Методическое пособие 336

История электронных вычислительных машин.

Создание электронных вычислительных машин (ЭВМ) началось в 40-х годах ХХ века одновременно в США, Великобритании, Германии и СССР. Этому предшествовал долгий исторический путь.

VI в. до н. э. – Пифагор ввел понятие числа как основы всего сущего на земле.

V в. до н. э. – был создан первый прибор для счета «абак». IV в. до н. э. – Аристотель разработал дедуктивную логику.

III в. до н. э. – Диофант Александрийский написал «Арифметику» в 13 книгах.

IX в. – Аль – Хорезми обобщил достижения арабской математики и ввел понятие алгебры.

XV в. – Леонардо да Винчи разработал проект счетной машины для выполнения действий над 12-разрядными числами.

XVI в. – изобретены русские счеты с десятичной системой счисления.

1641 г. – Б. Паскаль разработал механическое устройство для выполнения арифметических действий.

1820 г. – Карл Томас изобрел арифмометр.

1833 г. – Чарльз Бэббидж – проект вычислительного устройства с памятью.

1886 г. – Г. Холлерит – табулятор на перфокартах.

1945 г. – Дж. Нейман изобрел машину, в которой числа и программы хранились в памяти.

1952 г. – Даммер – идея интегральных схем (ИC). 1957 г. – разработаны языки ФОРТРАН и АЛГОЛ. 1970 г. – разработан язык программирования Паскаль. 1971 г. – в США – выпущен первый микропроцессор.

Первые электронные вычислительные машины берут начало с 1945 г. (первое поколение). Они создавались на электронных лампах и реле.

Второе поколение - в качестве элементной базы использовались полупроводники и ферритовые элементы.

Машины третьего поколения строились на интегральных схемах (ИC) c относительно невысокой степенью интеграции.

Наконец, электронные вычислительные машины четвертого поколения использовали большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы.

41

Задание 2. Прочитайте текст. Постарайтесь понять его содержа-

ние.

Применение компьютера

Компьютер быстро вошел в нашу жизнь. Еще недавно было редкостью увидеть какой-нибудь персональный компьютер. Теперь практически в каждом доме есть компьютер, который уже глубоко внедрился в жизнь человека. Современные вычислительные машины представляют одно из самых значительных достижений человеческой мысли. Области применения компьютера непрерывно расширяются. Сегодня с их помощью записывается музыка, издаются книги, проектируются сложные машины и различные сооружения, регулируется движение поездов и самолетов, расшифровываются древние языки, предсказывается погода и многое другое.

Компьютер входит и в нашу повседневную жизнь. С его помощью готовят письма, объявления, различные документы, открытки. Поэтому каждый образованный человек должен иметь представление об устройстве компьютера и правилах работы на нем.

Задание 3. Ответьте на следующие вопросы.

1.Как менялась элементная база ЭВМ?

2.Какие этапы развития прошли ЭВМ?

3.Как изменялись компьютеры с развитием технологий?

4.Какие вы знаете классы компьютеров по назначению?

5.Какого вида бывают ЭВМ по конструктивному исполнению?

Задание 4. Распределите слова в три группы соответственно их роду (он, она, оно):

Окно, монитор, программа, вирус, дисковод, компьютер, сканер, процессор, текст, мышка, экран, поиск, браузер, система, диск, память, информация, программист, сайт, клавиша, операция, сигнал, питание, блок, устройство, видеокарта, обмен, мозг, изображение.

Задание 5. Преобразуйте существительные в прилагательные по образцу:

Система – системный … Операция, звук, компьютер.

42

Задание 6. К данным существительным подберите однокоренные глаголы по образцу:

Подключение – подключать … Изображение, запись, питание, выполнение, хранение.

Задание 7. Прочитайте текст. Постарайтесь понять его содержа-

ние.

Устройство системного блока.

Системный блок входит в состав компьютера. В нем происходят все вычислительные процессы.

Системный блок состоит из материнской платы, процессора, оперативной памяти, жесткого диска, видеокарты, звуковой карты, блока питания.

К материнской плате подключены все устройства системного блока. Через нее происходит общение устройств, обмен информацией, питание электроэнергией.

Процессор – мозг системного блока. Он выполняет логические операции. Оперативная память нужна для временного хранения данных.

Жесткий диск служит для длительного хранения информации. Видеокарта передает изображение на монитор. Звуковая карта

предназначена для подготовки звуковых сигналов.

Блок питания передает энергию всем устройствам внутри компьютера.

Устройства внутри системного блока называют внутренними. Устройства снаружи называют внешними (периферийными).

Задание 8. Ответьте на вопросы по тексту.

1.Как устроен компьютер?

2.Какие основные блоки входят в состав компьютерной платформы?

3.Что является важнейшей частью, которая входит в состав компьютера?

4.Что происходит в процессоре?

5.Из чего состоит системный блок?

6.Как используется материнская плата?

7.Что считается мозгом системного блока?

43

8.Для чего нужна оперативная память?

9.Для чего служит жесткий диск?

10.Для чего нужна видеокарта?

11.Для чего предназначена звуковая карта?

12.Что передает энергию всем устройствам внутри компьютера?

13.Какие устройства называют внутренними, а какие внешни-

ми?

14. Почему каждый образованный человек должен иметь представление об устройстве компьютера и правилах работы на нем?

3.1. Функциональная организация компьютера

Ключевые слова: блок питания, видеокарта, вычисление, данные, жесткий диск, звуковая карта, изображение, материнская плата, оперативная память, операция, подготовка, проектирование, процессор, регулировка, системный блок, управление, устройство, энергия, электроэнергия.

Key words: power supply unit, graphic adapter card, calculating, data, hard disk, sound card, image (imagery), mother board, main memory, operation, preparation, projection (engineering), processor, adjustmen, system block, control, device, energy, electrical energy.

Логическую организацию вычислительных машин, схематически описывающую взаимоотношения ее основных устройств, называют архитектурой ЭВМ. Несмотря на колоссальные технологические изменения, произошедшие в последние десятилетия, в основе цифровых вычислительных машин (ЦВМ) лежит классическая архитектура, разработанная гениальным американским математиком Джоном фон Нейманом (рис. 6). Эта архитектура содержит в себе основные черты современных решений вычислительных машин. Важнейший принцип, определяющий архитектуру (структуру) ЭВМ, состоит в гибком, автоматическом управлении компьютером с помощью программы, хранящейся в памяти ЭВМ. Из этого принципа вытекают, в частности, важные следствия:

- вычислительная машина является универсальным устройством, которое позволяет решать широкий круг задач и обрабатывать разнообразные данные; переход от решения одной задачи к выполнению другой осуществляется путем смены программ и соответствующих

44

им данных; - и программы, и данные хранятся в памяти компьютера, и про-

цессор не делает различия между ними. Таким образом, процессор может перерабатывать программу, модифицировать и оптимизировать ее.

УВыв

Выходная

информация

Рис. 6. Фоннеймановская архитектура ЭВМ

Основной мотив в модернизации архитектуры типа Неймана – стремление повысить производительность ЭВМ, то есть, в конечном счете сократить время решения задач. Элементы архитектуры компьютера – это электронные и электромеханические устройства, составляющие ЭВМ (рис. 6).

На рис. 6: УУ – устройство управления, предназначенное для управления всеми блоками вычислительной машины;

АЛУ – арифметико-логическое устройство, выполняющее все арифметические и логические операции;

ЦПУ – центральный пульт управления, реализующий реакцию оператора на возникающую ситуацию в ходе функционирования ЭВМ;

ЗУ – запоминающие устройства для хранения информации (оперативное и внешнее);

УВв – устройство ввода исходных данных и программы; УВыв – устройство вывода результатов.

Аппаратно ЭВМ в минимальной комплектации содержит системный блок, монитор, клавиатуру, принтер, манипулятор типа мышь, дисковод и т.д.

Системный блок включает в себя процессор, выполняющий

45

программы, состоящие из команд, и память, хранящую данные и программы.

Монитор визуализирует нам информацию на экране. Клавиатура позволяет вводить информацию в компьютер. Принтер осуществляет вывод информации на бумагу (печать). Дисковод считывает информацию с магнитных или оптических

дисков.

Мышка помогает управлять компьютером.

По характеристикам ЭВМ делятся на суперЭВМ, серверы, персональные компьютеры (ПК).

По назначению – бытовые, учебные, профессиональные.

По конструктивному исполнению – стационарные, мобильные. Для выполнения любых действий компьютеру необходима про-

грамма.

Структура ЭВМ. Как электронный автомат для переработки информации компьютер представляет собой сложный комплекс устройств и элементов, имеющих общее управление.

Итак, для того, чтобы программу и исходные данные можно было ввести в машину, выполнить необходимые операции и вывести полученные результаты, любая ЭВМ, независимо от ее конструктивных особенностей, должна иметь в своем составе арифметикологическое устройство, запоминающие устройства, устройство управления и устройства ввода и вывода.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Основная задача этого устройства – преобразование информации, поступающей из памяти. АЛУ, входящие в состав современных компьютеров, могут выполнять свыше сотни различных действий (операций).

Кроме обычных арифметических – сложения, вычитания, умножения, деления – в наборе операций, которыми располагает АЛУ, содержатся операции, выполняющие редактирование информации, сравнение чисел, формирование признаков для выбора одной из ветвей вычислений и др.

По физической реализации АЛУ является чисто электронным устройством, что позволяет получить очень высокие скорости преобразования цифровой информации. В современных ЭВМ арифметические и логические операции выполняются с поражающей воображе-

46

ние скоростью – от сотен тысяч до сотен миллионов операций в секунду. Для обеспечения такой высокой скорости работы компьютера в целом, процессы, связанные с передачей информации между устройствами, полностью автоматизированы.

Запоминающие устройства (ЗУ), или память. Промежуточные и окончательные результаты расчетов, исходные данные и информацию, управляющую всеми работами в ЭВМ, надо на некоторое время запомнить. Поэтому, любая ЭВМ (и самая большая, и микрокалькулятор) имеет собственную память - запоминающие устройства. В память помещают все, что нужно компьютеру для вычислений. Разумеется, здесь должен быть полный порядок, то есть ЗУ должны своевременно выдавать и записывать информацию. С этой целью в современных компьютерах имеются разные виды памяти. Дело в том, что даже уровень сегодняшней техники не позволяет создать память на одном типе носителя информации, в котором большая емкость сочеталась бы с высокой скоростью записи и воспроизведения информации. Поэтому в состав компьютера входят несколько запоминающих устройств, отличающихся по емкости и быстродействию.

Самая быстрая память невелика, но зато позволяет «вспоминать» с большой скоростью. Ее называют оперативной памятью. В оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) хранится только та информация, которая используется в данное время при решении конкретной задачи. Для длительного хранения больших массивов информации используются внешние запоминающие устройства (ВЗУ) большой емкости, работающие со значительно меньшей скоростью. Внешними их называют потому, что в больших машинах они отделены от оперативных ЗУ.

При работе компьютера некоторая часть информации остается неизменной. Поэтому часто используемые физические константы, коэффициенты некоторых специальных функций, стандартные программы и т.д. могут быть записаны в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), допускающее только быстрое считывание информации по произвольным адресам. Запись информации в ПЗУ осуществляется электрическим или механическим способом в процессе изготовления ПЗУ. В полупостоянных или перепрограммируемых запоминающих устройствах (ППЗУ) информация может многократно изменяться вне машины или в ней, но со скоростью, как правило,

47

значительно меньшей скорости считывания.

В высокопроизводительных ЭВМ в состав АЛУ также включают сверхоперативные запоминающие устройства (СОЗУ), имеющие сравнительно малую информационную емкость и цикл работы, примерно равный циклу выполнения арифметических и логических операций.

Для повышения эффективности обмена информацией между устройствами используют еще и так называемую буферную память, предназначенную для промежуточного хранения информации. Информацию из буферной памяти получают отдельные устройства компьютера, работающие с различной скоростью.

Как видите, память ЭВМ устроена довольно сложно; она многоэтажна. Такое устройство памяти ЭВМ позволяет организовать движение информации в компьютере таким образом, чтобы АЛУ всегда имело возможность использовать необходимую информацию без потери времени на ожидание.

Устройство управления (УУ). Это устройство руководит порядком выполнения операций, координирует работу ЭВМ в целом и регулирует взаимоотношения между отдельными устройствами машины.

Если для всех частей машины искать сравнения, то для этого устройства подходит аналогия с дирижером. Оно, как и дирижер, командует ансамблем устройств, составляющих ЭВМ. А «партитурой» ему служит программа, предварительно записанная в памяти.

Каждый такт пьесы, разыгрываемой под руководством УУ, является законченным элементарным действием: сложением двух чисел, сравнением двух величин и т.д. Именно УУ настраивает арифме- тико-логическое устройство на выполнение конкретных операций, «заботится» о том, чтобы из памяти была извлечена информация, необходимая для этих операций, и не «забывает» по окончании действия записать результат в память, либо переслать в распоряжение устройств ввода-вывода.

Таким образом, УУ «интересуется» результатом операции и в зависимости от значения этого результата принимает решение о дальнейшем ходе выполнения программы. Взаимоотношения УУ и АЛУ настолько тесны и сложны, что эти два устройства часто объединяют в одну группу, которую называют процессором.

48

Устройства ввода-вывода (УВВ). Это «органы» общения чело-

века с компьютером. С помощью УВВ человек вводит в машину программу и данные, необходимые для выполнения программы, а также получает в удобной для дальнейшей работы форме результаты: таблицы, графики, схемы, чертежи. Существуют различные способы общения человека с компьютером. Информация, предназначенная для ввода в ЭВМ, может быть, например, заранее подготовлена на какомнибудь промежуточном носителе (магнитные и оптические диски, флеш-накопители и т.п.).

Подготовленную информацию можно ввести в компьютер с очень высокой скоростью, благодаря специальным считывающим устройствам ввода. Для каждого типа носителя существует свое специфическое устройство ввода.

Считывающее устройство читает закодированную на носителе информацию и записывает ее в оперативную память. После того как программа и исходные данные введены, машина приступает к вычислениям. Результаты расчетов печатаются на бумаге специальным печатающим устройством.

В современных ЭВМ информация, чаще всего, вводится в компьютер непосредственно без каких-либо промежуточных носителей.

Средством общения человека с машиной служит пульт управления. Сообщения машины высвечиваются на экране в виде легкочитаемых текстов. «Отвечающая» часть пульта – клавиатура, на которой имеются буквы, цифры, специальные символы. В память компьютера они передаются закодированными с помощью электрических сигналов.

По схеме рис. 6 можно в общих чертах проследить пути чисел и команд. Все основные магистрали в компьютере проходят через запоминающее устройство. Сюда с устройства ввода или с пульта вводится программа и исходные данные. Поскольку оперативная память машины имеет ограниченную информационную емкость, часть информации размещается в ВЗУ, откуда извлекается по мере необходимости в процессе вычислений.

Компьютер работает отдельными тактами. Такт работы машины и команда из оперативной памяти передается в управляющее устройство. Это так называемая управляющая информация. Как правило, это содержимое одной ячейки – одно машинное слово. В этом управляющем слове (команде) закодирована исчерпывающая инструкция о

49

действиях компьютера на ближайший отрезок времени, то есть на один такт ее работы.

Управляющее устройство (УУ) расшифровывает информацию, содержащуюся в управляющем машинном слове, и в зависимости от значения этого слова выдает участвующим в операции устройствам ЭВМ приказы о конкретных действиях.

После того как устройства выполнят порученную им работу, они сообщают об этом УУ, а затем либо из памяти извлекается следующее управляющее слово, либо движение информационных потоков в ЭВМ будет приостановлено.

По мере переработки информации промежуточные результаты передаются на хранение в оперативную память (ОЗУ), а окончательные в ПЗУ или ВЗУ. Последние команды программы определяют операции передачи из памяти в устройства вывода информации, где информация фиксируется на некоторый носитель информации в форме, удобной для восприятия человеком или машиной (если есть необходимость последующего ввода полученной информации в ЭВМ). При этом специальный счетчик считает одну выполненную команду за другой. Этот все время повторяющийся процесс – выбор команды, выполнение, выбор, исполнение – определяет основной ритм работы компьютера. Из большого числа таких повторений и состоит автоматическое выполнение машиной предписанной программы.

Задание. Ответьте на следующие вопросы.

1.Какие функции выполняет процессор?

2.Для чего нужны запоминающие устройства (ЗУ)?

3.Какие бывают ЗУ по назначению?

4.Чем определяется и в чем измеряется информационная емкость ЗУ?

5.Для чего необходима оперативная память?

6.Для чего необходима внешняя память?

7.Какие устройства относятся к ВЗУ?

8.Какие вы знаете устройства ввода и вывода информации?

9.Какие типы принтеров вы знаете?

10.Какие функции выполняет сканер?

11.Что такое плоттер?

50