История развития средств вычислительной техники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

История развития средств вычислительной техники

Вычислительная система, компьютер. Вычислительной техникой называют совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных. Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка, называют вычислительной системой. Центральным устройством большинства вычислительных систем является компьютер -- электронной прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки данных.

Немногим более 50 лет прошло с тех пор, как появилась первая электронная вычислительная машина. За этот короткий для развития общества период сменилось несколько поколений вычислительных машин, а первые ЭВМ сегодня являются музейной редкостью. Сама история развития вычислительной техники представляет немалый интерес, показывая тесную взаимосвязь математики с физикой (прежде всего с физикой твердого тела, полупроводников, электроникой) и современной технологией, уровнем развития которой во многом определяется прогресс в производстве средств вычислительной техники.

Электронно-вычислительные машины у нас в стране принято делить на поколения. Для компьютерной техники характерна прежде всего быстрота смены поколений - за ее короткую историю развития уже успели смениться четыре поколения и сейчас мы работаем на компьютерах пятого поколения. Что же является определяющим признаком при отнесении ЭВМ к тому или иному поколению? Это, прежде всего их элементная база (из каких в основном элементов они построены), и такие важные характеристики, как быстродействие, емкость памяти, способы управления и переработки информации. Конечно же, деление ЭВМ на поколения в определенной мере условно. Существует немало моделей, которые по одним признакам относятся к одному, а по другим - к другому поколению. И все же, несмотря на эту условность поколения ЭВМ можно считать качественными скачками в развитии электронно-вычислительной техники.

Первое поколение ЭВМ (1948 -- 1958 гг.)

Элементной базой машин этого поколения были электронные лампы - диоды и триоды. Машины предназначались для решения сравнительно несложных научно-технических задач. К этому поколению ЭВМ можно отнести: МЭСМ, БЭСМ-1, М-1, М-2, М-З, “Стрела”, “Минск-1”, “Урал-1”, “Урал-2”, “Урал-3”, M-20, "Сетунь", БЭСМ-2, "Раздан". Они были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы и слабое программное обеспечение. Быстродействие их не превышало 2--3 тысяч операций в секунду, емкость оперативной памяти--2К или 2048 машинных слов (1K=1024) длиной 48 двоичных знаков. В 1958 г. появилась машина M-20 с памятью 4К и быстродействием около 20 тысяч операций в секунду. В машинах первого поколения были реализованы основные логические принципы построения электронно-вычислительных машин и концепции Джона фон Неймана, касающиеся работы ЭВМ по вводимой в память программе и исходным данным (числам).

Этот период явился началом коммерческого применения электронных вычислительных машин для обработки данных. В вычислительных машинах этого времени использовались электровакуумные лампы и внешняя память на магнитном барабане. Они были опутаны проводами и имели время доступа 1х10-3 с. Производственные системы и компиляторы пока не появились. В конце этого периода стали выпускаться устройства памяти на магнитных сердечниках. Надежность ЭВМ этого поколения была крайне низкой.

Второе поколение ЭВМ (1959 -- 1967 гг.)

Элементной базой машин этого поколения были полупроводниковые приборы. Машины предназначались для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве. Появление полупроводниковых элементов в электронных схемах существенно увеличило емкость оперативной памяти, надежность и быстродействие ЭВМ. Уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность. С появлением машин второго поколения значительно расширилась сфера использования электронной вычислительной техники, главным образом за счет развития программного обеспечения. Появились также специализированные машины, например ЭВМ для решения экономических задач, для управления производственными процессами, системами передачи информации и т.д. К ЭВМ второго поколения относятся:

· ЭВМ М-40, -50 для систем противоракетной обороны;

· Урал -11, -14, -16 - ЭВМ общего назначения, ориентированные на решение инженерно-технических и планово-экономических задач;

· Минск -2, -12, -14 для решения инженерных, научных и конструкторских задач математического и логического характера;

· Минск-22 предназначена для решения научно-технических и планово-экономических задач;

· БЭСМ-3 -4, -6 машин общего назначения, ориентированных на решение сложных задач науки и техники;

· М-20, -220, -222 машина общего назначения, ориентированная на решение сложных математических задач;

· МИР-1 малая электронная цифровая вычислительная машина, предназначенная для решения широкого круга инженерно-конструкторских математических задач,

· "Наири" машина общего назначения, предназначеная для решения широкого круга инженерных, научно-технических, а также некоторых типов планово-экономических и учетно-статистических задач;

· Рута-110 мини ЭВМ общего назначения; и ряд других ЭВМ.

ЭВМ БЭСМ-4, М-220, М-222 имели быстродействие порядка 20--30 тысяч операций в секунду и оперативную память--соответственно 8К, 16К и 32К. Среди машин второго поколения особо выделяется БЭСМ-6, обладающая быстродействием около миллиона операций в секунду и оперативной памятью от 32К до 128К (в большинстве машин используется два сегмента памяти по 32К каждый).

Данный период характеризуется широким применением транзисторов и усовершенствованных схем памяти на сердечниках. Большое внимание начали уделять созданию системного программного обеспечения, компиляторов и средств ввода-вывода. В конце указанного периода появились универсальные и достаточно эффективные компиляторы для Кобола, Фортрана и других языков.

Была достигнута уже величина времени доступа 1х10-6 с, хотя большая часть элементов вычислительной машины еще была связана проводами.

Вычислительные машины этого периода успешно применялись в областях, связанных с обработкой множеств данных и решением задач, обычно требующих выполнения рутинных операций на заводах, в учреждениях и банках. Эти вычислительные машины работали по принципу пакетной обработки данных. По существу, при этом копировались ручные методы обработки данных. Новые возможности, предоставляемые вычислительными машинами, практически не использовались.

Именно в этот период возникла профессия специалиста по информатике, и многие университеты стали предоставлять возможность получения образования в этой области.

архитектура компьютер жидкокристаллический оцифровка

Третье поколение ЭВМ (1968 -- 1973 гг.)

Элементная база ЭВМ - малые интегральные схемы (МИС). Машины предназначались для широкого использования в различных областях науки и техники (проведение расчетов, управление производством, подвижными объектами и др.). Благодаря интегральным схемам удалось существенно улучшить технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ. Например, машины третьего поколения по сравнению с машинами второго поколения имеют больший объем оперативной памяти, увеличилось быстродействие, повысилась надежность, а потребляемая мощность, занимаемая площадь и масса уменьшились.

В СССР в 70-е годы получают дальнейшее развитие АСУ. Закладываются основы государственной и межгосударственной, охватывающей страны - члены СЭВ (Совет Экономической Взаимопомощи) системы обработки данных. Разрабатываются универсальные ЭВМ третьего поколения ЕС, совместимые как между собой (машины средней и высокой производительности ЕС ЭВМ), так и с зарубежными ЭВМ третьего поколения (IBM-360 и др. - США). В разработке машин ЕС ЭВМ принимают участие специалисты СССР, Народной Республики Болгария (НРБ), Венгерской Народной Республики (ВНР), Польской Народной Республики (ПНР), Чехословацкой Советской Социалистической Республики (ЧССР) и Германской Демократической Республики (ГДР). В то же время в СССР создаются многопроцессорные и квазианалоговые ЭВМ, выпускаются мини-ЭВМ "Мир-31", "Мир-32", "Наири-34". Для управления технологическими процессами создаются ЭВМ сериии АСВТ М-6000 и М-7000 (разработчики В.П.Рязанов и др.). Разрабатываются и выпускаются настольные мини-ЭВМ на интегральных микросхемах М-180, "Электроника -79, -100, -125, -200", "Электроника ДЗ-28", "Электроника НЦ-60" и др.

К машинам третьего поколения относились "Днепр-2", ЭВМ Единой Системы (ЕС-1010, ЕС-1020, ЕС-1030, ЕС-1040, ЕС-1050, ЕС-1060 и несколько их промежуточных модификаций - ЕС-1021 и др.), МИР-2, "Наири-2" и ряд других.

Характерной чертой данного периода явилось резкое снижение цен на аппаратное обеспечение. Этого удалось добиться главным образом за счет использования интегральных схем. Обычные электрические соединения с помощью проводов при этом встраивались в микросхему. Это позволило получить значение времени доступа до 2х10 -9 с. В этот период на рынке появились удобные для пользователя рабочие станции, которые за счет объединения в сеть значительно упростили возможность получения малого времени доступа, обычно присущего большим машинам. Дальнейший прогресс в развитии вычислительной техники был связан с разработкой полупроводниковой памяти, жидкокристаллических экранов и электронной памяти. В конце этого периода произошел коммерческий прорыв в области микроэлектронной технологии.

Возросшая производительность вычислительных машин и только появившиеся многомашинные системы дали принципиальную возможность реализации таких новых задач, которые были достаточно сложны и часто приводили к неразрешимым проблемам при их программной реализации. Начали говорить о "кризисе программного обеспечения". Тогда появились эффективные методы разработки программного обеспечения. Создание новых программных продуктов теперь все чаще основывалось на методах планирования и специальных методах программирования.

Этот период связан с бурным развитием вычислительных машин реального времени. Появилась тенденция, в соответствии с которой в задачах управления наряду с большими вычислительными машинами находится место и для использования малых машин. Так, оказалось, что миниЭВМ исключительно хорошо справляется с функциями управления сложными промышленными установками, где большая вычислительная машина часто отказывает. Сложные системы управления разбиваются при этом на подсистемы, в каждой из которых используется своя миниЭВМ. На большую вычислительную машину реального времени возлагаются задачи планирования (наблюдения) в иерархической системе с целью координации управления подсистемами и обработки центральных данных об объекте.

Программное обеспечение для малых вычислительных машин вначале было совсем элементарным, однако уже к 1968 г. появились первые коммерческие операционные системы реального времени, специально разработанные для них языки программирования высокого уровня и кросс системы. Все это обеспечило доступность малых машин для широкого круга приложений. Сегодня едва ли можно найти такую отрасль промышленности, в которой бы эти машины в той или иной форме успешно не применялись. Их функции на производстве очень многообразны; так, можно указать простые системы сбора данных, автоматизированные испытательные стенды, системы управления процессами. Следует подчеркнуть, что управляющая вычислительная машина теперь все чаще вторгается в область коммерческой обработки данных, где применяется для решения коммерческих задач.

МиниЭВМ начали применяться и для решения инженерных задач, связанных с проектированием. Проведены первые эксперименты, показавшие эффективность использования вычислительных машин в качестве средств проектирования.

Применение распределенных вычислительных систем явилось базой для децентрализации решения задач, связанных с обработкой данных на заводах, в банках и других учреждениях. Вместе с тем для данного периода характерным является хронический дефицит кадров, подготовленных в области электронных вычислительных машин. Это особенно касается задач, связанных с проектированием распределенных вычислительных систем и систем реального времени.

Четвертое поколение ЭВМ (1974 -- 1982 гг.)

Элементная база ЭВМ - большие интегральные схемы (БИС). Машины предназначались для резкого повышения производительности труда в науке, производстве, управлении, здравоохранении, обслуживании и быту. Высокая степень интеграции способствует увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности, что ведет к увеличению быстродействия ЭВМ и снижению ее стоимости. Все это оказывает существенное воздействие на логическую структуру (архитектуру) ЭВМ и на ее программное обеспечение. Более тесной становится связь структуры машины и ее программного обеспечения, особенно операционной системы (или монитора)--набора программ, которые организуют непрерывную работу машины без вмешательства человека.

К этому поколению можно отнести ЭВМ ЕС: ЕС-1015, -1025, -1035, -1045, -1055, -1065 (“Ряд 2”), -1036, -1046, -1066, СМ-1420, -1600, -1700, все персональные ЭВМ (“Электроника МС 0501”, “Электроника-85”, “Искра-226”, ЕС-1840, -1841, -1842 и др.), а также другие типы и модификации. К ЭВМ четвертого поколения относится также многопроцессорный вычислительный комплекс "Эльбрус". "Эльбрус-1КБ" имел быстродействие до 5,5 млн. операций с плавающей точкой в секунду, а объем оперативной памяти до 64 Мб. У "Эльбрус-2" производительность до 120 млн. операций в секунду, емкость оперативной памяти до 144 Мб или 16 Маслов ( слово 72 разряда), максимальная пропускная способность каналов ввода-вывода - 120 Мб/с.

Еще при создании первых компьютеров в 1945 г. знаменитый голландский математик Джон фон Нейман описал, как должен быть устроен компьютер, чтобы он был универсальным устройством для обработки информации. Эти основы конструкции компьютера называются принципами фон Неймана. Сейчас подавляющее большинство компьютеров в основных чертах соответствует принципам фон Неймана.

По принципу фон Неймана, компьютер, должен иметь следующие устройства:

§ АЛУ-арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;

§ УУ - устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;

§ ОП - оперативная память для хранения программ и данных;

§ УВВ - устройство для ввода и вывода информации.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Классическая архитектура фон Неймана

В общих чертах работу компьютера можно описать так. В начале с помощью устройства ввода-вывода в память вводиться программа и исходные данные. Устройство управления считывает содержимое оперативной памяти, где находится первая команда программы, и организует ее выполнение на арифметико-логическом устройстве. Как правило, после выполнения одной команды устройство управления начинает выполнять команду из оперативной памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой.

Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления. Таким образом, управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически, т.е. без вмешательства пользователя.

Следует заметить, что схемы устройства современных компьютеров несколько отличается приведенной выше. В частности‚ арифметико-логическое устройство и устройство управления‚ объединены в единое устройство - микропроцессор. Кроме того‚ процесс выполнение программ может прерываться для выполнения неотложных действий‚ связанных с поступившими сигналами от внешних устройств компьютера - прерываний.

Новая информационная технология - это совокупность конкретных технических и программных средств, с помощью которого выполняется разнообразные операции по обработке информации во всех сферах жизни. Термин технология (от греческого techne) определяется как совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, осуществляемых в процессе производства конечной продукции. Для информационной технологии характерной особенностью является то, что исходным сырьем и конечной продукцией является информация. Составляющими информационной технологии являются аппаратное и программное обеспечение компьютера.

Представление информации в компьютере

Информация является первичным и неопределяемым в рамках науки и понятием. Термин «информация» происходит от латинского “informatio”, что означает разъяснение, осведомление, изложение. Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация (текст, звуки, изображения, анимация) для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Компьютеры обычно работают в двоичной системе счисления, которая состоит из двух цифр: 0 и 1. Цифра двоичной системы называется битом (bit- Binary digit -двоичная цифра).

Компьютер работает не с отдельными битами, а с восемью битами сразу. Восемь последовательных битов составляют байт.

Байт (byte) - является основной единицей информации. В одном байте можно закодировать значение одного символа из 256 возможных символов (256=28).

Более крупными единицами информации являются:

1 Kb (килобайт) = 1024 b.

1 Mb (мегабайт) = 1024 Kb.

1 Gb (гигабайт) = 1024 Mb. (1024=210)

Например: Если на странице текста помещается в среднем 1500 символов, то 1 Мb - это примерно 500 страниц, а 1 Gb - 500 тыс. страниц.

Кодирование текстовой информации. Поскольку байт может принимать 256 различных состояний, можно условится, что различные его состояния обозначают различные символы: буквы алфавита, цифры и знаки препинания. Условное сопоставление символов и состояний байта называется таблицей кодировки текста. Таким образом, получается, что 1 символ текста занимает 1 байт. Например, для хранения слова «информация» необходимо 10 байт.

В связи с наличием множества различных национальных алфавитов, в том числе иероглифических, 1 символ некоторых кодировок занимает 2 байта. Таблица кодировки при этом имеет 216 = 65536 символов.

Цифровое кодирование графики, звука или видео называется оцифровкой. Оцифровка графики, звука и видео производится соответственно сканером (цифровым фотоаппаратом), звуковой картой и цифровой видеокамерой (видеокартой с видеовходом) с помощью специальных электронных микросхем, называемых аналого-цифровыми преобразователями (АЦП).

Кодирование графической информации. Любой рисунок в компьютере представлен как растр - совокупность матрицы мелких точек, которые называются пиксели. Сосчитаем, какой объем информации займет данный рисунок. Если условиться, что информацию о цвете каждого его пикселя можно запомнить в 2 байтах (16 битах), то получается, что рисунок должен иметь не более 65536 цветов. Часто этого бывает достаточно. Количество пикселей (иногда деленное на длину в дюймах) называется разрешением. Разрешение рисунка по горизонтали и вертикали в данном случае 57 x 34 точек. Общее количество пикселей на рисунке равно 1938. Количество байтов, которое занимает рисунок, 1938 x 2 ? 3,8 кб. Очевидно, чем выше качество рисунка (разрешение и количество оттенков, которое при кодировании 1 пикселя 4 байтами достигает 4 млрд.), тем больший объем информации он займет.

Рисунки часто имеют множество пикселей одинакового цвета, поэтому они подвергаются программному сжатию, в результате занимая в 5-10 раз меньший объем информации.

Растровый графический рисунок в исходном (а) и увеличенном масштабе (б)

Кодирование звука. Звук - это колебания физической среды. При оцифровке они преобразовываются из аналоговых в прямоугольные (цифровые) сигналы более высокой частоты 22-48 кГц. Эта частота называется частотой дискретизации. Уровень цифрового сигнала кодируется двоичным числом с разрядностью от 8 до 32. Чем выше частота дискретизации и разрядность, тем лучше качество звучания. В процессе оцифровки закодированный звук обычно подвергается гармоническому анализу и специальному сжатию, благодаря чему объем закодированного звука уменьшается в 5-10 раз. Таким образом, нетрудно прикинуть, что 1 секунда звучания может быть закодирована в объеме информации 2-20 кб, в зависимости от качества оцифровки.

Оцифровка звука

Кодирование видеоинформации. Видеоинформация - это не что иное, как быстро сменяющиеся картинки, сопровождающиеся синхронным звуком. В зависимости от разрешения изображения и частоты смены кадров, а также от качества звука, 1 секунда видеоинформации может занимать 10-500 кб.

Общие сведения о компьютерах IBM PC

Корпорация IBM (International Business Machines Corp) разработал IBM PC (Personal Computer) в 1981 г. Важнейшую роль в развитии IBM PC компьютеров сыграл принцип открытой архитектуры и метод расширения.

Принцип открытой архитектуры (open architecture) - это сборка компьютера из независимо изготовленных частей и доступность способов их соединение всем желающим.

Метод расширения (upgrade - расширить, обновить) - это возможность заменять отдельные, старые компоненты на новые, без замены остальных комплектующих и устройств компьютера.

Корпорация IBM сделала компьютер не единым неразъемным устройством, а обеспечила возможность его сборки из независимо изготовленных частей. При этом принципы конструкции не только не держались в секрете, но и были доступны всем желающим. Поэтому многие фирмы стали производить комплектующие и внешние устройства, осуществлять сборку компьютеров совместимые с IBM PC по hardware и software. Через пару лет IBM стала не монополистом в выпуске разработанных ею компьютеров, а одной из сотни конкурирующих между собой фирм. В данное время термин “IBM PC“ обычно используется в смысле ”IBM PC - совместимый компьютер“, и самыми крупными производителями компонент и устройств являются корпорации Compaq, Dell, IBM, Hewlett-Packard, Phillips, Samsung, Toshiba, Epson, Siemens, LG, Daewoo и другие.

Вся история IBM PC связана с микропроцессорами корпорации Intel of Santa Clara, которая является лидером в области разработки и производства микропроцессоров и материнских плат. Именно разработки корпорации Intel в значительной степени определяют прогресс компьютерной индустрии. Но и Intel не является абсолютным монополистом, с ним конкурируют корпорации AMD, Cyrix, IBM и другие. Конкуренция в этой области острейшая, в результате цены на комплектующие и внешние устройства постоянно падают, а характеристики их - улучшаются.

В производстве программного обеспечения крупнейшим разработчиком для IBM PC совместимых компьютеров является корпорация Microsoft - создатель операционных систем MS DOS, Windows и интегрированной приложении Microsoft Office. Кроме него, также популярны разработки корпорации Borland, Adobe, Symantec, Corel, Netscape, Oracle и др.

Размещено на Allbest.ru