Перспективы развития ПК

 

Поколения ЭВМ

 

В соответствии с элементной базой  и уровнем развития программных  средств выделяют четыре реальных поколения  ЭВМ, краткая характеристика которых  приведена в Приложении 1.

 

Первое поколение ЭВМ.

 

ЭВМ первого поколения обладали небольшим быстродействием в несколько десятков тыс. оп./сек. В качестве внутренней памяти применялись ферритовые сердечники.

 

Основной недостаток этих ЭВМ –  рассогласование быстродействия внутренней памяти и АЛУ и УУ за счет различной элементной базы. Общее быстродействие определялось более медленным компонентом – внутренней памятью и снижало общий эффект. Уже в ЭВМ первого поколения делались попытки ликвидировать этот недостаток путем асинхронизации работы устройств и введения буферизации вывода, когда передаваемая информация «сбрасывается» в буфер, освобождая устройство для дальнейшей работы (принцип автономии). Таким образом, для работы устройств ввода-вывода использовалась собственная память.

 

Существенным функциональным ограничением ЭВМ первого поколения являлась ориентация на выполнение арифметических операций. При попытках приспособления для задач анализа они оказывались неэффективными.[12]

 

Языков программирования как таковых  еще не было, и для кодирования  своих алгоритмов программисты использовали машинные команды или ассемблеры. Это усложняло и затягивало процесс программирования. К концу 50-х годов средства программирования претерпевают принципиальные изменения: осуществляется переход к автоматизации программирования с помощью универсальных языков и библиотек стандартных программ. Использование универсальных языков повлекло возникновение трансляторов.

 

Программы выполнялись позадачно, т.е. оператору надо было следить  за ходом решения задачи и при  достижении конца самому инициировать выполнение следующей задачи.

 

Начало современной эры использования  ЭВМ в нашей стране относят  к 1950 году, когда в институте электротехники АН УССР под руководством С.А. Лебедева была создана первая отечественная  ЭВМ под названием МЭСМ – Малая  Электронная Счетная Машина. В течение первого этапа развития средств вычислительной техники в нашей стране создан ряд ЭВМ: БЭСМ, Стрела, Урал, М-2.[13]

 

Второе поколение ЭВМ.

 

Второе поколение ЭВМ – это  переход к транзисторной элементной базе, появление первых мини-ЭВМ.

 

Получает дальнейшее развитие принцип  автономии – он реализуется уже  на уровне отдельных устройств, что  выражается в их модульной структуре. Устройства ввода-вывода снабжаются собственными УУ (называемыми контроллерами), что  позволило освободить центральное УУ от управления операциями ввода-вывода.

 

Совершенствование и удешевление  ЭВМ привели к снижению удельной стоимости машинного времени  и вычислительных ресурсов в общей  стоимости автоматизированного  решения задачи обработки данных, в то же время расходы на разработку программ (т.е. программирование) почти не снижались, а в ряде случаев имели тенденции к росту. Таким образом, намечалась тенденция к эффективному программированию, которая начала реализовываться во втором поколении ЭВМ и получает развитие до настоящего времени.

 

Начинается разработка на базе библиотек  стандартных программ интегрированных  систем, обладающих свойством переносимости, т.е. функционирования на ЭВМ разных марок. Наиболее часто используемые программные средства выделяются в ППП для решения задач определенного класса.[14]

 

Совершенствуется технология выполнения программ на ЭВМ: создаются специальные  программные средства - системное  ПО.

 

Цель создания системного ПО –  ускорение и упрощение перехода процессором от одной задачи к другой. Появились первые системы пакетной обработки, которые просто автоматизировали запуск одной программ за другой и тем самым увеличивали коэффициент загрузки процессора. Системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем, они стали первыми системными программами, предназначенными для управления вычислительным процессом. В ходе реализации систем пакетной обработки был разработан формализованный язык управления заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какую работу он хочет выполнить на вычислительной машине. Совокупность нескольких заданий, как правило, в виде колоды перфокарт, получила название пакета заданий. Этот элемент жив до сих пор: так называемые пакетные (или командные) файлы MS DOS есть не что иное, как пакеты заданий (расширение в их имени bat является сокращением от английского слова batch, что означает пакет).

 

К отечественным ЭВМ второго  поколения относятся Проминь, Минск, Раздан, Мир.[15]

 

Третье поколение ЭВМ.

 

В 70-х годах возникают и развиваются ЭВМ третьего поколения. В нашей стране это ЕС ЭВМ, АСВТ, СМ ЭВМ. Данный этап - переход к интегральной элементной базе и создание многомашинных систем, поскольку значительного увеличения быстродействия на базе одной ЭВМ достичь уже не удавалось. Поэтому ЭВМ этого поколения создавались на основе принципа унификации, что позволило комплексировать произвольные вычислительные комплексы в различных сферах деятельности.

 

Расширение функциональных возможностей ЭВМ увеличило сферу их применения, что вызвало рост объема обрабатываемой информации и поставило задачу хранения данных в специальных базах данных и их ведения. Так появились первые системы управления базами данных – СУБД.

 

Изменились формы использования  ЭВМ: введение удаленных терминалов (дисплеев) позволило широко и эффективно внедрить режим разделения времени и за счет этого приблизить ЭВМ к пользователю и расширить круг решаемых задач. [16]

 

Обеспечить режим разделения времени  позволил новый вид ОС, поддерживающих мультипрограммирование. Мультипрограммирование - это способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько программ. Пока одна программа выполняет операцию ввода-вывода, процессор не простаивает, как это происходило при последовательном выполнении программ (однопрограммный режим), а выполняет другую программу (многопрограммный режим). При этом каждая программа загружается в свой участок внутренней памяти, называемый разделом.

 

Мультипрограммирование нацелено на создание для каждого отдельного пользователя иллюзии единоличного использования вычислительной машины, поэтому эти ОС носили интерактивный характер, когда в процессе диалога с ЭВМ пользователь решал свои задачи.[17]

 

Четвертое поколение ЭВМ.

 

С 1980 года начался современный четвертый этап, для которого характерны переход к большим интегральным схемам, создание серий недорогих микро-ЭВМ, разработка суперЭВМ для высокопроизводительных вычислений.[18]

 

Наиболее значительным стало появление  персональных ЭВМ, что позволило  приблизить ЭВМ к своему конечному пользователю. Компьютеры стали широко использоваться неспециалистами, что потребовало разработки "дружественного" программного обеспечения. Возникают ОС, поддерживающие графический интерфейс, интеллектуальные ППП, операционные оболочки. В связи с возросшим спросом на ПО совершенствуются технологии его разработки – появляются развитые системы программирования, инструментальные среды пользователя.

 

В середине 80-х стали бурно развиваться  сети персональных компьютеров, работающие под управлением сетевых или распределенных ОС.[19] В сетевых ОС хорошо развиты средства защиты информации от несанкционированного доступа.[20] Распределенные ОС обладают схожими с сетевыми системами функциями работы с файлами и другими ресурсами удаленных компьютеров, но там слабее выражены средства защиты.[21]

 

1.2 Понятие персонального компьютера

 

Персональный компьютер — компьютер (вычислительная машина) предназначенный  для личного использования, цена, размеры и возможности которого удовлетворяют запросы большого количества людей.[22]

 

В активное употребление термин был  введён в конце 1970-х годов компанией Apple Computer для своего компьютера Apple II и впоследствии перенесён на компьютеры IBM PC. Некоторое время персональным компьютером называли любую машину, использующую процессоры Intel и работающую под управлением операционных систем DOS, OS/2 и первых версий Microsoft Windows. С появлением других процессоров, поддерживающих работу перечисленных программ, таких, как AMD, Cyrix (ныне VIA), название стало иметь более широкую трактовку. Курьёзным фактом стало отрицание принадлежности к классу персональных компьютеров вычислительных машин Amiga и Macintosh, долгое время использовавших альтернативную компьютерную архитектуру.

 

В Советском Союзе вычислительные машины, предназначенные для личного использования, носили официальное название персональных электронных вычислительных машин (ПЭВМ). В терминологии, принятой в российских стандартах это словосочетание и сегодня указывается вместо используемого де-факто названия персона́льный компью́тер[23].

 

По данным аналитической компании IDC, в 2005 году мировые поставки персональных компьютеров составили 202,7 млн штук (рост на 15,8 % по сравнению с 2004 годом).

 

В 2007 году, по данным IDC, продажи персональных компьютеров в мире составили 269 млн штук (рост по сравнению с предыдущим годом на 14,3 %). Лидером по продажам ПК стала компания Hewlett-Packard (около 18,2 % всех поставок).[24]

 

1.3 Принципы функционирования компьютера

 

В 1946 – 1948 годах в Принстонском университете (США) коллективом исследователей под руководством Джона фон Неймана был разработан проект ЭВМ, который никогда не был реализован, но идеи которого используются и по сей день. Этот проект получил название машины фон Неймана или Принстонской машины. В его состав входила схема и следующие принципы функционирования вычислительной машины:

 

1) принцип программного управления: работа ЭВМ регламентируется  программой, что позволяет, вводя  разные программы, решать разные  задачи. Команды, из которых состоит программа, интерпретируются специально введенным в схему устройством – устройством управления. Структура отдельной команды имеет вид: <код операции> <операнды>, где <код операции> определяет, какая операция должна выполняться, <операнды> - список (возможно, одноэлементный) тех констант, адресов, имен переменных или других элементов, над которыми выполняется данная операция. В зависимости от числа операндов различают одно-, двух- и трехадресные машинные команды. Каждая команда имеет определенный объем, измеряемый байтами.

 

Этот принцип был самым прогрессивным  среди включенных в проект, поскольку  обеспечивал универсальность ЭВМ. В соответствии с принципом программного управления любая ЭВМ – это  совокупность аппаратной (технической) и программной частей;

 

2) принцип условного перехода: команды из программы не всегда выполняются одна за другой. Возможно присутствие в программе команд условного перехода, которые меняют последовательное выполнение команд в зависимости от значений данных;

 

3) принцип размещения программы в памяти: программа, требуемая для работы ЭВМ, предварительно размещается в памяти компьютера, а не вводится команда за командой;

 

4) принцип иерархии памяти: память  ЭВМ не однородна. Для часто  используемых данных выделяется  память меньшего объема, но большего быстродействия; для редко используемых данных выделяется память большего объема, но меньшего быстродействия;

 

5) принцип двоичной системы счисления:  для внутреннего представления  данных и программ в памяти  ЭВМ применяется двоичная система  счисления, которую можно проще реализовать технически.[25]

 

Структура Принстонской машины представлена на рисунке 1.:

 

 

Рис. 1. Структура Принстонской машины

 

 

Здесь одинарные стрелки показывают управляющие связи, по которым передаются управляющие сигналы, двойные стрелки представляют информационные связи, по которым передаются данные и программы.

 

Рассмотрим назначение отдельных  элементов этой схемы и их взаимосвязь  в процессе функционирования ЭВМ.

 

Через устройство ввода (УВв) в память (П) вводится программа – набор команд, предписывающих ЭВМ выполнять требуемые действия (на рис. связь 1). При вводе программы (а позже и данных) выполняется отображение вводимой информации во внутреннее представление, принятое в ЭВМ.

 

После размещения программы в памяти устройство управления (УУ) выбирает последовательно команду за командой из памяти (связь 2) и интерпретирует ее по следующим правилам:

 

если выбранная команда является командой ввода данных, УУ посылает управляющий сигнал (связь 3) в УВв  для начала ввода данных. Данные также вводятся по связи 1 и размещаются в памяти П;

 

если выбранная команда связана  с выполнением арифметических или  логических операций, то в память П  из УУ посылается сигнал (связь 4) на выборку  указанных в команде данных с  последующей их пересылкой в арифметико-логическое устройство (АЛУ) (связь 5), а в само АЛУ передается сигнал с кодом нужной операции (связь 7). АЛУ выполняет арифметические и логические действия над переданными операндами. После выполнения требуемых действия, АЛУ возвращает результат в память П (связь 6);

 

если выбранная команда является командой вывода, УУ генерирует управляющий  сигнал устройству вывода (УВыв) (связь 8) на начало операции по выводу данных. Сами данные выбираются из памяти П  по связи 9.

 

УВыв выводит информацию из ЭВМ и преобразует ее из внутреннего представления во внешнее.

 

В соответствии с принципом иерархии памяти блок Память на рисунке делится  на два блока – внешняя и  внутренняя память. Внешняя память традиционно отводится для долговременного  хранения данных и программ, а сама оперативная обработка данных в соответствии с программой, как это было рассмотрено выше, выполняется во внутренней памяти. [26]

 

В современных компьютерах блоки  УУ и АЛУ объединены в блок, называемый процессором[27]. В состав процессора, кроме указанных блоков, входят также несколько регистров – специальных небольших областей памяти, куда процессор помещает промежуточные результаты и некоторую другую информацию, необходимую ему в ближайшие такты работы.[28]