6. Многофункциональные устройства.
Классификация технических информатизации представлена на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1. Технические средства информатизации.
Как следует из приведенной выше классификации, большая часть современных технических средств информатизации в той или иной мере связана с электронными вычислительными машинами - персональными компьютерами, которые объединяют множество технических средств, обеспечивающих автоматизированную обработку информации.
Например, устройства ввода и вывода (ввода/вывода) являются непременным и обязательным элементом любой ЭВМ, начиная с самой первой и заканчивая современными компьютерами, поскольку именно эти устройства обеспечивают взаимодействие пользователя с вычислительной системой.
С одной стороны, пользователь вводит команды или данные в компьютер через устройства ввода для их обработки, с другой стороны, вычислительная система выдает пользователю результаты своей работы посредством устройств вывода.
Все устройства ввода/вывода персонального компьютера относятся к периферийным устройствам, т.е. подключаемым к микропроцессору через системную шину и соответствующие контроллеры. С развитием вычислительной техники они получили существенное развитие. На сегодняшний день существуют целые группы устройств (например, устройства местоуказания, мультимедиа), которые обеспечивают эффективную и удобную работу пользователя.
Главным устройством вычислительной машины является микропроцессор, обеспечивающий в наиболее общем случае управление всеми устройствами и обработку информации. Для решения специфических задач, например, математических вычислений персональные компьютеры оснащаются сопроцессорами. Эти устройства относятся к устройствам обработки информации.
Устройства передачи и приёма информации (или устройства связи) являются непременными атрибутами современных информационных систем, которые все больше приобретают черты распределённых информационных систем, в которых информация хранится не в одном месте, а распределена в пределах некоторой сети, например, сети предприятия или глобальной сети Интернет.
В зависимости от целого ряда параметров (тип линии связи, вид подключения, удаленность носителей информационных ресурсов и др.) используются различные устройства связи.
Модем (модулятор-демодулятор) – это устройство, преобразующее информацию в такой вид, в котором её можно передавать по телефонным линиям связи. Внутренние модемы имеют PCI-интерфейс и подключаются непосредственно к системной плате. Внешние модемы подключаются через порты COM или USB.
Модемы выполняют цифро-аналоговое преобразование цифровых сигналов компьютера для их передачи по телефонной линии связи или аналого-цифровое преобразование аналоговых сигналов из линии связи в цифровые сигналы для обработки в компьютере. Модемы передают данные по обычным телефонным каналам со скоростью до 56 000 бит в секунду. Также модемы осуществляют сжатие данных перед отправлением и, соответственно, их реальная скорость может превышать максимальную скорость модема.
Сетевой адаптер (сетевая плата) – это электронное устройство, выполненное в виде платы расширения (может быть интегрирован в системную плату) с разъёмом для подключения к линии связи. Сетевой адаптер используется для подключения компьютера к локальной компьютерной сети.
Устройства хранения информации занимают не последнее место среди всех технических средств информатизации, поскольку используются для временного (непродолжительного) или длительного хранения обрабатываемой и накапливаемой информации.
Многофункциональные устройства стали появляться сравнительно недавно. Отличительная особенность этих устройств заключается в сочетании целого ряда функций (например, сканирование и печать или печать и брошюровка печатных копий, и т.д.) по автоматизации действий пользователя. К многофункциональным устройствам относятся издательские системы, устройства копирования, размножения информации.
По своему значению для развития общества информация приравнивается к важнейшим ресурсам наряду с сырьем и энергией. Источником любой информации являются данные, над которыми производятся следующие операции: накопление и систематизация, представление и обработка. Эти операции осуществляются с помощью средств вычислительной техники.
Изучение курса «Технические средства информатизации» предусматривает подробное изучения компьютера, всех его основных устройств, т.к. именно компьютер является основным техническим средством, которое широко используется для получения и обработки информации.
Вычислительная техника (ВТ) - это комплекс технических средств, объединённых единым управлением и предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных.
Вычислительная система (ВС) – это конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного пользователя. Центральным устройством большинства вычислительных систем является компьютер.
Компьютер - это электронной прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки данных. Наиболее распространённым синонимом слова «компьютер» является термин «электронная вычислительная машина».
Электронная вычислительная машина (ЭВМ) - это комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей. Под пользователем понимают человека, в интересах которого проводится обработка данных на ЭВМ. В качестве пользователя могут выступать заказчики вычислительных работ, программисты, операторы. Как правило, время подготовки задач во много раз превышает время их решения.
Требования пользователей к выполнению вычислительных работ удовлетворяются специальным подбором и настройкой технических и программных средств. Обычно эти средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру.
Структура – это совокупность элементов и их связей. Различают структуры технических, программных и аппаратурно-программных средств. Выбирая ЭВМ для решения своих задач, пользователь интересуется функциональными возможностями технических и программных средств (как быстро может быть решена задача, насколько ЭВМ подходит для решения данного круга задач, какой сервис программ имеется в ЭВМ, возможности диалогового режима, стоимость подготовки и решения задач и т.д.).
Большое значение имеет концепция взаимосвязи отдельных частей ЭВМ, структура или (как это принято называть в информатике) архитектура вычислительной системы. Архитектура ЭВМ значительно влияет на производительность и эффективность использования вычислительных машин.
Архитектура ЭВМ - это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных её функциональных узлов.
Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры. Структура вычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровне детализации (устройства, блоки узлы и т. д.) и описывает связи внутри средства во всей их полноте. Архитектура же определяет правила взаимодействия составных частей вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, в какой это необходимо для формирования правил их взаимодействия. Она регламентирует не все связи, а наиболее важные, которые должны быть известны для более грамотного использования данного средства.
Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. Многие тысячи лет назад для счёта использовались счётные палочки, камешки и т.д. Более 1500 лет тому назад для облегчения вычислений стали использоваться счёты.
Следы потребности в вычислениях, как специального вида деятельности, дисциплины можно найти уже в цивилизациях Египта, Вавилона, Греции. Она возникла и развивалась под влиянием двух основных потребностей:
- способы систематических рассуждений;
- способы и средства точных и быстрых расчётов.
Компьютер - это последнее достижение на пути этого развития.
Первый полностью электронный компьютер ENIAC на электровакуумных лампах был создан в 1943-1945 годах под руководством Джона Маучли. В 1944 году к проекту ENIAC присоединился молодой ученый Джон фон Нейман (1903-1957). До этого он работал с Давидом Гильбертом и уже к 23 годам был весьма известным математиком. Он принял участие в обсуждении новой машины EDVAC. Его теоретический вклад в этот проект определил развитие компьютеров на многие годы.
Его вклад состоял в том, что он создал:
1. Способ описания логических схем компьютера.
2. Набор команд для машины EDVAC.
3. Концепцию хранимой программы: программа и данные хранятся в единой памяти.
4. Принцип последовательных вычислений: программа состоит из последовательности шагов, которые выполняются последовательно по одному за раз.
Это позволило существенно упростить схемы EDVAC по сравнению со схемами ENIAC. В отличие от ENIAC, где использовалась десятичная арифметика, в EDVAC был использован двоичный код.
Три последних пункта составляют основу так называемой концепции фон Неймана, которая определила архитектуру компьютеров на многие годы.
Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 году английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 году Джон фон Нейман. И теперь ознакомимся с этими принципами.
Использование двоичной системы представления данных. Преимущества двоичной системы для технической реализации неоспоримы, о чём свидетельствует удобство и простота выполнения в ней арифметических и логических операций. В ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации - текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.
Принцип хранимой программы. Первоначально программа задавалась путём установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоёмким занятием. Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде нулей и единиц, причём в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил её структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) в современных компьютерах объединены в один блок - процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств. Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы.
Принцип последовательного выполнения операций. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.
Принцип произвольного доступа к ячейкам оперативной памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
Программное обеспечение так же претерпело коренные изменения со времён EDVAC. Первые программы писались на языке машины - в двоичном коде, цифрами. В начале 50-х годов появились языки Ассемблера, которые позволяли записать программы в символьном виде, но в терминах простых машинных операций. В середине 50-х, в начале 60-х появились первые языки программирования Fortran, Algol.
В 80-90-е годы прошлого столетия существенной ревизии были подвергнуты принципы организации компьютера фон Неймана. Появились параллельные вычислители, в которых в одно и то же время выполнялось несколько операций одновременно. Существенные изменения претерпели и языки программирования. Появились объектно-ориентированные языки, которые позволяли строить программы из так называемых объектов, что ускоряло процесс создания программы и делало его более надёжным. Кардинальное влияние как на организацию компьютера, так и на его средства программирования, оказали сети ЭВМ. Компьютер более не рассматривается как отдельное, изолированное устройство. Компьютеры работают в сети, обмениваясь данными.
Компьютеры 40-х и 50-х годов прошлого столетия были очень большими устройствами - огромные залы были заставлены шкафами с электронным оборудованием. Всё это стоило очень дорого, поэтому компьютеры были доступны только крупным компаниям и учреждениям.
Первый шаг к уменьшению размеров компьютеров стал возможен с изобретением в 1948 году транзисторов - миниатюрных электронных приборов, которые смогли заменить в компьютерах электронные лампы. В середине 50-х годов были найдены очень дешёвые способы производства транзисторов, и во второй половине 50-х годов появились компьютеры, основанные на транзисторах. Они были в сотни раз меньше ламповых компьютеров такой же производительности. Единственная часть компьютера, где транзисторы не смогли заменить электронные лампы, - это блоки памяти, но там вместо ламп стали использовать изобретённые к тому времени схемы памяти на магнитных сердечниках.
В 1959 году Роберт Нойс (будущий основатель фирмы Intel) изобрёл более совершенный метод, позволивший создавать на одной пластине и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. Полученные электронные схемы стали называться интегральными схемами или чипами. В дальнейшем количество транзисторов, которое удавалось разместить на единицу площади интегральной схемы, увеличивалось приблизительно вдвое каждый год. В 1968 году фирма Burroughs выпустила первый компьютер на интегральных схемах, а в 1970 году фирма Intel начала продавать интегральные схемы памяти.
В том же году был сделан еще один важный шаг на пути к персональному компьютеру - Маршиан Эдвард Хофф из той же фирмы Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ. Так появился первый микропроцессор Intel-4004, который был выпущен в продажу в конце 1970 году. Конечно, возможности Intel - 4004 были куда скромнее, чем у центрального процессора большой ЭВМ, - он работал гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации. Но в 1973 году фирма Intel выпустила 8-битовый микропроцессор Intel - 8008, а в 1974 году - его усовершенствованную версию Intel - 8080, которая до конца 70-х годов стала стандартом для микрокомпьютерной индустрии.
В начале 1975 года появился первый коммерчески распространяемый компьютер Альтаир-8800, построенный на основе микропроцессора Intel-8080. Этот компьютер, разработанный фирмой МГГ8, продавался по цене около 500 долларов. Хотя возможности его были весьма ограничены (оперативная память составляла всего 256 байт, клавиатура и экран отсутствовали), его появление было встречено с большим энтузиазмом.
В конце 1975 года Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Microsoft) создали для компьютера «Альтаир» интерпретатор языка Basic, что позволило пользователям достаточно просто общаться с компьютером и легко писать для него программы. Это также способствовало популярности компьютеров.
В развитии вычислительной техники можно выделить пять поколений ЭВМ. Каждое поколение ЭВМ отличается элементной базой, логической организацией и конструктивно-техническим исполнением, математическим обеспечением, техническими характеристиками, степенью доступа к ЭВМ со стороны пользователей.
Основная тенденция развития вычислительной техники - уменьшить трудоёмкость подготовки программ для решения задач, облегчить связь операторов с машинами, повысить быстродействие, эффективность использования ЭВМ и их надёжность.
Возможности улучшения технико-экономических показателей ЭВМ в значительной степени зависят от элементов, используемых для построения их электронных схем. Поэтому при рассмотрении этапов развития ЭВМ каждое поколение обычно в первую очередь характеризуется используемой элементной базой.
Первое поколение ЭВМ (1945-1954 годы) – это ЭВМ на электронных лампах (вроде тех, что были в старых телевизорах). Ввод чисел в первые машины производился с помощью перфокарт, а программное управление последовательностью выполнения операций осуществлялось, например в ENIAC, как в счётно-аналитических машинах, с помощью штекеров и наборных полей. Программное обеспечение компьютеров 1-го поколения состояло в основном из стандартных подпрограмм.
Второе поколение ЭВМ приходится на 1950-60-е годы. В качестве основного элемента были использованы уже не электронные лампы, а полупроводниковые диоды и транзисторы, а в качестве устройств памяти стали применяться магнитные сердечники и магнитные барабаны - далекие предки современных жёстких дисков.
Второе отличие этих машин - это то, что появилась возможность программирования на алгоритмических языках. Были разработаны первые языки высокого уровня - Фортран, Алгол, Кобол. На втором поколении компьютеров впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой. Особенностью машин II поколения являлась их дифференциация по применению.
Третье поколение ЭВМ приходится на 1970-е годы. Это поколение ЭВМ характеризуется широким применением интегральных схем, заменивших большинство транзисторов и различных деталей. Интегральная схема представляла собой законченный логический функциональный блок, соответствующий достаточно сложной транзисторной схеме. В это же время появляется полупроводниковая память, которая и по сей день используется в персональных компьютерах в качестве оперативной.
В эти годы производство компьютеров приобретает промышленный размах. Пробившаяся в лидеры фирма IBM первой реализовала семейство ЭВМ - серию полностью совместимых друг с другом компьютеров от самых маленьких, размером с небольшой шкаф (меньше тогда ещё не делали), до самых мощных и дорогих моделей. Наиболее распространённым в те годы было семейство System/360 фирмы IBM.
Начиная с ЭВМ 3-го поколения, традиционным стала разработка серийных ЭВМ.
В 1971 году фирма Intel, выпустив первый микропроцессор, который предназначался для только-только появившихся настольных калькуляторов. Этому изобретению суждено было произвести в следующем десятилетии настоящую революцию - ведь микропроцессор является сердцем и душой современного персонального компьютера. Начиная с третьего поколения электронно-вычислительные машины стали именоваться компьютерами.
В 1969 году зародилась первая глобальная компьютерная сеть - зародыш того, что мы сейчас называем Интернетом. И в том же 1969 году одновременно появились операционная система Unix и язык программирования Си, оказавшие огромное влияние на программный мир и до сих пор сохраняющие своё передовое положение.
Наличие интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой машин третьего и четвёртого поколений.
Четвёртое поколение ЭВМ приходится на период с 1980-90 годов. Их элементной базой стали большие интегральные схемы (БИС). В одном кристалле интегрированно до 100 тысяч элементов). Быстродействие этих машин составляло десятки млн. операций в секунду, а оперативная память достигла сотен Мб. В 1985 году появились супербольшие интегральные схемы (СБИС), в кристалле такой схемы может размещаться до 10 млн. элементов. Начиная с этого поколения ЭВМ стали называть компьютерами.
Пятое поколение ЭВМ приходится на период с 1990 годов и до настоящего времени.
Благодаря появлению и развитию персональных компьютеров (ПК), вычислительная техника становится по-настоящему массовой и общедоступной.
На базе персональных ЭВМ (ПЭВМ) стали создаваться системы автоматизированного проектирования (САПРы), в которых дружественность к пользователю позволяла упростить общение профессионалов, специализирующихся в различных областях науки и техники.
Доступность ПЭВМ привела к их массовому использованию, что выявило потребность к объединению ПЭВМ в сети для выполнения совместной работы, для совместного использования ресурсов.
ЭВМ шестого поколения - это ЭВМ будущего. Программа разработки, так называемого, пятого поколения ЭВМ была принята в Японии в 1982 году. Предполагалось, что к 1991 году будут созданы принципиально новые компьютеры, ориентированные на решение задач искусственного интеллекта. С помощью языка Пролог и новшеств в конструкции компьютеров планировалось вплотную подойти к решению одной из основных задач этой ветви компьютерной науки - задачи хранения и обработки знаний. Коротко говоря, для компьютеров пятого поколения не пришлось бы писать программ, а достаточно было бы объяснить на «почти естественном» языке, что от них требуется.
Предполагается, что их элементной базой будут служить не СБИС, а созданные на их базе устройства с элементами искусственного интеллекта. Для увеличения памяти и быстродействия будут использоваться достижения оптоэлектроники и биопроцессоры.