Лекция 4. История развития вычислительной техники. Классификация компьютеров. Состав вычислительной системы. Аппаратное и программное обеспечение. Классификация служебных и прикладных программных средств

История развития вычислительной техники

Первыми счетными устройствами были механические устройства. В 1642 году французский механик Блез Паскаль разработал компактное суммирующее устройство – механический калькулятор.

В 1673 г. Немецкий математик и философ Лейбниц усовершенствовал его путем добавления операций умножения и деления. На протяжении 18 века разрабатывались все более совершенные, но по-прежнему механические вычислительные устройства на основе зубчатых, реечных, рычажных и других механизмов.

Идея программирования вычислительных операций пришла из часовой промышленности. Такое программирование было жестким: одна и та же операция выполнялась в одно и то же время (пример – работа станка по копиру).

Идея гибкого программирования вычислительных операций была высказана английским математиком Чарльзом Бэббиджем в 1836-1848 гг. Особенностью его аналитической машины был принцип разделения информации на команды и данные. Однако проект не был реализован.

Программы вычислений на машине Беббиджа, составленные дочерью поэта Байрона Адой Лавлейс (1815-1852), очень схожи с программами, составленными впоследствии для первых ЭВМ. Эту замечательную женщину назвали первым программистом мира.

При переходе от режима регистрации положений механического устройства к режиму регистрации состояний элементов электронного устройства десятичная система стала неудобной, т. к. состояний элементов только два: включено и выключено.

Возможность представления любых чисел в двоичной форме была впервые высказана Лейбницем в 1666 году.

Идея кодирования логических высказываний в математические выражения:

• истина (True) или ложь (False);

• в двоичном коде 0 или 1,

была реализована английским математиком Джорджем Булем (1815-1864) в первой половине XIX века.

Однако разработанная им алгебра логики "алгебра Буля" нашла применение лишь в следующем веке, когда понадобился математический аппарат для проектирования схем ЭВМ, использующих двоичную систему счисления. "Соединил" математическую логику с двоичной системой счисления и электрическими цепями американский ученый Клод Шеннон в своей знаменитой диссертации (1936 г.).

В логической алгебре при создании ЭВМ используются в основном 4 операции:

• И (пересечение или конъюнкция - A^B);

• ИЛИ (объединение или дизъюнкция - AvB);

• НЕ (инверсия - |A);

• ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (A*|B+|A*B).

В 1936 г. Английский математик А. Тьюринг и, независимо от него Э. Пост, выдвинули и разработали концепцию абстрактной вычислительной машины. Они доказали принципиальную возможность решения автоматами любой проблемы при условии возможности её алгоритмизации.

В 1946 г. Джоном фон Нейманом, Голдстайном и Берксом (Принстонский институт перспективных исследований) был составлен отчет, который содержал детальное описание принципов построения цифровых ЭВМ, которые используются до сих пор.

1. В архитектуру ЭВМ Джона фон Неймана входят:

   1. центральный процессор, состоящий из устройства управления (УУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ);

   2. память: оперативная (ОЗУ) и внешняя;

   3. устройства ввода;

   4. устройства вывода.

2. Принципы работы ЭВМ, предложенные фон Нейманом:

   1. однородность памяти;

   2. программное управление;

   3. адресность.

3. Можно выделить основные поколения ЭВМ и их характеристики:

Годы применения	1955 – 60 гг.	1960 – 65 гг.	1965 – 70 гг.	1970 – 90 гг.	С 1990 г . по настоящее время
Основной элемент	Электронная лампа	Транзистор	ИС (1400 элементов)	Большая ИС (десятки тыс. элементов)	Большая ИС (миллионы элементов)
Пример ЭВМ	IBM 701 (1952 г.)	IBM 360-40 (1964 г.)	IBM 370- 145 (1970 г.)	IBM 370-168 (1972 г.)	IBM Server z990 2003
Быстродей- ствие, опер./с	8 000	246 000	1 230 000	7 700 000	9*109
Ёмкость ОЗУ, байт	20 480	256 000	512 000	8 200 000	256*109
Примечание	Шеннон, фон Нейман, Норберт Винер	Языки ФОРТРАН, КОБОЛ, АЛГОЛ	Миником- пьютер, ОС MS DOS, ОС Unix, сеть	PC, графиче- ские ОС, интернет	Искусствен- ный интеллект, распозна- вание речи, лазер

Бурное развитие вычислительных систем началось в 60-х годах 20 века с отказом от электронных ламп и развитием полупроводниковой, а затем и лазерной техники.

Эффективность ЭВМ (компьютеров) значительно выросла в 70-х годах 20 века с разработкой процессоров на базе интегральных микросхем.

Качественный скачок в развитии компьютеров произошел в 80-х годах XX века с изобретением персонального компьютера и развитием всемирной информационной сети - интернета.

Классификация компьютеров

1. По назначению:

• суперкомпьютеры;

• серверы;

• встроенные компьютеры (микропроцессоры);

• персональные компьютеры (ПК).

Суперкомпьютеры - вычислительные центры - создающиеся для решения предельно сложных вычислительных задач (моделирования сложных явлений, обработки сверхбольших объемов информации, составления прогнозов и т. п.).

Серверы (от английского слова serve обслуживать, управлять) - компьютеры, обеспечивающие работу локальной или глобальной сети, специализирующиеся на оказании информационных услуг и обслуживании компьютеров крупных предприятий, банков, учебных заведений и т. п.

Встроенные компьютеры (микропроцессоры) получили массовое распространение в производстве и бытовой технике, где управление может быть сведено к выполнению ограниченной последовательности команд (роботы на конвейере, бортовые, интегрированные в бытовую технику и т. п.)

Персональные компьютеры (PC) предназначены для работы одного человека, поэтому применяются повсеместно. Их рождением считается 12 августа 1981 г., когда корпорация IBM представила их первую модель. PC совершили компьютерную революцию в жизни миллионов людей и оказали огромное влияние на развитие человеческого общества.

PC разделяются на массовые, деловые, портативные, развлекательные, а также рабочие станции.

Стандарты PC:

• Consumer PC (массовый);

• Office PC (деловой);

• Entertainment PC (развлекательный);

• Workstation PC (рабочая станция);

• Mobile PC (портативный).

Большинство PC – массовые.

Деловые (офисные) PC содержат профессиональные программы, но в них минимизированы требования к графическим средствам и средствам воспроизведения звука.

В развлекательных PC широко представлены средства Multimedia.

В рабочих станциях повышены требования к хранению данных.

Для портативных обязательным является наличие средств доступа в компьютерную сеть.

2. По уровню специализации:

• универсальные;

• специализированные (примеры: файл-сервер, Web-сервер, сервер печати и т. п.).

3. По типоразмерам:

• настольные (desktop);

• носимые (notebook, iPad);

• карманные (palmtop);

• мобильные вычислительные устройства (PDA - personal digital assistant), сочетающие в себе функции palmtop и сотовых телефонов.

4. По аппаратной совместимости:

• IBM PC;

• Apple Macintosh.

5. По типу процессора:

• Intel (в персональных компьютерах фирмы IBM);

• Motorola (в персональных компьютерах фирмы Macintosh).

Состав вычислительной системы

Рассматривают аппаратную и программную конфигурацию, т. к. часто решение одних и тех же задач может обеспечиваться как аппаратными, так и программными средствами. Критерием в каждом случае является эффектив­ность работы.

Считается, что повышение эффективности работы за счёт развития аппаратных средств оказывается в среднем дороже, зато реализация решений программным путём требует высокой квалификации персонала.

Аппаратное обеспечение

К аппаратному обеспечению вычислительных систем относятся устройст­ва и приборы (используется блочно-модульная конструкция).

По способу размещения устройств относительно центрального процессорного устройства различают внутренние и внешние устройства. Внешние - это устройства ввода-вывода (периферийные устройства) и дополнительные устройства, предназна­ченные для длительного хранения данных.

Согласование между отдельными блоками и узлами осуществляется с помо­щью переходных аппаратно-логических устройств - аппаратных интерфейсов, работающих в соответствии с утвержденными стандартами.

Интерфейсы любой вычислительной системы можно условно разделить на последовательные и параллельные.

Параллельные интерфейсы более сложны, требуют синхронизации передающего и принимающего устройств, но имеют более высокую производительность, которая измеряется байтами в секунду (байт/с, Кбайт/с, Мбайт/с). Применяются (сейчас редко) при подключении принтера.

Последовательные - проще и медленней, их называют асинхронными интерфейсами. Из-за отсутствия синхронизации посы­лок полезные данные предваряют и завершают посылками служебных данных (на 1 байт - 1-3 служебных бита), производительность измеряется битами в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с).

Применяются для подключения устройств ввода, вывода и хранения информации мыши, клавиатуры, флэш-памяти, датчиков, диктофонов, видеокамер, устройств связи, принтеров и т. п.

Стандарты на аппаратные интерфейсы в ВТ называют протоколами. Протокол — это совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками компьютерной техники для успешного согласования работы устройств.