Этапы развития вычислительной техники. Основные технические характеристики современного персонального компьютера.
Этапы развития вычислительной техники. Основные технические характеристики современного персонального компьютера.
Первое поколение ЭВМ. Вторая мировая война, как ни чудовищно это звучит, способствовала ускорению разработки новых автоматических вычислительных машин. Конструируемое современное вооружение требовало проведения быстрых вычислений, например, для систем наведения при управлении зенитным огнем. Механические системы не могли дать достаточной точности. Военные настаивали на скорейшем проведении исследований и немедленной постройке электронных вычислительных машин.
В 1942 году Джей Пр. Экерт и Джон Маучли вместе со своими сотрудниками-единомышленниками в школе электрических разработок университета штата Пенсильвания задумывают постройку быстродействующей электронно-вычислительной машины. Эта машина предназначалась для проведения математических расчетов в военном деле и получила название "ЭНИАК" (ENIAC, аббревиатура от Electronic Numeral Integrator and Computer – электронный числовой интегратор и вычислитель). Машинное слово у этого компьютера содержало всего 10 десятичных цифр (у компьютера "Марк-1" – 23), однако выполнял он 300 операций умножения за одну секунду! Такой производительности удалось достичь за счет хранения в памяти машины готовых результатов таблиц умножения (вспомогательных таблиц умножения).
Без сомнения, "ЭНИАК" работал намного быстрее предыдущего поколения "релейных" компьютеров.
Однако изумил бы "ЭНИАК" теперешних школьников не столько своими возможностями, сколько размерами и вообще "размахом". Размещалась эта машина на площади 167,3 кв. м и имела мощность более 180 кВт!
В качестве электронных переключателей вместо "медленных" реле "ЭНИАК" использовал 18 тысяч вакуумных ламп, а для ввода и вывода закодированной информации – хорошо знакомые нам перфокарты.
Как и у многих современных вычислительных машин, вычислитель "ЭНИАК" состоял из нескольких блоков-устройств. Один блок умножал, другой мог извлекать квадратный корень и делить. Кроме того, имелось еще 20 десятичных регистров-счетчиков, которые использовались для сложения и для временного результатов. Для чтения чисел из регистров и записи в них требовалось 0,0002 секунды.
Если для вычислений на "ЭНИАК" употреблялись электронные блоки, то программа задавалась вручную с помощью механических переключателей и гибких кабелей со штекерами, вставляемыми в нужные разъемы (кабельные соединения). Это сильно напоминало телефонные станции начала XX века. Фактически программы для "ЭНИАК" не записывались, а "навтыкивались".
Изменение программы вычислений, производимых машиной, требовало немалых (в том числе и физических) усилий.
Еще до окончания постройки "ЭНИАК" машиной заинтересовался выдающийся американский математик Джон фон Нейман (1903−1957) и принял участие в работе группы Маучли-Экерта. Он существенно усовершенствовал машину, предложив создать блок со стандартным набором кабельных соединений всех команд и всех функций.
Управлять процессом вычислений стала программа, хранящаяся в выделенной области памяти. Программа представляла собой набор двоичных чисел, и поскольку была плохо понятна неспециалисту, то ее назвали машинной программой. Каждая команда машинной программы соответствовала определенной функции, то есть определенному кабельному соединению в блоке соединений. Теперь для загрузки новой программы не требовалось делать новые соединения или убирать старые, как при программировании с помощью кабельных соединений. Оставалось только поместить новую программу в память.
Внушительный перечень решенных проблем и широкие возможности применения "ЭНИАК" позволили говорить о появлении первого поколения компьютеров. Однако позже, в 1971 году, право называть "ЭНИАК" первой цифровой вычислительной машиной было оспорено. В более простом вычислителе, построенном под руководством Джона Атанасова в 30-х годах, использовались те же принципы конструирования электронных переключателей на вакуумных лампах. В 1973 году состоялось судебное слушание по этому вопросу, и суд принял решение, что патентные права на основные идеи цифровых электронных машин принадлежат Джону Атанасову. "ЭНИАК" перестал быть первым компьютером на электронных вакуумных лампах.
Тем не менее "ЭНИАК" можно назвать первой успешно функционирующей быстродействующей (с 1946-го до 1955 года) электронной цифровой машиной.
В 1946 году в журнале "Nature" вышла статья Дж. Фон Неймана, Г. Голдстайна и А. Беркса "Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства". В этой статье фон Нейман с соавторами обосновал следующие необходимые для построения любой ЭВМ принципы, лежащие в основе функционирования современных вычислительных машин:
логика работы вычислительного устройства достаточно однозначно определяет его основные компоненты (компьютер должен иметь следующие устройства: арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции; устройство управления, которое организует процесс выполнения программ; запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных; внешние устройства для ввода-вывода информации);
принцип двоичного кодирования всей информации (любая информация (числовая, графическая, текстовая, звуковая) представляется в двоичной системе счисления);
принцип хранимой программы (команды программы и данные по форме представления одинаковы, следовательно, могут храниться в единой памяти);
принцип программного управления (суть этого принципа сводится к трем положениям: 1) любая работа выполняется компьютером по программе; 2) исполняемая программа находится в оперативной памяти; 3) программа выполняется автоматически);
принцип адресации памяти (считывание из памяти и запись в память производится только ячейками ("порциями") из определенного количества бит, все ячейки памяти пронумерованы, номер ячейки принято называть адресом);
принцип иерархической организации различных видов памяти (поскольку требования к объему и скорости считывания из памяти находятся в обратной зависимости, создать единую память, которая была бы достаточной и по объему и по быстродействию, невозможно – необходима иерархия нескольких разновидностей памяти, такая, что чем быстрее она работает, тем меньше ее объем);
принципы реализации машинной арифметики (заложены основы двоичной арифметики для ЭВМ; в качестве базовой операции используется сложение, остальные операции так или иначе сводятся к нему; описано, как реализовывать разветвляющиеся и циклические программы с помощью инструкций перехода и др.).
Принципиальное описание устройства и работы компьютера принято называть архитектурой ЭВМ. Идеи, изложенные в упомянутой выше статье, получили название "архитектура ЭВМ Дж. Фон Неймана".
После второй мировой войны Джон фон Нейман приступил к разработке собственного компьютера, основанного на современных ему идеях. Компьютер получил название IAS (Institute for Advanced Studies – компьютер Института перспективных исследований).
Впервые машина была представлена в 1952 году в Принстоне (США).
В компьютере IAS нашли применение следующие основные принципы, которые были реализованы во всех последующих цифровых машинах:
наличие арифметического устройства для выполнения арифметических действий;
расположение программы и данных в общей памяти;
цикл выполнения программы;
последовательное расположение программы в памяти;
наличие регистров (маленькой, быстрой и большой, медленной памяти) и т.д.
Компьютер IAS работал вполне эффективно, в частности, он производил умножение за 100 микросекунд, а доступ к памяти (чтение из памяти и запись в память) осуществлялся за 50 микросекунд. Для того времени эти результаты были весьма впечатляющими.
Гениальный ученый Джон фон Нейман ушел из жизни слишком рано.
В 1954 году фон Нейман предложил основы алгоритмического языка Фортран, который потом (гораздо позднее) был детально разработан и остается популярным до сих пор. Работы по конструированию вычислительных машин он вел до конца жизни, являясь консультантом в фирме IBM.
Его компьютер IAS может быть назван основным представителем ЭВМ первого поколения.
Второе поколение (период от конца 50-х до конца 60-х годов). В 1949 году в США был создан первый полупроводниковый прибор, заменяющий электронную лампу. Он получил название транзистор. Транзисторы быстро внедрялись в радиотехнику. В 60-х годах транзисторы стали элементной базой для ЭВМ второго поколения. Соединение элементов: печатные платы и навесной монтаж проводов. Габариты значительно уменьшились. Производительность от сотен тысяч до 1 млн. операций в секунду. Упростилась эксплуатация. Во времена второго поколения активно стали развиваться языки программирования высокого уровня. Первыми из них были ФОРТРАН, АЛГОЛ, КОБОЛ, Составление программы перестало зависеть от модели машины, сделалось проще, понятнее, доступнее. Программирование как элемент грамотности стало широко распространяться, главным образом среди людей с высшим образованием.
Большое развитие получили устройства внешней (магнитной) памяти: магнитные барабаны, накопители на магнитных лентах. Благодаря этому появилась возможность создавать на ЭВМ информационно-справочные, поисковые системы. Такие системы связаны с необходимостью длительно хранить на магнитных носителях большие объемы информации.
Третье поколение (период от конца 60-х до конца 70-х годов). Элементная база: интегральные схемы (ИС), которые вставляются в специальные гнезда на печатной плате. Увеличилась производительность от сотен тысяч до миллионов операций в секунду. Более оперативно производится ремонт обычных неисправностей. Увеличились объемы памяти. Первые интегральные схемы содержали в себе десятки, затем – сотни элементов (транзисторов, сопротивлений и др.). Когда степень интеграции (количество элементов) приблизилось к тысяче, их стали называть большими интегральными схемами – БИС; затем появились сверхбольшие интегральные схемы – СБИС.
ЭВМ третьего поколения начали производиться во второй половине 60-х годов, когда американская фирма IBM приступила к выпуску системы машин IBM-360. Это были машины на ИС. Немного позднее стали выпускаться машины серии IBM-370, построенные на БИС. В нашей стране в 70-х годах начался выпуск машин серии ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ) по образцу IBM 360/370.
На машинах третьего поколения появился новый тип внешних запоминающих устройств – магнитные диски. Накопители на магнитных дисках (НМД) работают гораздо быстрее, чем накопители на магнитных лентах (НМЛ). Широко используются новые типы устройств ввода-вывода: дисплеи, графопостроители.
В этот период существенно расширились области применения ЭВМ. Стали создаваться базы данных, первые системы искусственного интеллекта, системы автоматизированного проектирования (САПР) и управления (АСУ).
В 70-е годы получило мощное развитие линия малых (мини) ЭВМ. Своеобразным эталоном здесь стали машины американской фирмы DEC серии PDP. В нашей стране по этому образцу создавалась серия машин СМ ЭВМ (Система малых ЭВМ). Они меньше, дешевле, надежнее больших машин. Машины этого типа хорошо приспособлены для целей управления различными техническими объектами: производственными установками, лабораторным оборудованием, транспортными средствами. По этой причине их называют управляющими машинами. Во второй половине 70-х годов производство мини-ЭВМ превысило производство больших машин.
Четвертое поколение (от конца 70-х годов по настоящее время). Очередное революционное событие в электронике произошло в 1971 году, когда американская фирма Intel объявила о создании микропроцессора. Первоначально микропроцессоры стали встраивать в различные технические устройства: станки, автомобили, самолеты. Такие микропроцессоры осуществляют автоматическое управление работой этой техники. С появлением микропроцессоров связано одно из важнейших событий в истории вычислительной техники - создание и применение микроЭВМ. Существенное отличие микроЭВМ от своих предшественников являются их малые габариты (размеры бытового телевизора) и сравнительная дешевизна. Это первый тип компьютеров, который появился в розничной продаже. Самой популярной разновидностью ЭВМ сегодня являются персональные компьютеры. Начало широкой продажи персональных ЭВМ связано с именами С. Джобса и В. Возняка, основателей фирмы "Эппл компьютер" (Apple Computer), которая с 1977 года наладила выпуск персональных компьютеров "Apple". С 1982 года фирма IBM приступила к выпуску модели персонального компьютера, ставшего эталоном на долгие времена – IBM PC (Personal Computer). Фирма придерживалась принципа открытой архитектуры и магистрально-модульного построения компьютера (любой изготовитель может установить свои комплектующие к компьютеру).
Есть и другая линия в развитии ЭВМ четвертого поколения. Это суперЭВМ. Машины этого класса имеют быстродействие сотни миллионов и миллиарды операций в секунду. Первой суперЭВМ четвертого поколения была американская машина ILLIAK-4, за ней появились CRAY, CYBER и др. Из отечественных машин к этой серии относится многопроцессорный вычислительный комплекс ЭЛЬБРУС. Развитие таких вычислительных систем происходит по пути увеличения числа процессоров и их быстродействия. Современные многопроцессорные вычислительные комплексы включают в себя десятки тысяч процессоров. Их быстродействие исчисляется сотнями миллиардов операций в секунду.
Современные ЭВМ превосходят компьютеры предыдущих поколений компактностью, огромными возможностями и доступностью для разных категорий пользователей. Основные технические характеристики современного персонального компьютера: процессор (быстродействие – тактовая частота, разрядность), оперативная и внешняя память (объем памяти, скорость доступа к памяти и др.), видеопамять, средства ввода-вывода, средства коммуникации и др.
Очень важно правильно выбрать конфигурацию компьютера:
тип основного микропроцессора и материнской платы;
объем основной и внешней памяти;
номенклатуру устройств внешней памяти;
виды системного и локального интерфейсов;
тип видеоадаптера и видеомонитора;
типы клавиатуры, принтера, манипулятора, модема и др.
Важнейшей характеристикой является производительность компьютера. Основными факторами повышения производительности ПК являются:
увеличение тактовой частоты;
увеличение разрядности микропроцессора;
увеличение внутренней частоты микропроцессора;
конвейеризация выполнения операций в микропроцессоре и наличие кэш-памяти команд;
увеличение количества регистров микропроцессорной памяти;
наличие и объем кэш-памяти;
возможность организации виртуальной памяти;
наличие математического сопроцессора;
наличие процессора OverDrive;
пропускная способность системной шины и локальной шины;
пропускная способность локального дискового интерфейса;
организация кэширования дисковой памяти;
объем памяти видеоадаптера и его пропускная способность;
пропускная способность мультикарты, содержащей адаптеры дисковых интерфейсов и поддерживающей последовательные и параллельный порты для подключения принтера, мыши и др.
ЭВМ пятого поколения – это машины недалекого будущего. Основным их качеством должен быть высокий интеллектуальный уровень. Машины пятого поколения – это реализованный искусственный интеллект. В них будет возможным ввод с голоса, голосовое общение, машинное "зрение", машинное "осязание". Многое уже практически сделано в этом направлении.
ЭВМ пятого поколения должны удовлетворять следующим качественно новым функциональным требованиям:
1. Обеспечивать простоту применения ЭВМ путем эффективных систем ввода-вывода информации, диалоговой обработки информации с использованием естественных языков, возможности обучаемости, ассоциативных построений и логических выводов (интеллектуализация ЭВМ);
2. Упростить процесс создания программных средств путем автоматизации синтеза программ по спецификациям исходных требований на естественных языках; усовершенствовать инструментальные средства разработчиков;
3. Улучшить основные характеристики и эксплуатационные качества ЭВМ, обеспечить их разнообразие и высокую адаптируемость к приложениям.
Индекс гингивита (PMA) (Schour, Massler, 1948) Для оценки тяжести гингивита (а в последующем и регистрации динамики процесса) используют папиллярно-маргинально-альвеолярный индекс (РМА)...
Роль органов чувств в ориентировке слепых Процесс ориентации протекает на основе совместной, интегративной деятельности сохранных анализаторов, каждый из которых при определенных объективных условиях может выступать как ведущий...
