2.8 Логические основы устройства компьютера
Базовые логические элементы:
Логический элемент «И»;
Логический элемент «ИЛИ»;
Логический элемент «НЕ».
Любая логическая операция может быть представлена в виде комбинации трех основных, любые устройства компьютера , производящие обработку или хранение информации, могут быть собраны из базовых логических элементов.
На входы логического элемента поступают сигналы-значения аргументов, на выходе появляется сигнал-значение функции. Преобразование сигнала логическим элементом задается таблицей состояния, которая фактически является таблицей истинности, соответствующей логической функции.
Логический элемент «И». На входы А и В логического элемента (рисунок 2.3) подаются 2 сигнала (00, 01, 10 или 11). На выходе получается сигнал 0 или 1 в соответствии с таблицой истинности операции логического умножения.
Рисунок 2.3 – Логический элемент «И»
Логический элемент «ИЛИ». На входы А и В логического элемента (рисунок 2.4) подаются 2 сигнала (00, 01, 10 или 11). На выходе получается сигнал 0 или 1 в соответствии с таблицой истинности операции логического сложения.
Рисунок 2.4 – Логический элемент «И»
Логический элемент «НЕ». На вход А логического элемента (рисунок 2.5) подается сигнал 0 или 1. На выходе получается сигнал 0 или 1 в соответствии с таблицой истинности инверсии.
Рисунок 2.5 – Логический элемент «НЕ»
Развитие вычислительных систем и техники
Совокупность устройств, предназначенных для автоматического или автоматизированного накопления, обработки и хранения данных, называют вычислительной техникой.
Автоматические вычисления не всегда производились как в настоящее время электронными устройствами. История развития средств вычислительной техники включает и механические устройства для расчетов.
Механические первоисточники.
Первое в мире автоматическое устройство для выполнения операции сложения было создано на базе механических часов. В 1623 году его разработал Вильгельм Шиккард, профессор кафедры восточных языков в университете Тюбингена (Германия). Сам изобретатель в письмах называл машину «суммирующими часами».
В 1642 году французский механик Блез Паскаль (1623-1662) разработал более компактное суммирующее устройство, которое стало первым в мире механическим калькулятором, выпускавшимся серийно (главным образом для нужд парижских ростовщиков и менял).
В 1673 году немецкий математик и философ Г. В. Лейбниц (1646-1717) создал механический калькулятор, который мог выполнять операции умножения и деления путем многократного повторения операций сложения и вычитания.
На протяжении XVIII века, известного как эпоха Просвещения, появились новые, более совершенные модели, но принцип механического управления вычислительными операциями оставался тем же. Идея программирования вычислительных операций пришла из той же часовой промышленности. Старинные монастырские башенные часы были настроены так, чтобы в заданное время включать механизм, связанный с системой колоколов. Такое программирование было жестким — одна и та же операция выполнялась в одно и то же время. Идея гибкого программирования механических устройств с помощью перфорированной бумажной ленты впервые была реализована в 1804 году в ткацком станке Жаккарда, после чего оставался только один шаг до программного управления вычислительными операциями.
Этот шаг был сделан выдающимся английским математиком и изобретателем Чарльзом Бэббиджем (1792-1871) в 1835 г. в его Аналитической машине (прообразе ПК), которая так и не была до конца построена изобретателем при жизни. Особенностью Аналитической машины стало то, что здесь впервые был реализован принцип разделения информации на команды и данные. Аналитическая машина содержала два крупных узла — «склад» и «мельницу». Данные вводились в механическую память «склада» путем установки блоков шестерен, а потом обрабатывались в «мельнице» с использованием команд, которые вводились с перфорированных карт (как в ткацком станке Жаккарда). Фрагмент такого вычислителя построил сын ученого, а программы для него писала первый программист Ада Лавлейс (Байрон).
Математические первоисточники.
Двоичная система Лейбница. В механических устройствах зубчатые колеса могут иметь достаточно много фиксированных и, главное, различимых между собой положений. Количество таких положений, по крайней мере, равно числу зубьев шестерни. В электрических и электронных устройствах речь идет не о регистрации положений элементов конструкции, а о регистрации состояний элементов устройства. Таких устойчивых и различимых состояний всего два: включен — выключен; открыт — закрыт; заряжен — разряжен и т. п. Поэтому традиционная десятичная система, использованная в механических калькуляторах, неудобна для электронных вычислительных устройств.
Возможность представления любых чисел (да и не только чисел) двоичными цифрами впервые была предложена Готфридом Вильгельмом Лейбницем в 1666 году. Надо сказать, что Лейбницу уже тогда приходила в голову мысль о возможности использования двоичной системы в вычислительном устройстве, но, поскольку для механических устройств в этом не было никакой необходимости, он не стал использовать в своем калькуляторе (1673 году) принципы двоичной системы.
Математическая логика Джорджа Буля. Занимаясь исследованием законов мышления, Джордж Буль применил в логике систему формальных обозначений и правил, близкую математической. Впоследствии эту систему назвали логической алгеброй или булевой алгеброй. Правила этой системы применимы к самым разнообразным объектам и их группам (множествам, по терминологии автора). Основное назначение системы, по замыслу Дж. Буля, состояло в том, чтобы кодировать логические высказывания и сводить структуры логических умозаключений к простым выражениям, близким по форме к математическим формулам. Результатом формального расчета логического выражения является одно из двух логических значений: истина или ложь.
Значение логической алгебры долгое время игнорировалось, поскольку ее приемы и методы не содержали практической пользы для науки и техники того времени. Однако, когда появилась принципиальная возможность создания средств вычислительной техники на электронной базе, операции, введенные Булем, оказались весьма полезны. Они изначально ориентированы на работу только с двумя сущностями: истина и ложь. Нетрудно понять, как они пригодились для работы с двоичным кодом, который в современных компьютерах тоже представляется всего двумя сигналами: ноль и единица.
Не вся система Джорджа Буля (как и не все предложенные им логические операции) были использованы при создании электронных вычислительных машин, но четыре основные операции: И (пересечение), ИЛИ (объединение), НЕ (обращение) и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ — лежат в основе работы всех видов процессоров современных компьютеров.
Этапы развития ВТ приведены на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 – Этапы развития ВТ
Первый электронный компьютер Colossus был создан М Ньюменом и Т. Флауерсом (Великобритания) в 1943 г. и содержал более 1500 электронных ламп. Компьютеры этого этапа развития вычислительной техники можно считать компьютерами первого поколения (большие ЭВМ).
В 1949 г. разработан первый компьютер, сохраняющий программу в своей памяти и использующий для вывода информации дисплей.
Двумя годами раньше – в 1947 г. сотрудниками лаборатории Bell Дж. Бардином и У. Браттейном разработан транзистор, который стимулировал развитие в 1950-1964 гг. электронных компьютеров – компьютеров второго поколения (мини-ЭВМ).
Созданием первого 4-разрядного микропроцессора Intel-4004 ознаменован 1971 г. Микропроцессор представлял собой множество транзисторов на кремниевом кристалле, скорость его работы составляла 60 тысяч операций в секунду. Компьютеры на основе микропроцессоров – это третье поколение (микро-ЭВМ).
В 1974 г. усилиями С. Возняка и С. Джобса появляется первый компьютер серии Apple. Первый прототип персонального компьютера, оснащенный 8-разрядным процессором Intel-8080, поступил в продажу в 1975 г.
В связи с необходимостью использования компьютеров для специализированных вычислений в 1981 г. фирма Intel представляет первый сопроцессор – математический процессор для операций над числами с плавающей запятой.
Дальнейшее развитие вычислительных систем включает следующие даты:
· 1983 г. – фирма IBM представляет компьютер IBM PC XT с процессором 8088 и сопроцессором, жестким диском, дисководом для гибких дисков и 256 килобайтами оперативной памяти;
· 1984 г. – появление на рынке компьютера IBM PC АT на основе процессора 80286 с рабочей частотой 6-8 МГц и адресуемой (оперативной) памятью 1 Мбайт;
· 1993 г. компьютеры нового (четвертого) поколения – 32-разрядный Pentium с быстродействием от 110 млн операций в секунду;
·
Классификация компьютеров по областями применения (рисунок 3.2).
Рисунок3.2– Классификация ЭВМ
Супер и большие электронно-вычислительные машины (ЭВМ). Это самые мощные компьютеры, применяемые в НИИ и крупных предприятиях или отраслях. Компьютеры этого класса получили название мэйнфреймов (mainframe). На базе таких суперкомпьютеров создают вычислительные центры.
Мини-ЭВМ – компьютеры, которые отличаются от машин предыдущей группы уменьшенными размерами, меньшей производительностью и стоимостью. Такие компьютеры используются предприятиями, научными учреждениями и некоторыми высшими учебными заведениями, которые сочетают учебную и научную деятельность.
Микро-ЭВМ обладают невысокой по сравнению с компьютерами предыдущих классов производительностью и используются для выполнения операций, в которых нецелесообразно использовать суперкомпьютеры. Например, компьютеры этого класса решают задачи по предварительной подготовке данных.
Персональные компьютеры (ПК) – категория компьютеров, бурно развивающаяся в течение последних тридцати лет.
По способу организации вычислительного процесса ЭВМ подразделяют:
- однопроцессорные;
- многопроцессорные.
По уровню специализации ЭВМ подразделяют:
- универсальные – для решения инженерно-технических задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом данных;
- проблемно-ориентированные – для решения задач, связанных с регистрацией, накоплением и обработкой небольшого объема данных;
- специализированные – для решения узкого круга задач, например, для реализации функций управления техническими устройствами.
Классификация персональных компьютеров (международный сертификационный стандарт –РС-99)
- массовые ПК – стандартный набор аппаратных средств;
- деловые ПК – минимальный набор средств для воспроизведения графики и звука;
- портативные ПК – наличие средств коммуникации отдаленного доступа;
- рабочие станции – повышенные требования к объемам памяти устройств хранения данных;
- развлекательные ПК – ориентированные на высококачественное воспроизведение графики и звука.
Классификация персональных компьютеров по конструктивным особенностям:
- стационарные;
- переносимые:
Портативные;
Блокнотные;
Карманные– интеллектуальные записные книжки.
Классификация персональных компьютеров по аппаратной совместимости:
- IBM PC совместимые;
- Apple Macintosh.