1. История вычислительной техники


Название1. История вычислительной техники
страница1/9
Дата публикации08.03.2013
Размер1.28 Mb.
ТипДокументы
userdocs.ru > Информатика > Документы
  1   2   3   4   5   6   7   8   9
1. История вычислительной техники

История компьютера тесным образом связана с попытками облегчить и автоматизировать большие объемы вычислений. Даже простые арифметические операции с большими числами затруднительны для человеческого мозга. Поэтому уже в древности появилось простейшее счетное устройство — абак. В семнадцатом веке была изобретена логарифмическая линейка, облегчающая сложные математические расчеты. В 1642 Блез Паскаль сконструировал восьмиразрядный суммирующий механизм. Два столетия спустя в 1820 француз Шарль де Кольмар создал арифмометр, способный производить умножение и деление. Этот прибор прочно занял свое место на бухгалтерских столах.

Все основные идеи, которые лежат в основе работы компьютеров, были изложены еще в 1833 английским математиком Чарлзом Бэббиджем. Он разработал проект машины для выполнения научных и технических расчетов, где предугадал основные устройства современного компьютера, а также его задачи. Для ввода и вывода данных Бэббидж предлагал использовать перфокарты — листы из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий. В то время перфокарты уже использовались в текстильной промышленности. Управление такой машиной должно было осуществляться программным путем.

Идеи Бэббиджа стали реально воплощаться в жизнь в конце 19 века. В 1888 американский инженер Герман Холлерит сконструировал первую электромеханическую счетную машину. Эта машина, названная табулятором, могла считывать и сортировать статистические записи, закодированные на перфокартах. В 1890 изобретение Холлерита было впервые использовано в 11-й американской переписи населения. Работа, которую пятьсот сотрудников выполняли в течение семи лет, Холлерит сделал с 43 помощниками на 43 табуляторах за один месяц.

В 1896 Герман Холлерит основал фирму Computing Tabulating Recording Company, которая стала основой для будущей Интернэшнл Бизнес Мэшинс (International Business Machines Corporation, IBM) — компании, внесшей гигантский вклад в развитие мировой компьютерной техники.

Дальнейшее развитие науки и техники позволили в 1940-х годах построить первые вычислительные машины. В феврале 1944 на одном из предприятий Ай-Би-Эм (IBM) в сотрудничестве с учеными Гарвардского университета по заказу ВМС США была создана машина «Марк-1». Это был монстр весом около 35 тонн. «Марк-1» был основан на использовании электромеханических реле и оперировал десятичными числами, закодированными на перфоленте. Машина могла манипулировать числами длиной до 23 разрядов. Для перемножения двух 23-разрядных чисел ей было необходимо четыре секунды.

Но электромеханические реле работали недостаточно быстро. Поэтому уже в 1943 американцы начали разработку альтернативного варианта — вычислительной машины на основе электронных ламп. В 1946 была построена первая электронная вычислительная машина ENIAC. Ее вес составлял 30 тонн, она требовала для размещения 170 квадратных метров площади. Вместо тысяч электромеханических деталей ENIAC содержал 18 тысяч электронных ламп. Считала машина в двоичной системе и производила пять тысяч операций сложения или триста операций умножения в секунду.

Машина на электронных лампах работала существенно быстрее, но сами электронные лампы часто выходили из строя. Для их замены в 1947 американцы Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Брэдфорд Шокли предложили использовать изобретенные ими стабильные переключающие полупроводниковые элементы — транзисторы.

Совершенствование первых образцов вычислительных машин привело в 1951 к созданию компьютера UNIVAC, предназначенного для коммерческого использования. UNIVAC стал первым серийно выпускавшимся компьютером, а его первый экземпляр был передан в Бюро переписи населения США.

С активным внедрением транзисторов в 1950-х годах связано рождение второго поколения компьютеров. Один транзистор был способен заменить 40 электронных ламп. В результате быстродействие машин возросло в 10 раз при существенном уменьшении веса и размеров. В компьютерах стали применять запоминающие устройства из магнитных сердечников, способные хранить большой объем информации.

В 1959 были изобретены интегральные микросхемы (чипы), в которых все электронные компоненты вместе с проводниками помещались внутри кремниевой пластинки. Применение чипов в компьютерах позволяет сократить пути прохождения тока при переключениях, и скорость вычислений повышается в десятки раз. Существенно уменьшаются и габариты машин. Появление чипа знаменовало собой рождение третьего поколения компьютеров.

К началу 1960-х годов компьютеры нашли широкое применение для обработки большого количества статистических данных, производства научных расчетов, решения оборонных задач, создания автоматизированных систем управления. Высокая цена, сложность и дороговизна обслуживания больших вычислительных машин ограничивали их использование во многих сферах. Однако процесс миниатюризации компьютера позволил в 1965 американской фирме Digital Equipment выпустить миникомпьютер PDP-8 ценой в 20 тысяч долларов, что сделало компьютер доступным для средних и мелких коммерческих компаний.

В 1970 сотрудник компании Intel Эдвард Хофф создал первый микропроцессор, разместив несколько интегральных микросхем на одном кремниевом кристалле. Это революционное изобретение кардинально перевернуло представление о компьютерах как о громоздких, тяжеловесных монстрах. С микропроцессом появляются микрокомпьютеры — компьютеры четвертого поколения, способные разместиться на письменном столе пользователя.

В середине 1970-х годов начинают предприниматься попытки создания персонального компьютера — вычислительной машины, предназначенной для частного пользователя. Во второй половине 1970-х годов появляются наиболее удачные образцы микрокомпьютеров американской фирмы Apple, но широкое распространение персональные компьютеры получили с созданием в августе 1981 фирмой IBM модели микрокомпьютера IBM PC. Применение принципа открытой архитектуры, стандартизация основных компьютерных устройств и способов их соединения привели к массовому производству клонов IBM PC, широкому распространению микрокомпьютеров во всем мире.

За последние десятилетия 20 века микрокомпьютеры проделали значительный эволюционный путь, многократно увеличили свое быстродействие и объемы перерабатываемой информации, но окончательно вытеснить миникомпьютеры и большие вычислительные системы — мейнфреймы они не смогли. Более того, развитие больших вычислительных систем привело к созданию суперкомпьютера — суперпроизводительной и супердорогой машины, способной просчитывать модель ядерного взрыва или крупного землетрясения. В конце 20 века человечество вступило в стадию формирования глобальной информационной сети, которая способна объединить возможности различных компьютерных систем.
^ 2. Общие принципы построения и функционирования компьютеров
Компьютер (computer, букв. — «вычислитель»), или электронная вычислительная машина (ЭВМ) — комплекс технических и программных средств, основанный на использовании электроники и предназначенный для автоматической или автоматизированной обработки данных в процессе решения вычислительных и информационных задач.
Принципы работы компьютера


Важнейшей функцией компьютера является преобразование данных (информации), кроме того, компьютер должен иметь возможность принимать, хранить и выводить данные. В связи с особенностями технической реализации внутреннее представление данных в компьютере отличается от представления для пользователя. Данные, с которыми работает компьютер, могут быть дискретными (т.е. составленными из отдельных частей) или непрерывными. Преобразованием непрерывных данных занимаются так называемые аналоговые компьютеры, а с дискретными данными работают цифровые компьютеры, которые получили в настоящее время наибольшее распространение. Существуют также комбинированные (аналого-цифровые) компьютеры. Непрерывные данные могут быть преобразованы в дискретные (процесс дискретизации) с определенной точностью (т.е. шагом или частотой дискретизации). Таким образом, данные любого рода могут быть представлены в унифицированном дискретном виде, например, в виде последовательности знаков некоторого алфавита. Наиболее простым и удобным с точки зрения технической реализации является алфавит, состоящий всего из двух знаков с противоположными значениями, — двоичный код, который принято записывать в виде цифр «1» и «0». В двоичной системе счисления знаки «1» и «0» называются битами. В электронных машинах значением одного знака будет наличие электрического сигнала, а другого — отсутствие сигнала.

Поскольку в современном цифровом компьютере любые данные (будь то текст, рисунок, звук, видеозапись и т.д.) представлены в виде последовательности цифр, их преобразование сводится к математическим и логическим операциям (вычислениям). Этим и объясняется название «вычислительная машина». С 1990-х в русском языке прочно укоренился термин «компьютер», который по целому ряду причин (интеграция России в мировое сообщество, повсеместное внедрение «персональных компьютеров» (‛Personal Computer‛ является торговой маркой фирмы IBM), увеличение разнородности выполняемых электронными машинами задач и др.) вытесняет термин «электронная вычислительная машина».

В отличие от многих других вычислительных устройств (логарифмической линейки, счет или простых калькуляторов) компьютеры обеспечивают возможность частичной или полной автоматизации процесса решения сложных (состоящих из множества шагов) задач. Автоматизация достигается за счет того, что любая задача, связанная с преобразованием информации и управлением машиной, формулируется в виде компьютерной программы. Компьютерная программа представляет собой алгоритм решения задачи, записанный на одном из языков программирования и переводимый в машинный код, т.е. последовательность «1» и «0».


Устройство компьютера


Функционирование компьютера обеспечивается двумя взаимосвязанными и равно необходимыми компонентами: техническим обеспечением (hardware — «хард», «железо»), т.е. комплексом технических устройств, и программным обеспечением, ПО (software — «софт»), включающим системные и прикладные программы.

Наиболее общие принципы построения и функционирования компьютеров принято называть архитектурой. Впервые такие принципы были сформулированы в 1946 американским ученым Джоном фон Нейманом. В соответствии с архитектурой фон Неймана в состав компьютера должны входить: устройство, выполняющее арифметические и логические операции (АЛУ); устройство управления; запоминающее устройство (ЗУ) и внешние устройства для ввода-вывода данных. Большинство современных компьютеров в целом соответствует принципам фон Неймана, однако, арифметическо-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в центральный процессор — вычислительный мозг машины. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах (многопроцессорные системы) или ядрах внутри одного процессора (многоядерные процессоры). Пользовательские данные и программы хранятся различных запоминающих устройствах, которые обобщенно называют памятью. Для долговременного хранения данных используют энергонезависимые и емкие устройства внешней памяти (жесткие диски, оптические компакт-диски и т.д.). Для хранения данных, непосредственно используемых процессором в текущем сеансе работы, применяются устройства внутренней памяти, многие из которых (оперативная память, кэш-память) выполняют роль буфера между процессором и более медленными устройствами (внешней) памяти. Ввод и вывод данных в компьютер осуществляется с помощью целого ряда устройств (клавиатуры, мыши, сканера, монитора, принтера и т.д.).

Современный персональный компьютер (ПК), построенный на базе открытой архитектуры, как правило, состоит из системного блока, в котором с помощью системы шин материнской (системной) платы объединены все важнейшие устройства, в том микропроцессор, модули оперативной памяти, жесткий диск, дисководы, а также карты расширения (для создания изображения служит видеокарта, для создания звука — звуковая карта, для подключения компьютера к сети — сетевая карта и т.д.). К системному блоку подключаются внешние устройства, в т.ч. устройства ввода и вывода информации. В некоторых компьютерах одни устройства могут интегрироваться с другими. Так, в корпусе портативных компьютеров (ноутбуки, КПК и т.д.) системный блок часто бывает совмещен с устройствами ввода-вывода информации. В бюджетных настольных компьютерах устройства преобразования аудио и видеосигнала, обеспечения сетевой коммуникации и т.д. могут быть интегрированы в чипсет материнской платы.

^ 3. Логические основы цифровой техники: логические функции, логические элементы

Б.Г. Марков

Логические элементы, триггеры, счетчики импульсов
Логические элементы представляют собой электронные устройства, в которых обрабатываемая информация закодирована в виде двоичных чисел, отображаемых напряжением (сигналом) высокого и низкого уровня. Логические элементы реализуют логические функции и называются логическими или цифровыми устройствами. Если логическому 0 соответствует напряжение низкого уровня, а логической 1 – высокого, то такую логику называют положительной, в отличие от отрицательной логики, где уровню логического нуля соответствует высокий уровень напряжения, а 1 – низкий.

В цифровых устройствах сигналы обычно изменяются только в дискретные моменты времени, интервал Т между которыми называется тактом. По характеру связи между входными и выходными переменными с учетом изменения этих связей по тактам работы различают комбинационные устройства и цифровые автоматы. В комбинационных устройствах совокупность выходных сигналов в каждый такт работы однозначно определяется входными сигналами, имеющимися в этот момент на его входах. Если входные и выходные переменные в i такте обозначить как Xi и Yi, то связь между ними будет определяться выражением Yi = (Xi), где - знак выполняемого устройством логического преобразования. Логические элементы, реализующие логические функции, являются комбинационными устройствами.

Условные обозначения логических элементов представлены на рис. 1.1. описание: рис4_1

Рис. 1.1. Условные обозначения логических элементов
Логический элемент чертят в виде прямоугольника. Слева входы, на которые подаются сигналы, соответствующие аргументам логической функции. Справа выход, с которого снимается сигнал, соответствующий логической функции. Элемент НЕ, реализующий функцию отрицания или инверсии, имеет один вход и символ «1» в левом верхнем углу прямоугольника. Отрицание обозначают кружком у выхода. Элемент ИЛИ, выполняющий функцию логического сложения, имеет два входа (или более) и символ «1» в левом верхнем углу прямоугольника. Для элемента И, производящего логическое умножение входных сигналов, таким символом является «&» (амперсанд). Для элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (узел неравнозначности) это символы «=1». Элементы ИЛИ-НЕ и И-НЕ имеют соответствующий символ внутри прямоугольника и кружок у выхода.

Словесное описание логики работы логических элементов выглядит так.

Для логического элемента НЕ состояние выхода инверсно состоянию входа, т.е. при Uвх=”0”, Uвых=”1”, а при Uвх=”1”, Uвых=”0”.

Для логического элемента ИЛИ на выходе уровень логической единицы будет присутствовать при равенстве любого входного сигнала “1”, и на выходе будет “0” при равенстве нулю всех входных сигналов.

Для логического элемента И на выходе уровень логической единицы будет присутствовать при равенстве “1” всех входных сигналов, и на выходе будет “0” при равенстве нулю любого входного сигнала.

В элементе ИЛИ-НЕ последовательно реализуется операция логического сложения всех входных сигналов, а затем производится инверсия полученного результата. Иными словами, для элемента ИЛИ-НЕ на выходе будет логическая единица при равенстве всех входных сигналов уровню логического 0, и на выходе будет “0” при равенстве “1” любого входного сигнала.

В элементе И-НЕ сначала производится логическое умножение всех входных сигналов, а затем полученный сигнал инвертируется, т.е. на выходе будет “1” при равенстве любого входного сигнала “0”, и появится “0” только при всех единичных входных сигналах.

Логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (при двух входах) иначе называется элементом неравнозначности. На его выходе будет напряжение уровня логической единицы при неравных (неравнозначных) уровнях входных сигналов. При равенстве уровней входных сигналов, т.е. одновременно на двух входах присутствуют или уровни “0” или уровни “1”, на выходе будет уровень логического нуля.

Логику работы логических элементов часто представляют в виде таблиц истинности (соответствия). В табл. 1.1 приведены таблицы истинности двухвходовых элементов.

Таблица 1.1

Входы

Выход

x1

x2

ИЛИ

И

ИЛИ-НЕ

И-НЕ

^ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ

0

0

0

0

1

1

0

0

1

1

0

0

1

1

1

0

1

0

0

1

1

1

1

1

1

0

0

0



Логические элементы реализуются в виде интегральных микросхем, когда в одном корпусе выполняется сразу несколько логических элементов.

Цифровые интегральные микросхемы предназначены для обработки и хранения информации, представленной в виде двоичных чисел. Выпускаются ИМС сериями. По принятой системе условное обозначение микросхемы должно состоять из четырех элементов:

первый – цифра, определяющая конструктивно-технологическую группу (1, 5, 6, 7 – полупроводниковые; 2, 4, 8 – гибридные; 3 – пленочные и пр.);

второй – две или три цифры (от 00 до 999), определяющие порядковый номер серии микросхем. Таким образом, первые два элемента (три или четыре цифры) определяют полный номер серии;

третий – две буквы, определяющие функциональное назначение микросхемы по подгруппе (генераторы – ^ Г, логические элементы – Л, формирователи – А, запоминающие устройства – Р и т.д.) и виду внутри подгруппы (элемент И – И, элемент НЕ – Н, элемент И–НЕ – А, элемент ИЛИ – Л, элемент ИЛИ–НЕ – Е, элемент И–ИЛИ–НЕ – Р, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ – П и т.д.);

четвертый – условный номер по функциональному признаку в данной серии. Так, например, логические элементы И–НЕ на два или три входа должны иметь различные номера (двухвходовый элемент И–НЕ – ЛА3, трехвходовый элемент И–НЕ – ЛА4 и т.д.).

Ниже приведены несколько примеров условного обозначения полупроводниковых микросхем:

555ЛА2 – восьмивходовый элемент И–НЕ транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ);

561ЛА7 – четыре двухвходовых элемента И–НЕ КМОП (комплементарные металл–окисел–полупроводник) логики.

Перед номером серии могут ставиться дополнительные буквы: К – микросхема широкого применения, например, К176ИЕ4; М – керамический корпус, например, КМ155ИМ3.

Теоретической основой компьютерной схемотехники является алгебра логики — наука, которая использует математические методы для решения логических задач. Алгебру логики называют булевой в честь английского математика Дж. Буля, внесшего наибольший вклад в развитие этой науки.

Основным предметом булевой алгебры является высказывание — простое предложение, о котором можно утверждать: истинно оно (обозначают символом 1) или ложно (обозначают символом 0). Обычно простые высказывания обозначают буквами, например, X1,X2, ...,Xn, которые в компьютерной схемотехнике называют переменными (аргументами). С помощью логических связок НЕ, ИЛИ, И, ЕСЛИ... ТО... строят сложные высказывания, которые называют булевыми (логическими) функциями и обозначают буквами F, L, К, М, Р и др.

В настоящее время главная задача алгебры логики — анализ, синтез и структурное моделирование любых дискретных конечных систем. Аппарат булевой алгебры распространяется на объекты самой различной природы безотносительно их сути, лишь бы они характеризовались двумя значениями или состояниями: контакт включен или выключен, наличие высокого или низкого уровня электрического напряжения, выполнение или невыполнение некоторого условия работы и т.д.

Использование аппарата алгебры логики в компьютерной схемотехнике основано на том, что цифровые элементы характеризуются двумя состояниями и благодаря этому могут быть описаны булевыми функциями. Стандарт ДСТУ 2533-94 "Арифметические и логические операции. Термины и определения" конкретизировал основные понятия булевой алгебры в системах обработки информации.

Переменную с конечным числом значений (состояний) называют переключательной, а с двумя состояниями — булевой. Функция, которая имеет как и каждая ее переменная конечное число значений, называется переключательной (логической). Логическая функция, число возможных значений которой и каждой ее независимой переменой равно двум, является булевой. Таким образом, булева функция — это частный случай переключательной.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9

Похожие:

1. История вычислительной техники iconИстория развития вычислительной техники
Вычислительные средства: 1 ручные, 2 механические, 3 электромеханические, 4 электронные
1. История вычислительной техники iconПрограмма вссиТ. Стандарт
История вычислительной техники. Поколения ЭВМ. Архитектура фон Неймана. Классификация вычислительных машин (ВМ)
1. История вычислительной техники iconИстория вычислительной техники
К таким приборам относятся абак, русские, японские, китайские счеты. Логарифмическая линейка последнее средство для счета, которое...
1. История вычислительной техники iconВопросы к экзамену Вопросы к экзамену по дисциплине «Информатика»
Типы вычислительных устройств. История появления и развития вычислительной техники
1. История вычислительной техники iconКурсовой проект Специальность 230106. 51 Техническое обслуживание...
Специальность 230106. 51 Техническое обслуживание средств вычислительной техники и компьютерных сетей
1. История вычислительной техники iconРучной этап развития вычислительной техники

1. История вычислительной техники iconМетодические указания по проведению практических занятий и лабораторный...
Методические указания предназначены для выполнения практических и лабораторных работ по дисциплине «Программное обеспечение компьютерных...
1. История вычислительной техники iconЗадания
Специальность: 230105 Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем
1. История вычислительной техники iconКак программировать на С++
Совместимость аппаратного и программного обеспечения средств вычислительной техники 11
1. История вычислительной техники iconМетодические указания по выполнению творческой работы по учебной...
В процессе освоения учебного курса «История науки и техники» Вам предстоит выполнить творческую работу на одну из предложенных ниже...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2015
контакты
userdocs.ru
Главная страница