ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ЭВМ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ЭВМ. Компьютер (ЭВМ) - означает вычислитель, т.е. устройство для вычислений. Это связано с тем, что первые ЭВМ создавались только для вычислений. В настоящее время под словом ЭВМ обычно понимают цифровые электронные машины, предназначенные для автоматизации процесса обработки информации Вычислительная система (ВС)- это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для подготовки и решения задач пользователей.

Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Программное обеспечение (ПО) – совокупность программ, процедур и правил вместе со связанной с этими компонентами документацией, позволяющей использовать ЭВМ для решения различных зада. Операционная система (ОС) – базовый набор функций, обеспечивающий управление аппаратными средствами компьютера.

ОС позволяет абстрагироваться от деталей реализации аппаратного обеспечения, предоставляя разработчикам программного обеспечения минимально необходимый набор функций. ОС делится на однопользовательские, сетевые и многопользовательские. Операционные оболочки – это программы-надстройки к ОС, обеспечивающие доступ пользователя к ресурсам ОС посредством более удобного интерфейса2. КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПЬЮТЕРОВ Существуют различные классификации компьютеров: классификация по принципу действия, по назначению, по размерам и функциональным возможностям, по поколениям.

Рассмотрим каждую из них. 1.КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ПРИНЦИПУ ДЕЙСТВИЯ По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса: аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ). 1.АВМ - вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины.

Аналоговые вычислительные машины весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них, как правило, нетрудоемкое; скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана сколь угодно большой, но точность решения задач очень низкая.

На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики. К первому аналоговому вычислительному устройству относят обычно логарифмическую линейку. Графики и номограммы — следующая разновидность аналоговых вычислительных устройств. В 1814 английский учёный Дж. Герман разработал аналоговый прибор — планиметр, предназначенный для определения площади, ограниченной замкнутой кривой на плоскости.

В 1936 в СССР под руководством И. С. Брука были построены механический интегратор и электрический расчётный стол для определения стационарных режимов энергетических систем. В 1949 в СССР под руководством В. Б. Ушакова, В. А. Трапезникова, В. А. Котельникова, С. А. Лебедева был построен ряд АВМ на постоянном токе. Эти работы положили начало развитию современной аналоговой вычислительной техники в СССР.2 2.ЦВМ - вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в цифровой форме.

Первыми устройствами для простейших вычислений служили счёты: с их помощью выполняли арифметические операции — сложение и вычитание. Первые вычислительные машины выполняли следующие элементарные операции: сложение и вычитание, перенос единицы в следующий разряд при сложении, сдвиг (перемещение каретки вручную в арифмометрах, автоматически в электрических машинах), умножение (деление) осуществлялось последовательными сложениями (вычитаниями). Шагом вперёд в развитии техники ЦВМ было создание счётно-перфорационных машин.

В этих машинах все "человеческие" функции, кроме поиска по таблицам, возлагались, по существу, на машину. В конце 60 — начале 70-х гг. сверхмощные ЦВМ становятся мультипроцессорными, т. е. в одной такой машине сосредоточивается несколько процессоров, функционирующих одновременно3. 3.ГВМ - вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

Примером задачи может служить моделирование системы управления прокатного стана. Динамика процессов в нём воспроизводится на аналоговой машине, а специализированная управляющая станом машина моделируется на универсальной ЦВМ среднего класса. Также являются задачи управления движущимися объектами, в т. ч. и задачи самонаведения, а также задачи, возникающие при создании вычислительной части комплексных тренажеров.

Применение ГВМ сокращает время решения задач по сравнению с цифровой машиной. 1.2.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО НАЗНАЧЕНИЮ Выделяют: 1.универсальные - предназначены для решения различных задач: экономических, математических, информационных и других, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах. 2.проблемно-ориентированные - служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами.

К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы 3.специализированные - используются для решения узкого круга задач. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.

К специализированным ЭВМ можно отнести программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами. 1.2.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО РАЗМЕРАМ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫМ ВОЗМОЖНОСТЯМ ЭВМ можно разделить на большие ЭВМ, суперЭВМ, малые ЭВМ, супермини-ЭВМ, микроЭВМ, персональные компьютеры Первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых про­шла путь от электронных ламп до интегральных схем. Их применяли для решения науч­но-технических задач, в работе в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, в работе с большими базами данных, в управлении вычислительными сетями и их ресурса­ми. Для них характерно: производительность не менее 10 MIPS; основная память емкостью от 64 до 10000 Мбайт; внешняя память не менее 50 Гбайт; многопользовательский режим работы (обслуживают одновременно от 16 до 1000 пользователей).4 Производительность больших ЭВМ оказалась недостаточной для ряда задач: управления сложными оборонными комплексами, моделирова­ния экологических систем и др. Это явилось предпосылкой для разработки и создания суперЭВМ - самых мощных вычислительных систем, интенсивно развивающихся и в настоящее время.

Для них характерно: высокопараллельная многопроцессорная вычислительная система с быстродействием примерно 100 000 MFLOPS; емкость: оперативной памяти 10 Гбайт, дисковой памяти 1-10 Тбайт (1 Тбайт = 1000 Гбайт); разрядность 64; 128 бит. Появление в 70-х тт. малых ЭВМ обусловлено, с одной стороны, прогрессом в об­ласти электронной элементной базы, а с другой — избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений.

Малые ЭВМ используются чаще всего для управления технологичес­кими процессами.

Они более компактны и значительно дешевле больших ЭВМ. Их производительность — до 100 MIPS; емкость основной памяти — 4-512 Мбайт; емкость дисковой памяти — 2-100 Гбайт; число поддерживаемых пользователей — 16 - 512.5 Дальнейшие успехи в области элементной базы и архитектурных решений привели к возникновению супермини-ЭВМ — вычислительной машины, относящейся по архи­тектуре, размерам и стоимости к классу малых ЭВМ, по производительности сравнимой с большой ЭВМ. Изобретение в 1969 г. микропроцессора привело к появлению в 70-х гг. еще одного класса ЭВМ — микроЭВМ. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ. 6 Для персонального компьютера (это микрокомпьютеры универсального назначения, рассчитанные на одного пользователя и управляемые одним человеком) характерно: малая стоимость, находящаяся в пределах доступности для индивидуального поку­пателя; автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды; гибкость архитектуры, обеспечивающая адаптивность к разнообразным примене­ниям в сфере управления, науки, образования; наличие операционной системы; высокая надежность работы (более 5000 ч наработки на отказ). 1.2.4. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ПОКОЛЕНИЯМ В вычислительной технике существует периодизация развития электронных вычислительных машин, в основу которой положен физико-технологи­ческий принцип.

В соответствии с этим принципом ма­шину относят к тому или иному поколению в зависи­мости от типа основных используемых в ней физических элементов или от технологии их изготовления.

Первое поколение Оно охватывает все первые вычисли­тельные машины, использовавшие ламповые элементы, такие как МЭСМ (малая электронная счетная машина) и БЭСМ, «Стрела», «Урал». Развитие машин первого поколения завершилось в основном к середине 50-х го­дов. Выпускались они значительно дольше и эксплуатировались до самого последнего времени.

Работали такие компьютеры мед­ленно и крайне недолго — одна перегоревшая лампа немедленно вы­водила из строя весь компьютер.

Характерные черты: - использование электронных ламп во вспомогательных усилительных схемах; - парал­лельное арифметическое устройство; - разделение памяти машины на быстродействующую оперативную ограни­ченного объема и мед­ленную внешнюю очень большого объема; - перфолента, перфокарта как внешний носи­тель информации при вводе и выводе данных; быстродействие машин десятки тысяч арифметических операций в секунду; большие размеры (со спортивный зал); - высокая стоимость машинного времени - большие затраты электроэнергии; - постоянные сбои и постоянные аварии затрудняли работу; - программирование в кодах. Второе поколение Начиная с середины 50-х годов – начала 60-х годов на смену ламповым машинам пришли транзисторные машины второго поко­ления, в которых основными элементами были полупро­водниковые триоды — транзисторы.

Наиболее мощные машины второго поколе­ния, такие, как «Стретч» (США), «Атлас» (Англия), БЭСМ-6 (СССР).7 Транзистор – точечно-контактный прибор, в котором два ме­таллических «усика» контактировали с бруском из по­ликристаллического германия.

Созданию транзистора предшествовала упорная, почти 10-летняя работа.

Для него характерно: - высокий параллелизм в работе отдельных блоков; - быстродействие: милли­он операций в секунду; - увеличение объема оперативной памяти в сотни раз; - внешняя память на магнитных лентах; - снижение стоимости одной единицы машинного времени; - уменьшение габаритов в несколько раз, следовательно, снижение персонала по обеспечению ремонта и эксплуатации.

Языки программирования: АЛГОЛ, ФОРТРАН, КОБОЛ, и т.д. Третье поколение В конце 60-х и начале 70-х годов на смену транзисторам пришли интегральные схемы, которые по размерам не превосходят обыкновенный транзистор, но в них были все необходимые элементы в одном кристалле. Мини ЭВМ стали размешаться на кораблях и подводных лодках, на самолетах, космических кораблях и искусственных спутниках Земли. Наиболее известны два семейства ЭВМ третьего поколения: IBM-360 и ЕС ЭВМ (Единая Система).8 Первый микропроцессор Intel—4004 мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации (процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита одновремен­но). Но в 1973 г. фирма Intel выпустила 8-битовый микроп­роцессор lntel-8008, а в 1974 г. — его усовершенствованную версию Intel— 8080, которая до конца 70-х годов стала стандартом для микрокомпьютерной индустрии.

Характерные черты: - миниатюризация: ЭВМ не больше письменного стола, а все вспомогательное оборудование умещалось на 15 м2; - питание несколько киловатт; - стала оперировать алфавитно-цифровая информация; - быстродействие – несколько миллионов операций в секунду; - хранение информации машинными словами (8 байт); - появление текстового редактора (ввод и редактирование текста, поиск и др.); - увеличение внешней памяти – появление накопителей на магнитных дисках; - поступление информации по каналам телефонной, телеграфной и радиосвязи; - совершенствование устройств ввода-вывода данных. На смену устройств, основанных на использовании пер­форационных карт, электрифицированных машинок, пришли бесконтактные клавиатуры, дисплеи со све­товым карандашом, плазменные панели, растровые гра­фические системы и т. д.; - появление разнообразных справочных систем.

Четвертое поколение В 80-е годы появились ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схе­мах — микропроцессорах (БИС), целые вычислительные машины в кубике размером 30 х 30 х 30 мл. Вначале эти микропроцессоры использовались только люби­телями и в различных специализированных устройствах.

Но в 1974 г. несколь­ко фирм объявили о создании, на основе микропроцессора, Intel—8008 компью­тера, т.е. устройства, выполняющего те же функции, что и большая ЭВМ. В начале 1975 г. появился первый коммерчески распространяемый компьютер Альтаир-8800, построенный на основе микропроцессора Intel—8080. Его возможности были весьма ограничены (оперативная память составляла всего 256 байт, клавиатура и экран отсутствовали), его появление было встре­чено с большим энтузиазмом.

Вскоре эти устройства стали выпус­каться другими фирмами.

В конце 1975 г. появился компьютер «Альтаир» интерпрета­тор языка Basic, что позволило пользователям достаточно просто общаться с компьютером и легко писать для него программы. 9Это также способствовало популярности компьютеров. Появились и коммерчески распространяемые программы, например, про­грамма для редактирования текстов WordStar и табличный процессор VisiCalc. В результате оказалось, что для многих организаций необходимые им расчеты стало возможно выполнять не на больших ЭВМ или мини-ЭВМ, а на персональных компьютерах, что значи­тельно дешевле. Характерные черты: - быстродействие, близкое к скорости света; - уменьшение габаритов – ЭВМ с устройствами ввода-вывода и внешней памятью не превышают письменного стола.

Пятое поколение В 90-е гг ЭВМ со многими десятками параллельно работающих микропроцессоров, позволяющих строить эффективные системы обработки знаний; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы. Для них характерно: новая технология производства, не на кремнии, а на базе других материалов; отказ от традиционных языков высокого уровня (Форт­ ран, Кобол и др.) в пользу языков с повышенными возможностями манипулирования символами и с элементами логического программирования (Пролог, Лисп); Акцент на новые архитектуры (например, на архитектуру потока данных) и отход от структур фон Неймана; новые способы ввода-вывода, удобные для пользователя (например, распознавание речи и образов, синтез речи, обработ­ка сообщений на естественном языке); искусственный интеллект, тесно связанный с исследова­ниями в области экспертных систем. 1.2.5.