Начальные сведения по вычислительной технике

Информатика - отрасль науки, изучающая структуру и общие свойства научной информации, а также вопросы, связанные с ее сбором, хранением, поиском, переработкой, преобразованием, распространением и использованием в различных сферах деятельности. На современном этапе в этой деятельности ведущую роль играет вычислительная техника.

Человечество, практически со своего рождения, пыталось тем или иным способом автоматизировать процесс вычисления. Около 1500 лет назад были изобретены счеты, а в 1642 г. Паскаль изобрел устройство, механически выполняющее сложение чисел. Первый арифмометр, выполняющий 4 арифметических действия, сконструировал Лейбниц в 1673 г. В 19 веке они получили очень широкое распространение, однако скорость расчетов, по-прежнему, была очень не высокой, поскольку ввод и вывод информации осуществлялся человеком.

В первой половине 19 века английский математик Чарльз Беббидж попытался построить универсальное вычислительное устройство – Аналитическую машину, которая должна была выполнять вычисления без участия человека. Ввод информации в Аналитическую машину должен был осуществляться с помощью перфокарт, а для ее хранения должен был использоваться “склад” (память). Беббидж не смог довести начатою работу до конца, т.к. она была очень сложной для техники того времени. Однако он впервые сформулировал все основные идеи вычислительной техники, которые были претворены в жизнь американцем Эйнеком в 1943 г., построившем электромеханическую машину “Марк-1”. Еще раньше, в 1941 г., немец Цузе, также, сконструировал аналогичную машину, получившую название Z1, затем Z2 и Z3. Однако немецкое правительство не было заинтересовано в создании подобных машин, и работы Цузе были свернуты.

Не оставались в стороне и англичане. Для дешифрации немецких закодированных передач уже в 1943 г. они создали специализированную электронную машину “Колос”. Это была первая электронная машина, которая обрабатывала 25000 символов в секунду. Значительный вклад в ее создание внес выдающийся английский математик Тьюринг.

Первая универсальная вычислительная машина была создана в США под руководством Мочли и Экерта. Работы, начавшиеся в 1943 г., были завершены в 1945 г. и результаты превзошли все ожидания. ЭВМ «Эниак» содержала в своем составе около 17000 электронных ламп, весила 30 т и имела габариты по высоте – 6 м при длине 26 м. При этом количество аварий составляло 1-2 в неделю. Когда «Эниак» продемонстрировали представителям прессы, один из них воскликнул: «Она работает быстрее мысли».

Основной недостаток «Эниак» – задание программы с помощью коммутационного поля. Чтобы упростить программирование компьютера, Мочли и Экерт приступили к созданию новой машины, которая бы хранила программу в своей памяти. В 1945 г. к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон-Нейман, который подготовил доклад об этой машине. В этой 100 страничной работе были изложены общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств. Согласно этим принципам компьютер должен содержать следующие устройства:

- АЛУ, выполняющее арифметические и логические операции;

- устройство управления (УУ), которое организует процесс выполнения программы;

- запоминающее устройство (ЗУ) или память для хранения программ и данных;

- внешние устройства для ввода-вывода информации.

Эти устройства должны быть объединены следующими связями (рис.1).

Рис.1. Структурная схема ЭВМ

На этой схеме управляющие сигналы показаны одинарными линиями, а информационные – двойными.

В самом общем виде работу компьютера можно описать так. Вначале с помощью какого-нибудь внешнего устройства в память компьютера вводится программа. УУ считывает содержимое ячейки памяти (ЯП), где находится первая команда и организует ее выполнение. Затем считывается следующая команда и т. д. Причем эти ЯП, как правило, следуют одна за другой, т. е. располагаются в памяти последовательно друг за другом. В этом случае говорят о естественном порядке выборки команд. Однако естественный порядок выборки может быть нарушен командами перехода (передачи управления).

Эти команды указывают УУ, что необходимо перейти к ЯП, расположенной в другом листе памяти. Для того чтобы УУ знало место перехода, всем ЯП присваиваются свои уникальные адреса (номера), с помощью которых и осуществляются переходы. Это позволяет использовать в вычислениях различные подпрограммы, оперативно реагировать на возникающие ошибки и сбои аппаратуры.

Первые ЭВМ были очень большими и самое главное дорогими устройствами. Однако фирмы – изготовители стремились создавать каждое новое поколение ЭВМ быстрее, компактнее и дешевле предыдущего. Первый шаг к уменьшению размеров компьютеров был сделан в 1948 г., когда появились первые транзисторы. Уже в середине 50-х годов ЭВМ превратилось из огромных монстров в достаточно компактные устройства, занимающие небольшую комнату.

С появлением памяти на магнитных сердечниках удалось еще больше уменьшить размеры компьютеров, что позволило фирме DEC выпустить в 1965 г. первый мини компьютер PDP-8 размером с холодильник и стоимостью 20 тыс. долларов.

Еще больший переворот в компьютерной технологии произвело появление интегральных микросхем и в частности микросхем памяти (1970 г. фирмы Intel) и микропроцессоров (МП) (1970 г. фирмы Intel).

В начале 1975 г. появился первый коммерчески распространяемый компьютер Альтаид-8800, построенный на основе микропроцессора Intel 80-80. Цена этого компьютера составляла около 500 дол. Хотя возможности этого персонального компьютера (ПК) были весьма ограничены (объем памяти – 256 байт, клавиатура и экран отсутствовали), его появление способствовало приобщению огромного количества любителей к вычислительной технике (ВТ). После того, как в конце 1975 г. он был оснащен интерпретатором языка Basic, Альтаир приобрел еще большую популярность.

Этот успех не остался незамеченным другими фирмами, и уже в конце 70-х годов многие фирмы выпускали ПК. Появились специализированные журналы, посвященные ПК, прикладные программы, предназначенные для деловых применений. ПК позволяли проводить бухгалтерские расчеты, составлять документы и т. д. Оказалось, что во многих случаях они с успехом могут заменить большие и мини ЭВМ.

Успех ПК привел к тому, что спрос на большие ЭВМ в конце 70-х годов снизился, и поэтому фирма IBM решила заняться рынком ПК. Уже в 1981 г. появился ПК фирмы IBM, который был построен на базе новейшего по тем временам МП I8088 и назывался IBM PC/XT. Этот компьютер позволял обрабатывать 16 разрядные данные и имел ОЗУ 1 Мбайт.

В настоящее время около 90% всех производимых ПК совместимы с IBM PC. Что же предопределило успех этого ПК? Прежде всего, это обусловлено тем, что в IBM PC была заложена возможность усовершенствования его отдельных частей и использования новых устройств. Фирма IBM сделала компьютер не единым неразъемным устройством, а открытым набором узлов, из которых собирается ПК. При этом методы сопряжения устройств с компьютером были доступны всем желающим. Этот подход, называемый принципом открытой архитектуры, наряду с обширным ПО, охватывающем практически все сферы человеческой деятельности и обеспечили потрясающий успех компьютеру IBM PC.

На первых порах открытость архитектуры IBM PC была выгодна фирме IBM. Она обеспечила коммерческий успех компьютеру и позволила фирме сравнительно легко выпускать новые модели, сохраняя совместимость со старыми. Это позволяло, до определенных границ, осуществлять принцип совместимости “снизу-вверх”.

В 1983 г. появился IBM AC/XT с жестким диском, в 1985 г. IBM PC/AT на основе МП I80286, работающий в 3-4 раза быстрее XT. Однако, очень скоро другие фирмы тоже стали выпускать не только комплектующие к компьютеру, но и сами ПК. А поскольку они не несли тех начальных затрат на разработку, как фирма IBM, то они могли продавать свои ПК дешевле.