Поколения эвм и их особенности
После создания в 1949 г. в Англии модели EDSAC был дан мощный импульс развитию универсальных ЭВМ, стимулировавший появление в ряде стран моделей ЭВМ, составивших первое поколение. На протяжении более 40 лет развития ВТ появилось, сменяя друг друга, несколько поколений ЭВМ. Появление новых поколений мотивировалось расширением сферы и развитием методов их применения, требовавших более производительной, дешевой и надежной ВТ, а также появлением новых электронных технологий. Так как ЭВМ представляет собой систему, состоящую из технических и программных средств, то под поколением естественно понимать модели ЭВМ, характеризуемые одинаковыми технологическими программными решениями (элементная база, логическая архитектура, программное обеспечение). Между тем, в ряде случаев оказывается весьма сложным провести классификацию ВТ по поколениям, ибо грань между ними от поколения к поколению становиться все более размытой.
ЭВМ первого поколения в качестве элементной базы использовали электронные лампы и реле. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства.
Набор команд был ограничен, схемы арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно просты. Оперативная память выполнялась на триггерах, позднее на ферритовых сердечниках. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. Быстродействие было, как правило, в пределах 5 – 30 тыс. арифметических оп/сек. Они отличались невысокой надежностью, требовали систем охлаждения.
Программное обеспечение практически отсутствовало. Программы для этих ЭВМ писались на языке конкретной машины. Процесс программирования требовал значительного искусства, хорошего знания архитектуры ЭВМ и ее программных возможностей. На первых порах данного этапа использовалось программирование в кодах ЭВМ (машинный код), затем появились автокоды и ассемблеры, в определенной мере автоматизирующие процесс программирования задач. Процесс программирования больше напоминал искусство, которым занимался весьма узкий круг математиков, инженеров-электриков и физиков.
Как правило, ЭВМ первого поколения использовались для научно-технических расчетов, необходимых для прогнозирования погоды, решения задач атомной энергетики и т.д.
Опыт использования машин первого поколения показал, что существует огромный разрыв между временем, затрачиваемым на разработку программ, и временем счета. Эти проблемы начали преодолевать путем интенсивной разработки средств автоматизации программирования, создания систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность ее использования. Это, в свою очередь, потребовало значительных изменений в структуре компьютеров, направленных на то, чтобы приблизить ее к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации компьютеров.
Общепринято, что ко второму поколению относятся машины, сконструированные в 1955 – 65 гг. на полупроводниковой элементной базе. Новая элементная технология позволила резко повысить надежность ВТ, снизить ее габариты и потребляемую мощность, а также значительно повысить производительность до сотен тысяч операций в секунду. Это позволило создавать ЭВМ с большими логическими возможностями и производительностью, что способствовало распространению сферы применения ЭВМ на решение задач планово-экономических, управления производственными процессами и др.
Оперативная память ЭВМ второго поколения была построена на магнитных сердечниках. В это время стал расширяться диапазон сопутствующего оборудования (средства ввода/вывода, внешняя память и др.), появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски.
Операционная система – важнейшая часть программного обеспечения компьютера, предназначенная для автоматизации планирования и организации процесса обработки программ, ввода-вывода и управления данными, распределения ресурсов, подготовки и отладки программ, других вспомогательных операций обслуживания.
Второе поколение характеризуется целым рядом прогрессивных архитектурных решений и дальнейшим развитием технологии программирования. Прежде всего, обеспечивается совмещение функциональных операций (режим разделения времени) и режим мультипрограммирования. Развитие программного обеспечения (ПО) характеризуется созданием развитых макроассемблеров, повышающих уровень общения с ЭВМ, но являющихся в основе своей машинно-ориентированными языками низкого уровня. Конец 50-х годов характеризуется началом этапа автоматизации программирования, приведшим к появлению языков программирования Commercial Translator, FACT, MathMatic и, наконец, появлением целого ряда проблемно-ориентированных языков программирования высокого уровня (ЯВУ): Fortran (1957 г.), явившийся первым языком такого класса, Algol-60, АКИ-400 и др. Дальнейшим развитием программной составляющей ВТ было создание развитых библиотек стандартных программ на различных языках программирования и различного назначения, мониторов и диспетчеров для управления режимами работы ЭВМ и планированием ее ресурсов, заложивших прочные основы концепции операционных систем следующего поколения.
В рамках второго поколения все более четко проявляется дифференциация ЭВМ на малые, средние и большие, позволившая существенно расширить сферу применения ВТ, приступить к созданию автоматизированных систем управления предприятиями (АСУ), целыми отраслями (ОАСУ) и технологическими процессами (АСУТП).
Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х гг. наметился переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.
Третье поколение связывается с появлением ЭВМ с элементной базой на интегральных схемах (ИС). Новая технология обеспечивала большие надежность, технологичность и быстродействие вычислительной техники при существенном уменьшении ее габаритов. Однако не только новая технология определила появление нового поколения ЭВМ – ЭВМ третьего поколения, как правило, образуют серии моделей, программно совместимых снизу вверх и обладающих возрастающими от модели к модели возможностями. Вместе с тем, данная технология позволяла реализовывать намного более сложные логические архитектуры ЭВМ и их периферийного оборудования, что существенно расширяло функциональные и вычислительные возможности ЭВМ.
Наиболее важным критерием различия ЭВМ второго и третьего поколений является существенное развитие архитектуры ЭВМ, удовлетворяющей требованиям, как решаемых задач, так и работающих на них программистов. Частью ЭВМ становятся операционные системы (ОС), появились возможности мультипрограммирования; многие задачи управления памятью, устройствами ввода/вывода и другими ресурсами стали брать на себя ОС или же непосредственно аппаратная часть ЭВМ.
Значительно более мощным становится программное обеспечение, обеспечивающее функционирование ЭВМ в различных режимах эксплуатации. Появляются развитые системы управления базами данных (СУБД), системы автоматизирования проектных работ (САПРы) различного назначения, совершенствуются АСУ, АСУТП и др.; большое внимание уделяется созданию пакетов прикладных программ (ППП) различного назначения. По-прежнему появляются новые и развиваются существующие языки и системы программирования, количество которых достигает уже порядка 3000. Наиболее широкое применение ЭВМ третьего поколения нашли в качестве технической основы создания больших и сверхбольших информационных систем. Важную роль в решении данной проблемы сыграло создание программного обеспечения (СУБД), обеспечивающего создание и ведение баз и банков данных различного назначения. Разнообразие вычислительных и программных средств, а также периферийного оборудования поставило на повестку дня вопросы эффективного выбора комплексов программно-вычислительных средств для тех или иных приложений.
Конструктивно-технологической основой ЭВМ четвертого поколения становятся большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы, созданные соответственно в 70 – 80-х гг. Такие интегральные схемы содержат уже тысячи, десятки и сотни тысяч транзисторов на одном кристалле (чипе). При этом БИС-технология частично использовалась уже и в проектах предыдущего поколения (IBM/360, ЕС ЭВМ ряд-2 и др.).
Наиболее важный в концептуальном плане критерий, по которому ЭВМ четвертого поколения можно отделить от ЭВМ третьего поколения, состоит в том, что первые проектировались уже в расчете на эффективное использование современных ЯВУ и упрощения процесса программирования для конечного пользователя. В аппаратном отношении для них характерно широкое использование ИС-технологии и быстродействующих запоминающих устройств.
Парк всех машин четвертого поколения можно условно разделить на пять основных классов: микро-ЭВМ и персональные компьютеры (ПК), мини-ЭВМ, специальные ЭВМ, ЭВМ общего назначения супер-ЭВМ. В свою очередь, например, ЭВМ общего назначения можно по ряду характеристик (производительность, объем ОП и др.) подразделять на малые, средние и большие. Более детальную классификацию допускают и остальные классы ЭВМ.
К определяющей черте ЭВМ четвертого поколения следует также отнести и создание больших информационно-вычислительных сетей, объединяющих различные классы и типы ЭВМ, а также развитых информационно-интеллектуальных систем различного назначения. В отличие от вычислительной техники первых трех поколений ЭВМ четвертого поколения правильнее было бы характеризовать тремя основными показателями: (1) элементной базой (СБИС), (2) персональным характером использования (ПК) и (3) нетрадиционной архитектурой (супер-ЭВМ).
Элементная база на основе СБИС позволила достичь больших успехов в деле минитюаризации, повышения надежности и производительности, позволив создавать микро- и мини-ЭВМ, превосходящие по возможностям средние и большие ЭВМ предыдущего поколения при значительно меньшей стоимости. Существенные изменения претерпела и архитектура вычислительной техники, роста сложности которой удалось добиться также благодаря элементной базе. Технология производства процессоров на базе БИС и СБИС позволила избавиться от контроля производства средств вычислительной техники со стороны государства и крупных фирм-разработчиков, дав возможность любому, обладающему определенными знаниями и навыками человеку довольно легко создавать в домашних условиях собственную вычислительную технику, что существенно приблизило ее к массовому пользователю и ускорило темпы компьютерной революции и массовой информатизации общества.
Как
уже отмечалось, границы перехода от
одного поколения ЭВМ к другому становятся
все более размытыми. Так, БИС-технология
и микропроцессоры, считающиеся наряду
со СБИС-технологией одной из основных
характеристик четвертого поколения,
применялись и на завершающей стадии
третьего поколения. Сказанное относится
и к истории создания супер-ЭВМ, в
значительной мере определяющих лицо
четвертого поколения. ЭВМ этого класса
характеризуются как высокой
производительностью (не менее
оп/сек.), так и нетрадиционной архитектурой.
Развитие супер-ЭВМ обусловлено
необходимостью решения сложных задач,
требующих большого времени и не
поддающихся обработке вычислительными
средствами других классов. К таким
задачам относятся многие задачи
математической физики, космологии и
астрономии, моделирования сложных
систем и др. Наряду с этим вполне
естественным желанием является получить
ЭВМ с максимальным быстродействием –
именно ускорение счета лежало в основе
создания вычислительной техники вообще.
Наконец, начавшаяся в предыдущем поколении телекоммуникационная обработка информации в четвертом поколении получает мощное развитие, в первую очередь, за счет повышения качества каналов связи, использующих спутниковую связь, а также благодаря наличию большого парка ПК. Создание ряда национальных и транснациональных информационно-вычислительных сетей, в первую очередь Internet, позволило говорить о начале компьютеризации человеческого общества в целом, когда исчезают все препятствия для человеческого общения и получения информации, накопленной человечеством. Пользователь ПК получает возможность не только иметь доступ к ресурсам информационной сети, но и организовывать любого уровня системы общения между удаленными абонентами сети (переписка, совещания научные конференции и т.д.). Так как важную коммутирующую роль в сетях играют и будут играть мощные ЭВМ, то сетевая проблематика весьма часто обсуждается совместно с вопросами по супер-ЭВМ.
Пятое поколение зародилось в недрах четвертого и в значительной мере его черты определяются результатами работы японского Комитета научных исследований в области ЭВМ пятого поколения, опубликованными в 1981 г. Отчет Комитета имел огромный резонанс в научном мире, несмотря на национальный характер. Авторы поставили целью наметить план информатизации, направленный на содействие решению актуальнейших проблем японского общества. Ввиду высокого уровня развития Японии он, несомненно, представляет интерес для остального мира и оказывает большое влияние на развитие компьютерной информатики во всех развитых странах. Согласно этому проекту ЭВМ и вычислительные системы пятого поколения помимо более высокой производительности и надежности при более низкой стоимости, вполне обеспечиваемые СБИС и другими новейшими технологиями, должны удовлетворять следующим качественно новым функциональным требованиям:
1. Обеспечивать простоту применения ЭВМ путем реализации эффективных систем ввода/вывода информации голосом и изобразительной; диалоговой обработки информации с использованием естественных языков; возможности обучаемости, ассоциативных построений и логических выводов (интеллектуализация ЭВМ).
2. Упростить процесс создания программных средств путем автоматизации синтеза программ по спецификациям исходных требований на естественных языках; усовершенствовать вспомогательные инструментальные средства и интерфейс разработчиков с вычислительными средствами.
3. Улучшить основные характеристики и эксплуатационные качества ВТ для удовлетворения различных социальных задач; улучшить соотношения затрат и результатов, быстродействия, легкости и компактности ЭВМ; обеспечить их разнообразие, высокую адаптируемость к приложениям и надежность в эксплуатации.
В основу построения большинства ЭВМ положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 году американским ученым Джоном фон Нейманом.
Принцип программного управления. В основе этого принципа лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений. Алгоритм – это конечный набор предписаний, определяющий решение задачи путем применения конечного количества операций.
Из принципа следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.
Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой команде, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп». Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.
Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм).
Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции – перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.
Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.
Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских или классических. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без «счетчика команд», указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.
ЭВМ, построенная на принципах, определенных Нейманом, состоит из следующих основных блоков:
устройства ввода-вывода;
запоминающего устройства;
арифметико-логического устройства;
устройства управления.
Схема ЭВМ, отвечающая вышеназванным принципам, логично вытекает из последовательного характера преобразований, выполняемых человеком по некоторому алгоритму (программе). Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поколений представлена на рисунке 8.
Рис. 8 Структурная схема ЭВМ 1-го и 2-го поколений (архитектура фон Неймана)
В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации, с помощью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним. Сначала введенная информация полностью или частично запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации.
Устройство управления (УУ) предназначается для автоматического выполнения программ путем принудительной координации работы всех остальных устройств ЭВМ. Цепи сигналов управления показаны на рисунке штриховыми линиями. Вызываемые из ОЗУ команды дешифруются УУ: определяются код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в этой операции.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над данными.
Первые ЭВМ имели сильную централизацию управления, единые стандарты форматов команд и данных, «жесткое» построение циклов выполнения отдельных операций, что во многом объясняется ограниченными возможностями используемой в них элементной базы.
В ЭВМ 3-го поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и процесса обработки (рис. 9).
Рис. 9 Структурная схема ЭВМ 3-го поколений
Сильно связанные АЛУ и УУ получили название процессора. В структуре ЭВМ появились дополнительные устройства, которые стали называться: процессоры ввода-вывода, устройства управления обмена информацией, каналы ввода-вывода (КВв). Здесь наметилась тенденция к децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств, что позволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом.
В персональных ЭВМ, относящихся к ЭВМ 4-го поколения, произошло дальнейшее изменение структуры (рис. 10).
Рис. 10 Структурная схема ПЭВМ
Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее еще более децентрализованной.
Ядро ПЭВМ образуют процессор и основная память (ОП). Подключение всех внешних устройств (ВнУ) обеспечивается через соответствующие адаптеры – согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств или контроллеры – специальные устройства управления периферийной аппаратурой. Контроллеры играют роль каналов ввода-вывода. В качестве особых устройств следует выделить таймер – устройство измерения времени и контроллер прямого доступа к памяти (КПД) – устройство, обеспечивающее доступ к ОП, минуя процессор.
Способ формирования структуры ПЭВМ является достаточно логичным и естественным стандартом для данного класса ЭВМ.
Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие элементы, которые являются общим стандартом структур современных ЭВМ:
модульность построения;
магистральность;
иерархия управления.
Модульность построения предполагает выделение в структуре ЭВМ достаточно автономных, функционально и конструктивно законченных устройств. Модульная конструкция ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию. К ЭВМ можно подключать дополнительные устройства, улучшая ее технические и экономические показатели. Появляется возможность наращивания вычислительной мощи, улучшения структуры путем замены отдельных устройств на более совершенные, изменения и управления конфигурацией системы, приспособления ее к конкретным условиям применения в соответствии с требованиями пользователя.
Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры ЭВМ. Устройство управления главного, или центрального, процессора определяет лишь последовательность работ подчиненных модулей и их инициализацию, после чего они продолжают работу по собственным программам управления. Результаты выполнения требуемых операций представляются ими «вверх по иерархии» для правильной координации всех работ. Подчиненные модули могут в свою очередь использовать специальные шины или магистрали для обмена информацией. Стандартизация и унификация привели к появлению иерархии шин и к специализации. Из-за различий в скоростях работы отдельных устройств в структурах ПК появились:
системная шина – для взаимодействия основных устройств;
локальная шина – для ускорения обмена видеоданными;
периферийная шина – для подключения «медленных» периферийных устройств.
Иерархический принцип построения и управления характерен не только для структуры ЭВМ в целом, но и для отдельных ее подсистем. Например, по этому же принципу строится система памяти ЭВМ.
Децентрализация управления и структуры ЭВМ позволила перейти к более сложным многопрограммным режимам. При этом в ЭВМ одновременно может обрабатываться несколько программ пользователей.
В ЭВМ, имеющих один процессор, многопрограммная обработка является кажущейся. Она предполагает параллельную работу отдельных устройств, задействованных в вычислениях по различным задачам пользователей.
В ЭВМ или вычислительных системах, имеющих несколько процессоров обработки, многопрограммная работа может быть более глубокой. Автоматическое управление вычислениями предполагает усложнение структуры за счет включения в ее состав систем и блоков, разделяющих различные вычислительные процессы друг от друга, исключающие возможность возникновения взаимных помех и ошибок.
Как видно, полувековая история развития ВТ дала не очень широкий спектр основных структур ЭВМ. Все приведенные структуры не выходят за пределы классической структуры фон Неймана. Их объединяют следующие традиционные признаки:
ядро ЭВМ образует процессор – вычислитель, дополненный каналами обмена информацией и памятью;
линейная организация ячеек всех видов памяти фиксированного размера;
одноуровневая адресация ячеек памяти, стирающая различия между всеми типами информации;
внутренний машинный язык низкого уровня, при котором команды содержат элементарные операции преобразования простых операндов;
последовательное централизованное управление вычислениями;
достаточно примитивные возможности устройств ввода-вывода.
Пользователя, как правило, интересуют следующие группы характеристик ЭВМ, определяющих ее структуру:
технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, показатели надежности, емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и программных средств, особенности эксплуатации и др.);
характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; возможность расширения состава технических и программных средств; возможность изменения структуры;
состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).
Одной из важнейших технических характеристик ЭВМ является ее быстродействие, которое характеризуется числом команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду. Поскольку в состав команд ЭВМ включаются операции, различные по длительности выполнения и по вероятности их использования, то имеет смысл характеризовать его или средним быстродействием ЭВМ, или предельным (для самых «коротких» операций типа «регистр-регистр»). Современные вычислительные машины имеют очень высокие характеристики по быстродействию, измеряемые десятками и сотнями миллионов операций в секунду.
Реальное или эффективное быстродействие, обеспечиваемое ЭВМ, значительно ниже, и оно может сильно отличаться в зависимости от класса решаемых задач. Сравнение по быстродействию различных типов ЭВМ, резко отличающихся друг от друга своими характеристиками, не обеспечивает достоверных оценок. Поэтому очень часто вместо характеристики быстродействия используют связанную с ней характеристику производительности – объем работ, осуществляемых ЭВМ в единицу времени. Например, можно определять этот параметр числом задач, выполняемых за определенное время. Однако сравнение по данной характеристике ЭВМ различных типов также может вызвать затруднения. Поскольку оценка производительности различных ЭВМ является важной практической задачей, хотя такая постановка вопроса также не вполне корректна, были предложены к использованию относительные характеристики производительности. Так, например, фирма Intel для оценки процессоров предложила тест, получивший название индекс iCOMP (Intel Comparative Microprocessor Performance). При его определении учитываются четыре главных аспекта производительности: работа с целыми числами, с плавающей точкой, графикой и видео. Данные имеют 16- и 32-разрядное представление. Каждый из восьми параметров при вычислении участвует со своим весовым коэффициентом, определяемым по усредненному соотношению между этими операциями в реальных задачах.
Другой важнейшей характеристикой ЭВМ является емкость запоминающих устройств. Емкость памяти измеряется количеством структурных единиц информации, которое может одновременно находиться в памяти. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти.
Наименьшей структурной единицей информации является бит – одна двоичная цифра. Как правило, емкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения – байтах (байт равен восьми битам). Следующими единицами измерения служат 1 Кбайт, 1 Мбайт, 1 Гбайт.
Обычно отдельно характеризуют емкость оперативной памяти и емкость внешней памяти. Этот показатель очень важен для определения, какие программные пакеты и их приложения могут одновременно обрабатываться в машине.
Емкость внешней памяти зависит от типа носителя. Так, емкость одной дискеты составляет 1,44 Мбайта. Емкость жесткого диска может достигать нескольких сотен Гбайт, емкость компакт-диска (CD ROM) – сотни Мбайт (640 Мбайт и выше) и т.д. Надежность – это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени (стандарт ISO (Международная организация стандартов) 23 82/14-78). Высокая надежность ЭВМ закладывается в процессе ее производства.
Современный компьютер – это система, построенная на базе электронных микросхем и предназначенная для хранения, обработки и передачи информации.
Наибольшее распространение в настоящее время получили персональные компьютеры (ПК), поэтому в дальнейшем речь пойдет именно о них.
Аппаратное обеспечение ПК – все те компоненты, из которых состоит компьютер, а также периферийное оборудование и оборудование для организации компьютерных сетей.
Прежде всего, это процессор, материнская плата и ее главная микросхема – чипсет, определяющий всю архитектуру ПК, возможные типы основной памяти, видеокарт, дисковых устройств, мониторов и периферийных устройств.
Процессор – специальная микросхема, которая выполняет операции по обработке информации. Кроме центрального процессора в современных компьютерах значительную роль играет процессор видеокарты.
Центральный процессор (CPU – Central Processing Unit) – функционально-законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное на одной или нескольких СБИС.
От процессора в значительной степени зависит скорость работы ПК. Он имеет сложную архитектуру (рис. 11), свою высокоскоростную буферную память (кэш-память), использует специальные технологии обработки информации.
Рис. 11 Принципиальная схема процессора по данным фирмы Intel
Принцип работы процессора можно представить следующим образом: информация для обработки под управлением блока предварительной выборки поступает из основной памяти через блок шины в кэш данных процессора, команды обработки информации – в командную кэш-память. В блоке декодировки команда расшифровывается, преобразуясь в двоичный код, который посылается в управляющий блок и в кэш данных, давая указание о том, как с полученной командой поступить. Арифметико-логическое выполняет готовые к исполнению команды и заносит результаты в блок регистров. Далее содержимое регистров передается в основную память или на внешние устройства.
Скорость работы процессора зависит прежде всего от типа и архитектуры процессора, а также от его тактовой частоты и объема кэш-памяти.
В современных ПК разных фирм применяются процессоры следующих архитектур:
CISC – Complex Instruction Set Computing – концепция проектирования процессоров, которая характеризуется следующим набором свойств: большим числом различных по формату и длине команд; введением большого числа различных режимов адресации; обладает сложной кодировкой инструкции.
Процессору с архитектурой CISC приходится иметь дело с более сложными инструкциями неодинаковой длины. Выполнение одиночной CISC-инструкции может происходить быстрее, однако обрабатывать несколько таких инструкций параллельно сложнее.
Облегчение отладки программ на ассемблере влечет за собой загромождение узлами микропроцессорного блока. Для повышения быстродействия следует увеличить тактовую частоту и степень интеграции, что вызывает необходимость совершенствования технологии и, как следствие, удорожание производства.
RISC – Reduced Instruction Set Computing – процессор с сокращенным набором команд. Система команд имеет упрощенный вид. Все команды одинакового формата с простой кодировкой. Обращение к памяти происходит посредством команд загрузки и записи, остальные команды типа регистр-регистр. Команда, поступающая в CPU, уже разделена по полям и не требует дополнительной дешифрации.
Часть кристалла освобождается для включения дополнительных компонентов. Степень интеграции ниже, чем в предыдущем архитектурном варианте, поэтому при высоком быстродействии допускается более низкая тактовая частота. Команда меньше загромождает ОЗУ, CPU дешевле. Программной совместимостью указанные архитектуры не обладают. Отладка программ на RISC более сложна. Данная технология может быть реализована программно-совместимым с технологией CISC (например, суперскалярная технология).
Поскольку RISC-инструкции просты, для их выполнения нужно меньше логических элементов, что в конечном итоге снижает стоимость процессора. Но большая часть программного обеспечения сегодня написана и откомпилирована специально для CISC-процессоров фирмы Intel. Для использования архитектуры RISC нынешние программы должны быть перекомпилированы, а иногда и переписаны заново.
MISC – Multipurpose lnstruction Set Computer) сочетает преимущества вышерассмотренных архитектур. Элементная база состоит из двух частей, которые либо выполнены в отдельных корпусах, либо объединены. Основная часть – RISC CPU, расширяемый подключением второй части – ПЗУ микропрограммного управления. Система приобретает свойства CISC. Основные команды работают на RISC CPU, а команды расширения преобразуются в адрес микропрограммы. RISC CPU выполняет все команды за один такт, а вторая часть эквивалентна CPU со сложным набором команд. Наличие ПЗУ устраняет недостаток RISC, выраженный в том, что при компиляции с языка высокого уровня микрокод генерируется из библиотеки стандартных функций, занимающей много места в ОЗУ. Поскольку микропрограмма уже дешифрована и открыта для программиста, то времени выборки из ОЗУ на дешифрацию не требуется.
Чипсет (chipset) – набор микросхем материнской платы для обеспечения работы процессора с памятью и внешними устройствами. Выбор чипсета зависит от процессора, с которым он работает, и определяет вид других устройств ПК (оперативной памяти, видеокарты, винчестера и др.).
Материнская плата (motherboard) – печатная плата, на которой осуществляется монтаж микросхем и других компонентов компьютерной системы. На материнской плате располагаются микросхемы чипсета, разъемы для подключения центрального процессора, оперативной памяти, графической и звуковой плат и других устройств.
Существуют различные форм-факторы7, описывающие конструктивные особенности материнских плат. Наиболее важными микросхемами материнской платы являются северный и южный мосты чипсета. Именно чипсет определяет, в значительной степени, особенности материнской платы и то, какие устройства могут подключаться к ней.
Общая шина, наряду с центральным процессором и запоминающим устройством, во многом определяет производительность работы компьютера, так как обеспечивает обмен информацией между функциональными узлами. Общая шина делится на три отдельные шины по типу передаваемой информации: шина адреса, шина данных, шина управления.
Каждая шина характеризуется шириной – числом параллельных проводников для передачи информации. Другим важным параметром шины является тактовая частота шины – это частота, на которой работает контроллер шины при формировании циклов передачи информации.
Шина адреса предназначена для передачи адреса ячейки памяти или порта ввода-вывода. Ширина шины адреса определяет максимальное количество ячеек, которое она может напрямую адресовать.
Шина данных предназначена для передачи команд и данных, и ее ширина во многом определяет информационную пропускную способность общей шины. В современных компьютерах ширина шины данных составляет 32-64.
Шина управления включает в себя все линии, которые обеспечивают работу общей шины. Ее ширина зависит от типа шины и определяется алгоритмом ее работы или, как говорят, протоколом работы шины. Протокол работы шины состоит из нескольких циклов и выполняется контроллером шины, расположенным внутри процессора или отдельным контроллером шины.
Другим важным функциональным узлом компьютера является память. Традиционным решением проблемы хранения большого количества данных и обращения к ним является иерархическая структура памяти (рис. 12).
Рис. 12 Иерархия памяти ПК
По мере продвижения по структуре сверху вниз возрастают три параметра. Во-первых, увеличивается время доступа. Во-вторых, увеличивается объем памяти. В-третьих, увеличивается количество битов, которое вы получаете за 1 рубль.
Микропроцессорная память – память небольшой емкости, но чрезвычайно высокого быстродействия. Она предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно в ближайшие такты работы машины участвующей в вычислениях, МПП используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.
Микропроцессорная память состоит из быстродействующих регистров с разрядностью не менее машинного слова. Количество и разрядность регистров в разных микропроцессорах различны.
Регистры микропроцессора делятся на регистры общего назначения и специальные. Специальные регистры применяются для хранения различных адресов (адреса команды, например), признаков результатов выполнения операций и режимов работы ПК (регистр флагов, например) и др. Регистры общего назначения являются универсальными и могут использоваться для хранения любой информации, но некоторые из них тоже должны быть обязательно задействованы при выполнении ряда процедур.
Для уменьшения влияния времени обращения процессора к ОЗУ и увеличения производительности компьютера дополнительно устанавливается сверхбыстродействующая буферная память, выполненная на микросхемах статической памяти. Эта память называется кэш-памятью (от англ. cache – запас). Время обращения к данным в кэш-памяти на порядок ниже, чем у ОЗУ, и сравнимо со скоростью работы самого процессора.
Запись в кэш-память осуществляется параллельно с запросом процессора к ОЗУ. Данные, выбираемые процессором, одновременно копируются и в кэш-память. Если процессор повторно обратится к тем же данным, то они будут считаны уже из кэш-памяти. Такая же операция происходит и при записи процессором данных в память. Они записываются в кэш-память, а затем в интервалы, когда шина свободна, переписываются в ОЗУ. Современные процессоры имеют встроенную кэш-память, которая находится внутри процессора, кроме этого есть кэш-память и на системной плате. Чтобы их различать, кэш-память делится на уровни. На кристалле самого процессора находится кэш-память первого уровня. В корпусе процессора, но на отдельном кристалле находится кэш-память второго уровня. И, наконец, кэш-память третьего уровня расположена на системной плате.
Управление записью и считыванием данных в кэш-память выполняется автоматически. Когда кэш-память полностью заполняется, то для записи последующих данных устройство управления кэш-памяти по специальному алгоритму автоматически удаляет те данные, которые реже всего использовались процессором на текущий момент.
Использование процессором кэш-памяти увеличивает производительность процессора, особенно в тех случаях, когда происходит последовательное преобразование относительно небольшого числа данных, которые постоянно во время преобразования хранятся в кэш-памяти.
Память, в которой хранятся исполняемые программы и данные, называется оперативной памятью (оперативным запоминающим устройством – ОЗУ) или RAM – Random Access Memory – память со свободным доступом. Существует два вида ОЗУ: динамическое ОЗУ или DRAM – Dynamic RAM – и статическое ОЗУ или SRAM – Static RAM.
Разряд динамического ОЗУ построен на одном транзисторе и конденсаторе, наличие или отсутствие заряда на котором определяет значение, записанное в данном бите. При записи или чтении информации из такой ячейки требуется время для накопления заряда на конденсаторе, поэтому быстродействие динамического ОЗУ на порядок ниже, чем у статического ОЗУ, разряд которого представляет собой триггер на нескольких транзисторах. Однако, из-за большого числа элементов на один разряд в одну СБИС статического ОЗУ помещается гораздо меньше элементов, чем у динамического ОЗУ. Кроме этого, статические ОЗУ более энергоемки и значительно дороже. Обычно в качестве оперативной или видеопамяти используется динамическое ОЗУ, а в качестве небольшой сверхбыстродействующей буферной памяти – статическое ОЗУ.
В одном адресном пространстве с ОЗУ находится специальная память, предназначенная для постоянного хранения таких программ, как тестирование и начальная загрузка компьютера, управление внешними устройствами. Она является энергонезависимой, т.е. сохраняет записанную информацию при отсутствии напряжения питания. Такая память называется постоянным запоминающим устройством – ПЗУ или ROM – Read Only Memory. Постоянные запоминающие устройства можно разделить по способу записи в них информации на следующие категории:
ПЗУ, программируемые однократно – программируются при изготовлении и не позволяют изменять записанную в них информацию;
перепрограммируемые ПЗУ – ППЗУ – позволяют перепрограммировать их многократно. Стирание хранящейся в ППЗУ информации осуществляется или засветкой полупроводникового кристалла ультрафиолетовым излучением, или электрическим сигналом повышенной мощности, для этого в корпусе микросхемы предусматривается специальное окно, закрытое кварцевым стеклом.
В отличие от оперативного запоминающего устройства, внешние запоминающие устройства (ВЗУ) обладают большим объемом сохраняемой информации и являются энергонезависимыми. Наибольшее распространение в настоящее время получили дисковые ВЗУ, которые, в зависимости от типа носителя, можно разделить на магнитные, оптические и смешанные.
Магнитные диски в качестве запоминающей среды используют магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два состояния. Информация на магнитные диски записывается и считывается магнитной головкой, которая перемещается радиально с фиксированным шагом, а сам диск при этом вращается вокруг своей оси. Головка считывает или записывает информацию, расположенную на концентрической окружности, которая называется дорожкой или треком. Количество дорожек на диске определяется шагом перемещения головки и зависит от технических характеристик привода диска и качества самого диска. За один оборот диска может быть считана информация с одной дорожки. Общее время доступа к информации на диске складывается из времени перемещения головки на нужную дорожку и времени одного оборота диска. Каждая дорожка дополнительно разбивается на ряд участков – секторов. Сектор содержит минимальный блок информации, который может быть записан или считан с диска. Чтение и запись на диск осуществляется блоками, поэтому дисководы называют блочными устройствами.
Физическая структура диска определяется количеством дорожек и числом секторов на каждой дорожке. Она задается при форматировании диска, которое выполняется специальными программами и должно быть проведено перед первым использованием диска для записи информации. Кроме физической структуры диска, говорят еще о логической структуре диска. Логическая структура определяется файловой системой, которая реализована на диске и зависит от операционной системы компьютера, на котором используется данный диск. Логическая структура подразумевает выделение некоторого количества секторов для выполнения служебных функций размещения файлов и каталогов на диске.
Оптический компакт-диск (Compact Disk – CD), который был предложен в 1982 г. фирмами Philips и Sony первоначально для записи звуковой информации, произвел переворот и в компьютерной технике, так как идеально подходил для записи цифровой информации больших объемов на сменном носителе.
В середине 90-х гг. появились устройства, устанавливаемые непосредственно на компьютере и позволяющие производить однократную запись информации на компакт-диск. Для таких устройств выпускают специальные компакт-диски, которые получили название CD-Recodable (CD-R).
Позднее появились компакт-диски с возможностью перезаписи – CD-ReWritable (CD-RW).
Дальнейшее развитие технологий производства компакт-дисков привело к созданию дисков с высокой плотностью записи – цифровой универсальный диск Digital Versatile Disk (DVD).Это позволило увеличить объем информации на диске до 4,7 Гбайт. Дальнейшее увеличение объема информации обеспечивается применением двусторонних DVD.
К недостаткам дисковой памяти можно отнести наличие механических движущихся компонентов, имеющих малую надежность, и большую потребляемую мощность при записи и считывании. Появление большого числа цифровых устройств, таких как МРЗ-плееры, цифровые фото- и видеокамеры, карманные компьютеры, потребовало разработки миниатюрных устройств внешней памяти, которые обладали бы малой энергоемкостью, небольшими размерами, значительной емкостью и обеспечивали бы совместимость с персональными компьютерами. Первые промышленные образцы такой памяти появились в 1994 г. Новый тип памяти получил название флэш-память (Flash-memory). Флэш-память представляет собой микросхему перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) с неограниченным числом циклов перезаписи. В ППЗУ флэш-памяти использован новый принцип записи и считывания, отличный от того, который используется в известных схемах ППЗУ.Конструктивно флэш-память выполняется в виде отдельного блока, содержащего микросхему флэш-памяти и контроллер, для подключения к одному из стандартных входов компьютера.
К устройствам ввода информации ПК относятся, прежде всего, клавиатура и мышь. Реже используются дигитайзер, web-камера, сканер.
Клавиатурой называется устройство для ручного ввода информации в компьютер. Современные типы клавиатур различаются, в основном, принципом формирования сигнала при нажатии клавиши.
Среди современных типов клавиатур можно отметить беспроводную клавиатуру, в которой передача информации в компьютер происходит с помощью датчика инфракрасного излучения, аналогично пультам управления различной бытовой техники; USB-клавиатуру; мультимедийную клавиатуру.
Манипулятор мышь – инструмент для работы с объектами на рабочем столе операционной системы. В настоящее время используются мыши двух типов – оптические и лазерные, проводные и безпроводные.
Существуют беспроводные комплекты клавиатура + мышь с единым приемником радиосигнала.
Дигитайзер (digitizer) – это кодирующее устройство, обеспечивающее ввод двумерного (в том числе и полутонового) или трехмерного (3D дигитайзеры) изображения в компьютер в виде растровой таблицы, является типичным внешним специализированными устройства графического ввода.
В состав устройства входит специальный указатель с датчиком, называемый пером. Собственный контроллер посылает импульсы по ортогональной сетке проводников, расположенной под плоскостью планшета. Получив два таких сигнала, контроллер преобразует их в координаты, передаваемые в ПК. Компьютер переводит эту информацию в координаты точки на экране монитора, соответствующие положению указателя на планшете. С помощью пера Вы рисуете на планшете, при этом графические редакторы могут воспринимать его как кисть, карандаш, мелок и т.д. Перевернув перо, Вы можете стереть изображение.
Основные типы дигитайзеров по принципу работы:
ультразвуковые;
электромагнитные;
лазерные;
механические.
Сканер – устройства для решения задач перевода бумажных документов в электронные копии. Установленный в сканер источник света облучает сканируемый объект, а оптическая система воспринимает отраженный от объекта световой поток, который с помощью программы сканирования преобразуется в цифровую форму. Сканеры бывают черно-белые и цветные. Конструктивно сканеры делятся на четыре типа: ручные, планшетные, роликовые и проекционные.
Ручные сканеры перемещаются по изображению вручную. Они выполнены в виде блока с рукояткой, который «прокатывают» по изображению.Все изображение сканируется за несколько проходов. Специальное программное обеспечение, поставляемое вместе со сканерами, позволяет совмещать части отсканированного изображения. Ручные сканеры имеют малые габариты и низкую стоимость и позволяют сканировать изображения любого размера, но могут возникать искажения при совмещении частей изображения.
Планшетные сканеры являются наиболее распространенным типом сканера. В них сканирующая головка (линейка светодиодов) движется относительно неподвижного оригинала, который помещается на прозрачное стеклянное основание. Достоинство таких сканеров заключается в том, что с их помощью можно сканировать и листовые и сброшюрованные документы (книги).К недостаткам планшетных сканеров можно отнести необходимость ручного позиционирования каждой страницы оригинала.
Роликовые сканеры используются для пакетной обработки листовых документов. В них подача очередного листа для сканирования происходит автоматически. Сканирующая головка в таких сканерах неподвижна, а лист оригинала перемещается относительно нее. К недостаткам роликовых сканеров можно отнести проблему выравнивания листов и сложность работы с листами нестандартного размера.
Проекционные сканеры отличаются от других типов тем, что оригинал устанавливается в рамку, и сканирование проводится на просвет, как правило, с масштабированием.
Устройства вывода информации предназначены для представления различных видов информации, с которыми работает компьютер, в привычном для человека виде. К устройствам вывода относятся видеокарты и мониторы, принтеры, плоттеры, звуковые платы и колонки.
Видеоадаптер – устройство для сопряжения ПК с монитором. Может быть интегрирован с материнской платой или выполнен в виде отдельной платы, подключаемой к слоту PCI Express.
Монитор – устройство отображения информации, формируемой видеоадаптером. До недавнего времени выпускались и использовались мониторы на основе электронно-лучевой трубки – CRT– Cathode Ray Tube. В таких мониторах луч, двигающийся горизонтально, периодически засвечивает люминофор экрана, который под действием потока электронов начинает светиться, образуя точку. Для цветных мониторов засветка каждой точки осуществляется тремя лучами, вызывающими свечение люминофора соответствующего цвета – красного, зеленого и синего. Цвет точки создается смешением этих цветов и зависит от интенсивности каждого электронного луча.
В настоящее время основным типом мониторов для ПК стали жидкокристаллические мониторы – LCD – Liquid Cristal Display). Эти мониторы используют специальную прозрачную жидкость, которая при определенных напряженностях электростатического поля кристаллизуется, при этом изменяется ее прозрачность и коэффициент преломления световых лучей. Эти эффекты используются для формирования изображения.
Кроме того существуют плазменные мониторы – PDP – Plasma Display Panels. В таких мониторах изображение формируется светом, выделяемым при газовом разряде в каждом пикселе экрана.
Основными характеристиками монитора являются:
размер экрана – обычно измеряется в дюймах;
разрешение или разрешающая способность – характеризует способность отображать на экране определенное количество точек по горизонтали и вертикали;
частота кадровой развертки или частота смены кадров – сколько раз в секунду изображение обновляется; измеряется в герцах;
угол обзора.
Принтер – устройство вывода данных на бумагу или иной аналогичный материал. В настоящее время получили распространение струйные и лазерные принтеры.
Основные характеристики принтеров:
качество печати;
разрешающая способность;
производительность.
Плоттер или графопостроитель – устройство вывода графической информации на бумажные и другие листовые носители. Плоттеры делятся на два больших класса: векторные и растровые. В настоящее время в основном используются струйные плоттеры с термической и пьезоэлектрической технологиями печати, лазерные и LED-плоттеры.
Существует большое количество разновидностей копировально-множительных аппаратов. Для получения небольшого количества копий (до 25 экземпляров), целесообразно пользоваться средствами копирования документации. При большом тиражировании (более 25 экземпляров) целесообразно пользоваться средствами размножения документов.
Принципиальное отличие средств копирования от средств размножения в том, что при копировании копия снимается непосредственно с документа – оригинала, а при размножении – с промежуточной печатной формы, изготовленной с документа – оригинала.
Основные характеристики копировальных аппаратов:
формат оригинала и копии;
скорость копирования;
стоимость копирования;
производительность;
рекомендуемый объём копирования (ресурс).
Проекционный аппарат предназначен для вывода видеоинформации с компьютера на большой экран. Наиболее популярные проекторов на сегодня LCD и DLP – Digital Light Processing. Принципиальное различие технологий заключается в элементах, с помощью которых формируется изображение. В первом случае – это жидкокристаллическая матрица, через которую пропускается свет от источника, во втором – матрица микроскопических подвижных зеркал.
Для организации работы локальных сетей может использоваться следующее основное оборудование:
интегрированные на материнской плате сетевые адаптеры или сетевые интерфейсные платы;
концентраторы;
коммутаторы;
кабели;
маршрутизаторы.
Сетевые адаптеры обеспечивают работу ПК в локальной сети. Набор выполняемых адаптером функций зависит от конкретного сетевого протокола. Ввиду того, что сетевой адаптер и в физическом, и в логическом смысле находится между устройством и сетевой средой, его функции можно разделить на функции сопряжения с сетевым устройством и функции обмена с сетью. Количественный и качественный состав функций сопряжения с сетевым устройством определяется его назначением и функциональной схемой. Если в качестве сетевого устройства выступает компьютер, то связь с сетевой средой можно реализовать двумя способами: через системную магистраль (шину) или через внешние интерфейсы (последовательные или параллельные порты).
По конструктивной реализации сетевые платы делятся на:
внутренние – отдельные платы, вставляющиеся в ISA,PCI или PCI-E слот;
внешние, подключающиеся через LTP, USB или PCMCIA интерфейс, преимущественно использующиеся в ноутбуках;
встроенные в материнскую плату.
Концентратор или хаб (hub – центр) – устройство для объединения компьютеров в сеть Ethernet с применением кабельной инфраструктуры типа витая пара. В настоящее время практически вытеснены сетевыми коммутаторами. При применении концентратора все пользователи делят между собой полосу пропускания сети.
Коммутатор (switch – переключатель) – устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного или нескольких сегментов сети. Коммутатор предоставляет каждому устройству, подключенному к одному из его портов, всю полосу пропускания сети. Это повышает производительность и уменьшает время отклика сети за счет сокращения числа пользователей на сегмент.
В отличие от концентраторов, осуществляющих широковещательную рассылку всех пакетов, принимаемых по любому из портов, коммутаторы передают пакеты только целевому устройству. В результате уменьшается трафик и повышается общая пропускная способность – факторы, являющиеся критическими с учетом растущих требований к полосе пропускания сети современных сложных приложений.
Кабели – общепринятая среда обмена данными между сетевыми устройствами. Они выступают в качестве среды передачи сигналов между компьютерами. В большинстве сетей применяются только три основные группы кабелей:
коаксиальный кабель (coaxial cable): тонкий и толстый;
витая пара (twisted pair): неэкранированная (unshielded) и экранированная (shielded);
оптоволоконный кабель (fiber optic).
Маршрутизатор или роутер (router) – специализированный сетевой компьютер, имеющий минимум два сетевых интерфейса и пересылающий пакеты между различными сегментами сети, принимающий решения о пересылке на основании информации о топологии сети и определенных правил, заданных администратором. Маршрутизаторы делятся на программные и аппаратные.
В настоящее время все большее распространение получает беспроводное соединение компьютеров. Оборудование беспроводных сетей включает сетевые адаптеры, точки доступа и беспроводные маршрутизаторы.