30 Глава 2. Особенности аппаратных средств
Глава 2. Особенности аппаратных средств, влияющих на
архитектуру системы в целом
Вновь напомним, что техническое обеспечение включает аппаратную часть системы: датчики и исполнительные механизмы, линии связи, компьютеры и т.п. В отличие от других компонент системы, аппаратура всегда «на виду», ее можно не только увидеть глазами, но даже потрогать руками; часть этой аппаратуры напрямую используется человеком-оператором. А между тем, аппаратура постоянно совершенствуется, ее технические возможности растут, однако ради сохранения целостности системы многие принципы и даже параметры аппаратуры сохраняются неизменными (например, габариты табло, экранов, клавиатуры и т.п.). В связи с этим полезно взглянуть на те особенности аппаратных средств, которые во многом определяют и архитектуру всей системы.
Компьютер – центральное звено аппаратуры
Сегодня немыслимо представить себе информационную систему без электронной вычислительной машины. Между тем, ЭВМ поразительно молоды, но благодаря успехам микроэлектроники, вычислительной техники и программирования, на протяжении жизни одного человеческого поколения сменилось несколько поколений ЭВМ (рис. 2.1).
Первая в мире вычислительная машина на электронных лампах1, разработанная американцами Д.В. Моучли и Д.П. Эккертом и названная ЭНИАК (Electronics Numerical Integrator and Computer), появилась в 1945 году, первые советские ЭВМ были созданы под руководством акад. С.А. Лебедева в 1950-53 г.г. Первый черырехразрядный микропроцессор Intel-4004 появился в 1972 г., а в СССР первые 16-разрядные микропроцессорные комплекты были созданы под руководством В.Л. Джхуняна уже в 1975г.; под его же руководством в 1980 г. (всего на год позже, чем это сделала фирма Motorola) была изготовлена первая советская однокристальная 16-разрядная микроЭВМ (на рис. 2.1 микроЭВМ в корпусе показана на фоне пластины с еще не разрезанными кристаллами).
Лист для рис 2.1 Эволюция элементной базы и ЭВМ
Параметры ЭВМ (такие, как быстродействие, объем оперативной и внешней памяти) улучшились за полстолетия на несколько десятичных порядков; на эту же тенденцию прямо указывают приставки в терминах «миниЭВМ», «микропроцессор», «наноэлектроника».
Важной особенностью ЭВМ является использование двоичной системы кодирования, при которой отдельные элементы машины хранят данные в виде двух состояний («включено» или «выключено»). Такой способ кодирования, эффективный для технических систем и отличающийся от привычной для человека десятеричной системы счисления, предложил в 1932 г. для будущих ЭВМ наш соотечественник И.Я. Акушский. (Примерно тогда же эту идею высказывали и зарубежные ученые). Сегодня трудно представить, что вопрос о переходе к двоичной системе был когда-то предметом оживленных дискуссий, а часть рудиментов еще живет даже в архитектуре микропроцессоров фирмы Intel.
Завершая рассмотрение рис.2.1, следует отметить, что переход к каждому новому поколению ЭВМ (от больших машин к миниЭВМ, от мини- к микроЭВМ) вместе со стремительным улучшением параметров машин проходил на глазах одного поколения; при этом открывались все новые и новые горизонты использования вычислительной техники; часто энтузиазм и энергия первопроходцев наталкивались на непонимание, рутину, неподготовленность не только чиновников, но и узких специалистов. Для примера укажем, что появление ЭВМ на одной плате даже в среде специалистов, уже применявших ЭВМ, например для измерений или управления технологическими процессами, сначала было воспринято с недоумением («А как ее запустить-то, чтобы убедиться, что она работает?!») – это уже позже внешние устройства стали отделять непосредственно от ЭВМ. Но с позиций сегодняшнего дня стала очевидна рубежная роль одноплатных ЭВМ: будучи размещенными в корпусе дисплея (см. вновь рис. 2.1), они дали начало персональным компьютерам (ПК); в то же время одноплатные ЭВМ прекрасно «вписываются» в технологическое оборудование, придавая ему новые интеллектуальные возможности. Заметим, что оба направления соответствуют профилю информационно-управляющих систем, часто пересекаются и дополняют друг друга. Очень важно то обстоятельство, что ПК стали массовыми изделиями (диалоговых вычислительных комплексов – сокращенно ДВК – в бывшем СССР к 1985 году было произведено в 1,5 раза больше, чем всех других ЭВМ, вместе взятых; во всем мире в этом же году производилось несколько миллионов ПК в год). Поскольку ПК были ориентированы не на профессиональных программистов, а на «пользователей», значительное внимание и развитие получила та часть программного обеспечения ЭВМ, которая ответственна за человеко-машинный интерфейс. Значительное развитие получили также прикладные программы, однако и сегодня все начинается с возможностей аппаратных средств и базового программного обеспечения.
БИСы и микропроцессоры
Микроэлектроника зарождалась как средство высококачественного и массового производства разнообразных элементов радиоэлектронной аппаратуры, но заняла ведущее положение с появлением и освоением особо чистых полупроводниковых материалов. Первым шагом на этом пути явилось вытеснение большого числа электронных ламп более компактными и экономичными транзисторами (полупроводниковыми триодами). Затем в одном корпусе стали размещать не один транзистор, а часть электронной схемы в уже соединенном (объединенном, интегрированном) виде.
По мере уменьшения размеров отдельных элементов в одном кристалле с теми же размерами удается разместить все больше элементов или увеличить степень интеграции ИС. Когда число элементов в ИС начинает превышать 1000 - это уже большая интегральная схема (БИС). Сегодня сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) содержат сотни тысяч и даже миллионы элементов.
Разработка каждой новой СИС или БИС - это сложный и трудоемкий процесс. Поэтому стараются выпускать такие БИС, которые пользуются массовым спросом. Примером массовых БИС могут служить БИСы памяти. Две БИС памяти одного типа, только что вышедшие из производства, похожи друг на друга, как близнецы; они начнут различаться лишь после записи в них разной информации. То есть БИС памяти является универсальной схемой, или схемой многоцелевого применения.
Другие БИСы не обладали таким свойством универсальности (каждый раз для нового устройства разрабатывались специальные БИС), пока не была создана универсальная многоцелевая БИС - микропроцессор. Удалось это сделать только, когда микроэлектроника подошла к рубежу создания СБИС. Тогда в одной схеме удалось сделать устройство, сами свойства которого изменяются в зависимости от подведенных к нему электрических сигналов.
Микропроцессор производит определенные действия над входными данными и данными, временно хранимыми внутри самого микропроцессора, преобразуя их в некоторые выходные данные (рис. 1.9). Обычно преобразования данных сводятся к арифметическим и логическим операциям, и центральную часть микропроцессора часто называют арифметико-логическим устройством (АЛУ).
Рис. 2.2. Микропроцессор -
преобразователь данных