Роль и перспективы развития ПК в современной жизни

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 сигналустройству 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, называемыйпроцессором[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]