных компьютерных устройств и способов их соединения привели к массовому производству клонов IBM PC, широкому распространению микрокомпьютеров во всем мире.
За последние десятилетия 20 века микрокомпьютеры проделали значительный эволюционный путь, многократно увеличили свое быстродействие и объемы перерабатываемой информации, но окончательно вытеснить миникомпьютеры и большие вычислительные системы - мейнфреймы они не смогли. Более того, развитие больших вычислительных систем привело к созданию суперкомпьютера - суперпроизводительной и супердорогой машины, способной просчитывать модель ядерного взрыва или крупного землетрясения. В конце 20 века человечество вступило в стадию формирования глобальной информационной сети, которая способна объединить возможности различных компьютерных систем.
Большинство современных компьютеров состоит из двух и более уровней. Существуют машины даже с шестью уровнями (рис. 1.2). Уровень 0 - аппаратное обеспечение машины. Его электронные схемы выполняют программы, написанные наязыке уровня 1. Ради полноты нужно упомянуть о существовании еще одного уровня, расположенного ниже уровня 0. Этот уровень не показан на рис. 1.2, так как он попадает в сферу электронной техники и, следовательно, не рассматривается в этойкниге. Он называется уровнем физических устройств. На этом уровне находятся транзисторы, которые являются примитивами для разработчиков компьютеров.Объяснять, как работают транзисторы, - задача физики.
На самом нижнем уровне, цифровом логическом уровне, объекты называются вентилями. Хотя вентили состоят из аналоговых компонентов, таких как транзисторы, они могут быть точно смоделированы как цифровые средства. У каждого вентиля есть одно или несколько цифровых входных данных (сигналов, представляющих 0 или 1). Вентиль вычисляет простые функции этих сигналов, такие как И или ИЛИ. Каждый вентиль формируется из нескольких транзисторов. Несколько вентилей формируют 1 бит памяти, который может содержать 0 или 1. Биты памяти, объединенные в группы, например, по 16,32 или 64, формируют регистры. Каждый регистр может содержать одно двоичное число до определенного предела.
Из вентилей также может состоять сам компьютер.
Следующий уровень - микроархитектурный уровень. На этом уровне можно видеть совокупности 8 или 32 регистров, которые формируют локальную память и схему, называемую АЛУ (арифметико-логическое устройство). АЛУ выполняет простые арифметические операции. Регистры вместе с АЛУ формируют тракт данных, по которому поступают данные. Основная операция тракта данных состоит в следующем. Выбирается один или два регистра, АЛУ производит надними какую-либо операцию, например сложения, а результат помещается в одиниз этих регистров.
На некоторых машинах работа тракта данных контролируется особой программой, которая называется микропрограммой. На других машинах тракт данных контролируется аппаратными средствами. В предыдущих изданиях книги мы назвали этот уровень ≪уровнем микропрограммирования≫, потому что раньше он почти всегда был интерпретатором программного обеспечения. Поскольку сейчас тракт данных обычно контролируется аппаратным обеспечением, мы изменили
название, чтобы точнее отразить смысл.
На машинах, где тракт данных контролируется программным обеспечением,
микропрограмма - это интерпретатор для команд на уровне 2. Микропрограмма вызывает команды из памяти и выполняет их одну за другой, используя при этом тракт данных. Например, для того чтобы выполнить команду ADD, эта команда вызывается из памяти, ее операнды помещаются в регистры, АЛУ вычисляет сумму, а затем результат переправляется обратно. На компьютере с аппаратным контролем тракта данных происходит такая же процедура, но при этом нет программы, которая контролирует интерпретацию команд уровня 2.
Многоуровневая компьютерная организация 23
Второй уровень мы будем называть уровнем архитектуры системы команд.
Каждый производитель публикует руководство для компьютеров, которые он продает, под названием ≪Руководство по машинному языку≫ или ≪Принципы работы компьютера Western Wombat Model 100X≫ и т. п. Такие руководства содержат информацию именно об этом уровне. Когда они описывают набор машинных команд, они в действительности описывают команды, которые выполняются микропрограммой-интерпретатором или аппаратным обеспечением. Если производитель поставляет два интерпретатора для одной машины, он должен издать два руководства по машинному языку, отдельно для каждого интерпретатора.
Следующий уровень обычно гибридный. Большинство команд в его языке есть также и на уровне архитектуры системы команд (команды, имеющиеся на одном из уровней, вполне могут находиться на других уровнях). У этого уровня есть некоторые дополнительные особенности: набор новых команд, другая организация памяти, способность выполнять две и более программ одновременно и некоторые другие. При построении третьего уровня возможно больше вариантов, чем при построении первого и второго.
Новые средства, появившиеся на третьем уровне, выполняются интерпретатором, который работает на втором уровне. Этот интерпретатор был когда-то назван операционной системой. Команды третьего уровня, идентичные командам второго уровня, выполняются микропрограммой или аппаратным обеспечением, но не операционной системой. Иными словами, одна часть команд третьего уровня интерпретируется операционной системой, а другая часть - микропрограммой. Вот почему этот уровень считается гибридным. Мы будем называть этот уровень уровнем операционной системы.
Между третьим и четвертым уровнями есть существенная разница. Нижние три уровня конструируются не для того, чтобы с ними работал обычный программист.
Они изначально предназначены для работы интерпретаторов и трансляторов, поддерживающих более высокие уровни. Эти трансляторы и интерпретаторы составляются так называемыми системными программистами, которые специализируются на разработке и построении новых виртуальных машин. Уровни с четвертого и выше предназначены для прикладных программистов, решающих конкретные задачи.
Еще одно изменение, появившееся на уровне 4, - способ, которым поддерживаются более высокие уровни. Уровни 2 и 3 обычно интерпретируются, а уровни 4, 5 и выше обычно, хотя и не всегда, поддерживаются транслятором.
Другое различие между уровнями 1,2,3 и уровнями 4,5 и выше - особенность языка. Машинные языки уровней 1,2 и 3 - цифровые. Программы, написанные на этих языках, состоят из длинных рядов цифр, которые удобны для компьютеров, но совершенно неудобны для людей. Начиная с четвертого уровня, языки содержат слова и сокращения, понятные человеку.
Четвертый уровень представляет собой символическую форму одного из язы-
ков более низкого уровня. На этом уровне можно писать программы в приемлемой для человека форме. Эти программы сначала транслируются на язык уровня 1, 2 или 3, а затем интерпретируются соответствующей виртуальной или фактически существующей машиной. Программа, которая выполняет трансляцию, называется ассемблером.
Пятый уровень обычно состоит из языков, разработанных для прикладных программистов. Такие языки называются языками высокого уровня. Существуют сотни языков высокого уровня. Наиболее известные среди них - BASIC, С, C++, Java, LISP и Prolog. Программы, написанные на этих языках, обычно транслируются на уровень 3 или 4. Трансляторы, которые обрабатывают эти программы, называются компиляторами. Отметим, что иногда также используется метод интерпретации. Например, программы на языке Java обычно интерпретируются.
В некоторых случаях пятый уровень состоит из интерпретатора для такой сферы приложения, как символическая математика. Он обеспечивает данные и операции для решения задач в этой сфере в терминах, понятных людям, сведущим в символической математике.
Вывод: компьютер проектируется как иерархическая структура уровней, каждый из которых надстраивается над предыдущим. Каждый уровень представляет собой определенную абстракцию с различными объектами и операциями. Рассматривая компьютер подобным образом, мы можем не принимать во внимание ненужные нам детали и свести сложный предмет к более простому для понимания.
Набор типов данных, операций и особенностей каждого уровня называется архитектурой. Архитектура связана с аспектами, которые видны программисту. Например, сведения о том, сколько памяти можно использовать при написании программы, - часть архитектуры. А аспекты разработки (например, какая технология используется при создании памяти) не являются частью архитектуры. Изучение того, как разрабатываются те части компьютерной системы, которые видны программистам, называется изучением компьютерной архитектуры. Термины ≪компьютерная архитектура≫ и ≪компьютерная организация≫ означают в сущности одно
Развитие многоуровневых машин
В этом разделе мы кратко изложим историю развития многоуровневых машин, покажем, как число и природа уровней менялись с годами. Программы, написанные на машинном языке (уровень 1), могут сразу выполняться электронными схемами компьютера (уровень 0), без применения интерпретаторов и трансляторов. Эти электронные схемы вместе с памятью и средствами ввода-вывода формируют аппаратное обеспечение. Аппаратное обеспечение состоит из осязаемых объектов - интегральных схем, печатных плат, кабелей, источников электропитания, запоминающих устройств и принтеров. Абстрактные понятия, алгоритмы и команды не относятся к аппаратному обеспечению.
Программное обеспечение, напротив, состоит из алгоритмов (подробных последовательностей команд, которые описывают, как решить задачу) и их компьютерных представлений, то есть программ. Программы могут храниться на жестком диске, гибком диске, компакт-диске или других носителях, но в сущности программное обеспечение - это набор команд, составляющих программы, а не физические носители, на которых эти программы записаны.
В самых первых компьютерах граница между аппаратным и программным обеспечением была очевидна. Со временем, однако, произошло значительное размывание этой границы, в первую очередь благодаря тому, что в процессе развития.
Многоуровневая компьютерная организация 25 компьютеров уровни добавлялись, убирались и сливались. В настоящее время очень сложно отделить их друг от друга. В действительности центральная тема этой книги может быть выражена так: аппаратное и программное обеспечение логически
эквивалентны.
Любая операция, выполняемая программным обеспечением, может быть встроена в аппаратное обеспечение (желательно после того, как она осознана). Карен Панетта Ленц говорил; ≪Аппаратное обеспечение - это всего лишь окаменевшее программное обеспечение≫. Конечно, обратное тоже верно: любая команда, выполняемая аппаратным обеспечением, может быть смоделирована в программном обеспечении. Решение разделить функции аппаратного и программного обеспечения основано на таких факторах, как стоимость, скорость, надежность, а также частота ожидаемых изменений. Существует несколько жестких правил, сводящихся к тому, что X должен быть в аппаратном обеспечении, a Y должен программироваться.
Эти решения изменяются в зависимости от тенденций в развитии компьютерных технологий.
2.Типы компьютеров
Технологические и экономические аспекты
Степень технологического прогресса можно наблюдать, используя закон Мура, названный в честь одного из основателей и главы компании Intel Гордона Мура,который открыл его в 1965 году Закон Мура гласит, что число транзисторовна одной микросхеме удваивается каждые 18 месяцев, то есть увеличивается на60% каждый год. Размеры микросхем и даты их производства, показанные нарис. 1.6, подтверждают, что закон Мура до сих пор действует.
Многие специалисты считают, что закон Мура действует и в XXI веке, возможно, до 2020 года. Вероятно, транзисторы скоро будут состоять всего лишь из нескольких атомов, хотя достижения квантовой компьютерной техники, может быть, позволят использовать для размещения 1 бита спин одного электрона.
Еще один фактор развития компьютерных технологий - первый натановский закон программного обеспечения, названный в честь Натана Мирвольда, главного администратора компании Microsoft. Этот закон гласит: «Программное обеспечение - это газ. Оно распространяется и полностью заполняет резервуар, в котором находится» Современные электронные редакторы занимают десятки мегабайтов. В будущем, несомненно, они будут занимать десятки гигабайтов. Программное обеспечение продолжает развиваться и создает постоянный спрос на процессоры, работающие с более высокой скоростью, на большийобъем памяти, на большую производительность устройств ввода-вывода.
С каждым годом происходит стремительное увеличение количества транзисторов на одной микросхеме. Отметим, что достижения в развитии других частей компьютера столь же велики.
Подсчитать, насколько быстро происходит совершенствование жесткого диска, гораздо сложнее, поскольку тут есть несколько параметров (объем, скорость передачи данных, цена и т. д), но измерение любого из этих параметров покажет, что показатели возрастают, по крайней мере, на 50% в год.
Крупные достижения наблюдаются также и в сфере телекоммуникаций и создания сетей. Меньше чем за два десятилетия мы пришли от модемов, передающих информацию со скоростью 300 бит/с, к аналоговым модемам, работающим со скоростью 56 Кбит/с, телефонным линиям ISDN, где скорость передачи информации 2x64 Кбит/с, оптико-волоконным сетям, где скорость уже больше чем 1 Гбит/с. Оптико-волоконные трансатлантические телефонные кабели (например, ТАТ-12/13) стоят около $700 млн., действуют в течение 10 лет и могут передавать 300 000 звонков одновременно, поэтому стоимость 10-минутной межконтинентальной связи составляет менее 1 цента. Лабораторные исследования подтвердили, что возможны системы связи, работающие со скоростью 1 терабит/с (1012 бит/с) на расстоянии более 100 км без усилителей, Едва ли нужно упоминать здесь о развитии сети Интернет.
3.Семейства компьютеров
3.1. Широкий спектр компьютеров
Ричард Хамминг, бывший исследователь из Bell Laboratories, заметил, что количественное изменение величины на порядок ведет к качественному изменению.
Например, гоночная машина, которая может ездить со скоростью 1000 км/ч попустыне Невада, коренным образом отличается от обычной машины, котораяездит со скоростью 100 км/ч по шоссе Точно так же небоскреб в 100 этажей несопоставим с десятиэтажным многоквартирным домом А если речь идет о компьютерах, то тут за три десятилетия количественные показатели увеличились не в 10, а в 1 000 000 раз.
Развивать компьютерные технологии можно двумя путями: или создавать компьютеры все большей и большей мощности при постоянной цене, или выпускать один и тот же компьютер, с каждым годом снижая цену. Компьютерная промышленность использует оба эти пути, создавая широкий спектр разнообразных компьютеров. Очень приблизительная классификация современных компьютеров представлена в табл. 1.3.
В самой верхней строчке находятся микросхемы, которые приклеиваются на внутреннюю сторону поздравительных открыток для проигрывания мелодий «Happy Birthday», свадебного марша или чего-нибудь подобного. Автор идеи еще не придумал открытки с соболезнованиями, которые играют похоронный марш, но поскольку он выпустил эту идею в потребительскую сферу, вскоре можно будет ожидать появления и таких открыток. Тот, кто воспитывался на компьютерах стоимостью в миллионы долларов, воспринимает такие доступные всем компьютеры примерно так же, как доступный всем самолет. Тем не менее такие компьютеры, вне всяких сомнений, должны существовать (а как насчет говорящих мешков для мусора, которые просят вас не выбрасывать алюминиевые банки?).
Вторая строчка - компьютеры, которые помещаются внутрь телефонов, телевизоров, микроволновых печей, CD-плейеров, игрушек, кукол и т. п. Через несколько лет во всех электрических приборах будут находиться встроенные компьютеры, количество которых будет измеряться в миллиардах. Такие компьютеры состоят из процессора, памяти менее 1 Мбайт и устройств ввода-вывода, и все это на одной маленькой микросхеме, которая стоит всего несколько долларов.
Следующая строка - игровые компьютеры. Это обычные компьютеры с особой графикой, но с ограниченным программным обеспечением и почти полным отсутствием открытости, то есть возможности перепрограммирования. Примерно равны им по стоимости электронные записные книжки и прочие карманные компьютеры, а также сетевые компьютеры и web-терминалы. Все они содержат процессор, несколько мегабайтов памяти, какой-либо дисплей (может быть, даже телевизионный) и больше ничего. Поэтому они такие дешевые.
Далее идут персональные компьютеры. Именно они ассоциируются у большинства людей со словом «компьютер». Персональные компьютеры бывают двух видов: настольные и ноутбуки. Они обычно содержат несколько мегабайтов памяти, жесткий диск с данными на несколько гигабайтов, CD-ROM, модем, звуковую карту и другие периферийные устройства. Они снабжены сложными операционными системами, имеют возможность наращивания, при работе с ними используется широкий спектр программного обеспечения. Компьютеры с процессором Intel обычно называются «персональными компьютерами», а компьютеры с другими
процессорами - «рабочими станциями», хотя особой разницы между ними нет.
Персональные компьютеры и рабочие станции часто используются в качестве сетевых серверов как для локальных сетей (обычно в пределах одной организации), так и для Интернета. У этих компьютеров обычно один или несколько процессоров, несколько гигабайтов памяти и много Гбайт на диске. Такие компьютеры способны работать в сети с очень высокой скоростью. Некоторые из них могут обрабатывать тысячи поступающих сообщений одновременно.
Помимо небольших серверов с несколькими процессорами существуют системы, которые называются сетями рабочих станций (NOW - Networks of Workstations) или кластерами рабочих станций (COW - Clusters of Workstations). Они состоят из обычных персональных компьютеров или рабочих станций, связанных в сеть, по которой информация передается со скоростью 1 Гбит/с, и специального программного обеспечения, позволяющего всем машинам одновременно работать над одной задачей. Такие системы широко применяются в науке и технике. Кластеры рабочих станций могут включать в себя от нескольких компьютеров до нескольких тысяч. Благодаря низкой цене компонентов отдельные организации могут приобретать такие машины, которые по эффективности являются мини-суперкомпьютерами.
А теперь мы дошли до больших компьютеров размером с комнату, напоминающих компьютеры 60-х годов. В большинстве случаев эти системы - прямые потомки больших компьютеров серии IBM-360. Обычно они работают ненамного быстрее, чем мощные серверы, но у них выше скорость процессов ввода-вывода и обладают они довольно большим пространством на диске - 1 терабайт и более(1 терабайт=1012байт). Такие системы стоят очень дорого и требуют крупных вложений в программное обеспечение, данные и персонал, обслуживающий эти компьютеры. Многие компании считают, что дешевле заплатить несколько миллионов долларов один раз за такую систему, чем даже думать о том, что нужно будет заново программировать все прикладные программы для маленьких компьютеров.
Именно этот класс компьютеров привел к проблеме 2000 года. Проблема возникла из-за того, что в 60-е и 70-е годы программисты, пишущие программы на языке COBOL, представляли год двузначным десятичным числом с целью экономиипамяти. Они не смогли предвидеть, что их программное обеспечение будет использоваться через три или четыре десятилетия. Многие компании повторили ту же ошибку, добавив к числу года только два десятичных разряда. Автор этой книги предсказывает, что конец цивилизации произойдет в полночь 31 декабря 9999 года, когда сразу уничтожатся все COBOL-программы, написанные за 8000 лет.
Вслед за большими компьютерами идут настоящие суперкомпьютеры. Их процессоры работают с очень высокой скоростью, объем памяти у них составляет множество гигабайтов, диски и сети также работают очень быстро. В последние годы многие суперкомпьютеры стали очень похожи, они почти не отличаются от кластеров рабочих станций, но у них больше составляющих и они работают быстрее. Суперкомпьютеры используются для решения различных научных и технических задач, которые требуют сложных вычислений, например таких, как моделирование сталкивающихся галактик, разработка новых лекарств, моделирование потока воздуха вокруг крыла аэроплана.
3.2.Семейства компьютеров
В этом разделе мы дадим краткое описание трех компьютеров, которые будут использоваться в качестве примеров в этой книге: Pentium II, UltraSPARC II и picojava II.
В 1968 году Роберт Нойс, изобретатель кремниевой интегральной схемы, Гордон Мур, автор известного закона Мура, и Артур Рок, капиталист из Сан-Франциско, основали корпорацию Intel для производства компьютерных микросхем. За первый год своего существования корпорация продала микросхем всего на $3000, но потом объем продаж компании заметно увеличился.
В конце 60-х годов калькуляторы представляли собой большие электромеханические машины размером с современный лазерный принтер и весили около 20 кг.
В сентябре 1969 года японская компания Busicom обратилась к корпорации Intel с просьбой выпустить 12 несерийных микросхем для электронной вычислительной машины. Инженер компании Intel Тед Хофф, назначенный на выполнение этого проекта, решил, что можно поместить 4-битный универсальный процессор на одну микросхему, которая будет выполнять те же функции и при этом окажется проще и дешевле. Так в 1970 году появился первый процессор на одной микросхеме, процессор 4004 на 2300 транзисторах.
Заметим, что ни Intel, ни Busicom не имели ни малейшего понятия, какое грандиозное открытие они совершили. Когда компания Intel решила, что стоит попробовать использовать процессор 4004 в других разработках, она предложила купить все права на новую микросхему у компании Busicom за $60000, то есть за сумму, которую Busicom заплатила Intel за разработку этой микросхемы. Busicom сразу приняла предложение Intel, и Intel начала работу над 8-битной версией микросхемы 8008, выпущенной в 1972 году.
Компания Intel не ожидала большого спроса на микросхему 8008, поэтому она выпустила небольшое количество этой продукции. К всеобщему удивлению, новая микросхема вызвала большой интерес, поэтому Intel начала разработку еще одного процессора, в котором предел в 16 Кбайт памяти (как у процессора 8008), навязываемый количеством внешних выводов микросхемы, был преодолен. Так появился небольшой универсальный процессор 8080, выпущенный в 1974 году.
Как и PDP-8, он произвел революцию на компьютерном рынке и сразу стал массовым продуктом: только компания DEC продала тысячи PDP-8, a Intel - миллионы процессоров 8080.
В 1978 году появился процессор 8086 - 16-битный процессор на одной микросхеме. Процессор 8086 был во многом похож на 8080, но не был полностью совместим с ним. Затем появился процессор 8088 с такой же архитектурой, как и у 8086.
Он выполнял те же программы, что и 8086, но вместо 16-битной шины у него была 8-битная, из-за чего процессор работал медленнее, но стоил дешевле, чем 80861. Когда IBM выбрала процессор 8088 для IBM PC, эта микросхема стала эталоном в производстве персональных компьютеров.
Ни 8088, ни 8086 не могли обращаться к более 1 Мбайт памяти. К началу 80-х годов это стало серьезной проблемой, поэтому компания Intel разработала модель 80286, совместимую с 8086. Основной набор команд остался, в сущности, таким же, как у процессоров 8086 и 8088, но память была устроена немного по-другому, хотя и могла работать по-прежнему из-за требования совместимости с предыдущими микросхемами. Процессор 80286 использовался в IBM PC/AT и в моделях PS/2.
Он, как и 8088, пользовался большим спросом (главным образом потому, что покупатели рассматривали его как более быстрый процессор 8088).
Следующим шагом был 32-битный процессор 80386, выпущенный в 1985 году. Как и 80286, он был более или менее совместим со всеми старыми версиями. Совместимость такого рода оказывалась благом для тех, кто пользовался старым программным обеспечением, и некоторым неудобством для тех, кто предпочитал современную архитектуру, не обремененную ошибками и технологиями прошлого.
Через четыре года появился процессор 80486. Он работал быстрее, чем 80386, мог выполнять операции с плавающей точкой и имел 8 Кбайт кэш-памяти. Кэш-память используется для того, чтобы держать наиболее часто используемые слова внутри центрального процессора и избегать длительного доступа к основной (оперативной) памяти. Иногда кэш-память находится не внутри центрального процессора, а рядом с ним. 80486 содержал встроенные средства поддержки многопроцессорного режима, что давало производителям возможность конструировать системы с несколькими процессорами.
В этот момент Intel, проиграв судебную тяжбу по поводу нарушения правил наименования товаров, выяснила, что номера (например, 80486) не могут быть торговой маркой, поэтому следующее поколение компьютеров получило название Pentium (от греческого слова ЛЕУТЕ - пять). В отличие от 80486, у которого был один внутренний конвейер, Pentium имел два, что позволяло работать ему почти в два раза быстрее (конвейеры мы рассмотрим подробно в главе 2).
Когда появилось следующее поколение компьютеров, те, кто рассчитывал на название Sexium (sex по-латыни - шесть), были разочарованы. Название Pentium стало так хорошо известно, что его решили оставить, и новую микросхему назвали Pentium Pro. Несмотря на столь незначительное изменение названия, этот процессор очень сильно отличался от предыдущего. У него была совершенно другая внутренняя организация, и он мог выполнять до пяти команд одновременно.
Еще одно нововведение у Pentium Pro - двухуровневая кэш-память. Процессор содержал 8 Кбайт памяти для часто используемых команд и еще 8 Кбайт для часто используемых данных. В корпусе Pentium Pro рядом с процессором (но не на самой микросхеме) находилась другая кэш-память в 256 Кбайт.
Вслед за Pentium Pro появился процессор Pentium II, по существу такой же, как и его предшественник, но с особой системой команд для мультимедиа-задач (ММХ - multimedia extensions). Эта система команд предназначалась для ускорения вычислений, необходимых при воспроизведении изображения и звука. При наличии ММХ специальные сопроцессоры были не нужны. Данные команды имелись в наличии и в более поздних версиях Pentium, но их не было в Pentium Pro.
Таким образом, компьютер Pentium II сочетал в себе функции Pentium Pro с мультимедиа-командами.
В начале 1998 года Intel запустил новую линию продукции под названием Celeron. Celeron имел меньшую производительность, чем Pentium II, но зато стоилдешевле. Поскольку у компьютера Celeron такая же архитектура, как у Pentium II, мы не будем обсуждать его в этой книге. В июне 1998 года компания Intel выпустила специальную версию Pentium II - Хеоп. Он имел кэш-память большего объема, его внутренняя шина работала быстрее, были усовершенствованы средства поддержки многопроцессорного режима, но во всем остальном он остался обычным Pentium II, поэтому мы его тоже не будем обсуждать. Компьютеры семейства Intel показаны в табл. 1.4.
Все микросхемы Intel совместимы со своими предшественниками вплоть до
процессора 8086. Другими словами, Pentium II может выполнять программы, написанные для процессора 80861. Совместимость всегда была одним из главных требований при разработке новых компьютеров, чтобы покупатели могли продолжать работать со старым программным обеспечением и не тратить деньги на новое. Конечно, Pentium II во много раз сложнее, чем 8086, поэтому он может выполнять многие функции, которые не способен выполнять процессор 8086. Все эти постепенные доработки в каждой новой версии привели к тому, что архитектура Pentium II не так проста, как могла бы быть, если бы разработчикам процессора Pentium II предоставили 7,5 млн транзисторов и команд, чтобы начать все заново.
Интересно, что хотя закон Мура раньше ассоциировался с числом битов в памяти компьютера, он в равной степени применим и по отношению к процессорам.
Если напротив даты выпуска каждой микросхемы поставить число транзисторов на этой микросхеме (количество транзисторов показано в табл. 1.4), мы увидим, что закон Мура действует и здесь. График показан на рис.1.7.
В 70-х годах во многих университетах была очень популярна операционная система UNIX, но персональные компьютеры не подходили для этой операционной системы, поэтому любителям UNIX приходилось работать на мини-компьютерах с разделением времени, таких как PDP-11 и VAX. Энди Бехтольсхайм, аспирант Стэнфордского университета, был очень расстроен тем, что ему нужно посещать компьютерный центр, чтобы работать с UNIX. В 1981 году он разрешил эту проблему, самостоятельно построив персональную рабочую станцию UNIX из стандартных частей, имеющихся в продаже, и назвал ее SUN-1 (Stanford University Network – сеть Стэнфордского университета).
На Бехтольсхайма скоро обратил внимание Винод Косла, 27-летний индиец, который горел желанием годам к тридцати стать миллионером и уйти от дел. Косла предложил Бехтольсхайму организовать компанию по производству рабочих станций Sun. Он нанял Скота Мак-Нили, другого аспиранта Стэнфордского университета, чтобы тот возглавил производство. Для написания программного обеспечения они наняли Билла Джоя, главного создателя системы UNIX. В 1982 году они вчетвером основали компанию Sun Microsystems. Первый компьютер компании, Sun-1, был оснащен процессором Motorola 68020 и имел большой успех, как и последующие модели Sun-2 и Sun-З, которые также были сконструированы с использованием микропроцессоров Motorola. Эти машины были гораздо мощнее, чем другие персональные компьютеры того времени (отсюда и название «рабочая станция»), и изначально были предназначены для работы в сети. Каждая рабочая станция Sun была оснащена сетевым адаптером Ethernet и программным обеспечением TCP/IP для связи с сетью ARPANET, предшественницей Интернета.
В 1987 году компания Sun, которая к тому времени продавала рабочих станций на полмиллиарда долларов в год, решила разработать свой собственный процессор, основанный на новом революционном проекте калифорнийского университета в Беркли (RISC II). Этот процессор назывался SPARC (Scalable ProcessorARCitecture - наращиваемая архитектура процессора). Он был использован при производстве рабочей станции Sun-4. Через некоторое время все рабочие станции компании Sun стали производиться на основе этого процессора.
В отличие от многих других компьютерных компаний, Sun решила не заниматься производством процессоров SPARC. Вместо этого она предоставила патент на их изготовление нескольким предприятиям, надеясь, что конкуренция между ними повлечет за собой повышение качества продукции и снижение цен. Эти предприятия выпустили несколько разных микросхем, основанных на разных технологиях, работающих с разной скоростью и отличающихся друг от друга по стоимости.
Микросхемы назывались MicroSPARC, HyperSPARK, SuperSPARK и TurboSPARK. Мало чем отличаясь друг от друга, все они были совместимы и могли выполнять одни и те же программы, которые не приходилось изменять.
Компания Sun всегда хотела, чтобы разные предприятия поставляли для SPARK составные части и системы. Нужно было построить целую индустрию, только в этом случае можно было конкурировать с компанией Intel, лидирующей на рынке персональных компьютеров. Чтобы завоевать доверие компаний, которые были заинтересованы в производстве процессоров SPARC, но не хотели вкладывать средства в продукцию, которую будет подавлять Intel, компания Sun создала промышленный консорциум SPARC International для руководства развитием будущих версий архитектуры SPARC. Важно различать архитектуру SPARC, которая представляет собой набор команд, и собственно выполнение этих команд. В этой книге мы будем говорить и об общей архитектуре SPARC, и о процессоре, используемом в рабочей станции SPARC (предварительно обсудив процессоры в третьей и четвертой главах).
Первый SPARC был 32-битным и работал с частотой 36 МГц. Центральный процессор назывался Ш (Integer Unit - процессор целочисленной арифметики) и был весьма посредственным. У него было только три основных формата команд и в общей сложности всего 55 команд. С появлением процессора с плавающей точкой добавилось еще 14 команд. Отметим, что компания Intel начала с 8- и 16-битных микросхем (модели 8088, 8086, 80286), а уже потом перешла на 32-битные (модель 80386), a Sun, в отличие от Intel, сразу начала с 32-битных.
Грандиозный перелом в развитии SPARC произошел в 1995 году, когда была разработана 64-битная версия (версия 9) с адресами и регистрами по 64 бит. Первой рабочей станцией с такой архитектурой стал UltraSPARC I, вышедший в свет в 1995 году. Он был полностью совместим с 32-битными версиями SPARC, хотя сам был 64-битным.
В то время как предыдущие машины работали с символьными и числовыми данными, UltraSPARC с самого начала был предназначен для работы с изображениями, аудио, видео и мультимедиа вообще. Среди нововведений, помимо 64-битной архитектуры, появились 23 новые команды, в том числе команды для упаковки и распаковки пикселов из 64-битных слов, масштабирования и вращения изображений, перемещения блоков, а также для компрессии и декомпрессии видео в реальном времени. Эти команды назывались VIS (Visual Instruction Set) и предназначались для поддержки мультимедиа. Они были аналогичны командам ММХ.
UltraSPARC предназначался для web-серверов с десятками процессоров и физической памятью до 2 Тбайт (терабайт, 1Тбайт = 1012 байтов). Тем не менее некоторые версии UltraSPARC могут использоваться и в ноутбуках.
За UltraSPARC I последовали UltraSPARC II и UltraSPARC III. Эти модели отличались друг от друга по скорости, и у каждой из них появлялись какие-то новые особенности. Когда мы будем говорить об архитектуре SPARC, мы будем иметь в виду 64-битную версию компьютера UltraSPARC II (версии 9).
Язык программирования С придумал один из работников компании Bell Laboratories Деннис Ритчи. Этот язык предназначался для работы в операционной системе UNIX. Из-за большой популярности UNIX С скоро стал доминирующим языком в системном программировании. Через несколько лет Бьярн Строуструп, тоже из компании Bell Laboratories, добавил к С некоторые особенности из объектно-ориентированного программирования, и появился язык C++, который также стал очень
популярным.
В середине 90-х годов исследователи в Sun Microsystems думали, как сделать
так, чтобы пользователи могли вызывать двоичные программы через Интернет и загружать их как часть web-страниц. Им нравился C++, но он не был надежным в том смысле, что программа, посланная на некоторый компьютер, могла причинить ущерб этому компьютеру. Тогда они решили на основе C++ создать новый язык программирования Java, с которым не было бы подобных проблем. Java - объектно-ориентированный язык, который применяется при решении различных прикладных задач. Поскольку этот язык прост и популярен, мы будем использовать его для примеров.
Поскольку Java - всего лишь язык программирования, можно написать компилятор, который будет преобразовывать его для Pentium, SPARC или любого другого компьютера. Такие компиляторы существуют. Однако этот язык был создан в первую очередь для того, чтобы пересылать программы между компьютерами по Интернету и чтобы пользователям не приходилось изменять их. Но если программа на языке Java компилировалась для SPARC, то когда она пересылалась по Интернету на Pentium, запустить там эту программу было уже нельзя.
Чтобы разрешить эту проблему, компания Sun придумала новую виртуальную машину JVM (J a v a Virtual Machine - виртуальная машина Java). Память у этой машины состояла из 32-битных слов, машина поддерживала 226 команд. Большинство команд были простыми, но выполнение некоторых довольно сложных команд требовало большого количества циклов обращения к памяти.
В компании Sun разработали компилятор, преобразующий программы на языке Java на уровень JVM, и интерпретатор JVM для выполнения этих программ.
Этот интерпретатор был написан на языке С и, значит, мог использоваться практически на любом компьютере. Следовательно, чтобы компьютер мог выполнять двоичные программы на языке Java, нужно было всего лишь достать интерпретатор JVM для соответствующего компьютера (например, для Pentium II с системой Windows 98 или для SPARC с системой UNIX) вместе с определенными программами поддержки и библиотеками. Кроме того, большинство браузеров в Интернете содержат интерпретатор JVM, что позволяет легко запускать апплеты (небольшие двоичные программы на Java, связанные со страницами World Wide Web).
Большинство этих апплетов поддерживают
4.Тенденции развития вычислительной техники
По мнению специалистов, в первом десятилетии XXI в. будут повышаться значимость программного обеспечения, возрастание проблем его совместимости и обеспечения безопасности.
Среди операционных систем дальнейшее развитие получат системы Linux и Windows. С точки зрения конечного пользователя, уже в ближайшие годы должны произойти серьезные изменения в стиле его общения с компьютером. Во-первых, будет шире использоваться графический ввод данных, в том числе в режиме автоматического распознавания рукописного ввода. Во-вторых, будет использоваться голосовой ввод - сначала для управления командами, а потом будет осваиваться и автоматическая оцифровка речи. Для решения вышеуказанных задач будут разрабатываться соответствующие внешние устройства.
Огромное значение в будущем будут иметь работы в области интеллектуальной обработки неструктурированных данных, в первую очередь текстов, а затем графики, звука, видео.
Одним из наиболее перспективных направлений развития вычислительной техники является реализация концепции сетевых вычислений, использующая идею привлечения для вычислений свободных ресурсов компьютеров. Эта концепция получила название Grid и включает в себя пять ключевых пунктов:
Применение открытых стандартов;
Объединение разнородных систем;
Совместное использование данных;
Динамическое выделение ресурсов;
Объединение вычислительных сетей множества предприятий и организаций.
Развитие ЭВМ будет идти по пути создания оптоэлектронных ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой, представляющих собой распределенную сеть большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.
Дальнейшее развитие получат переносные персональные компьютеры с беспроводным подключением к глобальной сети Интернет.
Следует отметить, что развитие вычислительной техники всецело зависит от тенденций развития мировой экономической системы.
Лекция № 6 История развития вычислительной техники
Лекция № 3 Поколения и классификация ЭВМ
1.Поколения вычислительной техники
Выделяют пять поколений ЭВМ.
Первое поколение (1945-1954) характеризуется появлением техники на электронных лампах. Это эпоха становления вычислительной техники. Большинство машин первого поколения были экспериментальными устройствами и создавались с целью проверки тех или иных теоретических положений. Вес и размеры этих компьютеров были такими, что они нередко требовали отдельных зданий.
Основоположниками компьютерной науки по праву считаются Клод Шеннон - создатель теории информации, Алан Тьюринг - математик, разработавший теорию программ и алгоритмов, и Джон фон Нейман - автор конструкции вычислительных устройств, которая до настоящего времени лежит в основе большинства компьютеров. В те же годы возникла еще одна новая наука, связанная с информатикой, - кибернетика - наука об управлении как одном из основных информационных процессов. Основателем кибернетики является американский математик Норберт Винер.
Во втором поколении (1955-1964) вместо электронных ламп использовались транзисторы, а в качестве устройств памяти стали применяться магнитные сердечники и барабаны - прототипы современных жестких дисков. Все это позволило сократить габариты и стоимость компьютеров, которые тогда впервые стали производиться на продажу.
Но главные достижения этой эпохи относятся к области программ. Во втором поколении впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой. Тогда же были разработаны первые языки высокого уровня - Фортран, Алгол, Кобол. Два этих важных усовершенствования позволили значительно упростить и ускорить написание программ для компьютеров.
При этом расширялась сфера применения компьютеров. Теперь уже не только ученые могли рассчитывать на доступ к вычислительной технике, поскольку компьютеры нашли применение в планировании и управлении, а некоторые крупные фирмы даже начали компьютеризировать свою бухгалтерию, предвосхищая этот процесс на двадцать лет.
В третьем поколении (1965-1974) впервые стали использоваться интегральные схемы - целые устройства и узлы из десятков и сотен транзисторов, выполненные на одном кристалле полупроводника (микросхемы). В то же время появилась полупроводниковая память, которая и до настоящего времени используется в персональных компьютерах в качестве оперативной.
В те годы производство компьютеров приняло промышленный размах. Фирма IBM первой реализовала серию полностью совместимых друг с другом компьютеров от самых маленьких, размером с небольшой шкаф (меньше тогда еще не делали), до самых мощных и дорогих моделей. Наиболее распространенным в те годы было семейство System/360 фирмы IBM, на основе которого в СССР была разработана серия ЕС ЭВМ. Еще в начале 1960-х гг. появились первые миникомпьютеры - маломощные компьютеры, доступные по цене небольшим фирмам или лабораториям. Мини-компьютеры были первым шагом на пути к персональным компьютерам, пробные образцы которых были выпущены только в середине 1970-х гг.
Между тем количество элементов и соединений, умещающихся в одной микросхеме, постоянно росло, и в 1970-е гг. интегральные схемы содержали уже тысячи транзисторов.
В 1971 г. фирма Intel выпустила первый микропроцессор, который предназначался для только появившихся настольных калькуляторов. Это изобретение произвело в следующем десятилетии настоящую революцию. Микропроцессор является главной составляющей частью современного персонального компьютера.
На рубеже 1960 -70-х гг. (1969) появилась первая глобальная компьютерная сеть ARPA, прототип современной сети Интернет. В том же 1969 г. одновременно появились операционная система Unix и язык программирования С ("Си"), оказавшие огромное влияние на программный мир и до сих пор сохраняющие свое главенствующее положение.
Четвертое поколение (1975 -1985) характеризуется небольшим количеством принципиальных новаций в компьютерной науке. Прогресс шел в основном по пути развития того, что уже изобретено и придумано, прежде всего, за счет повышения мощности и миниатюризации элементной базы и самих компьютеров.
Самая главная новация четвертого поколения - это появление в начале 1980-х гг. персональных компьютеров. Благодаря им вычислительная техника становится по-настоящему массовой и общедоступной. Несмотря на то, что персональные и мини-компьютеры по-прежнему по вычислительной мощности отстают от солидных машин, большая часть новшеств, таких как графический пользовательский интерфейс, новые периферийные устройства, глобальные сети, связана с появлением и развитием именно этой техники.
Большие компьютеры и суперкомпьютеры, конечно же, продолжают развиваться. Но теперь они уже не доминируют в компьютерном мире, как было раньше.
Некоторые характеристики вычислительной техники четырех поколений приведены в
|
Характеристика |
Положение |
|||
|
первое |
второе |
третье |
четвёртое |
|
|
Основной элемент |
Электронная лампа |
Транзистор |
Интегральная схема |
Большая интегральная схема |
|
Количество ЭВМ в мире, шт. |
Десятки тысяч |
Миллионы |
||
|
Размер ЭВМ |
Значительно меньший |
Десятки тысяч |
Микро ЭВМ |
|
|
Быстродействие (условное) операций/ с |
Несколько единиц |
Несколько десятков единиц |
Несколько тысяч единиц |
Несколько десятков тысяч единиц |
|
Носитель информации |
Перфокарта, перфолента |
Магнитная лента |
Гибкий диск |
|
Пятое поколение (1986 г. до настоящего времени) в значительной мере определяется результатами работы японского Комитета научных исследований в области ЭВМ, опубликованными в 1981г. Согласно этому проекту ЭВМ и вычислительные системы пятого поколения кроме высокой производительности и надежности при более низкой стоимости с помощью новейших технологий должны удовлетворять следующим качественно новым функциональным требованиям:
обеспечить простоту применения ЭВМ путем реализации систем ввода/вывода информации голосом, а также диалоговой обработки информации с использованием естественных языков;
обеспечить возможность обучаемости, ассоциативных построений и логических выводов;
упростить процесс создания программных средств путем автоматизации синтеза программ по спецификациям исходных требований на естественных языках;
улучшить основные характеристики и эксплуатационные качества вычислительной техники для удовлетворения различных социальных задач, улучшить соотношения затрат и результатов, быстродействия, легкости, компактности ЭВМ;
обеспечить разнообразие вычислительной техники, высокую адаптируемость к приложениям и надежность в эксплуатации.
В настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию оптоэлектронных ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой, представляющих собой распределенную сеть большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.
2.Классификация электронно-вычислительных машин
ЭВМ можно классифицировать по ряду признаков:
По принципу действия.
По назначению ЭВМ.
По размерам и функциональным возможностям.
По принципу действия ЭВМ :
АВМ – аналоговые 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);
ЦВМ – цифровые вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной (цифровой) форме;
ГВМ – гибридные вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной как в цифровой, так и аналоговой форме. ГВМ совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. Их целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.
По назначению ЭВМ :
универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и других, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных;
проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими процессами;
специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций.
По размерам и функциональным :
сверхмалые (микро ЭВМ ) обязаны своим появлением изобретению микропроцессора, наличие которого первоначально служило определяющим признаком микро ЭВМ, хотя сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ;
малые (мини-ЭВМ) используются чаще всего для управления технологическими процессами;
большие ЭВМ чаще всего называют мэйнфреймами (mainframe). Основные направления эффективного применения мэйнфреймов – это решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами;
сверхбольшие (суперЭВМ) – мощные многопроцессорные вычислительные машины быстродействием десятки миллиардов операций в секунду и объемом оперативной памяти десятки Гбайт.
3.Принципы строения и функционирования ЭВМ Джона фон Неймана
Большинство современных ЭВМ функционирует на основе принципов, сформулированных в 1945 г. американским ученым венгерского происхождения Джоном фон Нейманом.
1. Принцип двоичного кодирования . Согласно этому, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных символов (сигналов).
2. Принцип программного управления . Компьютерная программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
3. Принцип однородности памяти . Программы и данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
4. Принцип адресности . Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, любая из которых доступна процессору в любой момент времени.
Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков:
1) устройство ввода/вывода информации;
2) память ЭВМ;
3) процессор, включающее устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ).
В ходе работы ЭВМ информация через устройства ввода попадает в память. Процессор извлекает из памяти обрабатываемую информацию, работает с ней и помещает в нее результаты обработки. Полученные результаты через устройства вывода сообщаются человеку.
Память ЭВМ состоит из двух видов памяти: внутренней (оперативной ) и внешней (долговременной ).
Оперативная память – это электронное устройство, которое хранит информацию, пока питается электроэнергией. Внешняя память – это различные магнитные носители (ленты, диски), оптические диски.
За прошедшие десятилетия процесс совершенствования ЭВМ шел в рамках приведенной обобщенной структуры.
4.Классификация персональных компьютеров
Как указывалось выше, персональный компьютер (ПК) представляет собой универсальную однопользовательскую микро ЭВМ.
Персональный компьютер в первую очередь является общедоступной ЭВМ и обладает определенной универсальностью.
Для удовлетворения потребностей пользователя ПК должен обладать следующими свойствами:
иметь относительно небольшую стоимость, быть доступным для индивидуального покупателя;
обеспечивать автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;
обеспечивать гибкость архитектуры, делающей возможным ее перестройку для разнообразных применений в сфере управления, науки, образования, в быту;
операционная система и программное обеспечение должны быть достаточно простыми, чтобы с ПК мог работать пользователь без профессиональной специальной подготовки;
иметь высокую надежность работы (более 5000 ч наработки на отказ).
В соответствии с международным стандартом-спецификацией РС99 ПК по назначению делятся на следующие категории:
массовый ПК (Consumer);
деловой ПК (Office PC);
портативный ПК (Mobile PC);
рабочая станция (Workstation PC);
развлекательный ПК (Entertainment PC).
Большинство ПК, имеющихся в настоящее время на рынке, являются массовыми. Для деловых ПК минимизированы требования к средствам воспроизведения графики, а к средствам работы со звуковыми данными требования вообще не предъявляются. Для портативных ПК обязательным является наличие средств для создания соединений удаленного доступа, т.е. средств компьютерной связи. В категории рабочих станций повышены требования к устройствам хранения данных, а в категории развлекательных ПК – к средствам воспроизведения звука и видео.
По поколениям ПК делятся:
на ПК 1-го поколения, используют 8-битные микропроцессоры;
ПК 2-го поколения, используют 16-битные микропроцессоры;
ПК 3-го поколения, используют 32-битные микропроцессоры;
ПК 4-го поколения, используют 64-битные микропроцессоры.
ПК можно также разделить на две большие группы: стационарные и переносные. К переносным компьютерам относятся ноутбуки, электронные записные книжки, секретари и блокноты.
Guitar Tuner – тюнер для настройки гитары
Какой объем ssd нужен для Windows
Сканирование документов и фотографий с помощью инструмента «Факсы и сканирование
Как отключить платные услуги МТС?
How-To: восстановление и резервное копирование данных EFS на устройствах Samsung Galaxy