Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Информатика arrow Информационные системы и технологии на предприятиях

Аппаратное обеспечение

Для информатизации общества и бизнеса нужны программно-аппаратные средства, вычислительная техника и устройства связи. Различные технические средства обеспечивают прием и передачу основных видов информации - речи, данных, изображения в статике и динамике - на физическом уровне с максимальным использованием слуха и зрения. Напрямую с человеком связаны относительно громоздкие устройства, обеспечивающие прохождение разнообразных человеко-машинных входных и выходных потоков информации (дисплеи, клавиатуры, печати ные устройства, сканеры, мыши, джойстики и т.п.). Технические средства связи обеспечивают передачу потоков информации к окружающей среде. На предприятии в зависимости от масштаба и специфики производства для хранения и обработки информации могут использовать от одного до тысячи компьютеров.

Компьютер машина - это техническое устройство, предназначенное для ввода, хранения, обработки и вывода информации.

Общие принципы работы вычислительных устройств сформулированные фон Нейманом.

Архитектура ЭВМ

Термин "архитектура ЭВМ" используется для описания общих принципов действия, конфигурации основных логических узлов ЭВМ, а также взаимодействия между ними.

Архитектура вычислительной системы описывает принципы ее работы на функциональном уровне безотносительно к физической реализации. С точки зрения архитектуры представляют интерес лишь наиболее общие связи и принципы, присущие многим конкретным реализациям вычислительных машин. Часто говорят даже о семейства ЭВМ, то есть группы моделей, совместимых между собой В пределах одного семейства основные принципы функционирования машин одинаковые, хотя отдельные модели могут существенно различаться по производительности, стоимости и другим параметрам. К архитектуре относятся:

o структура памяти ЭВМ;

o способы доступа к памяти и внешним устройствам;

o возможность изменения конфигурации компьютера;

o система команд;

o форматы данных;

o организация интерфейса.

Краткая история развития вычислительной техники

Современным компьютерам предшествовали механические и электромеханические устройства. Так, В. Шикард создал часы со специальными вычислениями. Это была шестирозрядна машина, которая могла складывать и вычитать числа и информировать пользователя о переполнении данных звонком. У1642 г. французский математик Б. Паскаль сконструировал десятичное колесо для счетов, которое могло суммировать числа до восьми знаков.

Вычислительные устройства распространились в 1820 г., когда француз Ч. Кальмар изобрел арифмометр - машину, которая могла производить четыре основных арифметических действия. Благодаря своей универсальности арифмометры использовались достаточно долго. Много ученых и изобретателей усовершенствовали эти устройства. Так, в 1880 г. швед В. Однер, что жил в России, создал арифмометр с переменным числом зубцов, аналог которого "Феликс" выпускался в Советском Союзе до 70-х годов XX ст.

Начало эры компьютеров связан с именем Ч. Бэббиджа - английского математика, который обратил внимание на то, что машина способна выполнять сложные математические вычисления путем многократного повторения простых шагов. Для повторения операций в машине Ч. Бэббиджа, предназначенной для решения дифференциальных уравнений, использовалась энергия пара. Таким образом, процесс вычислений был автоматизирован, то есть проходил без участия человека. Аналитическая машина Ч. Бэббиджа, состоявшая более чем из 50 000 деталей, имела все основные компоненты современного компьютера: устройство ввода информации, блок управления, запоминающее устройство и устройство вывода результатов. Ч. Бэббидж предложил общую структуру вычислительной машины, где была реализована действие условного перехода. Аналитическая машина могла выполнять определенный набор инструкций, что записывались на перфокарты - инструкции аналитической машины соответствовала определенная последовательность отверстий на перфокарті. В 1843 г. для машины Ч. Бэббиджа А. Лавлейс (первый программист в мире) написала первую сложную программу (расчет чисел Бернулли), используя бинарную систему счисления. Идеи Ч. Бэббиджа и А. Лавлейс опередили свое время более чем на столетие и не могли быть полноценно реализованы в то время, однако они повлияли на развитие вычислительной техники.

Предпосылкой электромеханического этапа развития вычислительной техники была необходимость большого количества расчетов в промышленности, экономике, военном деле. В 1889 г. Д. Фелт изобрел первый настольный калькулятор, а американский изобретатель Г. Холлерит сконструировал устройство для решения статистических задач, применялся с целью обработки результатов переписи населения США. В нем перфокарты использовались для хранения данных. Специальный электрический прибор распознавал отверстия на перфокартах и посылал сигналы в устройство обработки. В 1896 г. Г. Холлерит основал компанию по производству перфораторов Tabulating Machine Company, которая в 1924 г. после серии объединений превратилась в известную International Business Machines (IBM).

В начале 30-х годов счетно-перфорационная техника использовалась в Советском Союзе для астрономических расчетов. В 40-х годах были созданы сложные релейные системы с программным управлением, стали прямыми предшественниками электронно-вычислительных машин (К. Конрад, Д. Атана-сов, Г. Эйткен). В машине К. Цузе (1938 г.) программа записывалась на перфорированную киноленту (подобно тому, как это было реализовано в первых отечественных машинах "Урал"). Машина Z1 могла работать с рациональными числами. Идеи К. Цузе (например, параллельное программирование) опередили время почти на полвека. Д. Атаиасов создал и запатентовал первые электронные схемы узлов электронно-вычислительной машины (ЭВМ) (триггер Бонч-Бруевича - в 1913 г.) и в 1942 г. построил ЭВМ, которая выполняла сложение и вычитание. Электронная машина Colossus была создана А. Тьюрингом в 1943 г. с функцией дешифрования. У1936 г. английский математик А. Тьюринг и независимо от него американский математик и логик Э. Пост выдвинули и разработали концепцию абстрактной вычислительной машины. Машина А. Turing - гипотетический универсальный преобразователь дискретной информации, моделирует вычислительные системы. А. Тьюринг и Э. Пост показали принципиальную возможность решения любой проблемы, что поддается алгоритмизации, с помощью конечных автоматов.

Развитие современной вычислительной техники принято рассматривать с точки зрения смены поколений компьютеров. Кроме элементной базы и времени использования, учитывают такие параметры, как быстродействие, архитектура, программное обеспечение, уровень развития внешних устройств. Еще одним качественным показателем является область применения компьютеров.

В развитии ЭВМ выделяют пять поколений компьютеров. В основу классификации можно положить элементную базу, по которой строят ЭВМ (табл. 4.2).

И поколения. 1945-1955 гг. - на электронных лампах, В 1946 г. Дж. Моучлі и Дж .П. Эккерт сконструировали первую электронную вычислительную машину ENIAC (Электронный вычислительный интегратор и калькулятор). В ENIAC электромеханические реле были заменены на электронные вакуумные лампы (он содержал 18 000 вакуумных ламп и 70 000 резисторов). ENIAC оказался универсальной вычислительной машиной. Он использовался для расчетов в отрасли атомной энергетики, прогнозов погоды, аэродинамики и т.д.

Классическая архитектура ЭВМ и принципы Дж. фон Поймана. В 1945 г. американский математик Дж. фон Нейман, присоединившись к группе разработчиков ENIAC, описал архитектуру будущего компьютера EDV АС. Он предложил ввести в состав компьютера специальное устройство для хранения команд и данных - память - и реализовать возможность передачи управления от одной программы к другой.

В процессе работы по созданию первой в мире ламповой ЭВМ в 1946 г. были сформулированы базовые принципы построения ЭВМ, которые актуальны и сейчас, а именно: обоснование преимущества использования двоичной системы для представления информации и сохранение программы как набора битов в той же памяти, что и информации, которую эта программа обрабатывает.

Общая схема работы вычислительной машины может быть представлена следующим образом: работа выполняется по заранее разработанной программе - последовательностью команд; эти команды выполняются одна за другой, пока не будет выполнена последняя из них; последовательность выполнения команд может быть изменен с помощью команд передачи управления.

Дж. фон Нейман также предложил структуру ЭВМ, до основных блоков которой входят устройство управления и арифметико-логическое устройство, внутренняя память, внешняя память, устройства ввода-вывода. Устройство управления и а риф цели ко-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок - процессор.

Информация хранится в памяти, которая делится на оперативную и внешнюю. Оперативная содержит промежуточные результаты и данные, непосредственно используются, а внешняя - информацию, необходимую для дальнейшего использования. Внешние запоминающие устройства имеют гораздо большую емкость по сравнению с оперативными, но с более медленным доступом.

В 1945 г. фон Нейман подготовил отчет, в котором определил архитектуру и основные принципы работы компьютера:

1. Компьютер состоит из процессора, памяти и внешних устройств.

2. Единственным источником активности в компьютере есть процессор, которым руководит программа, находящаяся в памяти.

3. Память компьютера состоит из ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный адрес. Каждая из ячеек сохраняет команду программы или элемент данных.

4. В любой момент процессор выполняет одну команду программы, адрес которой находится в счетчике команд.

5. Информация поступает в процессор из памяти или от внешних устройств. Преобразование информации происходит только в регистрах процессора.

6. Каждая команда программы содержит следующие распоряжения:

o из каких ячеек взять информацию;

o какие операции выполнить с этой информацией;

o в какие ячейки памяти поместить полученный результат;

o как изменить содержимое счетчика команд.

Процессор выполняет команды программы в соответствии с изменением содержимого счетчика команд, пока не получит команду остановиться.

Разработаны Дж. фон Нейманом основы архитектуры ЭВМ оказались настолько фундаментальными, что получили в литературе название "фон-нейманівська архитектура". В 1951 г. Д. Эк-керттаДж. Моучлі построили UNIVAC - первый компьютер, в котором были реализованы все принципы фон-нейманівської архитектуры, продав первый экземпляр этой машины департамента переписей населения США. UNIVAC стал первым американским коммерческим компьютером. Он стоил миллионы долларов и мог выполнять около 5000 операций за одну секунду.

Подавляющее большинство вычислительных машин сегодня составляют фон-нейманівські машины. Очевидно, значительное отклонение от фон-нейманівської архитектуры произойдет в результате развития идеи машин пятого поколения, в основе обработки информации в которых лежат не вычисления, а логические выводы.

Работы по созданию вычислительных машин выполнялись также в Советском Союзе. Группа ученых-кибернетиков под руководством академика С.А. Лебедева (Л.Н . Дашевский, Е.А. Шкабара и др.) начала разработку первой отечественной ЭВМ МЕЛМ (Малая электронная счетная машина) в киевском Институте электротехники АН УССР в 1947-1948 pp. В ноябре 1950 г. заработал макет МЕЛМ, на то время самой быстрой в Европе, а 25 декабря 1951 г. машину было принято в эксплуатацию. Машина оперировала с 20-цифровыми бинарными кодами со скоростью 50 операций в секунду, имела оперативную память в 100 ячеек на электронных лампах.

В начале 50-х годов на МЕЛМ решали задачи известные советские математики и механики А.А. Дородніцин, O.A. Ля-пунов, А.Ю. Ішлінський, М.В. Келдыш, М.А. Лаврентьев, Б.В. Гнеденко и др. На ней работали первые советские программисты М.Р. Шура-Бура, B.C. Коро люк, К.Л. Ющенко и др.

В декабре 1957 г. на базе лаборатории вычислительной техники Института математики был создан Вычислительный центр АН УССР, который возглавил В.М. Глушков. С самого начала деятельность центра направлена на развитие широкого комплекса фундаментальных и прикладных исследований в области электронной вычислительной техники и ее применений, на решение проблем теоретической и прикладной кибернетики, прикладной математики. Время от создания Вычислительного центра до его преобразования в Институт кибернетики (1962 г.) был начальным периодом развития кибернетики и информатики в Украине, а период создания и освоения МЕЛМ (1948 - 1953 гг.) - начальным этапом развития электронно-вычислительной техники в СССР.

II поколения. 1956-1965 гг. - на полупроводниковых транзисторах. Транзистор был изобретен в 1947 г. сотрудниками американской компании "Белл". Шокли, Дж. Барди-им и В. Бреттейном. По сравнению с электронными вакуумными лампами транзисторы, что использовали электрические свойства полупроводников, занимали в 200 раз меньше места и потребляли в 100 раз меньше электроэнергии. Тогда появились новые технологии хранения информации на основе ферритовых сердечников, что давало возможность значительно увеличить емкость памяти компьютера при одновременном уменьшении ее размеров. В 1956 г. в Массачусетском технологическом институте был создан первый компьютер, полностью построенный на транзисторах.

Машинная речь, которая применялась в первом поколении компьютеров, была неудобной для восприятия человеком. Чтобы преодолеть это, был разработан ассемблер - язык, в котором для кодирования команд применялись мнемонические обозначения, а для данных, хранящихся в памяти, - имена, которые соответствовали их содержанию.

Расширение сферы применения компьютеров потребовало создания языков высокого уровня. Одними из первых таких языков стали Фортран (FORmula TRANslation), предназначена для сложных формульных вычислений, и Кобол (COmmonBussiness Oriented Language), ориентированная на обработку финансово-экономических данных.

III поколения. 1965-1971 гг. - на интегральных микросхемах. Идея интегральной микросхемы - кремниевого кристалла, на котором монтируются миниатюрные транзисторы и другие элементы, - была предложена в 1958 г. инженером компании Texas

Instruments Дж. Килби. Он изготовил первый образец микросхемы, в которой на кристалле германия находились пять транзисторов. В 1959 г. независимо от него Г. Нойс, который впоследствии основал компанию Интел, разработал аналогичную интегральную микросхему на кристалле кремния. Микросхемы работали значительно быстрее, чем транзисторы, были компактными и потребляли гораздо меньше электроэнергии. На основе этой технологии стали разрабатываться микросхемы, содержащие сотни и тысячи элементов.

В 1964 г. компания IBM выпустила компьютер IBM System 360, построен на основе интегральных микросхем. По выпуску компьютеров этой серии началось массовое производство вычислительной техники.

Параллельно с развитием вычислительной техники совершенствовалось и программное обеспечение. В 1964 г. появился язык программирования Бейсик (BASIC - beginner's All-Purpose Symbolic Instruction Code), что дало возможность людям легко овладеть навыками программирования. В 1970 г. швейцарец Н. Вирт разработал язык программирования Паскаль, специально предназначенную для обучения структурному программированию.

IV поколения. С 1971 г. - на микропроцессорах. В 1969 г. компания Intel выпустила микропроцессор - интегральную микросхему, на которой находился устройство обработки информации с собственной системой команд. В 1971 г. был создан чотириро-зрядний микропроцессор І4004 - основа калькуляторов, которые можно программировать. Использование микропроцессоров значительно упростило конструкцию компьютеров. Практически сразу на их основе появились персональные компьютеры, характерной чертой которых стали низкая цена и небольшие размеры.

29 октября 1969 г. состоялось испытание первой глобальной сети ARPANet, которая объединяла 4 американские университеты, а в 1974 г. В. Серф предложил изменить название ARPANet на Internet.

Основатели фирмы Apple С. Джобс и С. Возняк собрали первую модель персонального компьютера в 1976 г. А в 1981 г. крупнейшая компьютерная компания IBM представила свой первый персональный компьютер - IBM PC. В течение двух лет было продано более пяти миллионов этих компьютеров. В то же время компания Microsoft начала выпуск программного обеспечения для IBM PC.

В 1995 p. Intel выпустил новый процессор Pentium Pro, который содержал 5,5 млн транзисторов. Персональные компьютеры с процессорами Pentium способны выполнять 400 миллионов операций за секунду. По прогнозам, в 2012 году они будут способны выполнять более 100 миллиардов операций в секунду.

V поколения. Быстродействие компьютеров с фон-нейманівською архитектурой ограничена скоростью света, с которой электроны движутся внутри схем ЭВМ. Поэтому исследователи подвергают ревизии эти принципы структуры ЭВМ. Однако подходы, основанные на замене одного или двух принципов фон Неймана, не дали желаемых результатов. Причина неудач крылась в органическом единстве всех трех принципов. Наиболее успешную попытку ревизии традиционных принципов архитектуры ЭВМ совершил в середине 70-х годов советский ученый-академик В.М. Глушков.

В работах В.М. Глушкова ревизии подвергались все три основные принципы фон Неймана. Низкий уровень машинного языка вступает в конфликт со стремлением пользователя применять разнообразные и мощные средства обработки данных. Линейная организация памяти не адекватная сложным типам данных, применяемые в современных алгоритмических языках. Последовательное централизованное управление приводит к огромному количеству обменов элементарными командами между центральным процессором и оперативной памятью ЭВМ.

Академик Глушков предложил принципы построения машин не фон-нейманівського типа, способных настраивать свою архитектуру на тип задач и максимально использовать роз-паралелювання алгоритмов. Идеи Глушкова близки к концепции ЭВМ пятого поколения. Такая ЭВМ макроконвеєрного типа реализована коллективом ученых Института кибернетики АН УССР. Макроконвеєрність означает, что алгоритм решения задачи или класса задач разбивается на отдельные независимые блоки, которые обмениваются между собой информацией об исполнении одновременно с высокой скоростью.

Сейчас развитие индустрии ЭВМ характеризуется переходом к ЭВМ нового, пятого поколения. Эту ЭВМ можно охарактеризовать как ЭВМ с большой производительностью, интеллектуальностью, что приближается к человеческой, и способностью вступать во взаимодействие с другими вычислительными средствами и с людьми. Высокая интеллектуальность компьютеров пятого поколения поддерживается параллельным решением задач. Вычислительные системы пятого поколения ориентированы на обработку информации о знания на основе развитых логических возможностей. Лю-дино-машинный интерфейс значительно приближается к формам общения между людьми. Проекты ЭВМ пятого поколения разрабатываются во многих промышленно развитых странах. Наиболее знаменитым является японский проект.

 
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 
Предметы
Агропромышленность
Банковское дело
БЖД
Бухучет и аудит
География
Документоведение
Естествознание
Журналистика
Инвестирование
Информатика
История
Культурология
Литература
Логика
Логистика
Маркетинг
Математика, химия, физика
Медицина
Менеджмент
Недвижимость
Педагогика
Политология
Политэкономия
Право
Психология
Региональная экономика
Религиоведение
Риторика
Социология
Статистика
Страховое дело
Техника
Товароведение
Туризм
Философия
Финансы
Экология
Экономика
Этика и эстетика
Прочее