Элементная база, архитектура, сетевая компоновка, производительность

Первый этап в развитии электронной вычислительной техники (ЭВМ) базировался на электронных лампах. Но электронные лампы обладали существенными недостатками: большие размеры, низкая надежность и др. Поэтому начала развиваться твердотельная электроника, а в качестве элементной базы стали применять диоды и транзисторы. Компьютеры, основанные на транзисторах, не устранили полностью эти недостатки. Для решения проблем начали применяться микросборки, а затем и микросхемы. Число элементов микросхем постепенно увеличивалось, стали появляться микропроцессоры. В настоящее время развитию электроники способствует появление сотовой связи, а также различных беспроводных устройств, навигаторов, коммуникаторов, планшетов и т. п.

Архитектура ЭВМ — концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.

Архитектура ЭВМ определяется совокупностью общих принципов организации аппаратно-программных средств и их основных характеристик, обеспечивающих функциональные возможности вычислительной машины при решении соответствующих типов задач. Архитектура ЭВМ включает в себя как структуру, отражающую состав компьютера, так и программно – математическое обеспечение.

Структура ЭВМ - совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление.

Основы учения об архитектуре вычислительных машин были заложены Джон фон Нейманом. Совокупность этих принципов породила классическую архитектуру ЭВМ, представленную на рисунке 1.1.

Рис. 1.1 Схема классической архитектуры ЭВМ

Сущность этих принципов заключалась в следующем:

- компьютер состоит из нескольких основных устройств (арифметико-логическое устройство, устройство управления, память, внешняя память, устройства ввода и вывода);

- арифметико-логическое устройство (АЛУ) – выполняет арифметические и логические операции, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти;

- устройство управления (УУ) – обеспечивает управление и контроль всех устройств компьютера (управляющие сигналы на рисунке указаны пунктирными стрелками);

- данные, которые хранятся в запоминающем устройстве (ЗУ), . представляются в двоичной форме;

- программа, которая задает работу компьютера, и данные хранятся в одном и том же запоминающем устройстве;

- для ввода и вывода информации используются устройства ввода и вывода.

Принцип работы и структуру ЭВМ рассмотрим на примере персонального компьютера (ПК). На рисунке 1.2 представлена схема структуры ПК. Основу ПК составляет системный блок, в котором размещены: микропроцессор (МП), блок оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), долговременной памяти на жёстком магнитном диске (Винчестер), устройства для запуска компакт-дисков (CD) и дискет (НГМД). Там же находятся платы: сетевая, видеопамяти, обработки звука, модем (модулятор-демодулятор), интерфейсные платы, обслуживающие устройства ввода-вывода: клавиатуры, дисплея, "мыши", принтера и др.

Рис. 1.2Схема структуры ПК

Все функциональные узлы ПК связаны между собой через системную магистраль (шину), представляющую из себя более трёх десятков упорядоченных микропроводников, сформированных на печатной плате.

Микропроцессор служит для обработки информации: он выбирает команды из внутренней памяти (ОЗУ или ПЗУ), расшифровывает и затем исполняет их, производя арифметические и логические операции. Получает данные из устройства ввода и посылает результаты на устройства вывода. Он вырабатывает также сигналы управления и синхронизации для согласованной работы его внутренних узлов, контролирует работу системной магистрали и всех периферийных устройств.

С развитием вычислительной техники появились и приобрели широ­кое использование системы физического соединения двух или более ком­пьютеров - компьютерные сети. По территориально-организационным признакам (количеству машин и расстоянию между ними) компьютерные сети принято разделять на локальные и глобаль­ные. Глобальные сети (например, Internet) распространяют свое действие по всему миру и используют все каналы связи, включая спутниковые.

Архитектурный принцип построения большинства сетей называется «клиент-сервер». Сервер - компьютер сети, предоставляющий свои про­граммные и аппаратные ресурсы пользователям сети для хранения данных, выполнения программ и других услуг. Клиент - компьютер сети, поль­зующийся услугами сервера; в его роли часто выступают программы, имеющие доступ к информационным ресурсам или устройствам сервера. Термины «клиент» и «сервер» используются для обозначения как про­граммных, так и аппаратных средств.

Для передачи данных в сети используются специальные стандарты, обеспечивающие их совместимость ‑ сетевые протоколы. Примером уни­версального протокола является семейство TCP/IP, широко применяющее­ся во всем мире для объединения компьютеров в сеть Internet которая со­стоит из множества сетей различной физической природы.

Ис­тория его возникновения связана с задачей, поставленной после второй мировой войны правительством США. Требовалось создать единую сеть, которая могла бы своими средствами находить маршруты передачи дан­ных, а также в случае повреждения некоторых каналов связи перенаправ­лять поток информации по другим каналам. При реализации этого проекта были созданы отдельные представители семейства протоколов TCP/IP.

Контрольные вопросы:

1. Назовите основные этапы развития вычислительной техники.

2. Назовите ученых, которые внесли существенный вклад в развитие вычислительной техники.

3. Какие научные открытия предшествовали появлению первых вычислительных машин на электронных лампах?

5. Назовите особенности и направления развития вычислительной техники шестого поколения.