Информатика как единство науки и технологии

-  обработка информации.

Эти процессы являются базовыми.

Их выполнение порождает  другие информационные процессы.

Так, например,

-  получение информации  может быть связано с её  поиском, хранение — с накоплением;

-  при передаче информации  необходимо позаботиться о её  защите от разрущающих воздействий.

 Все процессы требуют  той или иной формы представления  информации, определяет которую  процесс — кодирование. Он  сопровождает все остальные процессы  и является связующим звеном  между ними.

 

 

II глава. Архитектура  компьютера.

2.1Принцыпы построения.

Архитектура компьютера - это  описание его организации и принципов  функционирования его структурных  элементов. Включает основные устройства ЭВМ и структуру связей между  ними.

Обычно, описывая архитектуру  ЭВМ, особое внимание уделяют тем  принципам ее организации, которые  характерны для большинства машин, относящихся к описываемому семейству, а также оказывающие влияние  на возможности программирования.

Поскольку от архитектуры  компьютера зависят возможности  программирования на нем, поэтому при  описании архитектуры ЭВМ уделяют  внимание описанию команд и памяти.

1642-1945 - Механические компьютеры (нулевое поколение)

В 1642 году Блезом Паскалем, французским ученым, в честь которого назван один из языков программирования, была сконструирована счетная машина, которая могла выполнять только операции сложения и вычитания. Она представляла собой механическую конструкцию с шестеренками и ручным приводом.

Через тридцать лет, немецкий математик Готфрид Вильгельм  Лейбниц построил другую механическую машину, которая помимо сложения и  вычитания могла выполнять операции умножения и деления. В сущности, Лейбниц три века назад создал подобие карманного калькулятора с  четырьмя функциями.

В 1822 году Чарльз Бэббидж, профессор  математики Кембриджского Университета, разработал и сконструировал аналитическую  машину, которая, как и машина Паскаля, могла лишь складывать и вычитать, подсчитывала таблицы чисел для морской навигации. В машину был заложен только один алгоритм — метод конечных разностей с использованием полиномов. У этой машины был довольно интересный способ вывода информации: результаты выдавливались стальным штампом на медной дощечке, что предвосхитило более поздние средства ввода-вывода — перфокарты и компакт-диски.

1945-1955 - Электронные лампы  (первое поколение)

Шифровальный прибор Enigma.

В начале второй мировой  войны немецкие подводные лодки  разрушали британские корабли. Немецкие адмиралы посылали на подводные лодки  по радио команды, и хотя англичане  могли перехватывать эти команды, проблема была в том, что радиограммы  были закодированы с помощью прибора  под названием ENIGMA, предшественник которого был спроектирован изобретателем-дилетантом и бывшим президентом США Томасом  Джефферсоном. Англичанам удалось приобрести ENIGMA у поляков, которые, в свою очередь, украли её у немцев. Однако, чтобы расшифровать закодированное послание, требовалось огромное количество вычислений, и их нужно было произвести сразу после перехвата радиограммы. Поэтому британское правительство основало секретную лабораторию для создания электронного компьютера под названием COLOSSUS.

В 1943 году начал работать электронный компьютер COLOSSUS, в создании которой принимал участие знаменитый британский математик Алан Тьюринг. Но, поскольку британское правительство полностью контролировало этот проект и рассматривало его как военную тайну на протяжении 30 лет, COLOSSUS не стал базой для дальнейшего развития компьютеров. Мы упомянули о нём только потому, что это был первый в мире электронный цифровой компьютер.

В этом же году Моушли со своим студентом Дж. Преспером Экертом начали конструировать ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer — электронный цифровой интегратор и калькулятор) - электронный компьютер, который состоял из 18 000 электровакуумных ламп и 1500 реле, весил 30 тонн и потреблял 140 киловатт электроэнергии. У машины имелось 20 регистров, причем каждый из них мог содержать 10-разрядное десятичное число.

1955-1965 - Транзисторы (второе  поколение)

В 1956 году сотрудниками лаборатории  Bell Laboratories Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли был изобретен транзистор, за что они получили Нобелевскую премию в области физики. Транзисторы совершили революцию в производстве компьютеров, и к концу 1950-х годов компьютеры на вакуумных лампах уже безнадежно устарели. В лаборатории МТИ был построен первый компьютер на транзисторах. Он содержал слова из 16 бит, как и Whirlwind I.

1965-1980 - Интегральные схемы  (третье поколение)

В 1958 году Роберт Нойс создал кремниевую интегральную схему, что дало возможность размещения на одной небольшой микросхеме несколько десятков транзисторов. Компьютеры на интегральных схемах были меньшего размера, работали быстрее и стоили дешевле, чем их предшественники на транзисторах.

К 1964 году компания IBM лидировала на компьютерном рынке, но существовала одна большая проблема: компьютеры 7094 и 1401, которые она выпускала, были несовместимы друг с другом. 7094-й  предназначался для сложных расчетов, в нём использовалась двоичная арифметика на регистрах по 36 бит, на 1401 применялась  десятичная система счисления и  слова разной длины. Многим покупателям они не нравились ввиду их несовместимости.

1980-? - Сверхбольшие интегральные  схемы (четвертое поколение)

В 1980-х годах появление  сверхбольших интегральных схем позволило  помещать на одну плату сначала десятки  тысяч, затем сотни тысяч и, наконец, миллионы транзисторов. Это привело  к созданию компьютеров меньшего размера и более быстродействующих. К этому времени цены упали  так сильно, что возможность приобретать  компьютеры появилась не только у  организаций, но и у отдельных  людей. Началась эра персональных компьютеров.

Персональные компьютеры применялись для обработки слов, электронных таблиц, а также для  выполнения приложений с высоким  уровнем интерактивности (например, игр), с которыми большие компьютеры не справлялись.

Первые персональные компьютеры продавались в виде комплектов, которые  содержали:

печатную плату,

набор интегральных схем,

обычно включающий схему Intel 8080,

несколько кабелей,

источник питания,

8-дюймовый дисковод.

Сложить из этих частей компьютер  покупатель должен был сам и написать программное обеспечение к нему. Позднее для Intel 8080 появилась операционная система СР/М, написанная Гари Килдаллом.

Невидимые компьютеры (пятое  поколение)

Apple Newton.

В 1981 году правительство  Японии объявило о намерениях выделить национальным компаниям 500 миллионов  долларов на разработку компьютеров  пятого поколения на основе технологий искусственного интеллекта, которые  должны были потеснить «тугие на голову»  машины четвёртого поколения. Однако, несмотря на большой шум, японский проект разработки компьютеров пятого поколения  в конечном итоге показал свою несостоятельность и был аккуратно  «задвинут в дальний ящик». В  каком-то смысле эта ситуация оказалась  близка той, с которой столкнулся Беббидж: идея настолько опередила  свое время, что для её реализации не нашлось адекватной технологической  базы. То, что можно назвать пятым  поколением компьютеров, все же материализовалось, но в весьма неожиданном виде —  компьютеры начали стремительно уменьшаться. Модель Apple Newton, появившаяся в 1993 году, наглядно доказала, что компьютер можно уместить в корпусе размером с кассетный плеер.

Реализованный в Newton рукописный ввод, казалось бы, усложнил дело, но впоследствии пользовательский интерфейс подобных машин, которые теперь называются персональными электронными секретарями (Personal Digital Assistants, PDA), или просто карманными компьютерами, был усовершенствован и приобрел широкую популярность. Многие карманные компьютеры сегодня не менее мощны, чем обычные ПК двух-трехлетней давности.

2.1.1 Магистрально-модульный принцип.

Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой  многопроводные линии (рис. 4.1). К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные  из оперативной памяти данные могут  быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут  быть отправлены обратно в оперативную  память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом  направлении.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, то есть количеством  двоичных разрядов, которые могут  обрабатываться или передаваться процессором  одновременно. Разрядность процессоров  постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники.

Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной  памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении - от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые  могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

N = 2I , где I - разрядность  шины адреса.

Разрядность шины адреса постоянно  увеличивалась и в современных  персональных компьютерах составляет 36 бит. Таким образом, максимально  возможное количество адресуемых ячеек  памяти равно:

N = 236 = 68 719 476 736.

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию - считывание или запись информации из памяти - нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее.

2.1.2 Принцип открытой архитектуры.

Открытая архитектура  — архитектура компьютера, периферийного  устройства или же программного обеспечения, на которую опубликованы спецификации, что позволяет другим производителям разрабатывать дополнительные устройства к системам с такой архитектурой.

Персональным компьютером (ПК) называют сравнительно недорогой  универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя. Персональные компьютеры обычно проектируются на основе принципа открытой архитектуры. Принцип открытой архитектуры заключается  в следующем: Регламентируются и  стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его  конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер  можно собирать из отдельных узлов  и деталей, разработанных и изготовленных  независимыми фирмами-изготовителями. Компьютер легко расширяется  и модернизируется за счёт наличия  внутренних расширительных гнёзд, в  которые пользователь может вставлять  разнообразные устройства, удовлетворяющие  заданному стандарту, и тем самым  устанавливать конфигурацию своей  машины в соответствии со своими личными  предпочтениями. Для того, чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс (англ. interface от inter — между, и face — лицо). Интерфейс — это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой. Если интерфейс является общепринятым, например, утверждённым на уровне международных соглашений, то он называется стандартным. Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связан с шиной определённого типа — адресной, управляющей или шиной данных. Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты примерно по такой схеме:

Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными  устройствами по запросам микропроцессора. Основные характеристики компьютера —  разрядность, тактовая частота, объем  оперативной памяти.  Процессор. Важнейшей характеристикой процессора, определяющей его быстродействие, является его тактовая чистота, то есть количество базовых операций (например, операций сложения двух двоичных чисел), которые  производит процессор за одну секунду.  Другой характеристикой процессора является его разрядность. Разрядность  процессора определяется количеством  двоичных разрядов, которые процессор  обрабатывает за один такт. У первых отечественных компьютеров разрядность  процессора была равна 8 битам. У современного процессора Pentium IV равна 64 бита. Другая основная характеристика компьютера объём оперативной памяти. Оперативная память представляет множество ячеек каждая ячейка имеет свой двоичный адрес и её объём равен 1 байту. Производительность компьютера является его интегральной характеристикой, которая зависит от частоты и разрядности процессора, объёма оперативной и внешней памяти и скорости обмена данными, она определяется в процессе тестирования по скорости выполнения определенных операций в стандартной программной среде.