Способы представления информации в вычислительных машинах

Определим основные понятия, связанные с представлением информации в ВМ.

Функциональные схемы ВМ и вычислительных устройств состоят из блоков, каждый из которых является преобразователем информации. Преобразователь информации – это некоторый блок, имеющий входы, на которые поступает входная информация, и некоторые выходы, на которых представлена выходная информация. Информация на входах и выходах блоков представлена сигналами.

Сигнал – это носитель информации в виде изменяющейся во времени физической величины, обеспечивающей передачу данных. Сигнал называется дискретным, если параметр сигнала может принимать лишь конечное число значений.

В настоящее время подавляющее большинство преобразователей информации представляют собой электронные схемы, содержащие соединенные определенным образом между собой электронные ключи – вентили. Эти электронные схемы реализуются с использованием технологий современной микроэлектроники в виде ИС. ИС может содержать от нескольких единиц до нескольких миллионов вентилей. Для работы ИС к ней подводится напряжение питания. При этом сигналы в ИС представлены уровнем напряжения. Для представления сигналов приняты всего два непересекающихся диапазона уровней напряжения. При напряжении питания 5 В: диапазон 0 – 0,4В, соответствующий логическому значению сигнала «0», и диапазон 5 – 2,4В, соответствующий значению сигнала «1». Промежуточные значения напряжения соответствуют неопределенному логическому значению сигнала. При исправной аппаратуре эти значения возникают кратковременно только при переключениях значений сигналов. В дисциплинах по организации и архитектуре информационных систем рассматриваются только логические значения сигналов. Такие дискретные сигналы представляют логические и двоичные переменные.

Переменные, имеющие всего два значения, используют как логические переменные («0» соответствует значению «ложь», а «1» -- «истина»). Переменную со значениями («0» и «1») используют и как двоичную переменную для представления отдельных разрядов чисел в двоичной системе счисления. Двоичная система счисления – это позиционная система счисления с основанием 2.

Информацию, представленную в закодированном виде и используемую в устройствах ВМ, называют данными. Данные разбиваются на составляющие, называемые элементами данных. Элемент данных – это составная часть данных, воспринимаемая при разработке и использовании программ как неделимый объект. Элементы данных имеют различные типы. Указывая, к какому типу данных относится объект программы, программист определяет множество значений, которые данные могут принимать, и совокупность допустимых над ними операций. Примеры типов данных: целые и вещественные числа, логические (булевы) переменные. Для представления различных типов данных с использованием двоичных переменных применяют кодирование.

Код – это система условных знаков (символов) и правил их интерпретации, используемая для представления информации в виде данных.

Информационный обмен между устройствами в ВС, ВК и сетях осуществляется чаще всего передачей сообщений.

Сообщение – информация о ходе или состоянии вычислительного процесса, выдаваемая компонентами информационных систем. Сообщение содержит символы для представления информации.

Символ – это элемент допустимого информационной системой набора знаков, который может быть закодирован, введен в систему, отображен на дисплее. Пример символов – цифры в той или иной системе счисления, буквы из некоторого алфавита и пр. При информационных обменах каждый символ представлен (закодирован) упорядоченной совокупностью двоичных сигналов.

Поскольку любая алфавитная (буквенно-цифровая) информация может быть закодирована в двоичной форме, то подобным образом с использованием двоичных сигналов можно закодировать условия и реализовать решение для любых алгоритмически разрешимых задач.

Информация в ВМ представлена в виде кодов определенной фиксированной длины (машинных слов). Представленную таким образом информацию называют данными. Этот термин используется для закодированных чисел (аргументов и результатов вычислений), программ, текстов, графических образов, звуков и др. Входные данные, поступающие из памяти и различных устройств ввода, под управлением команд программы в ВМ преобразуются в выходные данные, направляемые в память и (или) устройства вывода. При этом в процессы, связанные с получением, передачей, хранением и обработкой информации (данных), вовлекаются аппаратные и программные средства, называемые вычислительными ресурсами.

1.4 Эволюция вычислительной техники

При рассмотрении истории развития вычислительной техники принято выделять несколько поколений вычислительных машин (в разных источниках от 3 до 6). В основу деления на поколения положим технологический подход – поколения меняются со сменой технологий. Отметим, что временные рамки поколений указаны довольно условно.

Нулевое поколение (до 1945 года)

Технология – механические (шестеренки – зубчатые колеса) и электромеханические (реле) вычислительные устройства.

3000 лет до н. э. – абак (Древний Вавилон).

1492 год. Леонардо да Винчи – рисунок тринадцатиразрядного десятичного суммирующего устройства на основе зубчатых колес.

1623 год. Вильгельм Шиккард – эскиз устройства для сложения и вычитания шестиразрядных чисел на основе механических часов.

1642 год. Блез Паскаль – «Паскалин» – первое реально осуществленное устройство (суммирование и вычитание 5-разрядных десятичных чисел).

1673 год. Готфрид Вильгельм Лейбниц – «пошаговый вычислитель» (четыре арифметические операции над 12-разрядными десятичными числами).

1836 год. Чарльз Бэббидж – проект «Аналитической машины». Есть процессор («мельница»), память («склад»), ввод программ и данных с перфокарт.

1937 год. Алан Тьюринг предлагает концепцию теоретической вычислительной машины (машина Тьюринга).

1943 год – группа ученых Гарвардского университета во главе с Говардом Айкеном разрабатывает вычислитель Mark I – первый программно управляемый вычислитель на электромеханических реле. Длина устройства – 18 м, вес – 5 т. Вычислитель обрабатывал 23-разрядные числа, при этом сложение занимало 0,3 с, умножение – 4 с, а деление – 10 с.

Первое поколение (1945–1955)

Технология – электронно-вакуумные лампы. Программирование – машинные коды, Ассемблер. Первые ЭВМ:

· АВС (Atanasoff-Berry Computer), 1942, Джон Атанасов и Клиффорд Берри (США).

· COLOSSUS, 1943, Макс Ньюмен, Томми Флауэрс, Алан Тьюринг (Великобритания).

· ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), 1946, Джон Мочли, Преспер Эккерт, Джон фон Нейман (США, 30 тонн, 140 кВт, 18000 электронных ламп, 20 десятиразрядных регистров). 1951 год – первая советская ЭВМ – МЭСМ (Малая Электронная

Счетная Машина), Сергей Алексеевич Лебедев.

1953 год – БЭСМ (Большая Электронная Счетная Машина, 10000 опер./с), С. А. Лебедев.

Второе поколение (1955–1965)

Технология – полупроводниковые транзисторы (Джон Бардин, Уолтер Браттейн, Уильям Шокли – нобелевская премия за создание транзистора, 1956).

С появлением транзисторов на несколько порядков возросли по сравнению с электронно-вакуумными лампами быстродействие и надежность, существенно уменьшились энергопотребление и габариты ВМ.

Программирование – языки высокого уровня Фортран (1956), Алгол (1958), Кобол (1959).

Первые ЭВМ – TX-0 (Transistorized eXperimental computer), TRADIC (TRAnsistor Digital Computer).

Наибольшее распространение:

· IBM 7090, IBM 7094, IBM 1401 (большие ЭВМ, стоимость – несколько миллионов долларов).

· PDP-1 (120 тысяч долларов), PDP-8 (16 тысяч долларов) – малые ЭВМ, компания DEC.

Третье поколение (1965–1980)

Технология – интегральные микросхемы (Роберт Нойс, 1958). Компьютеры на интегральных микросхемах были меньшего размера,

работали быстрее и стоили дешевле, чем их предшественники на транзисторах.

Программирование – языки структурного программирования С, Pascal. Самые популярные ЭВМ:

· Семейство больших компьютеров IBM-360.

· Малая ЭВМ PDP-11.

· Первые суперкомпьютеры: CDC-6600 (1964), CDC-7600 (1969), Cray-1 (Сеймур Крей).

Разработчик первых суперкомпьютеров Сеймур Крей разработал также алгоритм покупки автомобиля: «Вы идете в магазин, ближайший к вашему дому, показываете на машину, ближайшую к двери, и говорите: «Я беру эту». Этот алгоритм позволяет тратить минимум времени на не очень важные дела (покупку автомобиля) и оставляет большую часть времени на важные (разработку суперкомпьютеров)»

Четвертое поколение (c 1980 года)

Технология – большие и сверхбольшие интегральные микросхемы (БИС и СБИС).

Программирование – объектно-ориентированные языки (С++, Object Pascal), визуальное программирование (Visual C++, Delphi).

1981 год – первый персональный компьютер – IBM PC (процессор Intel 8088, операционная система MS-DOS, руководитель разработки Филипп Эстридж).