18

Лекция 3

Технические средства реализации информационных процессов

Исторические сведения о средствах вычислительной техники.

Механизация вычислительных операций началась в XVII в. Первое в мире механическое устройство для выполнения операций сложения («суммирующие часы») было создано в 1623 г. Вильгельмом Шикардом, профессором кафедры восточных языков в университете Тюбингена (Германия).

В 1642 г. французский механик Блез Паскаль разработал первый в мире механический калькулятор. В 1673 г. немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц создал механический калькулятор, который мог выполнять операции умножения и деления.

На протяжении XVIII в. появились более совершенные модели, но принцип механического управления вычислительными операциями оставался тем же.

Идея гибкой автоматизации механических устройств с помощью перфорированной бумажной ленты впервые была реализована в 1804 г. французским ткачом и изобретателем Жозефом Мари Жаккаром, который сконструировал новую модель машины для узорчатого ткачества. В 1833 г. выдающийся английский математик и изобретатель Чарльз Беббидж разработал проект «аналитической машины» — гигантского арифмометра с программным управлением, арифметическим и запоминающим устройствами. Однако полностью осуществить свой проект ему не удалось из-за недостаточного развития техники в то время, и «аналитическая машина» была воспроизведена по его чертежам уже в наши дни.

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.

Идея Ч. Беббиджа в XX в. была развита Джоном фон Нейманом, и сегодня в вычислительной технике принцип раздельного рассмотрения программ и данных имеет большое значение. Он учитывается при разработке и архитектур современных компьютеров, и компьютерных программ.

«Аналитическая машина» Ч. Беббиджа может считаться первым в мире механическим компьютером. Как и всем механическим устройствам, ей были присущи недостатки: конструктивная сложность, громоздкость, малая производительность, но это был компьютер, поскольку машина была способна выполнять вычисления автоматически. Именно отсутствие автоматичности не позволяет рассматривать такие устройства, как например, русские счеты, в качестве предшественников компьютера.

Научно-технические достижения XX в. показали возможность автоматизации работ с данными за счет использования устройств не механического, а электронного типа. Характерное отличие электронных устройств от механических заключается в том, что они регистрируют не перемещения элементов конструкции (реек, шестерен и т.п.), а состояния элементов устройства (электронных компонентов).

Вычислительной техникой называют совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных.

Вычислительная система представляет собой набор взаимодействующих устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка. Центральным устройством большинства вычислительных систем служит компьютер.

Компьютер — это универсальный электронный прибор для автоматизации создания, хранения, обработки, транспортировки и воспроизведения данных.

Классификация компьютеров

Существует много систем классификации компьютеров, среди которых выделяют четыре.

Классификация по назначению — ранний метод классификации, связанный с тем, как применяется компьютер. По этому принципу различают большие ЭВМ (электронно-вычислительные машины), мини-ЭВМ, микро-ЭВМ и персональные компьютеры.

Большие ЭВМ (mainframe) — самые мощные компьютеры, которые применяют для обслуживания крупных организаций и отраслей народного хозяйства. Штат обслуживания большой ЭВМ — до нескольких десятков человек. На базе суперкомпьютеров создаются большие вычислительные центры.

Значение больших ЭВМ высоко. Для экономии времени работы больших ЭВМ операции ввода и вывода данных выполняют с помощью персональной техники. Подготовленные данные передают на большую ЭВМ для выполнения более ресурсоемких операций.

Большие ЭВМ отличаются высокой стоимостью оборудования и обслуживания, их работа организована по непрерывному циклу. При этом компьютер работает одновременно с несколькими задачами и пользователями. Такое распределение ресурсов вычислительной системы называется принципом разделения времени.

Мини-ЭВМ отличаются уменьшенными размерами и меньшей производительностью и стоимостью. Они используются крупными предприятиями, научными учреждениями, банками и высшими учебными заведениями, сочетающими учебную и научную деятельности. Для организации работы с мини-ЭВМ требуется вычислительный центр.

Микро-ЭВМ доступны многим предприятиям и не нуждаются в создании вычислительных центров. Для обслуживания микро-ЭВМ достаточно вычислительной лаборатории в составе нескольких программистов. Они занимаются внедрением приобретенного или заказанного программного обеспечения. Микро-ЭВМ применяются и в крупных вычислительных центрах для выполнения вспомогательных операций.

Персональные компьютеры (ПК) предназначены для обслуживания одного рабочего места. Несмотря на свои скромные размеры и стоимость, персональные компьютеры обладают немалой производительностью и их достаточно для использования Интернета в качестве источника любой информации. ПК служат средством автоматизации учебного процесса, организации дистанционного обучения и досуга. Их используют для организации надомной трудовой деятельности.

С 1999 г. в области ПК действует международный сертификационный стандарт — спецификация РС99. Он устанавливает следующие категории ПК:

• Consumer PC (массовый ПК);

• Office PC (деловой ПК);

• Mobile PC (портативный ПК);

• Workstation PC (рабочая станция);

• Entertainment PC (развлекательный ПК).

Большинство ПК попадают в категорию массовых. Для деловых ПК минимизированы требования к средствам воспроизведения графики. В портативных ПК обязательно должны быть средства для создания соединений удаленного доступа. Для рабочих станций повышены требования к устройствам хранения данных, а для развлекательных ПК — к средствам воспроизведения графики и звука.

Согласно классификации по уровню специализации компьютеры делят на универсальные и специализированные. На базе универсальных компьютеров можно собирать вычислительные системы произвольной конфигурации.

Специализированные компьютеры предназначены для решения конкретного круга задач. К ним относятся бортовые компьютеры автомобилей, судов, самолетов, космических аппаратов и компьютеры, интегрированные в бытовую технику.

Графическими станциями называются специализированные мини-ЭВМ, ориентированные на работу с графикой. Их используют при подготовке кино- и видеофильмов, рекламной продукции.

Файловые серверы представляют собой специализированные компьютеры, объединяющие компьютеры организации в одну сеть.

Сетевые серверы — компьютеры, обеспечивающие передачу информации между различными участниками всемирной компьютерной сети.

По типоразмерам различают настольные (desktop), портативные (notebook), карманные (palmtop) модели компьютеров.

Настольные модели отличаются простотой изменения конфигурации за счет подключения дополнительных внешних приборов или установки дополнительных внутренних компонентов.

Портативные модели удобны для транспортировки, и их можно использовать в качестве средства связи.

Карманные модели выполняют функции «интеллектуальных записных книжек». Они позволяют хранить оперативные данные и получать к ним быстрый доступ.

Компьютеры также классифицируются по совместимости. Множество видов компьютеров выпускаются разными производителями. Важным вопросом становится совместимость различных компьютеров между собой. Различают:

• аппаратную совместимость;

• совместимость на уровне операционной системы;

• программную совместимость;

• совместимость на уровне данных.

11. Далее рассмотрим Состав вычислительной системы

1. Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Принцип разделения аппаратных и программных средств вычислительной техники имеет для информатики особое значение, поскольку решение одинаковых задач может обеспечиваться как аппаратными, так и программными средствами. Критериями выбора аппаратного или программного средства служат его производительность и эффективность.

К аппаратному обеспечению вычислительных систем относятся устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную конструкцию — аппаратную конфигурацию, необходимую для исполнения конкретных видов работ и которую можно собирать из готовых узлов и блоков.

По способу расположения устройств относительно центрального процессорного устройства (ЦПУ — Central Processing Unit, CPU) различают внутренние и внешние устройства.

К внутренним устройствам относятся процессор, материнская плата, звуковая и видеокарты и др.

Внешними (периферийными устройствами) являются большинство устройств ввода-вывода данных и некоторые устройства для длительного хранения данных.

2. Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью переходных аппаратно-логических устройств, называемых аппаратными интерфейсами. Стандарты на аппаратные интерфейсы называют протоколами.

Протокол — это совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для успешного согласования их работы с другими устройствами.

Интерфейсы, присутствующие в архитектуре любой вычислительной системы, разделяются на последовательные и параллельные. Через последовательный (асинхронный) интерфейс данные передаются последовательно.

Для последовательных интерфейсов не надо синхронизировать работу передающего и принимающего устройства, но пропускная способность их меньше. Производительность таких интерфейсов измеряют битами в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с).

Последовательные интерфейсы применяют для подключения «медленных» устройств: простейших устройств печати низкого качества и т.п., а также когда нет ограничений по продолжительности обмена данными.

Через параллельный интерфейс данные передаются одновременно группами битов. Количество битов, участвующих в одной посылке, определяется разрядностью интерфейса, например, восьмиразрядные параллельные интерфейсы передают один байт (8 бит) за один цикл.

Параллельные интерфейсы имеют более сложное устройство, чем последовательные, но обеспечивают более высокую производительность. Их применяют там, где важна скорость передачи данных: для подключения печатающих устройств и т.п. Производительность параллельных интерфейсов измеряют байтами в секунду (байт/с, Кбайт/с, Мбайт/с).

Обратимся к программному обеспечению. Программы — это упорядоченные последовательности команд. Конечная цель компьютерной программы — управление аппаратными средствами. Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работает в неразрывной связи друг с другом.

3. Состав программного обеспечения вычислительной системы называют программной конфигурацией. Многие программы взаимосвязаны — одни программы работают, опираясь на другие. Межпрограммный интерфейс возможен благодаря существованию технических условий и протоколов взаимодействия.

Уровни программного обеспечения имеют пирамидальную конструкцию. Каждый следующий уровень опирается на программное обеспечение предшествующих уровней. Каждый вышестоящий уровень повышает функциональность системы. Например, вычислительная система с программным обеспечением базового уровня не способна выполнять большинство функций, но позволяет установить системное программное обеспечение.

Самый низкий уровень программного обеспечения представляет базовое программное обеспечение.

Базовые программные средства входят в состав базового оборудования и хранятся в специальных микросхемах, называемых постоянными запоминающими устройствами (ПЗУ — Read Only Memory, ROM). Программы и данные записываются («прошиваются») в микросхемы ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации.

Когда изменение базовых программных средств во время эксплуатации технически целесообразно, вместо микросхем ПЗУ применяют перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ — Erasable and Programmable Read Only Memory, EPROM). В этом случае содержание ПЗУ можно изменять как непосредственно в составе вычислительной системы (флэш-технология), так и вне ее, на специальных устройствах, называемых программаторами.