Введение

Учебник предназначен для студентов, изучающих дисциплину «Аппаратные средства вычислительной техники», а также для слушателей институтов повышения квалификации, аспирантов и преподавателей, обеспечивающих учебный процесс по данной дисциплине. Книга будет весьма полезна и для специалистов, связанных с современными информационными технологиями, и для широкого круга пользователей компьютеров.

Электронные вычислительные машины и информационно-вычислительные сети являются в современном обществе самыми востребованными ресурсами. Войдя в человеческую жизнь, компьютеры сейчас стали неотъемлемой частью нашей цивилизации. И, хотя первая ЭВМ с автоматическим программным управлением была создана чуть более полувека назад, к настоящему моменту уже насчитывается пять поколений вычислительных машин. Столь бурного развития, вероятно, не претерпевала ни одна технология.

Действительно, если признанная первой большая ЭВМ ENIAC («Эниак») в 1946 году занимала площадь около 90 м² и весила более 30 тонн, современный микропроцессор, способный вместить все электронное оборудование такой машины, имеет площадь всего 1 см², обеспечивая при этом такую вычислительную мощность, которая превышает суммарную вычислительную мощность всех ЭВМ, имевшихся в мире в середине 60-х годов. Первая ЭВМ содержала около 18 тысяч электронных ламп, а сейчас в тысячи раз большее количество электронных компонент 0,045-мкм технологии можно разместить в поперечном срезе человеческого волоса.

Темпы развития ЭВМ опровергли все самые смелые прогнозы. Например, президент и основатель одной из ведущих компьютерных фирм Digital Equipment Corporation. Кен Олсон (Ken Olson) в начале 70-х годов в одном из интервью сказал, что нет причин, по которым кому-нибудь захотелось бы иметь дома компьютер, а уже в 1976 г. появился самый массовый в настоящее время персональный компьютер. Самый, наверное, известный в компьютерном мире человек, основатель фирмы Microsoft Билл Гейтс (Bill Gates) утверждал в 1983 году, что ни одной компьютерной программе никогда не понадобится более 640 Кбайт оперативной памяти, а сейчас его фирма выпускает программные продукты, требующие не менее 1024 Мбайт.

Определим и уточним еще некоторые понятия, важные для изучения дисциплины.

Система (от греческого systema — целое, составленное из частей соединение) — это совокупность элементов, взаимодействующих друг с другом, образующих определенную целостность, единство, обеспечивающие целенаправленное поведение. Системы весьма разнообразны. В самом общем плане все системы можно разделить на материальные и абстрактные системы. Материальные системы представляют собой совокупность материальных объектов. Абстрактные системы являются продуктом человеческого мышления — знания, теории, гипотезы.

ПРИМЕЧАНИЕ

Информационные системы относятся к категории материальных, хотя продукт труда в них и нематериален.

Элемент (компонент) системы — часть системы, имеющая определенное функциональное назначение.

Архитектура ЭВМ (системы) — это совокупность свойств компьютера (системы), существенных для программиста и пользователя.

Организация системы — внутренняя упорядоченность, согласованность взаимодействия элементов системы, проявляющаяся, в частности, в ограничении разнообразия состояний элементов в рамках системы.

Структура системы — состав, порядок и принципы взаимодействия элементов системы, определяющие основные свойства системы.

Если отдельные элементы системы разнесены по разным уровням и внутренние связи между элементами организованы только от вышестоящих к нижестоящим уровням и наоборот, то говорят об иерархической структуре системы. Чисто иерархические структуры практически встречаются редко, поэтому, несколько расширяя это понятие, под иерархической структурой понимают и такие структуры, где среди прочих связей иерархические связи имеют главенствующее значение.

Электронная вычислительная машина (ЭВМ), компьютер — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач. По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса: аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ). Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают.

ЦВМ — цифровые вычислительные машины или вычислительные машины дискретного действия — работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее в цифровой форме.

АВМ — аналоговые вычислительные машины или вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).

ПРИМЕЧАНИЕ

АВМ весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения их на этих машинах, как правило, не трудоемкое. Скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана сколь угодно большой (больше чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность до 2–5%). На АВМ эффективно решаются математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики.

Первая электромеханическая аналоговая вычислительная машина была создана в Массачусетском технологическом институте 1930 году под руководством профессора Ванневара Буша. В конце 30 годов появились уже и электронные АВМ (на 10 лет раньше, чем электронные ЦВМ).

ГВМ — гибридные вычислительные машины или вычислительные машины комбинированного действия — работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

В экономике (да и в науке и в технике) получили подавляющее применение ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации — электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания об их цифровом характере. В вычислительных системах используются практически только ЭВМ (исключение составляют некоторые специальные системы научного и оборонного назначения, где аналоговые вычислительные машины используются достаточно активно, в частности для моделирования сложных систем и процессов). В связи с вышесказанным далее мы будем рассматривать только ЭВМ.

Что касается толкования понятия вычислительной системы, то имеются различные ее определения: от просто набора устройств обработки данных (автоматизированных или автоматических), от одиночного компьютера с его программным обеспечением, до совокупности нескольких взаимосвязанных вычислителей с их программным обеспечением и периферийным оборудованием, предназначенным для сбора, хранения, обработки и распределения информации. Вычислительная система может содержать лишь один компьютер, ибо начиная с 70-х годов компьютеры стали оснащаться многочисленными внешними устройствами, которые в совокупности действительно составляют систему.

В данной книге будем придерживаться следующего определения. Вычислительная система — совокупность одного и более компьютеров или процессоров, программного обеспечения и периферийного оборудования, организованная для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов.

То же самое касается термина «вычислительная сеть» — более правильным термином является «информационно-вычислительная сеть», а в ряде случаев и «Информационная сеть», ибо вычислительные процессы превалируют над информационными лишь в локальных вычислительных сетях, да и то довольно редко. В книге будем чаще всего использовать термин «компьютерная сеть», хотя в дословном переводе он и означает «вычислительная сеть».

В первых главах учебника уделяется внимание научным предпосылкам создания вычислительных машин, эволюции ЭВМ, их классификации и общим характеристикам. Далее рассматриваются информационно-логические особенности построения вычислительных машин. В разделе функциональная и структурная организация ЭВМ основной акцент сделан на архитектуре самого массового типа ЭВМ — персональных компьютеров (ПК); рассмотрены современное состояние и характеристики основных узлов компьютера. В учебнике также рассматриваются многомашинные и многопроцессорные вычислительные системы, в частности, высокопараллельные вычислительные системы и суперЭВМ. Уделено внимание и компьютерным сетям (КС): особенностям и принципам построения сетей, модели взаимодействия открытых систем, на базе которой строится управление КС. Обсуждаются локальные и корпоративные сети, в том числе и беспроводные. Приводятся краткие сведения о сети Интернет и о ее базовых технологиях.

В последнем разделе учебника рассматриваются принципы программного управления ЭВМ, режимы работы компьютеров, система прерывания программ, играющая важную роль в организации эффективного вычислительного процесса. Кратко рассмотрены программное обеспечение современных компьютеров и элементы программирования на машинно-ориентированном языке Ассемблер, позволяющие глубже разобраться с архитектурой вычислительной машины и понять взаимодействие ее компонентов при выполнении программ.