Лекция 1

Дисциплина «МКСУ» и ее связь с другими дисциплинами. Понятие о процессоре и вычислительно – управляющих машинах. Основные этапы развития микропроцессорной техники. Основные классы вычислительных машин и микропроцессоров (МП). Краткая характеристика и применение данных устройств.

1. Что такое компьютер

Слово «компьютер» означает «вычислитель», т.е. устройство для вычислений. Это связано с тем, что первые компьютеры создавались как устройства для вычислений, грубо говоря, как усовершенствован­ные, автоматические арифмометры. Принципиальное отличие компью­теров от арифмометров и других счетных устройств (счет, логарифми­ческих линеек и т.д.) состояло в том, что арифмометры могли выпол­нять лишь отдельные вычислительные операции (сложение, вычита­ние, умножение, деление и др.), а компьютеры позволяют проводить без участия человека сложные последовательности вычислительных операций по заранее заданной инструкции — программе. Кроме того, для хранения данных, промежуточных и итоговых результатов вычис­лений компьютеры содержат память.

Хотя компьютеры создавались для численных расчетов, скоро ока­залось, что они могут обрабатывать и другие виды информации — ведь практически все они могут быть представлены в числовой форме. Для обработки различной информации на компьютере надо иметь средства для преобразования нужного вида информации в числовую форму и обратно. Сейчас с помощью компьютеров не только проводятся число­вые расчеты, но и подготавливаются к печати книги, создаются рисун­ки, кинофильмы, музыка, осуществляется управление заводами и кос­мическими кораблями и т.д. Компьютеры превратились в универсаль­ные средства для обработки всех видов информации, используемых человеком.

2. Как работает компьютер

Еще при создании первых компьютеров в 1945 г. знаменитый мате­матик Джон фон Нейман описал, как должен быть устроен компьютер, чтобы он был универсальным и эффективным устройством для обра­ботки информации. Эти основы конструкции компьютера называются принципами фон Неймана. Сейчас подавляющее большинство компь­ютеров в основных чертах соответствует принципам фон Неймана.

Устройства компьютера. Прежде всего, компьютер, согласно принципам фон Неймана, должен иметь следующие устройства:

• арифметическо-логическое устройство, выполняющее ариф­метические и логические операции;

• устройство управления, которое организует процесс выполне­ния программ;

• запоминающее устройство, или память для хранения про­грамм и данных;

• внешние устройства для ввода-вывода информации.

Память компьютера должна состоять из некоторого количества про­нумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обра­батываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компью­тера.

Вот каковы должны быть связи между устройствами компьютера (одинарные линии показывают управляющие связи, двойные — ин­формационные).

Принципы работы компьютера. В общих чертах работу компью­тера можно описать так. Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Эта ко­манда может задавать выполнение арифметических или логических операций, чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство.

Как правило, после выполнения одной команды устройство управле­ния начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему следует продолжить выполнение программы, начиная с команды, со­держащейся в некоторой другой ячейке памяти. Такой «скачок», или переход, в программе может выполняться не всегда, а только при вы­полнении некоторых условий, например, если некоторые числа равны, если в результате предыдущей арифметической операции получился нуль и т.д. Это позволяет использовать одни и те же последовательно­сти команд в программе много раз (т.е. организовывать циклы), выпол­нять различные последовательности команд в зависимости от выполне­ния определенных условий и т.д., т.е. создавать сложные программы.

Таким образом, управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически, т.е. без вмешательства человека. Оно мо­жет обмениваться информацией с оперативной памятью и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства, как прави­ло, работают значительно медленнее, чем остальные части компьюте­ра, управляющее устройство может приостанавливать выполнение про­граммы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть ею выведены на внешние устройства компьютера, после чего компьютер переходит к ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств.

Особенности современных компьютеров. Следует заметить, что схема устройства современных компьютеров несколько отличается от приведенной выше. В частности, арифметическо-логическое устрой­ство и устройство управления, как правило, объединены в единое уст­ройство — центральный процессор. Кроме того, процесс выполнения программ может прерываться для выполнения неотложных действий, связанных с поступившими сигналами от внешних устройств компью­тера — прерываний. Многие быстродействующие компьютеры осуще­ствляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах.

3. История развития компьютеров

Аналитическая машина Бэббиджа. Еще в первой половине XIX в. ан­глийский математик Чарльз Бэббидж попытался построить универсальное вычислительное устройство, то есть компьютер (Бэббидж называл его Анали­тической машиной). Именно Бэббидж впервые додумался до того, что компью­тер должен содержать память и управляться с помощью программы. Бэббидж хотел построить свой компьютер как механическое устройство, а программы собирался задавать посредством перфокарт — карт из плотной бумаги с ин­формацией, наносимой с помощью отверстий (они в то время уже широко упо­треблялись в ткацких станках). Однако довести до конца эту работу Бэббидж не смог — она оказалась слишком сложной для техники того времени.

Первые компьютеры. В 40-ходах XX в. сразу несколько групп исследова­телей повторили попытку Бэббиджа на основе техники XX в. — электромеха­нических реле. Некоторые из этих исследователей ничего не знали о работах, Бэббиджа и переоткрыли его идеи заново. Первым из них был немецкий инженер Конрад Цузе, который в 1941 г. построил небольшой компьютер на основе нескольких электромеханических реле. Но из-за войны работы Цузе не были опубликованы. А в США в 1943 г. на одном из предприятий фирмы IBM аме­риканец Говард Эйкен создал более мощный компьютер под названием «Марк-1». Он уже позволял проводить вычисления в сотни раз быстрее, чем вручную (с помощью арифмометра), и реально использовался для военных расчетов.

Однако электромеханические реле работают весьма медленно и недостаточно надежно. Поэтому, начиная с 1943 г. в США группа специалистов под руководством Джона Мочли и Преспера Экерта начала конструировать ком­пьютер ENIAC на основе на основе электронных ламп. Созданный ими компь­ютер работал в тысячу раз быстрее, чем Марк-1. Однако обнаружилось, что большую часть времени этот компьютер простаивал — ведь для задания мето­да расчетов (программы) в этом компьютере приходилось в течение несколь­ких часов или даже нескольких дней подсоединять нужным образом провода. А сам расчет после этого мог занять всего лишь несколько минут или даже секунд.

Компьютеры с хранимой в памяти программой. Чтобы упростить и убыстрить процесс задания программ, Мочли и Экерт стали конструировать новый компьютер, который мог бы хранить программу в своей, памяти. В 1945 г. к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, ко­торый подготовил доклад об этом компьютере. Доклад был разослан многим ученым и получил широкую известность, поскольку в нем фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования компьютеров, т.е. универсальных вычислительных устройств. И до сих пор подавляющее боль­шинство компьютеров сделано в соответствии с теми принципами, которые из­ложил в своем докладе в 1945 г. Джон фон Нейман. Первый компьютер, в ко­тором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. ан­глийским исследователем Морисом Уилксом.

Развитие элементной базы компьютеров. В 40-х и 50-х годах компью­теры создавались на основе электронных ламп. Поэтому компьютеры были очень большими (они занимали огромные залы), дорогими и ненадежными — ведь электронные лампы, как и обычные лампочки, часто перегорают. Но в 1948 г. были изобретены транзисторы — миниатюрные и недорогие элек­тронные приборы, которые смогли заменить электронные лампы. Это привело к уменьшению размеров компьютеров в сотни раз и повышению их надежно­сти. Первые компьютеры на основе транзисторов появились в конце 50-х го­дов, а к середине 60-х годов был созданы и значительно более компактные вне­шние устройства для компьютеров, что позволило фирме Digital Equipment вы­пустить в 1965 г. первый мини-компьютер PDP-8 размером с холодильник и стоимостью всего 20 тыс. дол. (компьютеры 40-х и 50-х годов обычно стоили миллионы дол.).

После появления транзисторов наиболее трудоемкой операцией при произ­водстве компьютеров было соединение и спайка транзисторов для создания электронных схем. Но в 1959 г. Роберт Нойс (будущий основатель фирмы Intel) изобрел способ, позволяющий создавать на одной пластине кремния транзисторы и все необходимые соединения между ними. Полученные элек­тронные схемы стали называться интегральными схемами, или чипами. В 1968 г. фирма Burroughs выпустила первый компьютер на интегральных схе­мах, а в 1970 г. фирма Intel начала продавать интегральные схемы памяти. В дальнейшем количество транзисторов, которое удавалось разместить на едини­цу площади интегральной схемы, увеличивалось приблизительно вдвое каж­дый год, что и обеспечивает постоянное уменьшение стоимости компьютеров и повышение быстродействия.

Микропроцессоры. В 1970 г. был сделан еще один важный шаг на пути к персональному компьютеру — Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel скон­струировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центрально­му процессору большого компьютера. Так появился пер-вый микропроцессор Intel-4004 (см. рис. справа), который был выпущен в продажу в 1971 г. Это был настоящий прорыв, ибо микропроцессор Intel-4004 размером менее 3 см был производительнее гигантской машины ENIAC. Правда, возможности Intel-4004 были куда скромнее, чем у центрального процессора больших компьютеров того времени, — он работал гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации (процессоры больших компьютеров обрабатывали 16 или 32 бита одновременно), но и стоил он в десятки тысяч раз дешевле. Но рост производительности микропроцессоров не заставил себя ждать. В 1973 г. фирма Intel выпустила 8-битовый микропроцессор Intel-8008, а в 1974 г. — его усовершенствованную версию Intel-8080, которая до конца 70-х годов ста­ла стандартом для микрокомпьютерной индустрии.

Появление персональных компьютеров. Вначале микропроцессоры ис­пользовались в различных специализированных устройствах, например, в калькуляторах. Но в 1974 г. несколько фирм объявили о создании на основе микропроцессора Intel-8008 персонального компьютера, т.е. устройства, вы­полняющего те же функции, что и большой компьютер, но рассчитанного на одного пользователя. В начале 1975 г. появился первый коммерчески распро­страняемый персональный компьютер Альтаир-8800 на основе микропроцес­сора Intel-8080. Этот компьютер продавался по цене около 500 дол. И хотя возможности его были весьма ограничены (оперативная память составляла всего 256 байт, клавиатура и экран отсутствовали), его появление было встре­чено с большим энтузиазмом: в первые же месяцы было продано несколько тысяч комплектов машины. Покупатели снабжали этот компьютер дополни­тельными устройствами: монитором для вывода информации, клавиатурой, блоками расширения памяти и т.д. Вскоре эти устройства стали выпускаться другими фирмами. В конце 1975 г. Пол Аллеи 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 персональных компьютеров.

Успех Альтаир-8800 заставил многие фирмы также заняться производ­ством персональных компьютеров. Персональные компьютеры стали прода­ваться уже в полной комплектации, с клавиатурой и монитором, спрос на них составил десятки, а затем и сотни тысяч штук в год. Появилось несколько журналов, посвященных персональным компьютерам. Росту объема продаж весьма способствовали многочисленные полезные программы, разработанные для деловых применений. Появились и коммерчески распространяемые про­граммы, например, программа для редактирования текстов WordStar и таблич­ный процессор VisiCalc (соответственно 1978 и 1979 гг.). Эти (и многие дру­гие) программы сделали покупку персональных компьютеров весьма выгодным для бизнеса: с их помощью стало возможно выполнять бухгалтерские расчеты, составлять документы и т.д. Использование же больших компьютеров для этих целей было слишком дорого.

Появление IBM PC. В конце 70-х годов распространение персональных компьютеров даже привело к некоторому снижению спроса на большие ком­пьютеры и мини-компьютеры (мини-ЭВМ). Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM (International Business Machines Corporation) — ве­дущей компании по производству больших компьютеров, и в 1979 г. фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров. Однако руководство фирмы недооценило будущую важность этого рынка и рассматривало создание персонального компьютера всего лишь как мелкий эксперимент — что-то вроде одной из десятков проводившихся в фирме работ по созданию нового оборудования. Чтобы не тратить на этот эксперимент слишком много денег, руководство фирмы предоставило подразделению, от­ветственному за данный проект, невиданную в фирме свободу. В частности, ему было разрешено не конструировать персональный компьютер «с нуля», а использовать блоки, изготовленные другими фирмами. И это подразделение сполна использовало предоставленный шанс.

Прежде всего, в качестве основного микропроцессора компьютера был вы­бран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intel-8088. Его использо­вание позволило значительно увеличить потенциальные возможности компьютера, так как новый микропроцессор позволял работать с 1 Мбайтом памяти, а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены 64 Кбайтами. В компью­тере были использованы и другие комплектующие различных фирм, а его про­граммное обеспечение было поручено разработать небольшой фирме Microsoft. В августе 1981 г. новый компьютер под названием IBM PC был официально представлен публике и вскоре после этого он приобрел большую популярность у пользователей. Через один-два года ком­пьютер IBM PC занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-битовых компьютеров.

Открытая архитектура и появление клонов. Если бы IBM PC был сде­лан так же, как другие существовавшие во время его появления компьютеры, он бы устарел через два-три года, и мы давно бы уже о нем забыли. Действи­тельно, кто сейчас помнит о самых замечательных моделях телевизоров, теле­фонов или даже автомобилей пятнадцатилетней давности!

Однако с компьютерами IBM PC получилось по-другому. Фирма IBM не сделала свой компьютер единым неразъемным устройством и не стала защи­щать его конструкцию патентами. Наоборот, она собрала компьютер из не­зависимо изготовленных частей и не стала держать спецификации этих частей и способы их соединения в секрете. Напротив, принципы конструкции IBM PC были доступны всем желающим. Этот подход, называемый принципом от­крытой архитектуры, обеспечил потрясающий успех компьютеру IBM PC, хотя и лишил фирму IBM возможности единолично пользоваться плодами это­го успеха. Вот как открытость архитектуры IBM PC повлияла на развитие персональных компьютеров:

1. Перспективность и популярность IBM PC сделала весьма привлека­тельным производство различных комплектующих и дополнительных устройств для IBM PC. Конкуренция между производителями привела к удешевлению комплектующих и устройств.

2. Очень скоро многие фирмы перестали довольствоваться ролью произ­водителей комплектующих для IBM PC и начали сами собирать ком­пьютеры, совместимые с IBM PC, Поскольку этим фирмам не требовалось нести огромные издержки фирмы IBM на исследования и поддержание структуры громадной фирмы, они смогли продавать свои компь­ютеры значительно дешевле (иногда в 2-3 раза) аналогичных компью­теров фирмы IBM. Совместимые с IBM PC компьютеры вначале стали презрительно называли «клонами», но эта кличка не прижилась, так как многие фирмы-производители IBM PC-совместимых компьютеров стали реализовывать технические достижения быстрее, чем сама IBM.

3. Пользователи получили возможность самостоятельно модернизировать свои компьютеры и оснащать их дополнительными устройствами сотен различных производителей.

Все это привело к удешевлению IBM PC-совместимых компьютеров и стремительному улучшению их характеристик, а значит, к росту их популяр­ности.

1.4 Современное состояние рынка IBM PC-совместимых компьютеров

В настоящее время ibm PC-совместимые компьютеры превратились в мощные высокопроизводительные устройства. По всем основным показателям (быстродействие, емкость оперативной и дисковой памяти и др.) они в сотни раз превосходят первоначальную модель IBM PC, а стоят обычно даже дешев­ле. Если бы такими же темпами развивалось, скажем, автомобилестроение, то сейчас за несколько тысяч долларов предлагались бы автомобили, передви­гающиеся со скоростью космических ракет и вмещающие сотни человек.

В мире ежегодно производится несколько десятков миллионов IBM PC-совместимых компьютеров, это более чем 90% всех производимых в мире компьютеров. В СНГ ежегодно продается более миллиона компьютеров, причем более 70% из них собираются в СНГ, а остальные — завозятся из-за рубежа.

Производство компонент и устройств. Производством компонент и уст­ройств для IBM PC-совместимых компьютеров занимаются тысячи фирм, в числе которых — сотни гигантских международных корпораций, в том числе таких известных, как Intel, Toshiba, Fujitsu, Siemens, Hitachi, Hewlett-Packard, Phillips, Samsung, LG и др. Конкуренция в этой области острейшая, в результате цены на комплектующие и внешние устройства постоянно падают, а характеристики их — улучшаются.

Особую роль среди производителей компонент играет фирма Intel — лидер в области разработки и производства микропроцессоров и материнских плат для IBM PC-совместимых компьютеров. Именно разработки фирмы Intel в зна­чительной степени определяют прогресс компьютерной индустрии. Но и Intel не является абсолютным монополистом — с ним конкурируют фирмы AMD, Cyrix, IBM и др.

Фабрики для производства компонент и устройств для IBM PC-совместимых компьютеров в большинстве случаев располагаются в Юго-Восточной Азии (Тайвань, Малайзия, Сингапур, Южная Корея) и в Ирландии — там, где относительно низкая цена рабочей силы сочетается с хорошей ин­фраструктурой, низкими налогами и т.д. Впрочем, наиболее высокотехноло­гичные производства имеются в США, Европе и Японии. В Казахстане и России компоненты и устройства для IBM PC-совместимых компьютеров почти не выпускаются — отечественная электронная промышленность никогда не была конкурентоспо­собной и развалилась сразу же после появления заграничных конкурентов, а зарубежные инвестиции в этой сфере минимальны — гораздо дешевле везти компоненты из-за рубежа, чем производить их у нас. Впрочем, имеются планы производства корпусов системных бло­ков и компьютерных мониторов.

Сборка компьютеров. Сборку IBM PC-совместимых компьютеров осуще­ствляют сотни тысячи различных фирм. Это не удивительно — сама сборка является несложным процессом, который обычно занимает не более получаса.

Производство программного обеспечения сейчас является не уделом программистов-одиночек, а высокотехнологичной отраслью. Большинство коммерческих программных продуктов являются очень сложными изделиями и созданы коллективами, в которые часто входят десятки высококвалифициро­ванных программистов. Значительно больше людей в фирмах-разработчиках программного обеспечения заняты организацией продаж, маркетингом, кон­сультационным обслуживанием покупателей и т.д. Большинство коммерчески распространяемых программных продуктов созданы в США. Крупнейшим раз­работчиком программного обеспечения для IBM PC-совместимых компьютеров является фирма Microsoft — создатель операционных систем MS DOS, Windows, Windows 95/98/2000, Windows NT, редактора документов Word, табличного процессора Excel и др.

В Казахстане, и странах СНГ, программистские фирмы в основном специализируются в разра­ботке специфического для нашей страны программного обеспечения: бухгал­терских программ, программ автоматизации банков, баз данных по законода­тельству, программ распознавания вводимых с помощью сканера текстов и т.д. Все большее развитие получает разработка заказного программного обеспече­ния, например, систем автоматизации для крупных фирм.

1.5 Применение других типов компьютеров

Персональные IBM PC-совместимые компьютеры являются наиболее широ­ко используемым видом компьютеров, их мощность постоянно увеличивается, а область применения расширяется. Эти компьютеры могут объединяться в сети, что позволяет десяткам и сотням пользователей легко обмениваться ин­формацией и одновременно получать доступ к общим базам данных. Средства электронной почты позволяют пользователям компьютеров с помощью обыч­ной телефонной сети посылать текстовые и факсимильные сообщения в другие города и страны и получать информацию из крупных банков данных. Глобаль­ная система электронной связи Internet обеспечивает за достаточно низкую цену возможность оперативного получения информации из всех уголков земного шара, предоставляет возможности голосовой и факсимильной связи, облегчает создание внутрикорпоративных сетей передачи информации для фирм, имею­щих отделения в разных городах и странах.

Однако возможности IBM PC-совместимых персональных компьютеров по обработке информации все же ограничены, и не во всех ситуациях их приме­нение оправдано. Ниже кратко дадим классификацию наиболее распространенных типов других компьютеров.

Основные типы других компьютеров:

мэйнфреймы, или большие ЭВМ — это компьютеры, созданные для обра­ботки больших объемов информации. Наиболее крупный их производитель — фирма IBM. Отличаются исключительной надежностью, высоким быстродействием, очень большой пропускной способностью каналов ввода-вывода. К ним могут подсоединяться тысячи термина­лов (дисплеев с клавиатурой) или персональных компьютеров для ра­боты пользователей. Большинство крупных корпораций, банков, за­рубежных правительственных учреждений обрабатывают свои данные именно на больших ЭВМ. Хотя они могут стоить миллионы долларов, спрос на них не падает, так как обеспечиваемые ими централизован­ные хранение и обработка данных обходятся дешевле, чем обслужи­вание распределенных систем обработки данных, состоящих из сотен и тысяч персональных компьютеров;

супер-ЭВМ — это компьютеры, предназначенные для решения задач, требующих громадных объемов вычислений. Основные потребители су­пер-ЭВМ — военные, метеорологи, геологи и многие прочие ученые. Например, качественный прогноз погоды или моделирование ядерного взрыва требуют колоссальных расчетов, так что применение супер-ЭВМ здесь полностью оправдано. Супер-ЭВМ стоят десятки миллионов долларов (если не дороже), их производят всего несколько фирм — Cray Research (ныне это подразделение фирмы Silicon Graphics), Hitachi и др.;

мини-ЭВМ — это компьютеры, занимающие промежуточное положение между персональными компьютерами и мэйнфреймами. За рубежом они используются в большинстве сколько-либо крупных фирм, в уни­верситетах, правительственных учреждениях, центрах обработки данных и т.д. — как для тех задач, для которых производительности персональных компьютеров недостаточно, так и для обеспечения централизованного хранения и обработки данных. Обычно к мини-ЭВМ подключаются десятки или сотни терминалов (дисплеев с клавиатурой) или персональных компьютеров для работы пользователей. Осовные производители мини-ЭВМ — DEC (Digital Equipment Corp.), Sun, Hewlett-Packard, IBM, Silicon Graphics и др. Компьютеры фирмы Silicon Graphics снабжаются специальными аппаратными средствами для ускорения процессов трехмерного моделирования и анимации, поэтому на этих компьютерах создается большинство спецэффектов в выпускаемых сейчас кинофильмах;

миниЭВМ используются для управления группой оборудования или микровычислительными системами. Быстродействие миниЭВМ укладывается в диапазон от сотен тысяч до десятков миллионов простых операций в секунду.

МикроЭВМ применяют в основном для встраивания в технологическое, измерительное или другое оборудование (например, системы управления какими-либо устройствами или процессами) или самостоятельно с собственным источником питания, запоминающим устройствами и набором интегральных микросхем.

рабочие станции — как правило, это младшие модели мини-ЭВМ, предна­значенные для работы с одним пользователем. Обычно они имеют производительность как у самых мощных персональных компьютеров или даже несколько больше;

компьютеры типа Macintosh — это единственный сколько-либо распро­страненный вид персональных компьютеров, не совместимый с IBM PC. В середине и конце 80-х годов компьютеры Macintosh, разрабо­танные и производимые фирмой Apple, составляли, несмотря на свою дороговизну, достойную альтернативу IBM PC-совместимым компью­терам, так они обеспечивали наглядный графический интерфейс для работы с пользователем и были значительно проще в эксплуатации. Однако в 90-х годах для IBM PC-совместимых компьютеров были раз­работаны ОС с графическим интерфейсом — Windows, Windows NT, Windows 95, OS/2, а также многочисленные рассчитанные на них программы. И преимущества Macintosh в значительной мере исчезли.

Многие производители программ для Macintosh стали выпускать вер­сии своих программ также и для IBM PC, а доля Macintosh в общем выпуске персональных компьютеров стала снижаться (сейчас она со­ставляет около 7-8%). Тем не менее, компьютеры Macintosh удер­живают прочные позиции в издательском деле, образовании, создании мультимедиа-программ и во многих других областях;

карманные компьютеры, или личные электронные помощники, — это небольшие компьютеры весом около 300-500- грамм, помещающиеся на кисти одной руки. Как правило, они работают на обычных бата­рейках и одного комплекта батареек им хватает на несколько десят­ков часов. Большинство карманных компьютеров не совместимо с на­стольными компьютерами типа IBM PC, но есть и IBM PC-совместимые. В карманных компьютерах нет ни жесткого диска, ни дисковода для дискет, ни дисковода CD-ROM (из-за их большого энергопотребления). Некоторые карманные компьютеры имеют ми­ниатюрную клавиатуру, но есть и модели без клавиатуры в них ввод данных осуществляется нажатиями или рисованием специаль­ным пером по экрану. Наиболее распространены карманные компью­теры фирм Apple, Hewlett-Packard, Sony, Psion и др.

Для повышения надежности и производительности ВМ их объе­диняют в вычислительную систему с одновременно работающими не­сколькими однородными или неоднородными. Они могут дублировать друг друга, могут находиться в резерве, могут параллельно решать разные задачи или, разбив из задач на части, обрабатывать эти части тоже параллельно. Пользователи подключаются к вычислительным системам через каналы связи и имеют на рабочем месте дисплей. С его помощью осуществляется ввод и вывод информации.

По принципу организации своей структуры ВС-ы подразделя­ются многомашинные и мультипроцессорные.

Основной задачей мультипроцессорной системы является ре­шение задач, поддающихся расчленению на несколько задач, парал­лельно. За счет этого существенно сокращается время решения зада­чи. Параллельное решение задач эффективно при применении боль­шого числа матричных и векторных операций. При этом одна задача разбивается на ряд элементарных частей, каждая из которых решается на своем процессоре. Управляющая программа может настраивать для решения задачи требуемый набор процессоров. Так возникает понятие виртуального, то есть условного компьютера, структура которого оп­ределяется структурой задачи.

Следует отметить, что в принципе, распараллеливание обработки информации можно произвести на трех уровнях. На уровне постанов­ки задачи, на алгоритмов и на уровне выполнения арифметических операций, то есть обработка информации, представлены в непозици­онном, на базе модулярной арифметики.

1.6 Программы для компьютеров

Компьютер — это универсальный прибор для переработки инфор­мации. Но сам по себе компьютер является просто ящиком с набором электронных схем. Он не обладает знаниями ни в одной области сво­его применения. Все эти знания сосредоточены в выполняемых на ком­пьютере программах. Это аналогично тому, как для воспроизведения музыки недостаточно одного магнитофона, нужны еще и кассеты с за­писями.

Для того, чтобы компьютер мог осуществить определенные дейст­вия, необходимо составить для компьютера программу, то есть точную и подробную последовательность инструкций на понятном компьютеру языке, как надо обрабатывать информацию. Часто употребляемое вы­ражение «компьютер сделал» (подсчитал, нарисовал) означает ровно то, что на компьютере была выполнена программа, которая позволила совершить соответствующее действие. Меняя программы для компью­тера, можно превратить его в рабочее место бухгалтера или конструк­тора, статистика или агронома, редактировать, на нем документы или играть в какую-нибудь игру. Поэтому для эффективного использования компьютера необходимо знать назначение и свойства необходимых при работе с ним программ.

Виды программ. Программы, работающие на компьютере, можно разде­лить на три категории:

• прикладные программы, непосредственно обеспечивающие выполне­ние необходимых пользователям работ: редактирование текстов, рисо­вание картинок, обработку информационных массивов и т.д.;

• системные программы, выполняющие различные вспомогательные функции, например создание копий используемой информации, провер­ку работоспособности устройств компьютера и т.д. Особую роль среди всех системных программ играет операционная система — програм­ма, управляющая компьютером, запускающая все другие программы и выполняющая для них различные сервисные функции;

• инструментальные системы (системы программирования), обеспечи­вающие создание новых программ для компьютера.

Большинство программ является коммерчески распространяемыми — они продаются в магазинах, по почте и другими способам. Имеются и бесплатно распространяемые программы, а также так называемые условно-бесплатные программы (по-английски — shareware), их можно получить для опробования бесплатно, но при систематическом использовании этих программ следует выслать определенную сумму разработчикам.

7. IBM PC-совместимые компьютеры

Большинство (более 90%) современных компьютеров является IBM PC-совместимыми персональными компьютерами. Эти компьютеры называются IBM PC-совместимыми, поскольку они совместимы с ком­пьютером IBM PC, разработанном в 1981 г. крупнейшей в мире ком­пьютерной фирмой IBM. Слово «совместимость» здесь означает:

• программную совместимость — все программы, разработан­ные для IBM PC, будут работать и на всех IBM PC-совместимых компьютерах;

• в значительной степени — и аппаратную совместимость: по­давляющее большинство устройств для компьютеров IBM PC и более новых версий (IBM PC XT, IBM PC AT и т.д.) годятся и для современных компьютеров. Правда, обычно древние устрой­ства (пяти- или десятилетней давности) в современных компью­терах не применяются, так как они давно уже морально устаре­ли.

А слово «персональный» означает, что этот компьютер рассчитан на одновременную работу с одним пользователем (большие компьюте­ры, как правило, поддерживают одновременную работу многих пользо­вателей).

1. На чем были основаны первые компьютеры?

1. на электромеханических реле

2. на электромагнитных реле

3. на электронных лампах

4. на транзисторах

5. на интегральных схемах

2. Кто стоял у истоков создания микропроцессора?

1. Маршиан Эдвард Хофф

2. Джон фон Нейман

3. Чарльз Бэббидж

4. Конрад Цузе

5. Роберт Нойс

3. Как назывались компьютеры, созданные для обработки больших объемов информации?

1. мэйнфреймы

2. супер ЭВМ

3. мини-ЭВМ

4. macintosh

5. рабочие станции

4. Какой компьютер не совместим с IBM PC?

1. macintosh

2. мини ЭВМ

3. мэйнфрейм

4. супер-ЭВМ

5. рабочая станция

5. Как назывались компьютеры, предназначенные для решения задач, требующих громадных объемов вычислений?

1. супер-ЭВМ

2. мэйнфреймы

3. мини-ЭВМ

4. macintosh

5. рабочие станции

Лекция 2

Информация и ее свойства. Системы счисления.

Формы представления чисел в микропроцессорных устройствах.

Чтобы решить зада­чу на ЭВМ, нужно ее запрограммировать; т. е. составить опре­деленную последовательность команд (программу), которая вместе с данными должна быть введена в память машины. В процессе решения задачи центральный процессор обращается к памяти машины, выполняет команды, извлеченные из памя­ти, обрабатывает в соответствии с этими командами данные, извлеченные из той же памяти и полученные от внешних устройств, и в зависимости от результатов обработки перехо­дит к выполнению одной или нескольких других команд. По­следовательность команд, приводящая к решению задачи, назы­вается программой решения задачи. Каждая машина характери­зуется определенным набором операций (системой команд), или машинным языком, которые должны быть известны поль­зователю, решающему свою задачу на данной машине.

Чтобы машина могла воспринимать передаваемые ей коман­ды и данные, они должны быть представлены в двоичной форме. С этой целью каждой команде ставится в соответствие двоичный код, а все числовые значения выражаются в двоичной системе счисления.

Системы счисления - способ представления чисел посредством цифровых знаков. Всякая система счисления характеризуется основа­нием - количеством цифр, используемых для записи чисел.

Системы счисления подразделяются на позиционные и непози­ционные в зависимости от того, изменяются или нет значения цифр при изменении их положения с позиции в последовательности. В ка­честве непозиционной можно указать римскую систему исчисления и так называемую систему остаточных классов, где числа представля­ются совокупностью остатков. Примером позиционной системы счисления является десятичная система счисления.

Системы счисления получают наименование в зависимости от основания. Так, в десятичной системе счисления основанием является 10, в двоичной — 2, в восьмеричной — 8, в шестнадцатеричной — 16 и т. п. При этом количество используемых цифр для представления чисел равно основанию системы счисления. В двоичной системе используются всего две цифры: 0 и 1. В де­сятичной системе используются 10 цифр от 0 до 9, в восьмерич­ной — восемь цифр, т. е. первые восемь цифр десятичной систе­мы (от 0 до 7). В шестнадцатеричной системе счисления исполь­зуются все цифры десятичной системы, а в качестве недостаю­щих шести цифр используются первые шесть букв латинского алфавита: А, В, С, D, Е, F.

Чтобы отличить число, записанное в той или иной системе счисления, от числа, записанного в другой системе счисления, в конце записи обычно ставят соответствующие используемому основанию цифры или буквы (иногда в виде индексов, напри­мер 38₁₀). Для десятичной системы счисления часто использу­ется буква D, для двоичной — В, для восьмеричной — Q, для шестнадцатеричной — Н. Например:

216 D = 11011000 В = 330 Q = D8 Н.

Наиболее громоздким из рассмотрен­ных представлений, в особенности для больших чисел, является двоичное представление, а наиболее компактным — шестнадцатеричное представление, не совсем удобное для восприятия. Чтобы воспользоваться числовыми результатами в шестнадца­теричной системе счисления, необходимо перевести их в более привычную десятичную форму.

Как мы уже отмечали, цифровые вычислительные машины работают с двоич­ными числами.

Под двоичной системой счисления подразумевается позиционная весомозначная система с основанием 2 и с цифрами 0,1. Термин "позиционная весомозначная" означает, что в зависимости от положения цифры в числе ей приписываются разные значения, или вес. В наиболее распространенных системах счис­ления этот вес равен степени основания, показатель которой ра­вен п—1, где п — номер разряда, отсчитываемый справа налево. Двоичные числа 0 и 1 названы битами (от binary digit). Физически в циф­ровых электронных системах бит 0 представлен напряже­нием LOW (низким), а бит 1 — напряжением HIGH (вы­соким) ¹.

Человеческая деятельность предполагает использование десятичной системы счисления. Десятичная система, или система с основанием 10, содержит 10 цифр (от 0 до 9). Она также характеризуется значением позиции (или ве­сом).

Таблица 2.1 Значения позиций десятичных чисел

Степень основания	103 102 101 10°
Значения позиций	1000 100 10 1
Десятичные	1 3 2 7 1000 + 300 + 20 + 7=1327

Двоичная система обладает также свойством уравновешивания.

Бит единицы двоичного числа в табл. 2 называется младшим битом (МБ), бит восьмерки—старшим битом (СБ).

Таблица 2.2. Значения позиций двоичных чисел

Степень основания	23 22 21 2°
Значения позиций	8 4 2 1
Двоичное Десятичное	СБ МБ 1 0 0 1 8 + 0 + 0 + 1 = 9

Как преобразовать двоичное число 1011 0110 в его десятичный эквивалент? Процедура преобразования выполняется в соответствии с табл.2.3. Десятичные значения каждой пози­ции записаны под каждым битом, затем десятичные числа суммируются (128+32+16+4+2=182), что дает 182.

Таблица 2.3 Двоично-десятичное преобразование

Степень основания	27	26	25		2	2	2		2	2
Значения позиций	128	64	32		16	8	4		2	1
Двоичное	1		1		1	0	1		1	0
Десятичное	128	+	32	+	16	+	4	+	2	=	182

Как преобразовать десятичное 155 в его двоичный экви­валент? Процедура преобразования приведена ниже

155:2=77 остаток 1

77:2=38 остаток 1

38:2=19 остаток 0

19:2=9 остаток 1

9:2=4 остаток 1

4:2=2 остаток 0

2:2=1 остаток 0

1:2=0 остаток 1

Десятичное 155 сначала делится на 2, что дает нам частное 77 и остаток. Этот остаток становится МБ двоичного чис­ла и помещается в эту позицию. Затем част­ное (77) стано­вится следующим делимым. Затем каждое частное после­довательно делится на 2 до тех пор, пока не получится ча­стное, равное 0, и остаток, равный 1. Результат 155₁₀=1001 1011₂.

Ячейка памяти типичной ЭВМ может содержать двоичное число 1001 1110. Такая длинная цепь нулей и единиц сложна для запоминания и неудобна для ввода с клавиатуры. Число 1001 1110 могло бы быть преобразова­но в десятичное, что дало бы 158₁₀. Но процесс преобразова­ний занял бы много времени. Большая часть информационных систем использует шестнадцатеричную форму за­писи, чтобы упростить запоминание и использование таких двоичных чисел, как 1001 1110.

Шестнадцатеричная система счисления {hexadecimal), или система с основанием 16. Каждый шестнадцатеричный символ может быть представлен единственным сочетанием четырех бит. Таким образом, представлением двоичного числа 1001 1110 в шестнадцатеричном коде является число 9Е. Это значит, что часть 1001 двоичного числа равна 9, а часть 1110 равна Е (конечно, в шестнадцатеричном коде)

Как преобразовать двоичное число 111010 в шестнадцатеричное? Надо начать с МБ и разделить двоичное число на группы из 4 бит. Затем надо заменить каждую группу из 4 бит эквивалентной шестнадцатеричной цифрой -1010₂=А, 0011₂=3, следовательно, 111010₂==3A₁₆.

Как преобразовать шестнадцатеричное число 7F в дво­ичное? В этом случае каждая шестнадцатеричная цифра должна быть заменена своим двоичным эквивалентом из 4 бит. В примере двоичное число 0111 заменено шестнадца­теричной цифрой 7, а 11112 заменяет F₁₆, откуда 7F₁₆=1111 0111₂.

Таблица 2.4 Преобразование шестнадцатеричного числа в десятичное

Степень основания	16		16		16		16
Значения позиции	4096		256		16 1		1
Шестнадцатеричное Дестичное	2 4096	+	С 256	+	6 16	+	Е 1	=1137410

Преобразуем шестнадцатеричное число 2С6Е в десятич­ное. Процедура действий соответствует табл. 2.4. Значе­ниями позиций первых четырех шестнадцатеричных цифр являются соответственно слева направо 4096, 256, 16 и 1. Десятичное число содержит 14 (E₁₆) единиц, 6 чисел 16, 12 (C₁₆) чисел 256 и 2 числа 4096. Каждая цифра умножается на соответствующий ей вес, получается сумма, которая и дает нам десятичное число 11374.

Преобразуем десятичное число 15797 в шестнадцатеричное. Ниже показана процедура действий.

15797:16=987 остаток 5=5

987:16=61 остаток 11=В

61:16=3 остаток 13=D

3:16=0 остаток 3=3

В первой строке 15797₁₀ разделено на 16, что дает частное 987₁₀ и остаток 5₁₀, который преобразуется затем в свой шестнадцатеричный эквивалент (5₁₀=5₁₆) и становится цифрой млад­шего разряда (МР) шестнадцатеричного числа. Первое частное (987) становится делимым во второй строке и сно­ва делится на 16, что дает частное 61 и остаток 11₁₀ или шестнадцатеричное В. В третьей строке 61 делится на 16, дает частное 3 и остаток 13₁₀ или D₁₆, а в четвертой строке делимое 3 делится на 16, дает частное 0 и остаток З₁₀ или 3₁₆. Когда частное равно 0, как в четвертой строке, преоб­разование заканчивается. 3₁₆ становится цифрой старшего разряда (СР) результата, т.е. 3DB5₁₆.

Восьмеричная запись, как и шестнадцатеричная, исполь­зуется для представления двоичных чисел. Восьмеричная система содержит 8 цифр от 0 до 7 и является соответствен­но системой с основанием 8.

Преобразуем двоичное число 11 111 000 100 в его восьме­ричный эквивалент. Процедура действий в этом случае сле­дующая. Начиная с МБ двоичного числа, делим его на группы из 3 бит. Затем, используя табл. 2.5, преобразуем каждую триаду (группу из 3 бит) в эквивалентную восьме­ричную цифру. Таким образом, мы заменим двоичное число 11 111 000 100 его восьмеричным эквивалентом 3704₈:

Таблица 2.5 Десятичные, восьмеричные и двоичные эквиваленты

Десятичные	Восьмеричные	Двоичные
		4	2	1
0	0	0	0	0
1	1	0	0	1
2	2	0	1	0
3	3	0	1	1
4	4	1	0	0
5	5	1	0	1
6	6	1	1	0
7	7	1	1	1

Преобразуем теперь восьмеричное число 6521 в его дво­ичный эквивалент. Каждая восьмеричная цифра заменяет­ся двоичной триадой и получится, что 6521₈= 110 101 010 001₂:

Запишем восьмеричное число 2357 в десятичной форме. Классическая процедура выполняется согласно табл. 2.6. Здесь 512, 64, 8 и 1 есть веса четырех первых восьмеричных позиций. Заметим, что в этом примере содержится 7 еди­ниц, 5 восьмерок, 4 числа 64 и два числа 521. Мы их скла­дываем и получаем результат: 1024+192+40+7= 1263₁₀.

Таблица 2.6 Преобразование восьмеричного числа в десятичное

Степень основания	84		82		81		80
Значения позиций	512		64		8		1
Восьмеричное Десятичное	2 512	+	3 64	+	5 8	+	7 1	=126310

Наконец, преобразуем десятичное число 3336 в его вось­меричный эквивалент. Процедура показана на рис.3.3. В первую очередь 3336 разделено на 8, что дает частное 417 и остаток О₁₀, причем O₁₀=0₈, восьмеричный 0 становится значением МР восьмеричного числа. Первое частное (417) становится делимым и снова делится на 8 (вторая строка), что дает, частное 52 и остаток l₁₀=l₈, который становится второй цифрой восьмеричного числа.

В третьей строке ча­стное (52) становится делимым и деление его на 8 дает частное 6 и остаток 4₁₀==4₈. В четвертой строке последнее частное 6 разделено на 8 с частным 0 и остатком 6₁₀=6₈.

Теперь счет закончен последним частным 0. Цифра 6₈ становится значением СР восьмеричного числа, и мы можем видеть, что 3336₁₆=6410₈.

Большинство микропроцессоров и микро-ЭВМ обраба­тывают группы из 4, 8 или 16 бит. Отсюда следует, что обычно чаще используется шестнадцатеричная запись, чем восьмеричная. Однако восьмеричная запись более удобна, когда группы бит делятся на 3 (например, группы из 12 бит).

6. Как называется модель мини-ЭВМ, предназначенная для работы с одним пользователем?

1. рабочая станция

2. супер-ЭВМ

3. мэйнфреймы

4. мини-ЭВМ

5. macintosh

7. Система счисления – способ представления чисел посредством …

1. цифровых знаков

2. оснований

3. букв

4. позиций

5. разниц

8. Примером позиционной системы счисления является: 1. десятеричная система счисления

2. римская система счисления

3. арабская система счисления

3. система остаточных классов

5. двоичная система счисления

9. Примером непозиционной системы счисления является …

1. римская система счисления

2. десятичная система счисления

3. двоичная система счисления

4. система остаточных классов

5. арабская система счисления

10. Наиболее распространен буквенно-цифровой код…

1. ASCII

2. ACSII

3. ASCI

4. ASCIII 5. ACSI

11. Триггер предназначен для …

1. хранения значения одной логической переменной

2. Преобразования входной информации

3. преобразования выходного сигнала

4. хранения многоразрядных двоичных чисел

5. синхронизации данных

12. Триггеры делятся на два типа - …

1. асинхронные и синхронные

2. прямые и инверсные

3. соединяющие и размыкающие

4. входные и выходные

5. системные и оперативные

Лекция 3

Кодирование алфавитно – цифровой информации,

виды и применение кодов. Особенности представления информации в

персональных компьютерах, логические основы построения вычислительных машин.

Одна отдельная двоичная цифра называется битом, сгруппированных 4 бит составляют тетраду, 8 бит—байт.

Входящий в состав МП аккумулятор является очень важной частью всего МП. Обычно МП содержат 8-разрядный аккумулятор.

Рисунок 3.1 Представление памяти микро – ЭВМ

а) типичное содержание; б) интерпретация содержимого МП

Длина слова МП составляет тогда 8 бит, т. е. в этом случае 1 байт составляет слово. Микропроцессор может иметь длину слова в 4, 8, 16 и даже 32 бит. Таким образом, 16-разрядный МП имеет длину слова 2 байт или 16 бит. Слово—это одна группа обрабатываемых бит, единое выражение или одна команда микропроцессора. Восьмиразрядный микропроцессор переносит и помещает все данные группами из 8 бит, которые передаются восемью параллельными проводниками, составляющими ши­ну данных. На рис.4.1,а приведено состояние, которое могла бы иметь память 8-разрядной микро-ЭВМ. Заметим, что каждая адресуемая позиция (названная содержимым) составляет группу из 8 бит информации. Каждый байт на­зывается запоминаемым словом, поскольку МП является 8-разрядным устройством. Каждое запоминаемое слово имеет особое значение, когда оно извлечено и декодирова­но микропроцессором. Содержимое памяти на рис. 4.1, а может иметь один из следующих смыслов: 1) двоичное чис­ло; 2) двоичное число со знаком; 3) двоично-десятичное число; 4) буква алфавита; 5) команда; 6) адрес памяти; 7) адрес порта ввода или вывода.

Рассмотрим верхнюю ячейку памяти на рис. 4.1, а, т. е. ячейку ОНО 0100г. Ее содержимым является 1101 1011. Это двоичное слово могло бы быть интерпретировано как

1) двоичное число 1101 10112=219ю;

2) двоичное число со знаком 1101 1011==—37ю (здесь подразумевается дополнительный код);

3) двоично-десятичное число—это невозможно, так как ни 1101, ни ЮН не представляет двоично-десятичный код;

4) буква алфавита — это не соответствует ни одной букве кода ASCII (ASCII—широко распространенный буквенно-цифровой код);

5) командой, 1101 1011 —команда INPUT (ВВЕСТИ) для хорошо известного процессора Intel 8080/8085;

6) адрес ячейки памяти 1101 101l₂=DBh=219d;

7) адрес порта ввода или вывода 1101 101l₂=DBh=219d. Оператор МП Intel 8085 включит счетчик команд с ад­реса 100d (0110 0100b), МП извлечет, затем декодирует слово в памяти 1101 1011 как команду ВВЕСТИ (INPUT) данные. Микропроцессор обратится затем к следующему адресу 101d (0110 0101). Программа вы­полняет следующие команды:

1) ВВЕСТИ (INPUT) данные, приходящие из порта 1;

2) ПОМЕСТИТЬ (STORE) эти данные в ячейку памяти 200;

3) ВЫВЕСТИ (OUTPUT) эти данные в порт Ю. Способ, по которому МП интерпретирует содержимое ячеек памяти, детализирован на рис. 4.1, б. Команды про­граммы помещены в шесть верхних ячеек (100—105). Нижняя ячейка памяти (200ю) является местом размещения данных. В этом случае код ASCII для буквы А поме­щен в эту ячейку памяти.

В итоге важно отметить, что биты сгруппированы в сло­ва внутри микро-ЭВМ. Эти слова памяти программы ин­терпретируются микро-ЭВМ одно за другим последователь­но. Программисту очень важно знать, как микро-ЭВМ рас­полагает и интерпретирует данные. У каждого МП есть свой состав команд, но у всех микропроцессоров доступ к ячейкам памяти осуществляется одинаково.