Глава 2.Технические средства реализации информационных процессов

Глава 2.Технические средства реализации информационных процессов

1. История развития ЭВМ

В качестве наиболее древнего предшественника компьютера принято считать механическое счётное устройство – абак. Абак представляет собою глиняную пластинку с желобами, в которых раскладывались камни, представлявшие числа. В России в XVI—XVII веках появилось намного более передовое изобретение — русские счёты.

В 1642 году Блез Паскаль построил суммирующую машину. Его машина была восьмиразрядной, механической с ручным приводом и могла выполнять операции сложения и вычитания. В 1672 году Готфрид Вильгельм Лейбниц построил механическую машину, которая могла выполнять все четыре арифметические действия. Лейбниц также описал двоичную систему счисления, центральный ингредиент всех современных компьютеров. Однако вплоть до 1940-х, многие последующие разработки были основаны на более сложной в реализации десятичной системе. Примерно в 1820 году Чарльз Томас создал первый удачный, серийно выпускаемый механический калькулятор — Арифмометр Томаса, который мог складывать, вычитать, умножать и делить. В основном, он был основан на работе Лейбница. Механические калькуляторы, считающие десятичные числа, использовались до 1970-х.

Впервые машину, работающую по программе, создал в 1834 году английский ученый Чарльз Бэббидж. Все эти машины были механические, содержали тысячи шестеренок, которые надо было изготовить с высокой точностью. Программу :для машины Бэббиджа записывали на перфокартах. Первым программистом для этой машины была дочь Байрона — Ада Ловлейс, в честь которой уже в наши дни был назван язык программирования Ada.

В 1936 году для формализации понятия алгоритма. была предложена Аланом Тьюрингом абстрактная вычислительная машина (абстрактный исполнитель), получившая название Маши́на Тью́ринга (МТ) [9, 14].

Машина Тьюринга является расширением конечного автомата и, согласно тезису Чёрча — Тьюринга, способна имитировать все другие исполнители (с помощью задания правил перехода), каким-либо образом реализующие процесс пошагового вычисления, в котором каждый шаг вычисления достаточно элементарен.

Машина Тьюринга - очень простое вычислительное устройство. Она имеет ленту бесконечной длины, разделенную на ячейки. Каждая ячейка может быть пустой или содержать символ, выбираемый из некоторого конечного списка. Также машина Тьюринга имеет головку, которая перемещается вдоль ленты и может читать или записывать символы. Машина имеет внутренне состояние, которое может быть либо состоянием останова, либо выражается целым числом между 0 и некоторой максимальной величиной. Когда машина переходит в состояние останова, она заканчивает вычисления. Хотя машина Тьюринга очень проста, однако любое вычисление, которое можно сделать на современном компьютере, может быть выполнено на машине Тьюринга.

Действие, которое будет выполнять машина Тьюринга, зависит только от состояния машины и символа в ячейке, над которой находится головка машины. На основе этой информации (состояния и символа под головкой), машина Тьюринга может выполнить одно из трех действий: записать символ в ячейку (возможно тот же самый, который в ней уже находился ), передвинуться на одну ячейку вправо или влево, установить внутреннее состояние (возможно то же самое, в котором машина находится в данный момент).

Машина Тьюринга работает согласно таблице правил или программе, которая определяет, что надо делать в случае различных комбинаций текущих состояний и символов, прочитанных с ленты.

Можно сказать, что машина Тьюринга представляет собой простейшую вычислительную машину с линейной памятью, которая согласно формальным правилам преобразует входные данные с помощью последовательности элементарных действий.

Элементарность действий заключается в том, что действие меняет лишь небольшой кусочек данных в памяти (в случае машины Тьюринга — лишь одну ячейку), и число возможных действий конечно. Несмотря на простоту машины Тьюринга на ней можно вычислить все, что можно вычислить на любой другой машине, осуществляющей вычисления с помощью последовательности элементарных действий. Это свойство называется полнотой.

Эмилем Леоном Постом была предложена абстрактная вычислительная машина, получившая название Машина Поста (МП). Она отличается от машины Тьюринга большей простотой. Обе машины «эквивалентны» и были созданы для уточнения понятия «алгоритм».

В 1939 году Джон Винсент Атанасов и Клиффорд Берри из Университета штата Айова разработали Atanasoff-Berry Computer (ABC). Это был первый в мире электронный цифровой компьютер. Конструкция насчитывала более 300 электровакуумных ламп, в качестве памяти использовался вращающийся барабан. Несмотря на то, что машина ABC не была программируемой, она была первой, использующей электронные лампы в сумматоре.

В 1944 году начал работать электромеханический компьютер общего назначения Mark I с использованием десятичной арифметики. Машина программировалась с помощью перфоленты, и имела несколько вычислительных блоков, работающих параллельно.

Первой действующей электронно-вычислительной машиной (ЭВМ) стал ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer, США, 1946 год) – «ЭНИАК». Руководили проектом американцы Джон Моучли и Дж. Преспер Эккерт . Эта машина содержала около 18 тыс. электроламп, множество электромеханических элементов и потребляла 150 кВт электроэнергии. эта машина была в 1000 раз быстрее, чем все другие машины того времени.

Переработав идеи Эккерта и Моучли, а также, оценив ограничения «ЭНИАК», в 1946 году группа учёных во главе с Джоном фон Нейманом (Герман Голдстайн, Артур Беркс) опубликовали статью «Предварительное рассмотрение логической конструкции Электронно-вычислительного устройства». Это был отчёт, описывающий проект компьютера (EDVAC), в котором и программа, и данные хранятся в единой универсальной памяти. Имя фон Неймана было достаточно широко известно в науке того времени, что отодвинуло на второй план его соавторов, и данные идеи получили название «Принципы фон Неймана».

Принципы фон Неймана:

1. 
   Принцип использования двоичной системы счисления для представления данных и команд.
   
2. 
   Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности.
   
3. 
   Принцип однородности памяти. Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления — чаще всего двоичной). Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
   
4. 
   Принцип адресуемости памяти. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.
   
5. 
   Принцип последовательного программного управления. Все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой.
   
6. 
   Принцип условного перехода. Сам принцип был сформулирован задолго до фон Неймана Адой Лавлейз и Чарльзом Бебиджем, однако он добавлен в общую архитектуру.
   

Наличие заданного набора исполняемых команд и программ было характерной чертой первых компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют с целью упрощения конструкции вычислительного устройства. Так, настольные калькуляторы, в принципе, являются устройствами с фиксированным набором выполняемых программ. Их можно использовать для математических расчётов, но невозможно применить для обработки текста и компьютерных игр, для просмотра графических изображений или видео. Изменение встроенной программы для такого рода устройств требует практически полной их переделки, и в большинстве случаев невозможно. Всё изменила идея хранения компьютерных программ в общей памяти. Ко времени её появления использование архитектур, основанных на наборах исполняемых инструкций, и представление вычислительного процесса как процесса выполнения инструкций, записанных в программе, чрезвычайно увеличило гибкость вычислительных систем в плане обработки данных. Один и тот же подход к рассмотрению данных и инструкций сделал лёгкой задачу изменения самих программ.

Первой работающей машиной с архитектурой фон Неймана стал манчестерский «Baby» — Small-Scale Experimental Machine (Малая экспериментальная машина), созданный в Манчестерском университете в 1948 году. В 1949 году за ним последовал компьютер Манчестерский Марк I, который уже был полной системой, с трубками Уильямса и магнитным барабаном в качестве памяти, а также с индексными регистрами. Другим претендентом на звание «первый цифровой компьютер с хранимой программой» стал EDSAC, разработанный и сконструированный в Кембриджском университете. Заработавший менее чем через год после «Baby», он уже мог использоваться для решения реальных проблем. Многие считают, что Манчестерский Марк I / EDSAC / EDVAC стали прообразами, от которых ведут свою архитектуру почти все современные компьютеры.

Первый универсальный программируемый компьютер в континентальной Европе был создан командой учёных под руководством Сергея Алексеевича Лебедева из Киевского института электротехники СССР. ЭВМ МЭСМ (Малая электронная счётная машина) заработала в 1950 году. Она содержала около 6000 электровакуумных ламп и потребляла 15 кВт. Машина могла выполнять около 3000 операций в секунду. Создание ЭВМ велось полностью самостоятельно.

Первой советской серийной ЭВМ стала «Стрела», производимая с 1953 года на Московском заводе счётно-аналитических машин. «Стрела» относится к классу больших универсальных ЭВМ (Мейнфрейм) с трёхадресной системой команд. ЭВМ имела быстродействие 2000-3000 операций в секунду.

Одной из лучших в мире для своего времени была БЭСМ-6, созданная в середине 60-х годов.

В 1955 году Морис Уилкс изобретает микропрограммирование, принцип, который позднее широко используется в микропроцессорах самых различных компьютеров. Микропрограммирование позволяет определять или расширять базовый набор команд с помощью встроенных программ (которые носят названия микропрограмма или firmware).

Различают несколько поколений электронных вычислительных машин на основе физико-технологического принципа: машину относят к тому или иному поколению в зависимости от использования в ней физических элементов или технологий её изготовления.

В основе базовой системы элементов машин первого поколения лежали электронные лампы. Они определяли достоинства и недостатки цифровых устройств. Лампы были долговечны и достаточно надежны. Однако они работали с напряжением в десятки вольт, расходовали много энергии, занимали большой объём. Для их охлаждения требовалось решить трудные технологические задачи.

Приход полупроводниковой техники (транзистор изобретен в 1948 году) резко изменил ситуацию. ЭВМ сильно уменьшились в размерах, стали меньше потреблять электроэнергии, их стоимость также снизилась, а быстродействие увеличилось. Появились крупные фирмы по производству компьютеров широкого назначения: International Business Machines (IBM), Control Date Corporation (CDC), Digital Equipment Corporation (DEC). Уже начиная со второго поколения, электронно-вычислительные машины стали делиться на большие, средние и малые по признакам размеров, стоимости и вычисли­тельных возможностей.

В начале 70-х годов XX века с появлением интегральных технологий в электронике были созданы микроэлектронные устройства, содержащие несколько десятков транзисторов и резисторов на одной небольшой кремниевой подложке. Без пайки на них "выращивались" электронные схемы, выполняющие функции основных логических узлов ЭВМ. Так появились интегральные схемы (ИС), которые позволили резко уменьшить размеры полупроводниковых схем и снизить потребляемую мощность. На их основе строились ЭВМ, которые выполнялись в виде одной стойки и периферийных устройств. В то же время радикально изменились возможности программирования. Программы стали писаться на языках высокого уровня (ЯВУ). В 1971 году компанией Intel было создано устройство, реализующее на одной крошечной микросхеме функции процессора. Появилась новая отрасль промышленности— микроэлектроника, которая стала производить большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы. 1976 год стал началом эры массового появления персональных ЭВМ, первым представителем которой стал Apple, созданный американцами Возняком и Джобсом. В 1981 г. IBM выпустила свои персональные компьютеры IBM PC XT и PC AT, которые были оснащены операционной системой MS DOS, созданной фирмой Microsoft. С тех пор IBM PC стала самой популярной "персоналкой" в мире.

К 1990 году микроэлектроника подошла к пределу, разрешённому физическими законами. В дальнейшем совершенствований ЭВМ видны два пути. На физическом уровне это переход к использованию иных физических принципов построения узлов ЭВМ — на основе оптоэлектроники и криогенной электроники, использующей сверхпроводящие материалы при низких температурах. Кроме того должна повыситься роль сетей ЭВМ, позволяющих разделить решение задачи между несколькими компьютерами.

2. 
   
   жүктеу/скачать 0.8 Mb.
   
   Достарыңызбен бөлісу: