Лекции по "Информатике"

    Технология  ЭВМ постепенно совершенствовалась, габариты компьютеров уменьшались, а их возможности увеличивались. На первых компьютерах применялись электронные лампы. В 1948 г их заменили транзисторы, которые изобрели трое американских ученых — Джон Бардин (род. 1908), Уолтер Браттэйн (1902-1987) и Уильям Шокли (1910-1989). За свое изобретение они получили в 1956 г Нобелевскую премию по физике. В наши дни компактные калькуляторы и компьютеры используют микросхемы, состоящие из многих тысяч транзисторов. Они стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 г. Джон фон Нейман.

Принципы  фон Неймана

    В своем докладе Джон фон Нейман описал, как должен быть устроен  компьютер для того, чтобы он был  универсальным и эффективным  устройством для обработки информации.

    Принцип программного управления

    Этот  принцип обеспечивает автоматизацию процессов вычислений на ЭВМ.

    Программы состоят из набора команд, которые  выполняются процессором автоматически  друг за другом в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются  команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп». Таким образом, процессор  исполняет программу автоматически без вмешательства человека.

    Принцип однородности памяти

    Отсутствие  принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатом вычислений.

    Программы и данные хранятся в одной и  той же памяти. Поэтому компьютер  не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или  команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задать самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции – перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

    Принцип адресности

    Структурно  основная память состоит из перенумерованных ячеек. Процессору  в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы  к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

    Принцип двоичного кодирования

    Согласно  этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с  помощью двоичных сигналов.

    Фон Нейман описал, каким должен быть компьютер, чтобы он был универсальным и  удобным средством для обработки  информации.  Согласно фон Нейману, он должен иметь следующие основные блоки:

• Арифметическо-логическое устройство, которое выполняет арифметические и логические операции.
• Устройство управления, которое организует процесс выполнения программ.
• Внешние устройства для ввода-вывода информации.
• Запоминающие устройства для хранения программ и данных.

Машины, построенные  на этих принципах, называются ФОН-НЕЙМАНОВСКИМИ.

Поколения ЭВМ

    1943 - 1951 г. - Начато массовое производство  компьютера UNIAK I. Появилось первое  поколение ЭВМ. Элементная база  — электронные лампы, ртутные  линии задержки, запоминающие ЭЛТ,  магнитные барабаны и сердечники. Быстродействие – до несколько десятков тысяч операций в секунду.

    1951 - 1964 г. - Появление второго поколения  ЭВМ. Элементная база — транзисторы.  Период широкого внедрения ЭВМ  общего назначения. Быстродействие  – до 1-2 миллионов операций в  секунду.

    1964 - 1971 г. - третье  поколения ЭВМ. Элементная база — интегральные схемы. Быстродействие – до 300 миллионов операций в секунду. Микро-ЭВМ, предназначенные для работы с одним пользователем. Первые операционные системы.

    С 1971 г. – четвертое поколение. Вычислительный элемент – микропроцессоры. Быстродействие – миллиарды операций в секунду. Персональные ЭВМ. Готовые прикладные программы, графический интерфейс, использование технологии мультимедиа. Глобальные компьютерные сети.

    В настоящее время можно говорить о пятом поколении ЭВМ. Элементная база- СБИС и опто- и криоэлектроника.

Развитие  программного обеспечения

    Первые  компьютеры - машинный язык, т.е. в кодах, непосредственно воспринимаемых компьютером. Это было очень тяжелой, малопроизводительной и кропотливой работой, в ходе которой можно было весьма легко ошибиться.

    Начало 50-х годов - появление языков низкого  уровня — ассемблер. Позволяет писать программы не на машинном языке, а  с использованием мнемонических  обозначений машинных команд, имен точек программы и т.д. Программы на ассемблере очень просто переводятся в машинные команды, это делается с помощью специальной программы, которая также называется ассемблером. Ассемблер и сейчас часто используется при программировании в тех случаях, когда требуется достичь максимального быстродействия и минимального размера программ либо наиболее полно учесть в программе особенности компьютера. Однако написание программ на языке ассемблера все же весьма трудоемко.

    1955 г. - появление языков программирования  высокого уровня. Программы на языках высокого уровня либо преобразуются в программы, состоящие из машинных команд (это делается с помощью специальных программ, называемых трансляторами или компиляторами), либо интерпретируются с помощью программ-интерпретаторов. Языки высокого уровня позволили значительно упростить процесс написания программ, так как они ориентированы на удобство описания решаемых с их помощью задач, а не на особенности какого-то конкретного компьютера. Первый коммерчески используемый язык программирования высокого уровня Фортран был разработан в 1958 г. в фирме IBM под руководством Джона Бэкуса. Этот язык был предназначен, прежде всего, для научных вычислений и он (в усовершенствованном варианте) до сих пор широко используется в данной области. Для других применений было разработано множество различных языков высокого уровня, но широкое распространение получили лишь немногие из них, в частности Си и Си++, Паскаль, Бейсик, Лого, Форт, Лисп, Пролог и др.

    С 1966 г. - почти все средние и большие  ЭВМ работали под управлением ОС. 70-е годы - появление систем с разделением времени и компьютерных сетей.

История ПЭВМ

    Компьютеры 1-го и 2-го поколений были очень большими устройствами — огромные залы были заставлены шкафами с электронным  оборудованием. Все это стоило очень дорого, поэтому компьютеры были доступны только крупным компаниям и учреждениям. Однако в борьбе за покупателей фирмы, производившие компьютеры и электронное оборудование для них, стремились сделать свою продукцию быстрее, компактнее и дешевле. Благодаря достижениям современной технологии на этом пути были достигнуты поистине впечатляющие результаты. К середине 60-х годов появились компактные внешние устройства для компьютеров, что позволило фирме Digital Equipment выпустить в 1965 г. первый миникомпьютер PDP—8 размером с холодильник и стоимостью 20 тыс. дол. Но к тому времени был подготовлен еще один шаг к миниатюризации компьютеров.

    В 1958 г. Джек Килби придумал, как на одной пластине полупроводника получить несколько транзисторов.

    В 1959 г. Роберт Нойс (будущий основатель фирмы Intel) изобрел более совершенный метод, позволивший создавать на одной пластине и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. Полученные электронные схемы стали называться интегральными схемами, или чипами.

    В 1968 г. фирма Burroughs выпустила первый компьютер на интегральных схемах.

    В 1970 г. фирма Intel начала продавать интегральные схемы памяти. В том же году был  сделан еще один важный шаг на пути к персональному компьютеру —  Маршиан Эдвард Хофф из той же фирмы Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ. Так появился первый микропроцессор Intel-4004, который был выпущен в продажу в конце 1970 г. Конечно, возможности Intel-4004 были куда скромнее, чем у центрального процессора большой ЭВМ, — он работал гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита

информации (процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бита одновременно).

    В 1973 г. фирма Intel выпустила 8-битовый микропроцессор Intel-8008.

    В 1974 г. — его усовершенствованную  версию Intel-8080, которая до конца 70-х  годов стала стандартом для микрокомпьютерной  индустрии. Вначале эти микропроцессоры  использовались только электронщиками-любителями и в различных специализированных устройствах.

    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. Этот компьютер, разработанный фирмой MITS, продавался по цене около 500$. Хотя возможности его были весьма ограничены (оперативная память составляла всего 256 байт, клавиатура и экран отсутствовали), его появление было встречено с большим энтузиазмом.

    В конце 1975 г. Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Microsoft) создали  для компьютера «Альтаир» интерпретатор  языка Basic, что позволило пользователям  достаточно просто общаться с компьютером  и легко писать для него программы. Это также способствовало популярности компьютеров.

    Успех фирмы MITS заставил многие фирмы также  заняться производством персональных компьютеров. Появилось и несколько  журналов, посвященных персональным компьютерам. Компьютеры стали продаваться уже в полной комплектации, с клавиатурой и монитором, спрос на них составил десятки, а затем и сотни тысяч штук в год. Росту объема продаж весьма способствовали многочисленные полезные программы, разработанные для деловых применений. Появились и коммерчески распространяемые программы, например программа для редактирования текстов WordStar и табличный процессор VisiCalc (соответственно 1978 и 1979 гг.). Эти (и многие другие) программы сделали для Делового мира покупку компьютеров весьма выгодным вложением денег: с их помощью стало возможно значительно эффективнее выполнять бухгалтерские расчеты, составлять документы и т.д. В результате оказалось, что для многих организаций необходимые им расчеты стало возможно выполнять не на больших ЭВМ или миниЭВМ, а на персональных компьютерах, что значительно дешевле.

    Распространение персональных компьютеров к концу 70-х годов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и  миниЭВМ. Это стало предметом  серьезного беспокойства 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 и рассматривало создание компьютера всего лишь как мелкий эксперимент — что-то вроде одной из десятков проводившихся в фирме работ по созданию нового оборудования. Чтобы не тратить на этот эксперимент слишком много денег, руководство фирмы предоставило подразделению, ответственному за данный проект, невиданную в фирме свободу. В частности, ему было разрешено не конструировать персональный компьютер «с нуля», а использовать блоки, изготовленные другими фирмами. И это подразделение сполна использовало предоставленный шанс.

    Прежде  всего, в качестве основного микропроцессора компьютера был выбран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intel—8088. Его использование позволило значительно увеличить потенциальные возможности компьютера, так как новый микропроцессор позволял работать с 1 Мбайтом памяти, а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены 64 Кбайтами. В компьютере были использованы и другие комплектующие различных фирм, а его программное обеспечение было поручено разработать небольшой фирме Miu-Obafi.

    В августе 1981 г. новый компьютер под названием IBM PC был официально представлен публике и вскоре после этого он приобрел большую популярность у пользователей. Через один-два года компьютер IBM PC занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-битовых компьютеров. Фактически IBM PC стал стандартом персонального компьютера. Сейчас такие компьютеры («совместимые с IBM PC») составляют около 90% всех производимых в мире персональных компьютеров.

Виды  классификации компьютеров.

   Классификация по уровню специализации.

   Компьютеры  делят на универсальные и специализированные. На базе универсальных компьютеров можно собирать вычислительные системы произвольного состава. Один и тот же персональный компьютер можно использовать для работы с текстами, музыкой, графикой, фото- и видеоматериалами. Специализированные компьютеры предназначены для решения конкретного круга задач. Например, бортовые компьютеры автомобилей, судов, самолетов.

   Классификация по типоразмерам.