Компьютерные технологии

История вычислительной техники началась тогда, когда сформировалось понятие числа. Во многих языках слово "цифра" происходит от слова "палец". Пальцы стали первой "вычислительной машиной". На пальцах можно складывать, вычитать и умножать довольно большие числа. Знаменитый Фибоначчи в XIII в. рекомендовал всем осваивать счет на пальцах.

Следующим изобретением был абак - счеты по пять косточек в ряду. Задача считалась решенной, только если было указано, как необходимые вычисления выполнить на абаке. Алгоритмы решения на абаке были подробно разработаны французским ученый Гербертом (950-1003), который впоследствии стал папой римским Сильвестром II .
В XVII в. появились первые механические счетные устройства и машины:

    * 20-е годы: английский математик Вильям Оутред придумал логарифмическую линейку;
    * 1632 г.: немецкий ученый Вильгельм Шиккард сконструировал первый в истории счетный механизм;
    * 1642 г.: французский математик, физик и философ Блез Паскаль (1623-1662) создал счетную машину, которая могла складывать и вычитать;
    * 1673 г.: немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646-1716) сконструировал арифмометр, выполнявший четыре арифметических действия. Лейбниц является одним из основоположников дифференциального и интегрального исчисления. Он мечтал полностью автоматизировать процесс вычислений, что в то время было невозможным, но он разработал двоичную систему счисления, которая и легла в основу автоматизации вычислений в современных компьютерах.

В первой половине XIX в. англичанин Чарльз Бэббидж (1791-1871) разработал конструкцию машины, которую можно было бы назвать первым компьютером. Но он не был построен, так как машина должна была быть механической, а необходимая точность изготовления деталей для этой машины в середине XIX в. была недостижима. Устройство компьютера по чертежам Бэббиджа было описано Августой Адой Лавлейс . Она же разработала теорию программирования, написала несколько программ для еще не существующей вычислительной машины. Загружать программу надо было при помощи карточек с пробитыми дырочками - перфокарт.

Основные части первого компьютера были теми же, что и в любой современной ЭВМ:

    * устройство для ввода данных;
    * запоминающее устройство, способное хранить исходные данные и промежуточные результаты (Бэббидж назвал его "складом");
    * арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции ("мельница");
    * устройство управления, руководящее перемещениями со "склада" на "мельницу" и работой "мельницы" и обеспечивающее выполнение нужных действий в нужном порядке по заданной программе;
    * устройство для вывода результата.

Приборы, которые можно отнести к программируемым устройствам:

    * математик и корабел А. Н. Крылов (1863-1945) изобрел машину для решения дифференциальных уравнений;
    * в 1915 г. немецкая фирма "Аскания" построила вычислительную машину для расчета времени приливов и отливов на северном побережье Германии, она работала до 1975 г.;
    * в 1804 г. французский инженер Жозеф Мари Жаккард сконструировал станки, которые ткали сложные узоры, руководствуясь последовательностью перфокарт;
    * различные музыкальные автоматы, шарманки, механические пианино. Архитектура фон Неймана. Кибернетика

В 40-х годах XX в. американец венгерского происхождения Джон (Янош) фон Нейман (1903-1957) включился в работу по созданию ЭВМ для управления береговой ПВО. Разрабатывался "ЭНИАК" - электронный численный интегратор и автоматический вычислитель. Но эта машина имела принципиальный недостаток: в ней отсутствовало устройство для запоминания и хранения команд.

В 1945 г. Джон фон Нейман выступил с докладом, в котором были сформулированы основные принципы организации нового вычислительного устройства, получившие название "архитектура фон Неймана".
АЛУ - арифметико-логическое устройство для выполнения арифметических и логических операций;
ОП - оперативная память, устройство для хранения кодов выполняющейся в данный момент программы;
ВУ - внешние устройства, или периферия. Обычно их делят на два класса: внешнюю память (накопитель на гибких магнитных дисках, накопитель на жестких магнитных дисках, CD-диски, магнитооптические диски) и устройства ввода/вывода информации (устройства ввода: клавиатура, мышь, микрофон, сканер; устройства вывода: дисплей, принтер, акустические колонки, плоттер);
УУ - управляющее устройство, которое организует работу компьютера следующим образом:
а) помещает в ОП коды программы из ВУ;
б) считывает из ячейки ОП и организует выполнение первой команды программы;
в) определяет очередную команду и организует ее выполнение;
г) постоянно синхронизирует работу устройств, имеющих различную скорость выполнения операций, путем приостановки выполнения программы.

В 1946 г. фон Нейман начинает разработку новой машины, и в 1949 г. была построена электронная машина по обработке дискретных переменных "ЭДВАК", которая впоследствии была признана первым компьютером.

Норберт Винер (1894-1964), работая вместе с Джоном фон Нейманом, обратил внимание на то, что процессы, управляющие сложной электронной системой, аналогичны процессам нейрофизиологии, изучающей целенаправленную деятельность живых существ. Сохранение работоспособности таких систем достигается за счет обратной связи, она позволяет отслеживать и корректировать уже начатое, но еще не законченное до конца действие. Существование обратной связи позволяет рассматривать сложные системы различной природы - физической, социальной, биологической - с единой точки зрения. Это и есть основы кибернетики. В 1948 г. вышла в свет книга Н. Винера "Кибернетика, или Управление и связь в живом мире и машинах". Термин "кибернетика" в переводе с древнегреческого обозначает искусство управления кораблем.

Под кибернетикой сегодня понимают серию научных дисциплин, изучающих общие законы управления и взаимосвязей, действующие в системах различной природы. Устройство современного компьютера.

Распространение персональных компьютеров к концу 70-х годов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и мини-ЭВМ.
Это серьезно беспокоило руководство фирмы IBM ( International Business Machines Corporation ) - ведущей компании по производству больших ЭВМ. И в 1979 г. фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров.
Однако руководство фирмы недооценило будущую важность этого рынка, рассматривая создание компьютера всего лишь как мелкий эксперимент. Чтобы не тратить на этот эксперимент много средств, руководство фирмы разрешило подразделению использовать блоки, изготовленные другими фирмами. Фирма IBM сделала компьютер не единым неразъемным устройством, а обеспечила его сборку из независимо изготовленных частей по принципу открытой архитектуры.
На основной электронной плате ( системной или материнской ) размещены только блоки, которые осуществляют обработку информации (вычисления): процессор, возможно математический сопроцессор, контроллеры, микросхемы оперативной памяти. Схемы, управляющие всеми остальными устройствами компьютера (монитором, дисками, принтером и т. д.), реализованы на отдельных платах, которые вставляются в стандартные разъемы ( слоты ) на системной плате. К этим электронным схемам подводится электропитание из единого блока питания, а для удобства и надежности все это заключается в общий металлический или пластиковый корпус - системный блок .
Компьютер состоит из разрозненных частей. Для того чтобы он работал как единый механизм, необходимо осуществлять обмен данными между различными устройствами, за это отвечает системная (магистральная) шина . К ней через контроллеры подключены внешние устройства, которые обмениваются данными с оперативной памятью. Обмен данными между устройствами ЭВМ обусловлен ограничением функций, выполняемых этими устройствами, и должен быть запрограммирован. Выполняемая программа хранится в оперативной памяти компьютера и через системную шину передает в процессор команды на выполнение определенных операций. Процессор на их основе формирует свои команды управления, которые по системной шине поступают на соответствующие устройства. Для выполнения операций обработки данных процессор передает в оперативную память адреса необходимых данных и получает их. Результаты обработки направляются в оперативную память. Данные из оперативной памяти могут быть переданы на хранение во внешние запоминающие устройства, для отображения на дисплее, вывода на печать, передачи в вычислительную сеть.
Важными техническими характеристиками, влияющими на производительность компьютера, являются показатели частоты процессора, разрядность и машинное слово.
Количество разрядов, которое может быть воспринято, передано или получено за одно обращение к процессору, называется его разрядностью .
Количество информации, записываемое или извлекаемое из памяти за одно обращение, называется машинным словом.
Один из способов классификации компьютеров, учитывающий основные конструктивные элементы,- это распределение компьютеров по поколениям.

1-е поколение . Время появления - начало 50-х годов XX в. Основной элемент, на котором строилось управление компьютером,- электронная лампа. Первая машина для свободной продажи "ЮНИВАК" (США) была выпущена в 1951 г. Самой лучшей в СССР была серийная машина М-20 со скоростью 20 тыс. операций в секунду.

2-е поколение . В середине 50-х годов XX в. появились компьютеры с элементной базой на полупроводниках, долговременные запоминающие устройства на магнитных лентах. Начали применять языки программирования высокого уровня, такие как Фортран. Скорость лучшего в СССР компьютера - БЭСМ-2 - 1 млн операций в секунду.

3-е поколение . В середине 60-х годов XX в. были выпущены компьютеры серии IBM-360 (США), на которых вместо разрозненных транзисторов были использованы малые интегральные схемы. Появились магнитные диски. В СССР типичными представителями стали компьютеры единой системы (ЕС) и системы машин (СМ). Скорость обработки данных у мощных машин достигала 10 млн операций в секунду.

4-е поколение . Появление компьютеров этого поколения связывают с разработкой (фирма Intel, США, 1971 г.) микропроцессора на базе больших интегральных схем (БИС). Созданы персональные компьютеры, которые стали основой компьютеризации общества. Скорость обработки данных - до 50 млн операций в секунду.

5-е поколение . Элементной базой являются сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), ультрабольшие интегральные схемы (УБИС) и гигабольшие интегральные схемы (ГБИС). Мультимедийные компьютеры на базе процессора Pentium (или подобного ему), способные обеспечить создание виртуальной реальности. Скорость обработки - 100 млн операций в секунду. Примером отечественной суперЭВМ является многопроцессорный вычислительный комплекс "Эльбрус" с быстродействием до 120 млн операций в секунду.