Эволюция информационных технологий

Эволюция информационных технологий

 

Механические счётные устройства

В 1642 г. Блез Паскаль изобрел устройство, механически выполняющее сложение чисел, а в 1673 г. Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструировал арифмометр, позволяющий механически выполнять четыре арифметических действия. Начиная с XIX в. арифмометры получили очень широкое применение. На них выполняли даже очень сложные расчеты, например, расчеты баллистических таблиц для артиллерийских стрельб. Существовала и специальная профессия — счетчик — человек, работающий с арифмометром, быстро и точно соблюдающий определенную последовательность инструкций (такую последовательность инструкций впоследствии стали называть программой). Но многие расчеты производились очень медленно — даже десятки счетчиков должны были работать по несколько недель и месяцев. Причина проста — при таких расчетах выбор выполняемых действий и запись результатов производились человеком, а скорость его работы весьма ограничена.

 

Аналитическая машина Бэббиджа

 

Электронные вычислительные машины

Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры… В своем докладе Джон фон Нейман описал, как должен быть устроен компьютер для…  

Принцип фон Неймана

1) в состав компьютера должны входить следующие устройства: · арифметическо-логическое устройство, выполняющее арифметические и… · устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;

Появление IBM PC

В августе 1981 г. новый компьютер под названием IBM PC (читается — Ай-Би-Эм Пи-Си)

был официально представлен публике и вскоре после этого он приобрел большую

популярность у пользователей.

1983 г. – выпущен компьютер IBM PC XT, имеющий встроенный жесткий диск.

1985 г. - выпущен компьютер IBM PC AT, работающий на основе нового

микропроцессора Intel - 80286.

Далее фирма IBM теряет свою монополию на производство компьютеров. Множество

других фирм занимается выпуском IBM PC совместимых компьютеров. Большинство из

них находится в Юго-Восточной Азии. Главное что их объединяет - процессор фирмы

Intel. Так появились компьютеры с процессорами Intel - 80386, Intel - 80486, Intel -

Pentium, произведенные не компанией IBM.

 

Принцип открытой архитектуры

На основной электронной плате компьютера IBM PC (системной, или материнской, плате) размещены только те блоки, которые осуществляют обработку… Открытость же этого конструктора заключается в том, что для IBM PC-совместимых…

ИНФОРМАЦИОННО-ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭВМ

Системы счисления

Различают позиционные и непозиционные системы счисления. В по­зиционных системах каждая цифра числа имеет определенный вес, зависящий от позиции… Основание системы счисления N показывает, во сколько раз «вес» i-го разряда больше (i- 1)-го разряда. Целая часть…

Перевод целых чисел

  Перевод дробных чисел

Представление информации в ЭВМ

Информация может быть по своей физической природе: числовой, текстовой, графической, звуковой, видео и др. Она также может быть постоянной (не…   H = log2N,

Представление числовой информации

У чисел с фиксированной точкой в двоичном формате предпола­гается строго определенное место точки (запятой). Обычно это мес­то определяется или… Если точка фиксируется после последней значащей цифры, то это означает, что n-разрядные двоичные числа являются…

Представление других видов информации

С развитием микроэлектроники и компьютерных технологий все большее распространение получают цифровые системы передачи дан­ных. В их основу положены… По скорости изменения обрабатываемых цифровых данных инфор­мация может быть… Видеоинформация может быть как статической, так и динамической. Статическая видеоинформация включает текст, рисунки,…

Таблица кодирования текстовой информации ASCII

Вторая половина таблицы содержит национальные шрифты, сим­волы псевдографики, из которых могут быть построены таблицы, специальные математические знаки. Нижнюю часть таблицы коди­ровок можно заменять, используя соответствующие драйверы — уп­равляющие вспомогательные программы. Этот прием позволяет при­менять несколько шрифтов и их гарнитур.

Дисплей по этому коду должен вывести на экран изображение сим­вола — не просто цифровой код, а соответствующую ему картинку, так как каждый символ имеет свою форму.

Описание формы каждого символа хранится в специальной памя­ти дисплея —знакогенераторе.

Высвечивание символа на экране дисплея IBM PC осуществляет­ся с помощью точек, образующих символьную матрицу.

Каждый пиксел в такой матрице является элементом изображения и может быть ярким или темным. Темная точка кодируется цифрой «0», светлая (яркая) — цифрой «1».

Если изображать в матричном поле знака темные пикселы точкой, а светлые — звездочкой, то можно графически изобразить форму сим­вола.

Программы, работающие в операционной среде Windows, приме­няют совершенно другую кодовую таблицу, поддерживающую век­торные шрифты TrueType. В ней отсутствуют все символы псевдо­графики, так как используется настоящая графика.

Кодирование аудиоинформации — процесс более сложный. Аудио­информация является аналоговой. Для преобразования ее в цифровую форму используют аппаратные средства: аналого-цифровые преоб­разователи (АЦП), в результате работы которых аналоговый сигнал оцифровывается — представляемся в виде числовой последователь­ности. Для вывода оцифрованного звука на аудиоустройства необ­ходимо проводить обратное преобразование, которое осуществляет­ся с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП).

Арифметические основы ЭВМ

Все современные ЭВМ имеют достаточно развитую систему ко­манд, включающую десятки и сотни машинных операций. Однако выполнение любой операции основано на использовании простейших микроопераций типа сложения и сдвиг. Это позволяет иметь единое арифметико-логическое устройство для выполнения любых операций, связанных с обработкой информации. Правила сложения двоичных цифр двух чисел А и В представлены в табл. 2.2.

 

Таблица 2.2

Правила сложения двоичных цифр

Здесь показаны правила сложения двоичных цифр ai , bi; одноимен­ных разрядов с… Подобные таблицы можно было бы построить для любой другой арифметической или логической операции (вычитание, умножение…

Машинные коды

Точечной вертикальной линией здесь отмечена условная граница, отделяющая… Обратный код двоичного числа образуется по следующему пра­вилу. Обратный код положительных чисел совпадает с их прямым…

Логические основы ЭВМ

Вся информация в ЭВМ представляется в двоичной системе счисле­ния. Поставим в соответствие входным сигналам отдельных устройств ЭВМ значения… В этом случае зависимостями (2.2)

Таблица функций от одной переменной

 

Таблицы истинности получили такое название, потому что они определяют значение функции в зависимости от комбинации вход­ных сигналов. В этой таблице, как и ранее, y_0º0 и y₁ºl. Функция у₂=х, а функция у₃= (инверсия х).

Этим функциям соответствуют определенные технические анало­ги. Схема, реализующая зависимость у₂=х, называется повторите­лем, а схема у₃= — инвертором.

При п=2, N=16, т.е. от двух переменных можно построить шест­надцать различных функций. В табл. 2.5 представлена часть из них, имеющая фундаментальное значение при построении основных схем ЭВМ.

 

Таблица 2.5

Таблица функций от двух переменных

Заметим, что в левой части таблицы перечислены всевозможные комбинации входных переменных (наборы значений), а в правой — возможные реакции выходных сигналов. В табл. 2.5 представлены функции Y₀, …, Y₃ , полностью соответствующие функциям из табл. 2.4, а также новые, часто используемые и интересные функции Y₄, …, Y_9. При этом местоположение функций и их нумерация в таблице особого зна­чения не имеют. По данной таблице нетрудно составить аналитичес­кое выражение (зависимость) для каждой функции от двух аргумен­тов вида (2.2). Для этого наборы переменных, на которых функция принимает значение единицы, записываются как конъюнкции (логи­ческое умножение) и связываются знаками логического сложения. Такие формы функций получили название дизъюнктивных нормальных форм (ДНФ). Если в этих функциях конъюнкции содержат все без исключения переменные в прямом или инверсном значении, то та­кая форма функций называется совершенной.

Функция Y₄ представляет собой функцию логического сложения, дизъюнкцию. Онапринимает значение единицы, если хотя бы одна пе­ременная X₁ или X₂ имеет значение единицы:

Тождественность перечисленных аналитических зависимостей можно установить, пользуясь приведенными ниже законами алгебры логики.

Функция у₅ является инверсной функцией по отношению к у₄

Она имеет название «отрицание дизъюнкции». Иногда в литера­туре встречается ее специальное название — «стрелка Пирса», по фа­милии математика, исследовавшего ее свойства.

Функция у₆ является функцией логического умножения. Онаочень похожа на операцию обычного умножения и принимает значение еди­ницы в тех случаях, когда все ее переменные равны единице:

Функция у₇ является инверсной функцией по отношению к у₆:

Она называется «отрицание конъюнкции» или «штрих Шеффера».

Функция y₈ называется логической равнозначностью. Она прини­мает значение единицы, если все ее переменные имеют одинаковое значение (или 0, или 1):

Она принимает значение единицы, если ее переменные имеют про­тивоположные значения. Функции у₈ и у₉ являются основой для построения сумматоров, так как они соответ­ствуют правилам формирования цифр двоичных чисел при сложении (вычитании).

Функция у₉ является инверсной функцией по отношению к y₈:

Из перечисленных функций двух переменных можно строить сколь угодно сложные зависимости, отражающие алгоритмы преобразова­ния информации, представленной в двоичной системе счисления. Ал­гебра логики устанавливает правила формирования логически пол­ного базиса простейших функций, из которых могут строиться лю­бые более сложные. Наиболее привычным базисом является набор трех функций {инверсия — é, дизъюнкция — Ú, конъюнкция — Ù или &}. Работа с функциями, представленными в этом базисе, очень похожа на использование операций обычной алгебры.

Алгебра логики устанавливает, что существуют и другие комби­нации простейших логических функций, обладающих свойством ло­гической полноты. Например, наборы логических функций {инверсия, дизъюнкция} и {инверсия, конъюнкция} также являются логически полными. Наиболее интересны минимальные базисы, включающие по одной операции {«отрицание дизъюнкции ()»} и {«отрицание конъ­юнкции ()»}. Однако работа с функциями, представленными в ука­занных базисах, требует от специалистов по проектированию ЭВМ определенных навыков.

Убедиться в тождественности приведенных зависимостей мож­но путем аналитических преобразований выражений или путем по­строения таблицы истинности для ЛФ, находящихся в левой и пра­вой частях.

Используя данные зависимости, можно преобразовывать исходные выражения в более простые (минимизировать их). По упрощенным выражениям можно построить техническое устройство, имеющее ми­нимальные аппаратные затраты.

Классы вычислительных машин

Электронная вычислительная машина (ЭВМ), компьютер — комплекс технических средств, предназначенных для автоматиче­ской обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

ЭВМ можно классифицировать по ряду признаков, в частности:

· физическому представлению обрабатываемой информации;

· поколениям (этапам создания и элементной базе).

· сферам применения и методам использования (а также размерам и вычислительной мощности).

Физическое представление обрабатываемой информации

АВМ — аналоговые вычислительные машины, или вычисли­тельные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной… ЦВМ — цифровые вычислительные машины, или вычислитель­ные машины дискретного… ГВМ — гибридные вычислительные машины, или вычисли­тельные машины комбинированного действия, работают с инфор­мацией,…

Поколения ЭВМ

К первому поколениюобычно относят машины, созданные на рубеже 50-х гг. и базирующиеся на электронных лампах. Эти компь­ютеры были огромными,… Набор команд был ограничен, схемы арифметико-логического устройства и… Программы для этих машин писались на языке конкретной ма­шины. Математик, составивший программу, садился за пульт…

Проблемы развития элементной базы

Все современные ЭВМ строятся на микропроцессорных наборах, основу которых составляют большие (БИС) и сверхбольшие интег­ральные схемы (СБИС).… Степень микроминиатюризации, размер кристалла ИС, произво­дительность и… Дальнейшие успехи микроэлектроники связываются с электронной (лазерной), ионной и рентгеновской литографией. Это…

Сферы применения и методы использования

Суперкомпьютер может иметь один процессор, и тогда в нем одна последовательность команд работает с одним потоком данных. Вместе с этим большие… Внедрение суперкомпьютеров долго сдерживалось отсутствием развитого… Базовый (большой) компьютер — mainframe— основной тип ком­пьютера, используемый в больших информационных сетях,…