Из истории развития вычислительной техники
В истории развития вычислительной техники можно особо выделить вклад некоторых ученых, чьи идеи оказали решающее влияние на ее дальнейшее развитие. Это Клод Шеннон, Джон фон Нейман, Алан Тьюринг, Норберт Винер, Конрад Цузе.
Джон фон Нейман (1903-1957), американский математик и физик. Фон Нейману принадлежат новаторские работы по компьютерной теории, связанные с логической организацией компьютеров, проблемами функционирования машинной памяти, имитацией случайности, проблемами самовоспроизводящихся систем. В 1944 году фон Нейман, в качестве консультанта по математическим вопросам, присоединился к группе Мокли и Эккерта, занятой созданием машины ENIAC. Тем временем в группе началась разработка новой модели, EDVAC, которая, в отличие от предыдущей, могла бы хранить программы в своей внутренней памяти. В 1945 году Нейман опубликовал "Предварительный доклад о машине EDVAC", в котором описывалась сама машина и ее логические свойства. Описанная Нейманом архитектура компьютера получила название "фон Неймановской", и таким образом ему было приписано авторство всего проекта. Это вылилось впоследствии в судебное разбирательство о праве на патент и привело к тому, что Эккерт и Мокли покинули лабораторию и основали собственную фирму. Тем не менее, "архитектура фон Неймана" была положена в основу всех последующих моделей компьютеров.
Архитектура фон Неймана
По фон Нейману вычислительная машина строится на следующих принципах:
основными блоками ее являются блок управления, арифметико-логическое устройство, запоминающее устройство и устройства ввода-вывода;
программы и данные хранятся в одной и той же памяти, и, таким образом, концепция хранимой программы является основной;
устройство управления и арифметическое устройство, обычно объединенные в центральный процессор (который может содержать внутреннюю память в виде накопителей и разнообразных регистров), определяют действия, подлежащие выполнению, путем считывания команд из оперативной памяти.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические, логические операции. Команды АЛУ – просты: "сравнить два числа", "переслать число", "сложить" и др.
Устройство управления (УУ) организует работу ЭВМ, в частности это устройство извлекает очередную команду из памяти, расшифровывает команду, выбирает из памяти операнды к расшифрованной команде и передает их АЛУ для выполнения расшифрованной операции, а после выполнения пересылает результат для хранения в память. При этом УУ реагирует на нормальный или аварийный ход выполнения операции.
Совокупность АЛУ и УУ, информационно-управляющих линий называется процессором компьютера.
Отсюда следует, что программа для фон-неймановской вычислительной машины состоит из набора команд, которые выполняются одна за другой. Адрес очередной ячейки памяти, из которой следует брать команду, указывается "счетчиком команд" в устройстве управления. Также следует, что данные, с которыми работает программа, могут включать в себя отдельные поименованные переменные и области памяти, так что к запомненным в них значениям можно впоследствии обращаться или менять их во время выполнения программ с использованием присвоенных имен. Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день — это фон-неймановские машины.
Разнообразие современных ЭВМ необычайно велико, что говорит о внедрении вычислительной техники в самые различные сферы деятельности человека. Весь спектр современных вычислительных систем можно разделить на три больших класса: мини-ЭВМ (включая персональные компьютеры), мейнфреймы, суперкомпьютеры. В настоящее время эти классы разнятся не столько по внешнему виду, сколько по функциональным возможностям.
Каждый класс ЭВМ продолжает пополняться новыми представителями. Стремительное развитие вычислительной техники делает затруднительным проведение четкой грани между разными классами ЭВМ. Можно сказать, что в целом в результате совершенствования технологии изготовления ЭВМ происходит увеличение их мощности и уменьшение габаритов. Так, современные микро-, мини-ЭВМ и персональные компьютеры обладают практически теми же возможностями, которыми обладали большие ЭВМ 60-х годов 20 века.
Несмотря на разнообразие типов ЭВМ, все они построены на основе некоторых общих принципов. Эти принципы были сформулированы в 40-х годах нашего столетия выдающимся американским математиком Джоном фон Нейманом.
Структурная схема ЭВМ, показанная на рисунке, широко использовалась в первых вычислительных машинах. Затем, при последующем развитии ЭВМ, она модернизировалась, так как имела существенный недостаток, связанный с тем, что управление вводом-выводом и выполнение команд в этой структуре осуществлялось общим устройством управления. При такой структуре ЭВМ все виды обработки программы на время выполнения операций ввода-вывода прекращались из-за занятости процессора, что существенно снижало быстродействие ЭВМ.
Для устранения этого недостатка в состав ЭВМ было включено дополнительное устройство — канал ввода-вывода — устройство, обеспечивающее взаимодействие процессора и периферийных устройств.
Каналы обеспечивали не только независимый доступ к памяти, но и автономное управление специальными операциями ввода-вывода. Фактически каждый из каналов представлял собой небольшой специализированный процессор обмена. Они имели специфическую систему команд, обеспечивающую только выполнение функций по вводу и выводу информации параллельно с центральным процессором ЭВМ. Таким образом, в ЭВМ унифицировались принципы обмена с внешними устройствами
Изменения элементно-технологической базы привели к изменению сложившихся принципов проектирования вычислительной техники. На смену ЭВМ третьего поколения (70-80гг. ХХвека) приходят микро- и мини-ЭВМ, основанные на идеях проблемной ориентации систем, параллельной и конвейерной обработки информации. Развиваются принципы регулярности и однородности структур на различных уровнях организации, становится реальной возможностью идея создания адаптивно перестраиваемых вычислительных систем, конфигурация которых изменяется в процессе решения задачи с целью наиболее эффективной организации вычислительного процесса и обеспечения живучести системы. Характерной чертой развития средств вычислительной техники является аппаратная реализация функций математического обеспечения, что позволяет существенно повысить производительность вычислительных систем.
Дальнейшее развитие получает принципы модульности, магистральности и микропрограммируемости. По сравнению с ЭВМ общего назначения эти машины меньше по объему и габаритным размерам, проще по устройству, дешевле и удобнее в эксплуатации.
Обмен информацией с компьютером осуществляется устройствами ввода и устройствами вывода.
Пример. Устройствами ввода являются, например, клавиатура, мышь. Устройствами вывода — дисплей, принтер, плоттер.
Персональные компьютеры
Распространенный тип компьютера – персональный компьютер. Персональный компьютер отвечает требованиям малой стоимости, малых размеров, малого энергопотребления, высокой надежности, высокого уровня интеграции компонентов, адаптируемости к разнообразным применениям и др.
Ядро персонального компьютера – системная (материнская плата), на которой размещаются: микропроцессор, микропроцессорная память, интерфейсная система микропроцессора для сопряжения и связи с другими устройствами, генератор тактовых импульсов, контроллеры устройств (схем), интегрированных в материнскую плату, микросхемы ОЗУ и ПЗУ и др.
Другими важными устройствами персонального компьютера являются:
дисковод гибких магнитных дисков; дисковод жестких магнитных дисков;
CD-ROM (устройство только для чтения компакт-дисков) или CD-RW (чтение и перезапись);
монитор (дисплей);
видеокарта (видеоадаптер) для обеспечения связи системного блока и монитора;
клавиатура;
принтер;
сканер;
плоттер (графопостроитель);
дигитайзер (кодирующий планшет);
манипулятор - мышь или манипулятор - трекбол;
звуковая карта (адаптер);
звуковые колонки;
модем и другие устройства.
Классификация компьютеров
Классификацию компьютеров проводят по быстродействию, технологии использования и др. Дадим обобщенную и поэтому нечеткую и перекрывающуюся классификацию.
Суперкомпьютеры – наиболее мощные компьютеры в мире, используемые для решения очень сложных и очень больших задач (исследования космоса, ядерной физики, геологии и др.).
Компьютеры универсального назначения, используемые для решения сложных и больших задач (мэйнфреймы).
Персональные компьютеры, используемые в индивидуальном порядке для решения как несложных и небольших, так и сложных, больших задач.
Пример. Супервычислительный центр может быть создан для решения государственных проблем, например обороны, изучения космоса, прогноза погоды, макроэкономического прогнозирования и др. В этом центре могут использоваться как персональные компьютеры на рабочих местах сотрудников, так и компьютеры общего, универсального назначения для решения менее сложных, например вспомогательных проблем.
При работе на компьютере необходимо следовать определенным и простым санитарно-гигиеническим правилам , так как компьютер имеет вредно влияющие на здоровье человека факторы: излучения (инфракрасное, рентгеновское, электромагнитное); вибрация и шум; электростатические поля; ультразвук строчной частоты монитора и др.
Необходимо соблюдать простые санитарно-гигиенические и эргономические правила работы на компьютере, в компьютерном зале:
работа с компьютером не более 4-х часов подряд с 10-минутными перерывами после каждого часа интенсивной работы или после 2-х часов менее интенсивной работы;
расстояние от глаз до поверхности экрана – не менее 0,6 м;
перемещаемость клавиатуры относительно экрана в пределах 0,5-1,0 м;
преимущественно желтый, зеленый, серый или светло-голубой фон дисплея;
температура воздуха в помещении – 15-25 градусов по Цельсию;
относительная влажность помещения – 45-75%;
наличие свободной площади рабочего стола не менее 0,3x1,0 м;
размер экрана по диагонали – не меньше 17 дюймов;
разрешение экрана – не менее 800x600;
частота обновления кадра – не менее 70 Гц;
размер зерна экрана (расстояние между точками на экране) – не более 0,26;
частота кадров (мерцание экрана) – не менее 75 Гц;
стандарты безопасности, например MPR-II.
Минимальный объем знаний, который необходим для решения профессиональных задач и приобщения к знаниям, накопленным с помощью компьютера и различных информационных систем и сетей, а также для решения различных бытовых задач с помощью компьютера, называют компьютерной грамотностью.