Компьютерный практикум. 
Информатика и математика

ЗНАКОМСТВО С ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКОЙ

В результате освоения данной темы студент должен: знать

• • основные типы компьютеров и их состав в соответствии с классификацией, применяемой ведущими мировыми производителями;
• • периферийные устройства, подключаемые к персональному компьютеру; уметь
• • различать основные устройства в составе персонального компьютера; владеть
• • навыками анализа и реферирования научной литературы по данной теме.

Краткая история вычислительной техники

Вычислительная техника является важнейшей составляющей процесса вычислений и обработки данных. Этим термином называется совокупность устройств, предназначенных для автоматизированной обработки данных.

Человечество научилось пользоваться простейшими счетными приспособлениями тысячи лет назад. Первыми приспособлениями для вычислений были, вероятно, всем известные счетные палочки, которые и сегодня используются в начальных классах многих школ для обучения счету. Постепенно из простейших приспособлений для счета рождались все более и более сложные устройства.

Затем появился абак (счеты). Сравнительно сложным приспособлением для счета могли быть четки, применяемые в практике многих религий. Верующий, как на счетах, отсчитывал на зернах четок число произнесенных молитв, а при проходе полного круга четок передвигал на отдельном хвостике особые зерна-счетчики, означающие число отсчитанных кругов.

С изобретением зубчатых колес появились и гораздо более сложные устройства выполнения расчетов. В 1623 г. Вильгельм Шикард придумал «считающие часы» — первый механический калькулятор, умевший выполнять четыре арифметических действия.

Считающими часами устройство было названо потому, что, как и в настоящих часах, работа механизма была основана на использовании звездочек и шестеренок. Практическое использование это изобретение нашло в руках друга Шикарда, философа и астронома Иоганна Кеплера. За этим последовали счетные машины Блеза Паскаля (1642 г.) и Готфрида Вильгельма Лейбница.

Лейбниц также описал двоичную систему счисления, основу работы всех современных компьютеров. Однако вплоть до 1940;х гг., многие последующие разработки (включая машины Чарльза Бэббиджа и даже «ЭНИАК» 1945 г.) были основаны на более сложной в реализации десятичной системе.

Примерно в 1820 г. был создан первый удачный, серийно выпускаемый механический калькулятор — арифмометр Томаса, который мог складывать, вычитать, умножать и делить. В основном он был основан на работе Лейбница. Механические калькуляторы, выполняющие операции с десятичными числами, использовались до 1970;х гг. Дальнейшая эволюция калькуляторов от механических к современным электронным микрокалькуляторам шла вслед за развитием соответствующих технологий.

Другую «ветвь эволюции» вычислительных средств составили логарифмические линейки. Умножение и деление чисел может быть заменено соответственно сложением и вычитанием логарифмов этих чисел. В свою очередь, действительные числа могут быть представлены интервалами определенной длины на линейке. Эти идеи легли в основу вычислений с помощью логарифмической линейки, что позволило выполнять умножение и деление намного быстрее. Логарифмические линейки использовались несколькими поколениями инженеров и других профессионалов, вплоть до появления карманных калькуляторов.

Ключевой момент в истории вычислительной техники и программирования был, собственно, не связан с вычислениями. В 1801 г. Жозеф Мари Жаккар разработал ткацкий станок, в котором вышиваемый узор определялся перфокартами. Перфокарта (от лат. perforo — пробиваю и лат. charta —лист из папируса; бумага) — носитель информации, сделанный из тонкого картона и представляющий информацию наличием или отсутствием отверстий в определенных позициях карты.

Одна серия карт для ткацкого станка Жаккара могла быть заменена на другую, при этом смена узора не требовала изменений в механике станка. Способность машины к выполнению определенного изменяемого набора инструкций (программы) без необходимости изменения ее физической структуры является фундаментальной особенностью универсальных компьютеров.

В 1835 г. Чарльз Бэббидж описал свою аналитическую машину, принципы программирования которой напрямую восходили к перфокартам Жаккара. Это был проект компьютера общего назначения, с применением перфокарт в качестве носителя входных данных и программы, а также парового двигателя в качестве источника энергии. Одной из ключевых идей было использование шестерней для выполнения математических функций.

Хотя планы были разработаны и проект, по всей видимости, был реален или, по крайней мере, проверяем, при создании машины возникли многочисленные трудности. Все части машины должны были создаваться вручную.

Небольшие ошибки в каждой детали для машины, состоящей из тысяч деталей, могли вылиться в значительные отклонения, поэтому при создании деталей требовалась точность, необычная для того времени. В результате проект захлебнулся в разногласиях с исполнителем, создающим детали, и завершился с прекращением государственного финансирования.

Фундаментальным решением при проектировании компьютера (или другого вычислительного устройства) является выбор, будет ли он цифровой или аналоговой системой. Счеты — простейший пример цифрового устройства, логарифмическая линейка — аналогового.

Если цифровые компьютеры работают с дискретными численными или символьными переменными, то аналоговые предназначены для обработки непрерывных потоков поступающих данных.

Перед Второй мировой войной аналоговые компьютеры (механические и электрические) считались наиболее современными машинами, и многие считали, что за ними будущее вычислительной техники. Аналоговые компьютеры использовали то обстоятельство, что математические свойства явлений малого масштаба (например, положения колес или колебаний электрического напряжения) подобны математике других физических явлений, таких, как баллистические траектории, инерция, резонанс, перенос энергии и т. п. Аналоговые компьютеры моделировали эти и другие физические явления колебаниями электрического напряжения и тока.

Сегодня цифровые компьютеры имеют значительно более широкий диапазон применения, хотя их аналоговые собратья все еще используются для некоторых специальных целей.

В 1936 г., в нацистской Германии, инженер Конрад Цузе начал работу над своим первым вычислителем серии Z, имеющим память и (пока ограниченную) возможность программирования. Созданная на механической основе, но уже на базе двоичной логики, модель Z1, завершенная в 1938 г., так и не заработала достаточно надежно из-за недостаточной точности выполнения составных частей.

Завершенная в 1941 г. машина Цузе — Z3 была построена на телефонных реле и работала вполне удовлетворительно. Тем самым, Z3 стала первым работающим компьютером, управляемым программой. Во многих отношениях Z3 была подобна современным машинам. В ней впервые был представлен ряд новшеств, например арифметика с плавающей запятой. Замена сложной в реализации десятичной системы на двоичную сделала машины Цузе более простыми, а значит, более надежными. Считается, что это одна из причин того, что Цузе преуспел там, где Бэббидж потерпел неудачу.

Программы для Z3 хранились на перфорированной пленке. Однако в двух своих патентах от 1936 г., Конрад Цузе упоминал, что машинные команды могут храниться в той же памяти, что и данные, — предугадав тем самым то, что позже стало известно как архитектура фон Неймана.

В 1937 г. Клод Шеннон показал, что существует взаимно однозначное соответствие между концепциями булевой логики и некоторыми электронными схемами, которые получили название «логических вентилей» и в настоящее время повсеместно используются в цифровых компьютерах. Шеннон продемонстрировал, что электронные связи и переключатели могут представлять выражение булевой алгебры, и тем самым создал основу для практического проектирования цифровых схем.

В 1939 г. в корпорации IBM началась работа над компьютером Harvard Mark I. Официально известный как Automatic Sequence Controlled Calculator, Mark I был электромеханическим компьютером общего назначения. Проект этого компьютера был создан под влиянием аналитической машины Ч. Бэббиджа, с использованием десятичной арифметики, колес для хранения данных и поворотных переключатей в дополнение к электромагнитным реле.

Машина программировалась с помощью перфоленты и имела несколько вычислительных блоков, работающих параллельно. Более поздние версии имели несколько считывателей с перфоленты, и машина могла переключаться между считывателями в зависимости от состояния.

Американский компьютер ENIAC, который часто называют первым электронным компьютером общего назначения, публично доказал применимость электроники для масштабных вычислений. Это стало ключевым моментом в разработке вычислительных машин, прежде всего из-за огромного прироста в скорости вычислений, но также и по причине появившихся возможностей для миниатюризации.

Созданная под руководством Джона Мочли и Дж. Преспера Эккерта машина работала в 1000 раз быстрее других машин того времени. Разработка «ЭНИАК» продлилась с 1943 до 1945 г. На этапе создания «ЭНИАК» многие исследователи сомневались в работоспособности машины, из-за риска частого перегорания электровакуумных ламп, входящих в огромном количестве в ее устройство. Но на реальной машине удавалось выполнять несколько тысяч операций в секунду в течение нескольких часов, до очередного сбоя из-за сгоревшей лампы. «Программа» для этой машины определялась состоянием соединительных кабелей и переключателей — огромное отличие от машин с хранимой программой, появившихся позже. Тем не менее, в то время вычисления, выполняемые без помощи человека, рассматривались как достаточно большое достижение, и целью программы было решение одной-единственной задачи.

В 1946 г. трое ученых — Артур Бёркс, Герман Голдстайн и Джон фон Нейман — опубликовали статью «Предварительное рассмотрение логического конструирования электронного вычислительного устройства». В статье обосновывалось использование двоичной системы для представления данных в ЭВМ (преимущественно для технической реализации, простота выполнения арифметических и логических операций) и выдвигалась идея использования общей памяти для программы и данных.

Имя фон Неймана было достаточно широко известно в науке того времени, что отодвинуло на второй план его соавторов, и данные идеи получили название «принципы фон Неймана».

• 1. Принцип двоичности — для представления данных и команд используется двоичная система счисления.
• 2. Принцип программного управления — программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности.
• 3. Принцип однородности памяти — как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти и кодируются в одной и той же системе счисления. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
• 4. Принцип адресуемости памяти — структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек. Процессору (устройству, отвечающему за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде) в произвольный момент времени доступна любая ячейка.
• 5. Принцип последовательного программного управления — все команды располагаются в памяти и выполняются последовательно, одна после завершения другой.
• 6. Принцип условного перехода. Команды из программы не всегда выполняются одна за другой. Возможно присутствие в программе команд условного перехода, которые меняют последовательное выполнение команд в зависимости от значений данных.

Компьютеры, построенные на этих принципах, называют компьютерами с архитектурой фон Неймана. Принципы фон Неймана послужили основой для разработки первых по-настоящему гибких, универсальных цифровых компьютеров.

Первой работающей машиной с архитектурой фон Неймана стал манчестерский «ВаЬу» — Small-Scale Experimental Machine (Малая экспериментальная машина), созданный в Манчестерском университете в 1948 г.

А уже в июне 1951 г. в Бюро переписи населения США был установлен компьютер UNIVAC 1. Машина была разработана в компании Remington Rand, которая в конечном счете продала 46 таких машин по цене более чем в 1 млн долл, за каждую. UNIVAC был первым массово производимым компьютером; все его предшественники изготовлялись в единичном экземпляре. Компьютер состоял из 5200 электровакуумных ламп и потреблял 125 кВт энергии.

В СССР серийной электронно-вычислительной машиной (ЭВМ) стала «Стрела», производимая с 1953 г. на Московском заводе счетно-аналитических машин. «Стрела» относилась к классу больших универсальных ЭВМ (мейнфреймов) и имела быстродействие 2000—3000 операций в секунду. В качестве внешней памяти использовались два накопителя на магнитной ленте. Компьютер состоял из 6200 ламп, 60 000 полупроводниковых диодов и потреблял 150 кВт энергии.

Следующим крупным шагом в истории компьютерной техники стало изобретение транзистора в 1947 г. и появление печатных плат. Транзисторы стали заменой хрупким и энергоемким лампам. Печатная плата — это пластина, выполненная из диэлектрика, на которой сформирована (обычно печатным методом) хотя бы одна электропроводящая цепь. Она предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов или соединения отдельных электронных узлов.

О компьютерах на транзисторах обычно говорят как о «втором поколении», которое доминировало в 1950;х и начале 1960;х гг. Благодаря транзисторам и печатным платам было достигнуто значительное уменьшение размеров и объемов потребляемой энергии, а также повышение надежности работы. Однако компьютеры второго поколения по-прежнему были довольно дороги и поэтому использовались только университетами, правительствами, крупными корпорациями.

Компьютеры второго поколения состояли из большого количества печатных плат, каждая из которых содержала от одного до четырех логических вентилей. В 1959 г. на основе транзисторов IBM выпустила мейнфрейм IBM 7090 и машину среднего класса IBM 1401. Последняя стала самым популярным компьютером общего назначения того времени (в период 1960—1964 гг. было выпущено более 100 тыс. экземпляров этой машины).

Наилучшей отечественной ЭВМ второго поколения считается БЭСМ- 6, созданная в 1966 г. В архитектуре БЭСМ-6 впервые был широко использован принцип совмещения выполнения команд (до 14 одноадресных машинных команд могли находиться на разных стадиях выполнения). БЭСМ-6 работала с рекордной для того времени производительностью — около 1 млн операций в секунду. Всего было выпущено 355 таких ЭВМ.

Бурный рост использования компьютеров начался вместе с появлением так называемого третьего поколения вычислительных машин. Начало этому положило изобретение интегральных схем, которые независимо друг от друга изобрели лауреат Нобелевской премии Джек Килби и Роберт Нойс.

Интегральная (микро) схема (чип, микрочип от англ, chip — тонкая пластинка) — это микроэлектронное устройство, электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или пленке) и помещенная в неразборный корпус.

Изобретение интегральных схем позже привело к изобретению микропроцессора Тэдом Хоффом (компания Intel).

Долгое время центральные процессоры компьютеров создавались из отдельных микросхем малой и средней интеграции, содержащих от нескольких единиц до нескольких сотен транзисторов. Благодаря созданию микросхем сверхбольшой интеграции удалось значительно снизить стоимость процессоров.

Микропроцессор — это процессор, реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем. Непрерывное увеличение сложности микропроцессоров привело к почти полному устареванию других форм компьютеров, в настоящее время один или несколько микропроцессоров используются в качестве вычислительного элемента во всем, от небольших мобильных устройств до огромных суперкомпьютеров.

С начала 1970;х гг. стало широко известно, что рост мощности микропроцессоров следует закону Мура, который утверждает, что число транзисторов на интегральной микросхеме удваивается каждые 18 месяцев.

В первом процессоре компании Intel — i4004, выпущенном в 1971 г., на одном кристалле было 2300 транзисторов, в процессоре Intel Pentium 4, выпущенном 14 апреля 2003 г., их было уже 55 млн.

Появление микропроцессоров привело к разработке микрокомпьютеров — компактных недорогих компьютеров, которыми стали пользоваться небольшие компании или отдельные люди.

Микрокомпьютеры, представители четвертого поколения, первые из которых появились в 1970;х гг., стали повсеместным явлением в 1980;х гг. и позже. Компьютеры на основе микрокомпьютерной архитектуры с возможностями, добавленными от их больших собратьев, сейчас доминируют в большинстве сегментов рынка.