[Alekseev_A.P.]_Informatika_2015(z-lib.org)

__________________________________________________________________________________

Office (MS Word, MS Excel, MS Access и др.), браузера Internet Explorer (1995

г.) и др. Филиалы фирмы Microsoft производят аппаратные средства: планшетные ЭВМ, мобильные телефоны, клавиатуру, ручные манипуляторы и др.

Бесконечные усовершенствования операционных систем MS Windows, жёсткая борьба с конкурентами, агрессивная рекламная политика, потрясающая работоспособность позволили Б.Гейтсу стать самым богатым человеком на нашей планете.

В 1976 г. Стивен П. Джобс и Стефан Г. Возниак основали в гараже Пало-Альто (Калифорния) предприятие Apple Computer. После шести месяцев работы С.Возниак собрал действующий макет компьютера под названием Apple 1. В настоящее время компания с таким названием хорошо известна многим пользователям ЭВМ.

Вдальнейшем С.Джобс стал выдающимся менеджером, под руководством которого разработаны и промышленно реализованы: музыкальный проигрыватель iPod (октябрь 2001 г.), компьютер iMac (2002 г.), мобильный телефон iPhone (январь 2007 г.), вобравший в себя функции многих цифровых устройств, планшет iPad (январь

2010 г.), операционная система iOS. Поражает гениальная интуиция С.Джобса, сумевшего увидеть перспективность ряда технических решений в области информационных технологий.

Сейчас ведётся разработка ЭВМ пятого поколения, характерными особенностями которых будут способность к самообучению и наличие речевого ввода и вывода информации.

Таким образом, вычислительная техника постоянно впитывала в себя самые последние достижения науки, техники и технологии (электронные лампы, транзисторы, микроэлектроника, лазеры, средства связи), благодаря чему ее развитие идет необычайно высокими темпами.

Втекущем столетии, когда на смену электронным приборам придут квантовые, оптические или биоэлектронные приборы, тогда современные нам ЭВМ будут казаться будущим пользователям такими же монстрами, какими нам кажутся вычислительные машины 40-х годов ХХ века.

22 Развитие отечественной вычислительной техники

__________________________________________________________________________________

1.4. Развитие отечественной вычислительной техники

Вбывшем СССР работы по созданию ЭВМ были начаты перед Великой Отечественной войной. Однако работы в этом направлении из-за войны были приостановлены.

Разработка ЭВМ возобновилась в 1947 г. в Институте электротехники Академии наук Украины под руководством Сергея Алексеевича Лебедева.

Вдекабре 1948 г. С.А. Лебедевым (независимо от Джона фон Неймана) были разработаны принципы построения ЭВМ, у которой программа хранилась в оперативной памяти. К концу 1949 г. были спроектированы общая компоновка машины и принципиаль-

ные схемы ее блоков. В первой половине 1950 г. были изготовлены отдельные блоки и к концу 1950 г. закончена отладка созданного макета. В ноябре 1950 г. был испытан макет первой отечественной ЭВМ — малой электронно-счетной машины (МЭСМ). В 1952 г. она была введена в эксплуатацию.

С помощью МЭСМ решались важнейшие научно-технические задачи: исследование термоядерных процессов, разработка космической и ракетной техники, проектирование дальних линий электропередачи, разработка методов статистического контроля качества и др.

В1952 г. была создана большая электронно-счетная машина (БЭСМ).

Вкачестве элементной базы у этой машины использовались электронные лампы (первое поколение ЭВМ).

Работы, имевшие для страны большое значение, проводились независимо несколькими организациями. В 1952 г. стали действовать машины М-1 и М-2, созданные в коллективе, которым руководил член-корреспондент Академии наук СССР И.С. Брук.

КЭВМ первого поколения можно отнести МЭСМ, БЭСМ, М-1, М-2,

М-З, «Стрелу», «Минск-1», «Урал-1», «Урал-2», «Урал-3», M-20, «Сетунь»,

БЭСМ-2, «Раздан».

Вто время появилось немало оригинальных конструкций и идей.

В1953 г. Н.П. Брусенцов предложил для построения ЭВМ использовать не традиционную двоичную систему счисления, а троичную систему счисления. Троичная СС в ряде случаев позволяла создавать более компактные (эффективные) программы. Машину, разработанную Н.П. Брусенцовым, назвали «Сетунь» — по имени речки, протекающей недалеко от Московского университета.

__________________________________________________________________________________

Первая отечественная ЭВМ на полупроводниковых приборах (второе поколение ЭВМ) под названием «Днепр» была разработана в конце 50-х годов прошлого столетия в Институте кибернетики АН Украины под руководством академика В.М. Глушкова.

ЭВМ второго поколения БЭСМ-6 (1966 г.), разработанная под руководством С.А. Лебедева, была одной из самых производительных машин в мире.

К ЭВМ второго поколения относятся: М-40, М-50 — для систем противоракетной обороны; «Урал-11» (14, 16) — для решения инженернотехнических и планово-экономических задач; «Минск-2» (12, 14) — для решения инженерных, научных и конструкторских задач; «Минск-22» — для решения научно-технических и планово-экономических задач; БЭСМ-3 (4, 6) — для решения сложных задач науки и техники; М-20, (220, 222) — для решения сложных математических задач; «МИР-1» — для решения широкого круга инженерно-конструкторских математических задач; «Наири» — для решения широкого круга инженерных, научно-технических, планово-экономических и учетно-статистических задач и др.

Вбывшем СССР первым серийным компьютером на интегральных микросхемах (третье поколение ЭВМ) была машина «Наири-3», появившаяся

в1970 г.

Внашей стране вплоть до 70-х годов прошлого столетия создание машин велось самостоятельно. Использовались идеи, разработанные в основном отечественными учеными и конструкторами (М.А. Карцев, Б.И. Рамаев, Ю.А. Базилевский, Б.Н. Малиновский и др.). Дело в том, что вычислительная техника с самого момента ее появления стала стратегическим инструментом, который использовался для решения задач военно-промышленного комплекса. Поэтому разработка в СССР велась автономно и в условиях секретности (как, впрочем, и за рубежом). Когда занавес секретности был приоткрыт, появился соблазн использовать готовые зарубежные наработки (в том числе разнообразное программное обеспечение). В тот период времени было принято, вероятно, ошибочное решение, сводившееся к копированию зарубежной техники.

24 Развитие отечественной вычислительной техники

__________________________________________________________________________________

ВСССР и странах-союзниках по Варшавскому Договору в 70—80-х годах ХХ в. разрабатывались машины Единой Системы (ЕС) — большие, средние машины, система малых ЭВМ (СМ) и серия микроЭВМ. В их основу были положены американские образцы фирм IBM и DEC (Digital Equipment Corporation).

Кмашинам третьего поколения относились «Днепр-2», ЭВМ Единой Системы (ЕС-1010, ЕС-1020, ЕС-1030, ЕС-1040, ЕС-1050, ЕС-1060 и не-

сколько их промежуточных модификаций — ЕС-1021 и др.), «МИР-2», «Наири-2» и ряд других.

Элементная база ЭВМ четвертого поколения — большие и сверхбольшие интегральные схемы.

Кчетвертому поколению можно отнести отечественные ЭВМ:

ЕС-1015, ЕС-1025, ЕС-1035, ЕС-1045, ЕС-1055, ЕС-1065 («Ряд 2»), ЕС-1036, ЕС-1046, ЕС-1066, СМ-1420, СМ-1600, СМ-1700, персональные ЭВМ

(«Электроника МС 0501», «Электроника-85», «Искра-226», ЕС-1840, ЕС-1841, ЕС-1842, «Нейрон И9.66» и др.), многопроцессорный вычислительный комплекс «Эльбрус» и другие ЭВМ.

Многие программисты в России начинали изучение компьютерной грамотности с программируемых калькуляторов Б3-34, МК-54. С их помощью пользователи решали арифметические задачи и задачи математического анализа (численными методами). Трудно поверить, но для программируемых калькуляторов были разработаны даже игровые программы (например, кре- стики-нолики).

Вконце 80-х — начале 90-х годов ХХ столетия в России были популярны бытовые персональные компьютеры «Микроша», «Радио-86», «Мик- ро-88», «Криста», «Лик», «Специалист», «Квант» (на процессоре К580ВМ80А), БК-0010 (на процессоре К1801ВМ1), «Ассистент», «Поиск»,

МС-0511, МС-1502 (на процессоре К1810ВМ86).

Большое число ПЭВМ было изготовлено на базе процессора Z80A.

Среди них можно назвать Spectrum ZX (фирмы Sincklair Radions LTD) и на-

ши отечественные модели: Sintez, «Север», «Элин», «Дельта», «Байт», «Магик», «Компаньон», «Коле», «Форум БК01», «Синтака 002», «Ленинград», «Москва» и др. При этом многие ПЭВМ, использовавшиеся российскими программистами, например, «Радио-86», «Специалист», Spectrum ZX, «Ленинград», «Москва», были самодельными.

Российский компьютер «Ломоносов» входит в список 50-ти самых быстрых компьютеров в мире. Производительность этой ЭВМ – 1,3 Пфлоп/с. (1,3 квадриллиона операций с фиксированной точкой в секунду).

Вноябре 2013 года самым мощным компьютером в мире был признан китайский суперкомпьютер Tianhe-2. Его производительность составила

33,86 Пфлоп/с.

__________________________________________________________________________________

2. Арифметические и логические основы работы ЭВМ

2.1. Системы счисления

Единица — вздор, единица — ноль.

В. Маяковский

Все фантастические возможности вычислительной техники (ВТ) реализуются путем создания разнообразных комбинаций сигналов высокого и низкого уровней, которые условились называть «единицами» и «нулями». Поэтому мы, в отличие от поэта В. Маяковского, не склонны недооценивать роль единицы, как, впрочем, и нуля. Особенно если речь идет о двоичной системе счисления.

Под системой счисления (СС) понимается способ представления любого числа с помощью алфавита символов, называемых цифрами.

требляемых в позиционной СС, называется основанием СС. В десятичной СС используется десять цифр: 0, 1, 2, ..., 9; в двоичной СС — две цифры: 0 и 1; в восьмеричной СС — восемь цифр: 0, 1, 2, ..., 7. В СС с основанием Q используются цифры от 0 до Q – 1.

В общем случае в позиционной СС с основанием Q любое число х может быть представлено в виде полинома:

26 Арифметические и логические основы работы ЭВМ

__________________________________________________________________________________

x = an Qn + an-1 Qn-1 + … + a1 Q1 + a0 Q0 + a-1 Q-1 + a-2 Q-2 + …+ a-m Q-m

целая часть дробная часть

В этом полиноме в качестве коэффициентов ai могут стоять любые цифры, используемые в данной СС.

Принято представлять числа в виде последовательности входящих в полином соответствующих цифр (коэффициентов):

x = an an-1 … a1 a0 , a-1 a-2 … a-m

Запятая отделяет целую часть числа от дробной части. В ВТ чаще всего для отделения целой части числа от дробной части используют точку. Позиции цифр, отсчитываемые от точки, называют разрядами. В позиционной СС вес каждого разряда отличается от веса (вклада) соседнего разряда в число раз, равное основанию СС. В десятичной СС цифры 1-го справа разряда — единицы, 2-го — десятки, 3-го — сотни и т. д.

В ВТ применяют позиционные СС с недесятичным основанием: двоичную, восьмеричную и шестнадцатеричную системы. Для обозначения используемой СС числа заключают в скобки и индексом указывают основание СС:

(15)10; (1011)2; (735)8; (1EA9F)16.

Чаще всего скобки опускают и оставляют только индекс:

1510; 10112; 7358; 1EA9F16.

Есть еще один способ обозначения СС: при помощи латинских букв, добавляемых после числа. Например,

15D; 1011B; 735Q; 1EA9FH.

Установлено, что, чем больше основание СС, тем компактнее запись числа. Так двоичное изображение числа требует примерно в 3,3 раза большего количества цифр, чем его десятичное представление.

Несмотря на то, что десятичная СС имеет широкое распространение, цифровые ЭВМ строятся на двоичных (цифровых) элементах, так как реализовать элементы с десятью четко различимыми состояниями сложно. В другой системе счисления могут работать приборы декатрон и трохотрон. Декатрон — газоразрядная счетная лампа — многоэлектродный газоразрядный прибор тлеющего разряда для индикации числа импульсов в десятичной СС.

Указанные устройства не нашли применения для построения средств ВТ. Историческое развитие вычислительной техники сложилось таким образом, что цифровые ЭВМ строятся на базе двоичных цифровых устройств (триггеров, регистров, счетчиков, логических элементов и т. п.).

__________________________________________________________________________________

Заметим, что отечественная ЭВМ «Сетунь» (автор — Н.П. Брусенцов) работала с использованием троичной системы счисления.

Шестнадцатеричная и восьмеричная СС используются при составлении программ на языке машинных кодов для более короткой и удобной записи двоичных кодов — команд, данных, адресов и операндов. Перевод из двоичной СС в шестнадцатеричную и восьмеричную СС (и обратно) осуществляется достаточно просто.

Задача перевода из одной системы счисления в другую часто встречается при программировании и особенно часто при программировании на языке Ассемблера. Например, при определении адреса ячейки памяти, для получения двоичного или шестнадцатеричного эквивалента десятичного числа. Отдельные стандартные процедуры языков программирования Паскаль, Бейсик, HTML и Си требуют задания параметров в шестнадцатеричной системе счисления. Для непосредственного редактирования данных, записанных на жесткий диск, также необходимо умение работать с шестнадцатеричными числами. Отыскать неисправность в ЭВМ практически невозможно без представлений о двоичной системе счисления. Без знания двоичной СС невозможно понять принципы архивации, криптографии и стеганографии. Без знания двоичной СС и булевой алгебры нельзя представить, как происходит слияние объектов в векторных графических редакторах.

В табл. 1 приведены некоторые числа, представленные в различных СС. Таблица 1

28 Арифметические и логические основы работы ЭВМ

__________________________________________________________________________________

Перевод целых чисел из десятичной СС в двоичную, восьмеричную или шестнадцатеричную СС удобно делать с помощью следующего правила:

Для перевода целого числа из S-системы счисления в W-систему счисления нужно последовательно делить это число, а затем получаемые частные на основание W новой СС до тех пор, пока частное не станет меньше W.

Пример 1. Перевести целое десятичное число 37D в двоичную СС:

Решение.

Результат перевода: (37)10 = (100101)2.

При переводе наиболее частой ошибкой является неверная запись результата. Запись двоичного числа следует начинать со старшего значащего разряда (СЗР), а заканчивать записью младшего значащего разряда (МЗР). Следует помнить, что при делении первым получается значение МЗР.

Перевод из десятичной СС в двоичную СС можно осуществить с помощью таблицы степеней числа 2.

Пример 2.

Преобразовать десятичное число 87.625D в двоичную СС с помощью таблицы степеней.

Решение.

Для перевода нужно выбрать из таблицы числа, которые в сумме дадут переводимое число. Коэффициенты перед этими слагаемыми в полиноме принимаются равными единице. Остальные коэффициенты считаются равными нулю.

__________________________________________________________________________________

87.625 = 64+16+8+4+2+1+0.5+0.125

Двоичное число запишется в виде: 1010111.101B

Для перевода правильной дроби из S-системы счисления в СС с основанием W нужно умножить исходную дробь и дробные части получающихся произведений на основание W, представленное в старой S-системе. Целые части получающихся произведений дают последовательность цифр, котораяявляетсяпредставлениемдробивW-системесчисления.

Напомним, что правильной называется дробь, числитель которой меньше знаменателя.

Пример 3. Перевести правильную десятичную дробь 0.1875D в двоичную СС.

Решение.

0.1875

х2

0 0.3750

х2

0 0.7500

х2

11.5000

х2

1 1.0000

Запишем результат перевода: 0.1875D = 0.0011B.

Обычно перевод дробей из одной СС в другую производят приближенно. При переводе неправильной дроби переводят отдельно целую и дробную части, руководствуясь соответствующими правилами.

Примечание.

Нередко при переводе правильной дроби из десятичной СС в двоичную СС результатом вычислений является иррациональная дробь. В этом случае число необходимых знаков после запятой определяет пользователь, исходя из необходимой погрешности.

При переводе неправильной дроби переводят отдельно целую и дробную части, руководствуясь соответствующими правилами.

Пример 4. Перевести десятичное число 9.625D в двоичную СС.

Решение.

30 Арифметические и логические основы работы ЭВМ

__________________________________________________________________________________

Вначале переведем целую часть десятичного числа в двоичную СС: 9D = 1001B.

Затем переведем правильную дробь: 0.625D = 0.101B.

Окончательный ответ: 9.625D = 1001.101B.

Пример 5. Перевести десятичное число 164D в восьмеричную СС

Решение.

Результат перевода: (164)10 = (244)8.

Рассмотрим правило перехода из восьмеричной СС в двоичную СС.

Для перевода восьмеричного числа в двоичную СС достаточно заменить каждую цифру восьмеричного числа соответствующим трехразрядным двоичным числом. Затем необходимо удалить крайние нули слева, а при наличии дробной части — и крайние нули справа.

Пример 6. Перевести число 305.4Q из восьмеричной СС в двоичную

СС.

Отмеченные символами « » нули следует отбросить. Заметим, что двоичные числа взяты из табл. 1.

Еще одно правило перевода чисел:

Для перехода от шестнадцатеричной СС к двоичной СС каждая цифра шестнадцатеричного числа заменяется соответствующим четырехразрядным двоичным числом. У двоичного числа удаляются лидирующие нули (крайние слева), а если имеется дробная часть, то и крайние правые нули.