2.2 Практические основы информатики
Техническим инструментом реализации различных задач информатики является компьютерная техника. Основу ее составляет к о м п ь ю т е р.
Компьютер – это сложное техническое устройство, предназначенное для автоматической обработки больших объемов информации.
2.2.1 Архитектура компьютера и принцип программного управления
Под архитектурой компьютера понимается совокупность сведений об основных устройствах компьютера и их назначении, о способах представления программ и данных в машине, об особенностях ее организации и функционировании.
Основные принципы устройства вычислительной машины были сформулированы в 1945 году американским математиком Джоном фон Нэйманом, которые сводились к тому, что каждая вычислительная машина должна состоять из:
- а р и ф м е т и ч е с к с г о и л о г и ч е с к о г о у с т р о й с т в а (АЛУ), которое должно выполнять арифметические и логические операции;
– у с т р о й с т в а у п р а в л е н и я (УУ), которое должно читать команды (инструкции) программы и организовывать их выполнение;
– з а п о м и н а ю щ е г о у с т р о й с т в а (ЗУ), или п а м я т и, которое должно хранить данные и программу;
– в н е ш н и х у с т р о й с т в для ввода, вывода и хранения информации.
Все современные компьютеры строятся на этих принципах. На рис 2.1 приведена функциональная схема компьютера.
Рис. 2.1 Функциональная схема компьютера
В соответствии с представленной схемой все современные компьютеры имеют запоминающее устройство, состоящее из двух видов памяти:
– в н е ш н е й памяти (ВП),
– о п е р а т и в н о г о запоминающего устройства (ОЗУ) иначе называемого о п е р а т и в н о й памятью.
Внешняя память предназначена для длительного хранения информации ( месяцы, годы и более). Оперативная память хранит только текущую информацию, то есть во время работы компьютера. При его отключении информация в оперативной памяти теряется. Устройство управления (УУ) и арифметическо-логическое устройство (АЛУ) выполняется в виде единой интегральной схемы называемой ц е н т р а л ь н ы м п р о ц е с с о р о м (ЦП). Кроме того, в каждом компьютере имеются устройства ввода и вывода информации, которая поступает с ее носителей (НИ) или передается на них. Компьютер – это автоматическое вычислительное устройство, которое выполняет различные вычислительные операции в соответствии с программой их вычислений. В этом случае программа помещается в оперативную память и хранится в ней в течение выполнения вычислений. Ввод и вывод информации осуществляется с помощью специальных устройств, которые называются каналами в в о д а и в ы в о д а. Исходная и выводимая информация помещается на специальных устройствах (диски, ленты и др.), называемых н о с и т е л я м и и н ф о р м а ц и и (НИ).
2.2.2 К л а с с и ф и к а ц и я к о м п ь ю т е р о в
История знает большое разнообразие вычислительных устройств и машин: механических, гидравлических, пневматических, электромеханических, электронных, из которых наибольшее распространение получили последние. Причем, самими популярными из них стали электронные цифровые вычислительные машины (ЭЦВМ). Это объясняется тем, что они обладают сравнительно высокой надежностью и быстродействием. Базовым элементом таких машин является двухпозиционный элемент. Он характерен тем, что может находиться в одном из двух состояний. Условились одно состояние обозначать как состояние «0», а другое как состояние «1». Примером такого элемента может быть контакт обыкновенного выключателя. Он может быть или разомкнут, например, состояние «0», или замкнут – состояние «1». Конечно же, в компьютерах в качестве двухпозиционного элемента используется не механический контакт, а специальное электронное устройство называемое т р и г г е р о м, на выходе которого может или присутствовать электрический сигнал – состояние «1», или отсутствовать – состояние «0». Если говорить о классификации вычислительных машин, то целесообразно вести речь об электронных вычислительных машинах, как наиболее распространенных.
История их развития знает пять поколений. Справедливости ради следует отметить, что создание пятого поколения машин еще не завершено.
К первому поколению относят машины, построенные на электронных лампах. Они использовались в пятидесятых годах ХХ века. Примерами таких машин были американские машины UNIVAC, IBM-701, IBM-704, а также советские машины БЭСМ и М-20. Быстродействие таких машин составляло 5-30 тысяч арифметических операций в секунду. Эти машины стоили очень дорого, занимали огромные площади, были недостаточно надежны и могли хранить очень мало данных.
Ко второму поколению относят машины, построенные на полупроводниковых элементах. Период их применения – конец пятидесятых годов до середины шестидесятых. Скорость обработки данных этими машинами возросла до одного миллиона операций в секунду. У них значительно уменьшились стоимость и размеры, выросли надежность и объем хранимой информации. Типичными представителями машин этого поколения можно назвать американские машины PDP-8, IBM-7094, CDC-6600, английские ATLAS, советские – БСЭМ-4, М-220, МИНСК-32, БСЭМ-6.
К третьему поколению относят машины, выполненные на интегральных схемах (ИС). Интегральная схема представляет собой миниатюрное устройство, содержащее в себе достаточно большую совокупность различных полупроводниковых элементов (транзисторы, конденсаторы, резисторы и др.), образующих какой-либо законченный функциональный элемент. Участок такой схемы порядка одного квадратного миллиметра, но по своим функциональным возможностям она эквивалентна сотням и тысячам транзиторных элементов. Это поколение машин имело распространение с середины шестидесятых годов до начала семидесятых. С переходом на интегральные схемы машины начали выпускаться семействами. Машины, входящие в семейство, имели одинаковую логическую структуру, одни и те же способы работы с информацией, но различные стоимости, быстродействие и объемы хранимой информации. Большое распространение получили машины семейства IBM/360. Популярность таких машин в мире была столь велика, что их начали повсеместно копировать, создавая аналоги. Причем программы, подготовленные для выполнения на IBM, с успехом использовались и на их аналогах. Такие модели машин принято называть программно - совместимыми. В нашей стране такой программно-совместимой с семейством IBM/360 была серия машин ЕС ЭВМ, в которую входило около двух десятков различных по мощности машин. В этих машинах появились терминалы, представленные клавиатурой и дисплеем. В качестве носителей исходной информации еще использовались перфокарты и перфоленты, хотя уже начали появляться магнитные диски и магнитные ленты. Объем хранимой информации заметно увеличился, а быстродействие возросло до нескольких миллионов операций в секунду.
К четвертому поколению относят машины, созданные на базе больших интегральных схем (БИС). Если интегральные схемы эквивалентны тысячам транзисторных элементов, то большие интегральные схемы эквивалентны десяткам и даже сотням тысяч таких элементов. На фоне такого перехода произошло разделение единого потока машин на две ветви. Одна ветвь продолжала наращивать мощность и надежность и шла по пути создания больших машин коллективного пользования. К ним следует отнести семейство машин IBM/370 и модель IBM 196, скорость которой достигла 15 миллионов операций в секунду. К этому поколению отечественных машин относится «Эльбрус». Разработка таких мощных машин позволило перейти к созданию компьютерных сетей, что позволило впоследствии создавать глобальные и всемирные компьютерные сети.
Вторая ветвь пошла по пути миниатюризации и персонализации средств обработки данных, то есть по пути создания персональных малогабаритных ЭВМ как их сейчас принято сейчас называть компьютерами. Своим рождением это направление обязано появлению в 1971 году первого микропроцессора Intel 4004. Габариты компьютеров позволили создавать индивидуальные рабочие места. Стоимость их стала значительно меньше стоимости машин коллективного пользования, что открыло широкий к ним доступ и значительное распространение. Объем хранимой информации возрос до десятков и сотней Гигабайт, а быстродействие до миллиардов операций в секунду.
К пятому поколению машин, разработка которых еще не завершена, относят машины с логическим программированием. Отличие таких машин от машин предыдущих поколений состоит в том, что они не требуют разработки программ вычисления. То есть программирование как таковое становится излишним. Для машин с логическим программированием достаточно сформулировать задачу, то есть представить исходные данные и определить цель. В дальнейшем компьютер сам должен выбрать способ решения, составить подробный план действий для достижения поставленной цели. При разработке машин этого поколения планируется обеспечить возможность общения пользователя с машиной на уровне естественного языка. Решить весь комплекс поставленных задач пока не удается, хотя уже имеются впечатляющие результаты. Основные трудности в достижении поставленной цели носят финансовый и технический характер.
2.2.3 А р х и т е к т у р а с о в р е м е н н о г о к о м п ь ю т е р а
Значительные успехи в микроэлектронике, применение современных технологий привело не только к уменьшению размеров функциональных узлов компьютера, но и создали заметные предпосылки для повышения быстродействия процессора. Возникло существенное противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри компьютера и медленной работой устройств ввода и вывода, содержащих в большинстве своем механические движущие части. Если бы устройство управления (УУ) центрального процессора (ЦП) руководило бы работой внешних устройств, как это было в машинах второго и третьего поколения, работавших по классической схеме, то значительную часть времени процессор был бы вынужден простаивать в ожидании информации из «внешнего мира». Это существенно снизило бы эффективность работы компьютера. Для решения этой проблемы появилась тенденция освобождения центрального процессора от функций обмена информацией и передачи их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств (клавиатура, дисплей, принтер, винчестер и др.). Микросхемы, работающие по специальным программам, ориентированным на связь с тем или иным внешним устройством, называют к о н т р о л л е р а м и в н е ш н и х у с т р о й с т в . Наличие «интеллектуальных» контроллеров внешних устройств стало отличительной особенностью компьютеров четвертого поколения. Каждый контроллер имеет свою систему команд, обеспечивающую его «общение» со «своим» внешним устройством. При такой организации работы центральный процессор занимается только своими прямыми обязанностями, а операции обмена данными с внешним устройством передает соответствующему контроллеру. Тот и устанавливает связь между оперативной памятью и внешним устройством. Дальнейший процесс перемещения информации осуществляется под управлением этого контроллера. Такие нововведения привели к корректировке связей между функциональными узлами компьютеров четвертого поколения. Появилось принципиально новое устройство, получившее название
о б щ а я ш и н а или о б щ а я м а г и с т р а л ь, через которую и стала осуществляться связь между функциональными узлами. Структурная схема такого компьютера представлена на рис. 2.2
Шина состоит из трех частей:
– ш и н а д а н н ы х, по которой передается информация,
– ш и н а а д р е с а, определяющая, куда именно передаются данные,
– ш и н а у п р а в л е н и я, регулирующая процесс обмена информацией.
Специализированные контроллеры обозначены на схеме треугольником с буквой К внутри. Схема приведена в обобщенном виде. Реально на схеме должны представляться различные внешние устройства (клавиатура, принтер, винчестер, дисковод и др.) со своими контроллерами.
Описанную структуру можно легко пополнять новыми устройствами, подсоединяя их к общей шине. Это свойство называют о т к р ы т о й а р х и т е к т у р о й. Для ее реализации в компьютере
предусматриваются дополнительные разъемы, позволяющие подсоединять новые внешние устройства. Приведенный на схеме элемент видеоОЗУ, обозначает дисплей, чего не было в машинах первого и второго поколения.
Шина адреса
Шина данных
Шина управления
к к к
Рис. 2.2 Структурная схема компьютера четвертого поколения
На рис. 2.2 приведена упрощенная магистральная структура с одной шиной. При увеличении потока информации магистраль перегружается, что существенно тормозит работу компьютера. Поэтому в состав современных компьютеров может вводиться несколько дополнительных шин. Например, одна шина может вводиться для обмена с памятью, вторая – для связи с «быстрым», а третья – с «медленным» внешними устройствами.