Вычислительные устройства, использующие непрерывную форму представления информации, называются Аналоговыми Вычислительными Машинами (АВМ). Вычислительные устройства, использующие дискретную форму представления, называютсяЦифровыми Вычислительными Машинами (ЦВМ).

1. Базовая система элементов компьютерных систем

Для построения цифровых устройств была выбрана двоичная система счисления. Для проектирования устройств можно было использовать мощный аппарат алгебры логики – булевых функций.

При построении функциональных узлов КС используются элементы, которые реализуют базовую систему логических функций. Одним из таких базовых наборов является набор из трёх функций: дизъюнкции (логическое ИЛИ), конъюнкции (логическое И) и отрицание (логическое НЕ). показаны условные обозначения и значения выходного сигнала в зависимости от входных сигналов. Ноль изо бражается на диаграммах низким значением сигнала, а единица – высоким. Используя эти базовые элементы, строятся все функциональные узлы ЦВМ.

2. Функциональные узлы компьютерных систем

   1. Элемент памяти

Основой любого компьютера является ячейка памяти, которая может хранить данные или команды. Основой любой ячейки памяти является функциональное устройство, которое может по команде принять или выдать один двоичный бит, а, главное, сохранять его сколь угодно долго. Такое устройство называется триггер илизащёлка. Оно строится на основе базового набора логических схем Регистры

Триггер служит основой для построения функциональных узлов, способных хранить двоичные числа, осуществлять их синхронную параллельную передачу и запись, а так же выполнять с ними некоторые специальные операции. Такие функциональные узлы называются регистрами.

Регистр представляет собой набор триггеров, число которых определяет разрядность регистра. Разрядность регистра кратна восьми битам: 8-, 16-, 32-, 64- разрядные регистры. Кроме этого в состав регистра входят схемы управления его работой. На рис. 2.6 приведена схема регистра хранения. Регистр содержитnтриггеров, образующихn разрядов. Перед записью информации регистр обнуляется подачей единичного сигнала на вход "Сброс". Запись информации в регистр производится синхронно подачей единичного сигнала "Запись". Этот сигнал открывает входные вентили (схемы "логическое И") и на тех входахх₁…х_n, где присутствует единичный сигнал, произойдёт запись единицы. Чтение информации из регистра так же производится синхронно, подачей сигнала "Чтение" на выходные вентили. Обычно регистры содержат дополнительные схемы, позволяющие организовать такие операции как сдвиг информации (регистры сдвига) и подсчёт поступающих единичных сигналов (регистры счётчики).

3. Принцип автоматической обработки информации вычислительным устройством

Основным отличием вычислительной машины от таких счётных устройств как счёты, арифмометр, калькулятор, заключается в том, что вся последовательность команд на вычисление предварительно записывается в память вычислительной машины и выполняется последовательно автоматически. Впервые принцип вычислительной машины с автоматическим выполнением команд предложил американский учёный фон Нейман. Он описал основные узлы, которые должна содержать такая машина.

фон Нейман

4. Поколения цифровых устройств обработки информации

В период развития цифровых технологий были разработаны компьютеры самых разных типов. Многие из них давно забыты, но некоторые оказали сильное влияние на развитие современных вычислительных систем. Здесь мы дадим краткий обзор некоторых этапов развития вычислительных машин, чтобы показать, как человеческая мысль пришла к современному пониманию компьютерных технологий.

Устройства, облегчающие счёт или запоминание его результатов известны давно, но нас будут интересовать только устройства для вычислений, которые автоматически выполняют заложенные в них программы, поэтому не рассматриваем такие устройства как счёты, механические арифмометры и электронные калькуляторы.

Первая счётная машина с хранимой программой была построена французским учёным Блезом Паскалем в 1642 году. Она была механической с ручным приводом и могла выполнять операции сложения и вычитания.

Немецкий математик Готфрид Лейбниц в 1672 году построил механическую машину, которая могла делать так же операции умножения и деления.

Впервые машину, работающую по программе, разработал в 1834 году английский учёный Чарльз Бэббидж. Она содержала запоминающее устройство, вычислительное устройство, устройство ввода с перфокарт и печатающее устройство. Команды считывались с перфокарты и выполняли считывание данных из памяти в вычислительное устройство и запись в память результатов вычислений. Все устройства машины Бэббиджа, включая память, были механическими и содержали тысячи шестерёнок, при изготовлении которых требовалась точность недоступная в 19 веке. Машина реализовала любые программы, записанные на перфокарте, поэтому впервые для написания таких программ потребовался программист. Первым программистом была англичанкаАда Ловлейс, в честь которой уже в наше время был назван язык программированияAda.

В 20 веке начала развиваться электроника и её возможности немедленно взяли на вооружение разработчики вычислительных машин. С построения вычислительных машин, базовая система элементов которых была построена на электронных компонентах, начинается отсчёт поколений цифровых вычислительных машин. Отметим, что деление периода развития цифровой техники на этапы связано, в основном, с переводом базовой системы элементов на новые технологии производства электронных компонентов.