Учебное пособие по информатике

По с особу вы олнения о ерации сложения и возможности сохранения результата сложения можно выделить три основных вида сумматоров:

комбинационный, выполняющий микрооперацию «S = A плюс B», в котором результат выдаётся по мере его образования (это комбинационная схема в общепринятом смысле слова);

сумматор с сохранением результата «S = A плюс B»;

накапливающий, выполняющий микрооперацию «S = S плюс B».

Важнейшими параметрами сумматоров являются:

разрядность;

статические параметры, то есть обычные параметры интегральных схем;

динамические параметры.

Контрольные вопросы по теме 3

1.Что представляет собой логическое высказывание?

2.Как называется логическая операция АВ?

3.Напишите таблицу истинности для логической операции И

4.Напишите таблицу истинности для логической операции ИЛИ

5.Как выглядит на рисунке логический элемент И-НЕ?

6.Как выглядит на рисунке логический элемент ИЛИ-НЕ?

7.Что такое триггер?

8.Сколько триггеров достаточно для запоминания 1 байта информации?

9.Что является основой электронной схемой АЛУ?

10.С помощью чего реализована операция «перенос» в сумматоре?

ТЕМА 4. УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРА

1. История создания вычислительной техники

Ручной эта развития вычислительной техники. История вычислительной техники началась тогда, когда сформировалось понятие числа. Во многих языках слово «цифра» происходит от слова «палец». Пальцы стали первой «вычислительной машиной». На пальцах можно складывать, вычитать и умножать довольно большие числа. Знаменитый Фибоначчи в XIII веке рекомендовал всем осваивать счет на пальцах.

К числу одних из первых приспособлений для вычислений можно отнести и всем известные счётные палочки, которые и сегодня используются в начальных классах многих школ для обучения счёту. Развиваясь, эти приспособления становились более сложными, например, такими как финикийские глиняные фигурки, также предназначаемые для наглядного представления количества считаемых предметов, однако для

41

удобства помещаемые при этом в специальные контейнеры. Такими приспособлениями, похоже, пользовались торговцы и счетоводы того времени.

Следующим изобретением был «абак» – счеты по 5 косточек в ряду (рис. 12). Задача считалась решенной, только если была указана последовательность действий, которые необходимо выполнить на абаке для получения результата. Алгоритмы решения на абаке были подробно разработаны французским ученый Гербертом (950–1003), который впоследствии стал

могли быть чётки, применяемые в практике многих религий. Верующий как на счётах отсчитывал на зёрнах чёток число произнесённых молитв, а при проходе полного круга чёток передвигал на отдельном хвостике особые зёрна-счётчики, означающие число отсчитанных кругов.

Механический эта развития вычислительной техники. В XVII веке появились первые механические счетные устройства и машины:

20-е годы английский математик Вильям Оутред придумал логарифмическую линейку;

1632 год немецкий ученый Вильгельм Шиккард сконструировал «Считающие часы» – первый механический калькулятор, умевший выполнять четыре арифметических действия. Считающими часами устройство было названо потому, что как и в настоящих часах работа механизма была основана на использовании звёздочек и шестерёнок. Практическое использование это изобретение нашло в руках друга Шикарда, философа и астронома Иоганна Кеплера;

1642 год французский математик, физик и философ Блез Паскаль (1623–1662) создал свою счетную машину, которая могла складывать и вычитать. Она представляла собой механическое устройство в виде ящичка с многочисленными связанными одна с другой шестерёнками. Складываемые числа вводились в машину при помощи соответствующего поворота наборных колёсиков. На каждое из этих колёсиков, соответствовавших одному десятичному разряду числа, были нанесены деления от 0 до 9. При вводе числа, колесики прокручивались до соответствующей цифры. Совершив полный оборот избыток над цифрой 9 колёсико переносило на соседний разряд, сдвигая соседнее колесо на 1 позицию. Первые варианты

42

«Паскалины» имели пять зубчатых колёс, позднее их число увеличилось до шести или даже восьми, что позволяло работать с большими числами, вплоть до 9999999. Ответ появлялся в верхней части металлического корпуса. Вращение колёс было возможно лишь в одном направлении, исключая возможность непосредственного оперирования отрицательными числами. Тем не менее, машина Паскаля позволяла выполнять не только сложение, но и другие операции, но требовала при этом применения довольно неудобной процедуры повторных сложений. Вычитание выполнялось при помощи дополнений до девятки, которые для помощи считавшему появлялись в окошке, размещённом над выставленным оригинальным значением;

1673 год немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646-1716) сконструировал арифмометр (рис. 13), выполнявший 4 арифметических действия. Сложение чисел выполнялось при помощи связанных друг с другом колёс, так же как на вычислительной машине другого выдающегося учёногоизобретателя Блеза Паскаля. Добавленная в конструкцию движущаяся часть (прообраз подвижной каретки будущих настольных калькуляторов) и специальная рукоятка, позволявшая крутить ступенчатое колесо (в последующих вариантах машины – цилиндры), позволяли ускорить повторяющиеся

операции сложения, при помощи которых выполнялось деление и

перемножение чисел. Необходимое число повторных сложений выполнялось автоматически. Лейбниц, который является одним из основоположников дифференциального и интегрального исчисления, мечтал полностью автоматизировать процесс вычислений, что в то время было невозможным, но он разработал двоичную систему счисления, которая и легла в основу автоматизации вычислений в современных компьютерах.

1723 год – немецкий математик и астроном Христиан Людвиг Герстен на основе работ Лейбница создал арифметическую машину. Машина высчитывала частное и произведение (за счёт последовательно выполняемых операций сложения). Кроме того, в ней была предусмотрена возможность контроля за правильностью ввода данных.

В1822 году англичанином Чарльзом Бэббиджем (1791–1871) была построена модель разностной машины, состоящая из валиков и шестерней, вращаемых вручную при помощи специального рычага. Конструкция

43

разностной машины основывалась на использовании десятичной системы счисления. Разрабатывая машину, Бэббидж и не представлял всех трудностей, связанных с её реализацией, и не только не уложился

вобещанные сроки, но и спустя девять лет вынужден был приостановить свою работу. Однако часть машины все же начала функционировать и производила вычисления даже с большей точностью, чем ожидалось.

Несмотря на то, что разностная машина не была построена её изобретателем, для будущего развития вычислительной техники главным явилось другое: в ходе работы у Бэббиджа возникла идея создания универсальной вычислительной машины, которую он назвал аналитической и которая стала прообразом современного цифрового компьютера. В единую логическую схему Бэббидж увязал арифметическое устройство, регистры памяти, объединённые в единое целое, и устройство ввода/вывода, реализованное с помощью перфокарт трёх типов. Перфокарты операций переключали машину между режимами сложения, вычитания, деления и умножения. Перфокарты переменных управляли передачей данных из памяти в арифметическое устройство и обратно. Числовые перфокарты могли быть использованы как для ввода данных

вмашину, так и для сохранения результатов вычислений, если памяти было недостаточно.

Устройство компьютера по чертежам Бэббиджа было описано Августой Адой Лавлейс. Она же разработала основы теории программирования, написала несколько программ для еще несуществующей вычислительной машины. Основные устройства аналитической машины были теми же, что и в современном компьютере:

устройство для ввода данных;

запоминающее устройство, способное хранить исходные данные и промежуточные результаты (Бэббидж назвал его «складом»);

арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции («мельница»);

устройство управления («контора»), руководившее перемещениями со «склада» на «мельницу» и работой «мельницы», и обеспечивающее выполнение необходимых действий в заданном порядке по заданной программе;

устройство для вывода результата.

Электромеханический эта развития вычислительной техники.

Электро-механический этап развития ВТ явился наименее продолжительным и охватывает всего около 60 лет – от первого табулятора Г. Холлерита (1887 год) до первой ЭВМ ENIAC (1945 год). Предпосылками создания проектов данного этапа явились как необходимость проведения массовых расчетов (экономика, статистика, управление и планирование, и др.), так и развитие прикладной электротехники (электропривод и электромеханические реле), позволившие создавать электромеханические вычислительные устройства.

44

Классическим типом средств электро-механического этапа был счетно-аналитический комплекс, предназначенный для обработки информации на перфокарточных носителях.

Первый счетно-аналитический комплекс был создан в США Г. Холлеритом в 1887 году и состоял из: ручного перфоратора, сортировочной машины и табулятора. Используя идеи Жаккарда и Бэбиджа Холлерит в качестве информационного носителя использовал перфокарты; все остальные компоненты комплекса носили оригинальный характер. Основным назначением комплекса являлась статистическая обработка перфокарт. В первых моделях комплекса использовалась ручная сортировка перфокарт, в 1890 году замененная электрической, а табулятор был создан на основе простейших электромеханических реле. Первое испытание комплекса было произведено в 1887 году в Балтиморе. Основные испытания прошли весьма успешно и табулятор Холлерита очень быстро получил международное признание, используясь для переписей населения в России (1897), США и Австро-Венгрии (1890), и Канаде (1891).

Заключительный период (40-е годы 20 в.) электро-механического этапа развития ВТ характеризуется созданием целого ряда сложных релейных и релейно-механических систем с программным управлением, характеризующихся алгоритмической универсальностью и способных выполнять сложные научно-технические вычисления в автоматическом режиме со скоростями, на порядок превышающими скорость работы арифмометров с электроприводом.

Наиболее крупные проекты данного периода были выполнены в Германии (К. Цузе) и США (Д. Атанасов, Г. Айкен и Д. Стиблиц). Данные проекты можно рассматривать в качестве прямых предшественников универсальных ЭВМ.

В 1936 году, работая в изоляции в нацистской Германии, Конрад Цузе начал работу над своим первым вычислителем серии Z, имеющим память и (пока ограниченную) возможность программирования. Созданная, в основном, на механической основе, но уже на базе двоичной логики, модель Z1, завершённая в 1938 году, так и не заработала достаточно надёжно, из-за недостаточной точности выполнения составных частей.

Следующая машина Цузе – Z3, была завершена в 1941 году. Она была построена на телефонных реле и работала вполне удовлетворительно. Тем самым, Z3 стала первым работающим компьютером, управляемым программой. Во многих отношениях Z3 была подобна современным машинам, в ней впервые был представлен ряд новшеств, таких как арифметика с плавающей запятой. Замена сложной в реализации десятичной системы на двоичную, сделала машины Цузе более простыми и, а значит, более надёжными; считается, что это одна из причин того, что Цузе преуспел там, где Бэббидж потерпел неудачу.

45

Программы для Z3 хранились на перфорированной плёнке. Условные переходы отсутствовали, но в 1990-х было теоретически доказано, что Z3 является универсальным компьютером, если игнорировать ограничения на размер физической памяти. В двух патентах 1936 года, Конрад Цузе упоминал, что машинные команды могут храниться в той же памяти что и данные – предугадав тем самым то, что позже стало известно как архитектура фон Неймана и было впервые реализовано только в 1949 году

вбританском EDSAC.

Вноябре 1937 года Джорж Стибиц завершил в Bell Labs создание компьютера «Model K» на основе релейных переключателей. В конце 1938 года Bell Labs санкционировала исследования по новой программе, возглавляемые Стибицем. В результате этого, 8 января 1940 года был завершён Complex Number Calculator, умеющий выполнять вычисления над комплексными числами. 11 сентября 1940 года в Дартмутском колледже, на демонстрации в ходе конференции Американского математического общества, Стибиц отправлял компьютеру команды удалённо, по телефонной линии с телетайпом. Это был первый случай когда вычислительное устройство использовалось удалённо. Среди участников конференции и свидетелей демонстрации были Джон фон Нейман, Джон Моучли и Норберт Винер.

В1939 году Джон Винсент Атанасов

всумматоре.

В1939 году в Endicott laboratories в IBM началась работа над Harvard Mark I. Официально известный как Automatic Sequence Controlled Calculator, Mark I был электромеханическим компьютером общего назначения, созданного с финансированием IBM и при помощи со стороны персонала IBM, под руководством гарвардского математика Howard Aiken.

Последним крупным проектом релейной ВТ следует считать построенную в 1957 году в СССР релейную вычислительную машину РВМ-1 и эксплуатировавшуюся до конца 1964 года в основном для решения экономических задач.

Электронный эта развития вычислительной техники. В силу физико-технической природы релейная ВТ не позволяла существенно повысить скорость вычислений, для этого потребовался переход на электронные безинерционные элементы высокого быстродействия.

46

К началу 40-х годах 20 в. электроника уже располагала необходимым набором таких элементов. С изобретением М. Бонч-Бруевичем в 1913 году триггера (электронное реле – двухламповый симметричный усилитель с положительной обратной связью в качестве базовой компоненты использует электронную вакуумную лампу триод, изобретенную в 1906 году) появилась реальная возможность создания быстродействующей электронной ВТ.

Американский ENIAC, который часто называют первым электронным компьютером общего назначения, публично доказал применимость электроники для масштабных вычислений. Это стало ключевым моментом в разработке вычислительных машин, прежде всего из-за огромного прироста в скорости вычислений, но также и по причине появившихся возможностей для миниатюризации. Созданная под руководством Джона Мочли и Дж. Преспера Эккерта, эта машина была в 1000 раз быстрее, чем все другие машины того времени.

Электронные вычислительные машины (ЭВМ) ознаменовали собой новое направление в ВТ, интенсивно развиваемое и в настоящее время в различных направлениях.

2.Архитектура фон Неймана

В40-х годах XX века американец венгерского происхождения Джон (Янош) фон Нейман (1903-1957) включился в работу по созданию

вычислительной машины для управления установками береговой противовоздушной обороны. Машина была названа «ENIAC» Electronic

Numeric Integrator Automatic Computer – электронный численный интегратор и автоматический вычислитель. Но она имела принципиальный недостаток, в ней отсутствовало устройство для запоминания и хранения команд.

В1945 году Джон фон Нейман сформулировал и описал основные принципы организации нового вычислительного устройства, получившие название архитектура фон Неймана.

Всоответствии с данной архитектурой в составе любого вычислительного устройства должны присутствовать (рис. 15):

АЛУ – арифметико-логическое устройство, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций, в современных компьютерах устройство является составной частью процессора;

ОП – оперативная память, устройство, предназначенное для хранения кодов и данных выполняющейся в данный момент программы;

американская аббревиатура RAM – Random Access Memory, память с произвольным доступом; русская аббревиатура ОЗУ – оперативное запоминающее устройство.

ВУ – внешние устройства или периферия. Обычно делят на два класса:

1.Внешняя память – накопитель на гибких магнитных дисках, накопитель на жестких магнитных дисках, CD-устройства,

47

магнитооптические накопители, DVD-устройства, флэш USB устройства.

2.Устройства ввода/вывода информации:

a.устройства ввода: клавиатура, манипуляторы (мышь, сенсорная панель, джойстик и др.), микрофон, сканер, дисплей, факс, цифровая видео- (фото-) камера, дигитайзер;

b.устройства вывода: дисплей, принтер, акустические

колонки, плоттер, факс, электронная доска, проектор. УУ – управляющее устройство (в современной технике входит

в состав процессора), которое организует работу компьютера следующим образом:

1.помещает в ОП коды программы из ВУ;

2.считывает из ячейки ОП и организует выполнение первой команды программы;

3.определяет очередную команду и организует ее выполнение;

4.постоянно синхронизирует работу устройств, имеющих различную скорость выполнения операций, путем приостановки выполнения программы.

Рис. 15. Схема вычислительно о устройства в соответствии

сархитектурой фон Неймана

Вцелом принципы фон Неймана сводятся к следующему:

-Принци двоичности. Для представления данных и команд используется двоичная система счисления.

- Принци ро раммно о у равления. Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определённой последовательности.

-Принци однородности амяти. Как программы (команды),

так и данные хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления – чаще всего двоичной).

48

в соответствии с разработанной архитектурой и принципами, и в 1949 году была создана машина «EDVAC» Electronic Discreet Variable Automatic

Computer – электронный компьютер по обработке дискретных переменных, которая в последствии была признана первым компьютером.

3. Поколения компьютеров

Один из способов классификации компьютеров, учитывающий основные конструктивные элементы – это распределение компьютеров по

49

машина) – в 1947–1951 гг. и БЭСМ (большая электронная счетная машина) – в 1952 г. разработаны под руководством С.А. Лебедева; в 1955 г. начался выпуск малой ЭВМ «Урал–1», руководитель проекта Б. И. Рамеев, самой лучшей была серийной машиной была М-20; примером зарубежной серийной машины является IBM-701 (США).

II околение

Время появления – конец 50-х – середина 60-х годов.

Элементная база процессоров – транзисторы (твердые диоды и триоды);

Элементная база ОЗУ – ферритовые (намагниченные) сердечники; Скорость обработки данных – до 1 млн. операций в секунду; Сферы использования – для научных расчетов;

Новые технологии: создание долговременной памяти на магнитных дисках и лентах, пакетный режим работы обработки программ, созданы язык Ассемблера, алгоритмические языки и библиотеки стандартных программ;

Представители: БЭСМ-4, М-220, «Минск-32»; IBM-7090 (США). Первый компьютер на транзисторах TX стал прототипом для

компьютеров ветки PDP фирмы DEC, которые можно считать родоначальниками компьютерной промышленности, так как появилось явление массовой продажи машин. DEC выпускает первый миникомпьютер (размером со шкаф). Зафиксировано появление дисплея.

III околение

Время появления – конец 60-х – начало 70-х годов.

Элементная база процессоров и ОЗУ – интегральные полупроводниковые схемы;

Скорость обработки данных – до 10 млн. операций в секунду;

50