Апаратне та програмне забезпечення загального призначення.

1. Базові принципи побудови ЕОМ, теорія Дж. Неймана. Характеристика ІВМ РС.

Електронна обчислювальна машина — це пристрій, що виконує операції введення інформації, оброблення її за певною програмою, виведення одержаних результатів у формі, придатній для сприйняття людиною.

За кожну з названих операцій відповідають спеціальні блоки електронної обчислювальної машини (ЕОМ): пристрій введення, центральний процесор (ЦП), пристрій виведення. Всі ці блоки складаються з окремих дрібніших пристроїв. Зокрема, в ЦП можуть входити арифметико-логічний пристрій (АЛП), оперативний запам'ятовуючий пристрій (ОЗП) у вигляді регістрів і внутрішньої кеш-пам'яті, керуючий пристрій (КП).

Пристрій введення, як правило, теж не є однією конструктивною одиницею. Оскільки види інформації, що вводиться, різноманітні, джерел може бути кілька. Це стосується і пристрою виведення.

Арифметика-логічний пристрій — блок ЕОМ, де відбувається перетворення даних за командами програми: арифметичні дії над числами, перетворення кодів, порівняння слів та ін.

Оперативний запам'ятовуючий пристрій («пам'ять») — блок ЕОМ, призначений для розміщення програм, а також тимчасового зберігання деяких вхідних даних і проміжних результатів. ОЗП здатний записувати (зчитувати) елементи програм і даних у довільне місце пам'яті (і довільного місця пам'яті), має високу швидкодію. Довільне місце означає можливість звернутися до заданої адреси (до конкретної ділянки пам'яті) без перегляду попередніх.

Так з'явилися багатопроцесорні ЕОМ, в яких кілька процесорів працюють одночасно, а це означає, що продуктивність комп'ютера дорівнює сумі продуктивностей процесорів. Такий комп'ютер має багатопроцесорну архітектуру. У потужних комп'ютерах для складних інженерних розрахунків і САПР, а також для виконання робіт, пов'язаних з комп'ютерною графікою, часто встановлюють два або чотири процесори. В надпотужних ЕОМ (такі машини можуть, наприклад, моделювати ядерні реакції зі швидкістю природного процесу, передбачати погоду в глобальному масштабі) кількість процесорів досягає кількох десятків.

Швидкість роботи комп'ютера істотно залежить від швидкодії ОЗП. Тому постійно ведуться пошуки елементів для ОЗП, які потребували б якомога менше часу на операції читання-запису. Але разом із швидкодією різко зростає вартість елементів пам'яті, тому побудова ОЗП потрібної ємності на швидких елементах неприйнятна економічно. Проблема вирішується побудовою багаторівневої пам'яті. ОЗП складається з двох-трьох частин: основна частина великої ємності будується на відносно повільних (більш дешевих) елементах, а додаткова (кеш-пам'ять) складається зі швидкодійних елементів. Дані, до яких АЛП звертається найчастіше, містяться в кеш-пам'яті; більший обсяг оперативної інформації зберігається в основній пам'яті. Розподілом інформації між складовими частинами ОЗП керує спеціальний блок процесора. Ємність ОЗП і кеш-пам'яті належить до найважливіших характеристик ЕОМ.

Раніше роботою пристроїв введення-виведення керував ЦП, що займало в нього чимало часу. Архітектура сучасних ЕОМ передбачає передачу більшості функцій керування периферійними пристроями спеціалізованим процесорам, що розвантажує ЦП і підвищує його продуктивність.

Описаний принцип побудови ЕОМ носить назву архітектури фон Неймана — американського вченого Дж. фон Неймана (1903—1957), який її запропонував. Архітектуру ЕОМ визначають такі принципи:

І. Принцип програмного керування. Забезпечує автоматизацію процесу обчислень на ЕОМ. Згідно з цим принципом, запропонованим англійським математиком Ч. Беббіджем (1792—1871) у 1833 p., для розв'язання кожної задачі складається програма, що визначає послідовність дій ЕОМ. Ефективність програмного керування є високою тоді, коли задача розв'язується за тією самою програмою багато разів (хоч і за різних початкових даних). Якщо задача виконується один раз, то ефективність принципу буде низькою.

2. Принцип програми, що зберігається в пам'яті ЕОМ. Згідно з цим принципом, сформульованим Дж. фон Нейманом, команди програми подаються, як і дані, у вигляді чисел й обробляються так само, як і числа. Це прискорює процес їх виконання.

3. Універсальність алгоритмів при розв'язанні задач на ЕОМ.

Алгоритм — це система формальних правил, які чітко й однозначно визначають процес виконання заданої роботи.

Набір операцій, виконуваних універсальною ЕОМ, є достатнім для запису будь-якого алгоритму, що реалізує чисельні методи розв'язання математичної задачі, В теорії алгоритмів доводиться, що універсальність відносно обчислювальних алгоритмів є універсальністю відносно цифрової інформації взагалі. Отже, ЕОМ, що реалізує чисельні методи обчислень, є універсальним перетворювачем інформації.

На підставі цих принципів можна стверджувати, що сучасна ЕОМ — це технічний пристрій, який після введення в пам'ять початкових даних у вигляді цифрових кодів і програми їх оброблення, вираженої також цифровими кодами, здатний автоматично здійснити обчислювальний алгоритм, заданий програмою обчислень, і видати готові результати розв'язання задач.

Реальна структура ЕОМ значно складніша, ніж розглянута вище. У сучасних персональних комп'ютерах (ПК) все частіше здійснюється відхід від традиційної архітектури фон Неймана. Однак багато в чому структура ЕОМ і принципи її побудови та функціонування зберігаються.

Комп’ютер – це будь-який пристрій для автоматичної обробки інформації. У наш час усі комп’ютери є електронними, але перший був механічним. Його проект створив у 1833 р. англійський математик Чарльз Беббідж. Усе життя Беббідж присвятив тому, щоб побудувати свою аналітичну машину. Він не зміг це зробити і помер у бідності. Але якщо у наш час за допомогою дуже точних механічних станків виготовити деталі машини Беббіджа та зібрати її, то машина буде працювати. Перший електронний комп’ютер створено у США в Пенсильванському університеті в 1946 р. Ця ЕОМ називалась ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator): важила 30 тонн, містила 18000 електронних ламп, виконувала 5000 операцій в секунду. ENIAC та усі інші ЕОМ, в яких використовувались електронні лампи – це ЕОМ першого покоління (1940…1955 рр.). У 1955 р. з’явилось друге покоління ЕОМ. Замість електронних ламп у них використовувались напівпровідники – транзистори (винайдені у 1948 р.). ЕОМ стали менші за розміром, їм потрібно було менше електроенергії, а їх швидкість досягла декількох десятків операцій в секунду. В цей самий час стали використовувати мови програмування. З 1959 р. електронна промисловість стала виробляти інтегральні схеми (невеликі кристали напівпровідників, які містять декілька тисяч транзисторів). ЕОМ на інтегральних схемах – ЕОМ третього покоління з великою пам’яттю і високою (до декількох мільйонів операцій в секунду) швидкістю. На початку 70-х років з’явились ЕОМ четвертого покоління, основним елементом яких був мікропроцесор Intel–4004  та інші великі інтегральні схеми (ВІС або чіпи). ВІС – напівпровідниковий кристал з декількома сотнями тисяч транзисторів. Мікропроцесор – це інтегральна схема, аналогічна за своїми функціями центральному процесору великої ЕОМ. Intel–4004  обробляв одночасно тільки 4 біти інформації, але в 1973 р. фірма Intel випустила 8 бітовий мікропроцесор Intel-8008, а в 1974 р. – його вдосконалену версію Intel-8080, на основі якого в 1974 р. з’явився перший комерційно розповсюджуваний комп’ютер Altair-8080 (виконував ті ж дії, що і велика ЕОМ). В 1979 р. фірма IBM (International Business Mashines Corporation) – ведуча компанія з виробництва великих ЕОМ – доручила фірмі Microsoft створити персональний комп’ютер (ПК), яка в 1981 р. випустила новий ПК під назвою IBM PC (читається – ай-бі-ем пі-сі). Основним процесором даного ПК було вибрано найновіший тоді 16-розрядний мікропроцесор Intel-8088, використання якого дозволило збільшити потенційні можливості ПК, так як новий мікропроцесор дозволив працювати з 1 Мбайтом пам’яті (всі комп’ютери того часу були обмежені 64 Кбайтами). Фірма ІВМ РС зробила ПК не єдиним нероз’ємним пристроєм, а забезпечила можливість його збирання з незалежно виготовлених частин. При цьому методи спряження пристроїв з комп’ютером ІВМ РС не тримались у секреті. Цей принцип, який назвали принципом відкритої архітектури і забезпечив успіх ПК ІВМ РС. У наш час створюються ЕОМ 5-го покоління, які будуть розуміти людську мову: людина буде пояснювати комп’ютеру задачу, а писати програму і розв’язувати задачу комп’ютер буде сам.