Лекция 4. История развития вычислительной техники. Классификация компьютеров. Состав вычислительной системы. Аппаратное и программное обеспечение. Классификация служебных и прикладных программных средств
История развития вычислительной техники
Первыми счетными устройствами были механические устройства. В 1642 году французский механик Блез Паскаль разработал компактное суммирующее устройство – механический калькулятор.
В 1673 г. Немецкий математик и философ Лейбниц усовершенствовал его путем добавления операций умножения и деления. На протяжении 18 века разрабатывались все более совершенные, но по-прежнему механические вычислительные устройства на основе зубчатых, реечных, рычажных и других механизмов.
Идея программирования вычислительных операций пришла из часовой промышленности. Такое программирование было жестким: одна и та же операция выполнялась в одно и то же время (пример – работа станка по копиру).
Идея гибкого программирования вычислительных операций была высказана английским математиком Чарльзом Бэббиджем в 1836-1848 гг. Особенностью его аналитической машины был принцип разделения информации на команды и данные. Однако проект не был реализован.
Программы вычислений на машине Беббиджа, составленные дочерью поэта Байрона Адой Лавлейс (1815-1852), очень схожи с программами, составленными впоследствии для первых ЭВМ. Эту замечательную женщину назвали первым программистом мира.
При переходе от режима регистрации положений механического устройства к режиму регистрации состояний элементов электронного устройства десятичная система стала неудобной, т. к. состояний элементов только два: включено и выключено.
Возможность представления любых чисел в двоичной форме была впервые высказана Лейбницем в 1666 году.
Идея кодирования логических высказываний в математические выражения:
-
истина (True) или ложь (False);
-
в двоичном коде 0 или 1,
была реализована английским математиком Джорджем Булем (1815-1864) в первой половине XIX века.
Однако разработанная им алгебра логики "алгебра Буля" нашла применение лишь в следующем веке, когда понадобился математический аппарат для проектирования схем ЭВМ, использующих двоичную систему счисления. "Соединил" математическую логику с двоичной системой счисления и электрическими цепями американский ученый Клод Шеннон в своей знаменитой диссертации (1936 г.).
В логической алгебре при создании ЭВМ используются в основном 4 операции:
-
И (пересечение или конъюнкция - A^B);
-
ИЛИ (объединение или дизъюнкция - AvB);
-
НЕ (инверсия - |A);
-
ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (A*|B+|A*B).
Конъюнкция A^B Дизъюнкция AvB
Инверсия |A Исключающее ИЛИ
(A*|B+|A*B)
В 1936 г. Английский математик А. Тьюринг и, независимо от него Э. Пост, выдвинули и разработали концепцию абстрактной вычислительной машины. Они доказали принципиальную возможность решения автоматами любой проблемы при условии возможности её алгоритмизации.
В 1946 г. Джоном фон Нейманом, Голдстайном и Берксом (Принстонский институт перспективных исследований) был составлен отчет, который содержал детальное описание принципов построения цифровых ЭВМ, которые используются до сих пор.
-
В архитектуру ЭВМ Джона фон Неймана входят:
-
центральный процессор, состоящий из устройства управления (УУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ);
-
память: оперативная (ОЗУ) и внешняя;
-
устройства ввода;
-
устройства вывода.
-
-
Принципы работы ЭВМ, предложенные фон Нейманом:
-
однородность памяти;
-
программное управление;
-
адресность.
-
Бурное развитие вычислительных систем началось в 60-х годах 20 века с отказом от электронных ламп и развитием полупроводниковой, а затем и лазерной техники.
Эффективность ЭВМ (компьютеров) значительно выросла в 70-х годах 20 века с разработкой процессоров на базе интегральных микросхем.
Качественный скачок в развитии компьютеров произошел в 80-х годах XX века с изобретением персонального компьютера и развитием всемирной информационной сети - интернета.
Можно выделить основные поколения ЭВМ и их характеристики:
ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ |
ХАРАКТЕРИСТИКИ |
||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Годы применения |
1955 – 60 гг. |
1960 – 65 гг. |
1965 – 70 гг. |
1970 – 90 гг. |
С 1990 г. по настоящее время |
Основной элемент |
Электронная лампа |
Транзистор |
ИС (1400 эл-тов) |
Большая ИС (десятки тыс. эл-тов) |
Большая ИС (миллионы эл-тов) |
Пример ЭВМ |
IBM 701 (1952 г.) |
IBM 360-40 (1964 г.) |
IBM 370-145 (1970 г.) |
IBM 370-168 (1972 г.) |
IBM Server z990 (2003 г.) |
Быстродействие, опер./сек |
8 000 |
246 000 |
1 230 000 |
7 700 000 |
9 000 000 000 |
Ёмкость ОЗУ, байт |
20 480 |
256 000 |
512 000 |
8 200 000 |
256 000 000 000 |
Примечание |
Шеннон, фон Нейман, Норберт Винер |
Языки ФОРТРАН, КОБОЛ, АЛГОЛ |
Миникомпьютер, ОС MS DOS, ОС Unix, сеть |
PC, графические ОС, интернет |
Искусственный интеллект, распознавание речи, лазер |
Классификация компьютеров
-
По назначению:
-
суперкомпьютеры;
-
серверы;
-
встроенные компьютеры (микропроцессоры);
-
персональные компьютеры (ПК).
Суперкомпьютеры - вычислительные центры - создающиеся для решения предельно сложных вычислительных задач (моделирования сложных явлений, обработки сверхбольших объемов информации, составления прогнозов и т. п.).
Серверы (от английского слова serve обслуживать, управлять) - компьютеры, обеспечивающие работу локальной или глобальной сети, специализирующиеся на оказании информационных услуг и обслуживании компьютеров крупных предприятий, банков, учебных заведений и т. п.
Встроенные компьютеры (микропроцессоры) получили массовое распространение в производстве и бытовой технике, где управление может быть сведено к выполнению ограниченной последовательности команд (роботы на конвейере, бортовые, интегрированные в бытовую технику и т. п.)
Персональные компьютеры (PC) предназначены для работы одного человека, поэтому применяются повсеместно. Их рождением считается 12 августа 1981 г., когда корпорация IBM представила их первую модель. PC совершили компьютерную революцию в жизни миллионов людей и оказали огромное влияние на развитие человеческого общества.
PC разделяются на массовые, деловые, портативные, развлекательные, а также рабочие станции.
Стандарты PC:
-
Consumer PC (массовый);
-
Office PC (деловой);
-
Entertainment PC (развлекательный);
-
Workstation PC (рабочая станция);
-
Mobile PC (портативный).
Большинство PC – массовые.
Деловые (офисные) PC содержат профессиональные программы, но в них минимизированы требования к графическим средствам и средствам воспроизведения звука.
В развлекательных PC широко представлены средства Multimedia.
В рабочих станциях повышены требования к хранению данных.
Для портативных обязательным является наличие средств доступа в компьютерную сеть.
-
По уровню специализации:
-
универсальные;
-
специализированные (примеры: файл-сервер, Web-сервер, сервер печати и т. п.).
-
По типоразмерам:
-
настольные (desktop);
-
носимые (notebook, iPad);
-
карманные (palmtop);
-
мобильные вычислительные устройства (PDA - personal digital assistant), сочетающие в себе функции palmtop и сотовых телефонов.
-
По аппаратной совместимости:
-
IBM PC;
-
Apple Macintosh.
-
По типу процессора:
-
Intel (в персональных компьютерах фирмы IBM);
-
Motorola (в персональных компьютерах фирмы Macintosh).
Состав вычислительной системы
Рассматривают аппаратную и программную конфигурацию, т. к. часто решение одних и тех же задач может обеспечиваться как аппаратными, так и программными средствами. Критерием в каждом случае является эффективность работы.
Считается, что повышение эффективности работы за счёт развития аппаратных средств оказывается в среднем дороже, зато реализация решений программным путём требует высокой квалификации персонала.