Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
29
Добавлен:
26.03.2016
Размер:
1.2 Mб
Скачать

Раздел 1. Основные понятияи методы теории информации и кодирования Сигналы, данные, информация. Общая характеристика процессов сбора, передачи, обработки и накопления информации

Позиционныесистемысчисления

Системасчисления– этосовокупность правил иприемов наименования изаписичисел, атакже получения значения чисел из изображающих их символов.

Существуют позиционные и непозиционные системы счисления.

Внепозиционных системах счисления вес цифры (т.е. тот вклад, который она вносит в значение числа) не зависит от ее позиции в записи числа. Пример – римская система счисления: в числе ХХIII(двадцатьтри) вес цифры Х в любой позиции равен просто десяти, а цифры I– единице.

Впозиционных системах счисления вес каждой цифры изменяется в зависимости от ее позициив последовательности цифр, изображающих число. Например, в числе 343,73 первая тройка означает три сотни, вторая – три единицы, а третья – три сотых доли единицы.

Основание позиционной системы счисления – количество различных цифр, используемых для

изображения чисел в данной системе счисления.

Основанием системы счисления может быть любое натуральное число. Следовательно, возможно бесчисленное множество позиционных систем: двоичная, троичная, четверичная и т.д. В настоящее время общепринятой является арабская десятичная система счисления, состоящая из десяти цифр {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}. Пример. Приведем первые 10 чисел в пятеричной системе счисления (используются первые пять цифрот 0 до 4): 0, 1, 2, 3, 4, 10, 11, 12, 13, 14.

Основание системы счисления принято указывать в нижнем регистре справа от числа.

Например: 1001,012 – число в двоичной системе счисления; 206,78 – число в восьмеричной системе счисления.

Двоичная, восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления

В настоящее время общепринятой стала арабская десятичная система счисления, вероятно, потому, что с древних времен считали по пальцам, а пальцев у людей по десять на руках и ногах. Так было не всегда, в Китае, например, долгое время пользовались пятеричной системой счисления.

Однако для использования в ЭВМ десятичная система слишком сложна, так как для ее применения необходимо подобрать технические способы изображения десяти различных цифр. С точки зрения технической реализации компьютера, гораздо проще работать всего с двумя цифрами двоичной системы: 0 и 1.

Преимущества двоичной системы:

для ее реализации нужны технические устройства с двумя устойчивыми состояниями (есть ток – нет тока, намагничен – не намагничен и т.п.);

представление информации посредством только двух состояний надежно и помехоустойчиво;

возможно применение аппарата булевой алгебры для выполнения логических преобразований информации;

двоичная арифметика намного проще десятичной.

Недостаток двоичной системы – быстрый рост числа разрядов, необходимых для записи чисел. Кроме двоичной широко используются системы с основанием, являющимся целой степенью

числа 2 (табл.), а именно:

восьмеричная (используются цифры 0, 1, ..., 7);

шестнадцатеричная (для первых целых чисел от нуля до девяти используются цифры 0, 1, ..., 9, а для следующих чисел – от десяти до пятнадцати – в качестве цифр используются символы A, B, C, D, E, F).

Перевод чисел из десятичной системы в двоичную и наоборот выполняет машина. Однако, чтобы профессионально использовать компьютер, следует научиться понимать слово машины. Для этого и разработаны восьмеричная и шестнадцатеричная системы.

Числа в этих системах читаются почти так же легко, как десятичные, требуют соответственно

втри (восьмеричная) и в четыре (шестнадцатеричная) раза меньше разрядов, чем в двоичной системе (ведь числа 8 и 16 – соответственно, третья и четвертая степени числа 2).

Подготовкактестированию

Соответствие первых 16 чисел в различных системах счисления

Система счисления

10-я

2-я

8-я

16-я

 

 

 

 

0

0

0

0

 

 

 

 

1

1

1

1

 

 

 

 

2

10

2

2

 

 

 

 

3

11

3

3

 

 

 

 

4

100

4

4

 

 

 

 

5

101

5

5

 

 

 

 

6

110

6

6

 

 

 

 

7

111

7

7

 

 

 

 

8

1000

10

8

 

 

 

 

9

1001

11

9

 

 

 

 

10

1010

12

A

 

 

 

 

11

1011

13

B

 

 

 

 

12

1100

14

C

 

 

 

 

13

1101

15

D

 

 

 

 

14

1110

16

E

 

 

 

 

15

1111

17

F

Чтобы перевести восьмеричное или шестнадцатеричное число в двоичную систему достаточно каждую цифру заменить эквивалентной ей двоичной триадой (тройкой цифр) или тетрадой (четверкой цифр) из табл. Пример.

Для перевода числа из двоичной системы в восьмеричную или шестнадцатеричную необходимо выполнить предыдущую операцию в обратном порядке: разбить влево и вправо от запятой на триады (для восьмеричной) или тетрады (для шестнадцатеричной) и каждую такую группу заменить соответствующей восьмеричной (шестнадцатеричной) цифрой.

Перевод чисел из десятичной системы в другую позиционную систему счисления и обратно

Правило перевода целого десятичного числа N в систему счисления с основанием q.

Необходимо N разделить с остатком («нацело») на q , записанное в той же десятичной системе. Затем неполное частное, полученное от такого деления, нужно снова разделить с остатком на q и т.д., пока последнее полученное неполное частное не станет равно нулю. Представлением числа N в новойсистемесчислениябудет последовательностьостатков деления, изображенных однойq-ичной цифрой и записанных в порядке, обратном порядку их получения.

Пример. Переведем число 75 из десятичной системы в двоичную, восьмеричную и шестнадцатеричную:

Ответ: 7510 = 10010112 = 1138 = 4B16.

Материал составил:доценткаф.информатики ИрГТУ, к.ф.-м.н. ИринаВитальевна Орлова

Правило перевода правильной десятичной дроби F в систему счисления с основанием q. Необходимо F умножить на q , записанное в той же десятичной системе, затем дробную часть

полученного произведения снова умножить на q, и т. д., до тех пор, пока дробная часть очередного произведения не станет равной нулю, либо не будет достигнута требуемая точность изображения числа F в q-ичной системе. Представлением дробной частичисла F в новой системе счислениябудет последовательность целых частей полученных произведений, записанных в порядке их получения и изображенных одной q-ичной цифрой.

Если требуемая точность перевода числа F составляет k знаков после запятой, то предельная абсолютная погрешность при этом равняется q-(k+1)/ 2.

Пример. Переведем число 0,42 из десятичной системы в двоичную, восьмеричную и шестнадцатеричную:

Ответ: а) 0,4210= 0,011012 с предельной абсолютной погрешностью 2-6/2=2-7;

б) 0,4210=0,3278 с предельной абсолютной погрешностью 8-4/2=2-13;

в) 0,4210=0,6B852 с предельной абсолютной погрешностью 16-5/2=2-21.

Для чисел, имеющих целую и дробную части, перевод из десятичной системы счисления в другую осуществляется отдельно для каждой из частей, а затем складываются.

Правило перевода в десятичную систему числа X, записанного в q-ичной системе счисления в виде Xq = (an an-1 ...a0 , a-1 a-2 ... a-m)q производится путем вычисления значения многочлена:

X10 = an qn + an-1 qn-1 + ... + a0 q0 + a-1 q-1 + a-2 q-2 + ... + a-m q-m ,

здесь n – номер разряда (считается от запятой влево начиная с 0); m – номер разряда дробной части (считается вправо от запятой, начиная с 1).

Пример.

Подготовкактестированию

Основные понятияалгебрылогики. ЛогическиеосновыЭВМ

Логические величины: истина (логическая единица) и ложь (логический ноль)

Принципыработы ЭВМ основываются на законахматематической логики, поскольку компьютеры

– это автоматические устройства, чья работа базируется на элементарных законах двоичной логики. Алгебра логики – это раздел математики, изучающий высказывания, рассматриваемые со стороны

их логических значений (истинности или ложности) и логических операций над ними. Основное понятие алгебры логики – высказывание.

Логическое высказывание – это любoе повествовательное пpедлoжение, в oтнoшении кoтopoгo мoжно oднoзначнo сказать, истиннo oнo или лoжнo.

Например, высказывание «Земля – это планета Солнечнойсистемы»ИСТИННО, а овысказывании «На улице идет дождь»можно сказать, истинно оно или ложно, если указаны дополнительные сведения о погоде в данный момент.

Любое высказывание можно обозначить символом х и считать, что х = 1, если высказывание истинно, а х = 0, если высказывание ложно.

Логическая {булева) переменная – такая величина х, которая может принимать только два значения: х = {0,1}.

Алгебра логики возникла в середине ХIХ века в трудах английского математика Джорджа Буля. Ее создание представляло собой попытку решать традиционные логические задачи алгебраическими методами.

Разумеется, не всякое предложение можно считать логическим высказыванием. Высказываниями не являются, например, предложения «Ученик десятого класса» и «Информатика – интересный предмет». Первое предложение ничего не утверждает об ученике, а второе использует слишком неопределенное понятие «интересный предмет». Вопросительные и восклицательные предложения также не являются высказываниями, поскольку говорить об их истинности или ложности не имеет смысла.

Логические операции: инверсия, дизъюнкция и конъюнкция

Алгебра логики рассматривает любое высказывание только с одной точки зрения – истинно оно или ложно.

Заметим, что зачастую трудно установить истинность высказывания. Так высказывание «Площадь поверхности Индийского океана равна 75 млн км2» в одной ситуации можно считатьложным, а вдругой

– истинным. Ложным – так как указанное значение неточное и вообще не постоянное. Истинным – если рассматривать его как некоторое приближение, приемлемое на практике.

Употребляемые в обычной речи слова и словосочетания не, и, или, если... , то, тогда и только тогда и др. позволяют из уже заданных высказываний строить новые высказывания. Такие слова и словосочетания называются логическими связками.

Высказывания, образованные из других высказываний с помощью логических связок, называются составными. Высказывания, не являющиеся составными, называются элементарными.

Так из элементарных высказываний «Петров – врач», «Петров – шахматист» при помощи связки и можнополучитьсоставное высказывание «Петров– врач ишахматист»,понимаемое как «Петров– врач, хорошо играющий в шахматы».

При помощи связки или из этих же высказываний можно получить составное высказывание «Петров – врач или шахматист», понимаемое в алгебре логики как «Петров или врач, или шахматист, или и врач и шахматист одновременно».

Истинность или ложность получаемых таким образом составных высказываний зависит от истинности или ложности элементарных высказываний.

Каждая логическая связка рассматривается как операция над логическими высказываниями и имеет свое название и обозначение:

НЕ. Операция, выражаемая этим словом, называется отрицанием и обозначается чертой над высказыванием (или знаком ).

Высказывание истинно, когда A ложно, и ложно, когда A истинно. Например, «Луна – спутник Земли» (А); «Луна – не спутник Земли» ().

Схема НЕ (инвертор) реализует операцию отрицания.

Если на входе схемы 0, то на выходе 1; если на входе 1, на выходе 0. Условное обозначение инвертора – на рис., а таблица истинности – в табл.

Материал составил:доценткаф.информатики ИрГТУ, к.ф.-м.н. ИринаВитальевна Орлова

А

НЕА

1 0

0 1

И. Операция, выражаемая этой связкой, называется конъюнкцией (лат. conjunctio – соединение), или логическим умножением, и обозначается точкой « . » (может также обозначаться знаками ^ или &).

Высказывание А · В истинно тогда и только тогда, когда оба высказывания А и В истинны. Например, высказывание «10 делится на 2 и 5 больше 3» истинно, а высказывания «10 делится на 2 и 5 не больше 3», «10 не делится на 2 и 5 больше 3», «10 не делится на 2 и 5 не больше 3» – ложны.

Схема И реализует конъюнкцию двух или более логических значений.

Условное обозначение на структурных схемах схемы И с двумя входами представлено на рис., таблица истинности конъюнкции – в табл.

А

В

А ИВ

1

1

1

 

 

 

1

0

0

 

 

 

0

1

0

 

 

 

0

0

0

ИЛИ. Операция, выражаемая этой связкой (в неисключающем смысле этого слова), называется дизъюнкцией (лат. disjunctio – разделение) или логическим сложением и обозначается знаком v (или плюсом).

Высказывание А v В ложно тогда и только тогда, когда оба высказывания А и В ложны. Например, высказывание «10 не делится на 2 или 5 не больше 3» ложно, а высказывания «10 делится на 2 или 5 больше 3», «10 делится на 2 или 5 не больше 3», «10 не делится на 2 или 5 больше 3»– истинны.

Схема ИЛИ реализует дизъюнкцию двух или более логических значений. Когда хотя бы на одном входе схемы ИЛИ будет единица, на ее выходе также будет единица.

Условное обозначение схемы ИЛИ представлено на рис., таблица истинности – в табл.

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

А

 

В

 

 

А ИЛИ В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

0

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

0

 

 

 

0

 

 

 

 

Операцийотрицания, дизъюнкциии конъюнкциидостаточно,чтобы описыватьиобрабатывать

логические высказывания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Порядок выполнения логических

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

операций задается круглыми скобками.

Обозначе

 

 

Название

 

 

 

 

Порядок

Но для

 

уменьшения

числа

скобок

ние

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вычисления

 

 

Инверсия, отрицание

 

 

 

 

1

 

договорились считать,

что

сначала

 

 

 

 

 

&

Конъюнкция, логическое умножение

 

2

 

выполняется операция отрицания (НЕ),

 

 

 

Дизъюнкция, логическое сложение

 

3

 

затем

конъюнкция

(И),

после

 

 

конъюнкции – дизъюнкция (ИЛИ) и в

 

Импликация, следование

 

 

 

 

4

 

последнюю очередь – импликация.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А

 

В

ИЛИ-НЕ

 

 

 

 

 

А

В

 

И-НЕ

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

0

 

 

 

 

 

1

 

1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

0

 

0

 

 

 

 

 

1

 

0

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

1

 

0

 

 

 

 

 

0

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

0

 

1

 

 

 

 

 

0

 

0

1

 

 

Подготовкактестированию

Логические операции: Операции импликации, исключающее ИЛИ, эквивалентность

Импликация (логическое следование)

А – посылка, В – заключение

A

B

С=А→В

0

0

1

0

1

1

1

0

0

1

1

1

Результатом импликации будет 0 (Ложь), если из истинной посылки следует ложное заключение.

Исключающее ИЛИ

A

B

XOR

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

0

Исключающее ИЛИ даёт результат 1, если только один из операндов равен 1.

Эквивалентность Операция

A

B

А↔В

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

1

1

Эквивалентность позволяет определить, находятся ли операнды А и В в одинаковом состоянии.

Основные законы алгебры логики

1.Законы одинарных элементов:

a)универсального множества: А 1=1; А^ 1=А;

b)

нулевого множества:

А 0=А; А^ 0=0.

 

 

 

 

 

 

 

2. Законы отрицания:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a)

двойного отрицания:

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b)

дополнительности:

A =

 

= 1;

А^ Ā =0;

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

c)

двойственности (де Моргана):

 

 

 

;&

 

 

 

.

 

 

 

 

А В

 

 

 

А&В

A

B

 

A

B

3.Комбинационные законы:

a)тавтологии: А А=А; А^А=А;

b)коммутативные: А B=B А; А^B=B^А;

c) ассоциативные: А (B C)=(А B) C; А^ (B^ C) = (А^ B) ^ C;

d)дистрибутивные: А^ (B C)=А^ B А^ C;

e)абсорбции (поглощения): А А^B=А; А^ (А B)=А;

f)склеивания: A^B А^В =А; (А В) ^ (А В ) = А.

Основные законы булевой алгебры

Для общего понимания математических суждений, утверждений и отрицаний необходимо иметь представления об общих законах математики и математической логики в частности. Первым среди общих законов математической логики является:

Закон двойного отрицания

не (не А) = А – отрицание отрицания равносильно исходному утверждению.

Для понимания принципов поиска информации по запросам в базах данных и сети Интернет необходимо понимать математический смысл сложносоставных запросов с использованием логических операций И (AND), ИЛИ (OR) и НЕ (NOT).

Общие принципы отрицания дизъюнкций и конъюнкций в математической логике выражаются двумя закона де Моргана:

Закон отрицания конъюнкции

не (А и В) = (не А) или (не В)

– отрицание конъюнкции суждений равносильно дизъюнкции отрицаний;

Закон отрицания дизъюнкции

не (А или В) = ((не А) и (не В))

– отрицание дизъюнкции суждений равносильно конъюнкции отрицаний.

Знание и использование данных трех общих законов логики позволяют полностью избавляться от негативных формулировок в запросах к базам данных и в общении друг с другом. Но еще важнее знание этих законов для понимания принципов и результатов поиска информации компьютерами.

Материал составил:доценткаф.информатикиИрГТУ,к.ф.-м.н. ИринаВитальевнаОрлова

Цифровые функциональные узлы подразделяются на два класса:

1)цифровые функциональные узлы, содержащие элементы памяти, – триггеры, счетчики, делители и

др.;

2)цифровые функциональные узлы, не содержащие элементы памяти (комбинированные) – логические элементы, шифраторы, дешифраторы, устройства сравнения, сумматоры, мультиплексоры и др.

Триггер – электронная схема, имеющая два устойчивых состояния, применяемая для хранения значения одноразрядного двоичного кода. Тригер хранит 1 бит информации (для запоминания 8 бит информации необходимо 8 триггеров).

Регистр – совокупность триггеров, предназначенных для хранения многоразрядного двоичного числового кода. Типы регистров:

сдвиговый регистр предназначен для выполнения операции сдвига;

счетчики – схемы, способные считать поступающие на вход импульсы.

счетчик команд регистр устройства управления процессора (УУ), содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;

регистр команд – регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные –

для хранения адресов операндов.

Сумматор – устройство, обеспечивающее суммирование двоичных чисел с учетом переноса из предыдущего разряда (является основной функциональной частью АСУ).

Шифратор (кодер) – это логическое устройство, которое преобразует единичный сигнал на одном из входов в n-разрядный двоичный код. Наибольшее применение он находит в устройствах ввода информации (например, в клавиатуре), для преобразования десятичных чисел в двоичную систему счисления.

Дешифратор (декодер)– это логическое устройство, преобразующее двоичный код, поступающий на его входы, в сигнал только на одном из его выходов.

Подготовкактестированию

Историяразвития ЭВМ

Развитие вычислительной техники в послевоенное время принято рассматривать с точки зрения смены поколений компьютеров. Каждое поколение в начальный момент развития характеризуется качественным скачком в росте основных характеристик компьютера, вызванным обычно переходом на новую элементную базу, а также относительной стабильностью архитектурных и технологических решений.

Прообразы ЭВМ

В 1642 г. великий французский математик, физик и философ Блез Паскаль, наблюдая бесконечные утомительные расчеты своего отца, сборщика налогов, сконструировал суммирующую машину.

Первая машина, позволяющая производить все четыре действия, была изобретена в Германии в 1673 г. Готфридом Вильгельмом Лейбницем. Сложение на ней производилось так же, как и на машине Паскаля, однако Лейбниц включил в конструкцию движущуюся часть (прообраз подвижной каретки будущих настольных калькуляторов) и ручку, с помощью которой можно было крутить ступенчатое колесо или – в последующих вариантах машины – цилиндры, расположенные внутри аппарата. Этот механизм с движущимся элементом позволял ускорить повторяющиеся операции сложения, необходимые для перемножения или деления чисел

Начало эры компьютеров в том виде, в котором они существуют сейчас, связано с именем английскогоматематика ЧарльзаБэббиджа,которыйв1822 г.опубликовалнаучную статью сописанием машины, способной рассчитывать и печатать большие математические таблицы. В том же году он построил пробную модель своей Разностной машины, состоящую из шестеренок и валиков, вращаемых вручную спомощью специальногорычага.В 1833 г.Бэббидж пришел кидеесозданияещеболеемощной машины. АналитическаямашинаБэббиджа вотличиеот своейпредшественницыдолжна быланепросто решать математические задачи, а выполнять разнообразные вычислительные операции в соответствии с инструкциями, задаваемыми оператором.

Аналитическая машина должна была иметь такие компоненты, как «мельница» для производства арифметических действий и «склад» для хранения чисел (по современной терминологии – арифметическое устройство и память), состоящие из механических рычажков и шестеренок. Память машины вмещала до 100 чисел, которые должны были храниться в памяти, пока до них не дойдет очередь в арифметическом устройстве. Результаты операции либо отправлялись в память, чтобы также ждать своей очереди, либо распечатывались. Инструкции, или команды, вводились в Аналитическую машину с помощью перфокарт. По замыслу, говоря современным языком, это было не что иное, как первый универсальный программируемый компьютер.

Первые программы для Аналитической машины Бэббиджа создавала Ада Лавлейс – дочь известного поэта Джорджа Байрона, в честь которой впоследствии был назван один из языков программирования.В 1843 г. Лавлейссоставила программувычислениячиселБернулли. Аналитическая машина Беббеджа не была построена, и программы, написанные Адой Лавлейс, никогда не отлаживались и не работали, однако Лавлейс разработала основные принципы программирования, которые остаются актуальными до настоящего момента времени. Ряд терминов, введенных Адой Лавлейс, используется и сейчас, например, «цикл», «рабочие ячейки».

Поколения ЭВМ

Под поколением естественно понимать модели ЭВМ, которые характеризуются одинаковыми технологическимиипрограммнымирешениями(элементная база,логическаяархитектура, программное обеспечение).

Параметры

 

Поколение ЭВМ

 

сравнения

Первое

Второе

Третье

Четвертое

Период времени

1946-1956

1956-1963

1694-1971

с 1971 г. по настоящее

время

 

 

 

 

Элементная база

 

Полупроводники

Интегральные

Большие и сверхбольшие

 

Электронные

 

лампы

(транзисторы)

схемы

интегральные схемы

Каждое поколение в начальный момент развития характеризуется качественным скачком в росте основныххарактеристиккомпьютера,вызваннымобычнопереходом нановую элементную базу, атакже

Материал составил:доценткаф.информатики ИрГТУ, к.ф.-м.н. ИринаВитальевна Орлова

относительной стабильностью архитектурных и технологических решений. Первую электронно-вакуумную лампу создал Ли Де Форест в 1906 г.

В1948 г. в американской фирме Bell Telephone Laboratories физики Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин создали транзистор. В 1956 г. за это достижение им была присуждена Нобелевская премия.

В1954 г. компания Texas Instruments объявила о начале серийного производства транзисторов, а в 1956 г. ученые Массачусетского технологического института создали первый полностью построенный на транзисторах компьютер TX-Q.

В1958 г. инженер компании Texas Instruments Джек Килби предложил идею интегральной микросхемы – кремниевого кристалла, на который монтируются миниатюрные транзисторы и другие элементы. Первый образец такой микросхемы занимал чуть больше одного квадратного сантиметра площади и был несколько миллиметров толщиной.

В1964 г. компания IBM выпустила компьютер IBM System 360, построенный на основе

интегральных микросхем.

В1969 г. компания «Intel» выпустила микропроцессор, представляющий собой микросхему, на которой сосредоточено обрабатывающее устройство с собственной системой команд. Практически сразу микропроцессоры получили широкое применение в различных системах управления от космических аппаратов до бытовых приборов. Появились большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы, включающие сотни тысяч и даже миллионы элементов на один кристалл. Это позволило продолжить уменьшение размеров и стоимости компьютеров, повысить их производительность и надежность.

В1974 г. компания «Intel» разработала первый универсальный процессор 8080 с 4500 транзисторами. В этом же году (1974г.) Эдвард Робердс на базе этого процессора создал микрокомпьютер «Альтаир». В 1975г. Пол Аллен и Билл Гейтс для «Альтаира» создали интерпретатор языка Бейсик.

Разбиение поколений компьютеров по годам весьма условно. В то время, как начиналось активное использование компьютеров одного поколения, создавались предпосылки для возникновения следующего. Кроме элементной базы используются следующие показатели развития компьютеров одного поколения: быстродействие, архитектура, программное обеспечение, уровень развития внешних устройств. В соответствии с этими показателями выделяют четыре реальных поколения ЭВМ.

Более строгий подход к классификации компьютеров основан на отслеживании используемых при создании компьютеров технологий. Не секрет, что самые ранние вычислительные машины были полностью механическими системами. Тем не менее уже в 1930-х годах телекоммуникационная промышленность предложила разработчикам новые, электромеханические компоненты (реле), а в 1940-

хбыли созданы первые полностью электронные компьютеры, имевшие в своей основе вакуумные электронные лампы. Это были ЭВМ 1-го поколения.

Первую реально работающую программируемую вычислительную машину сконструировал немец Конрад Цузе в 1941 году.

Первые ЭВМ, изготовленные с использованием электронных ламп 1-е поколение ЭВМ, были созданы исключительно для выполнения объемных научно-технических расчетов. Эти установки имели гигантские по сегодняшним масштабам размеры, отличались большим энергопотреблением, требовали высоких капитальных и эксплуатационных расходов. Первой в мире действующей ЭВМ стал ENIAC (США, 1945–1946 гг.). Её название по первым буквам соответствующих английских слов означает «электронно-числовой интегратор и вычислитель». Руководили ее созданием Джон Мочли и Преспер Эккерт, продолжившие начатую в конце 30-х годов работу Джорджа Атанасова. Машина содержала порядка 18 тысяч электронныхламп,множествоэлектромеханическихэлементов.Ееэнергопотребление равнялось 150 кВт, что вполне достаточно для обеспечения небольшого завода. По размерам она была впечатляющей: длина 26 метров, высота 6 метров, вес 35 тонн. Но поражали не размеры, а производительность – 5000 операций в секунду.

Первые отечественные ламповые вычислительные машины МЭСМ и БЭСМ были созданы под руководством академика С. А. Лебедева. МЭСМ (малая электронная счетная машина), созданная в 1951 г., сыграла важную роль в подготовке первых в стране программистов, инженеров и конструкторов ЭВМ, интенсифицировала разработку электронных элементов специально для применения в ЭВМ. БЭСМ (большая электронная счетная машина), являясь в то время самой быстродействующей ЭВМ в мире (8000 опер/с), открыла серию машин, получивших широкое распространение в СССР. В первой половине 50-х гг. у нас в стране появились ЭВМ серий «Стрела» и «Урал», а в 60-х гг. – «Проминь», «Мир», «Минск»,

Подготовкактестированию

«Раздан». Эти машины могли справиться с широким кругом математических и логических задач, встречающихся при решении научных и сложных инженерных проблем.

В 1950–60-х годах на смену лампам пришли полупроводники –транзисторы (2-е поколение), а в конце 1960-х – начале 1970-х годов – полупроводниковые интегральные схемы (3-е поколение).

Наилучшей отечественной ЭВМ 2-го поколения считается ЭВМ «БЭСМ-6», созданная в 1966 г. В архитектуре БЭСМ-6 впервые был широко использован принцип совмещения выполнения команд (до 14 одноадресных машинных команд могли находиться на разных стадиях выполнения). Механизмы прерывания, защиты памяти и другие новаторские решения позволили использовать БЭСМ-6 в мультипрограммном режиме и режиме разделения времени. ЭВМ имела 128 Кб оперативной памяти на ферритовых сердечниках и внешнюю память на магнитных барабанах и ленте. БЭСМ-6 работала с тактовой частотой 10 МГц и рекордной для того времени производительностью – около 1 миллиона операций в секунду. Всего было выпущено 355 ЭВМ.

ЭВМ 4-го поколения построены на микропроцессорах.

4-е поколение это большой прорыв в истории. Массовый выпуск персональных компьютеров (ПК) приводит к переходу от централизованной технологии использования вычислительной техники к децентрализованной, а затем, с развитием вычислительных сетей, к технологии «клиент/сервер», которая позволила совместить централизованное хранение и обработку данных на сервере с их распределенной обработкой многими компьютерами, связанными сетью друг с другом и с сервером. В качестве сервера обычно используется мощный компьютер, на котором хранятся данные многих пользователей и типовые процедуры обработки этих данных.

Вычислительные системы продолжают развиваться исключительно динамично, причем на наших глазах изменяется не только их элементная база, быстродействие, емкость запоминающих устройств, скорость передачи данных по сетям, но и средства программирования, а также стиль взаимодействия пользователя с компьютером – интерфейс пользователя.

Описывая 4-е поколение стоит упомянуть одно из значимых имен. Алан Кёртис Кэй – американский учёный в области теории вычислительных систем – один из «отцов-основателей» объектноориентированного программирования. Он предложил концепцию Dynabook, которая определила концептуальнуюбазудля ноутбука, планшетногокомпьютера иэлектроннойкниги, и является архитектурой современного оконного графического интерфейса. Так как Dynabook был задуман как учебная платформа, Кэй считается одним из первых исследователей мобильного обучения.

Стоит также упомянуть о таком понятии суперкомпьютер. Супер-ЭВМ – ЭВМ, относящаяся к классу вычислительных машин, имеющих самую высокую производительность, которая может быть достигнута на данном этапе развития технологии и в основном предназначенных для решения сложных научнотехнических задач.

Кто считается прародителем ЭВМ?

Джон фон Нейман сформулировал общие принципы функционирования ЭВМ:

1.Принцип программного управления. Этот принцип обеспечивает автоматизацию процессов вычислений на ЭВМ.

2.Принциподнородности памяти. Отсутствиепринципиальной разницы междупрограммойи даннымидало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатом вычислений.

3.Принцип адресности. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

4.Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.

По мнению фон Неймана, компьютер прежде всего должен иметь следующие устройства:

1.Арифметическо-логическое устройство, которое выполняет арифметические и логические операции.

2.Устройство управления, которое организует процесс выполнения программ.

3.Запоминающее устройство для хранения программ и данных.

4.Внешние устройства для ввода-вывода информации. Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к

типу фон-неймановских. На сегодняшний день это подавляющее большинство компьютеров. Но есть и компьютерные системы с иной архитектурой, например, системы для параллельных вычислений.

Материал составил:доценткаф.информатики ИрГТУ, к.ф.-м.н. ИринаВитальевна Орлова