Главная Обратная связь

Дисциплины:






Электронные вычислительные машины

В 1642г. Паскаль изобрел устройство, выполняющее сложение чисел, а в 1673г. Лейбниц сконструировал арифмометр, позволяющий выполнять четыре арифметических действия. В первой половине XIX в. английский математик Чарльз Бэббидж разработал проект универсальной механической машины, которая должна была выполнять любые вычисления без участия человека. Программы для нее должны были вводиться с помощью перфокарт, которые уже тогда употреблялись в ткацких станках. Реально машина Бэббиджа (но не механическая, а электромеханическая) была построена в США только спустя более чем ста лет в 1943г. на одном из предприятий компании IBM под названием Марк-1.

Начиная с 1943 г. группа ученых в США начала конструировать вычислительную машину на основе электронных ламп. В 1945 г. к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман. В результате их совместной работы был подготовлен доклад о принципах построения этой машины. Он был опубликован фон Нейманом, и поэтому общие принципы функционирования компьютеров получили название принципов фон Неймана. Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. английским ученым Морисом Уилксом.

Принципы фон Неймана представляют собой ряд положений, выполнение которых 1.необходимо для эффективной работы вычислительной машины:

2.компьютер компонуется из нескольких основных устройств;

3.для хранения информации используется специальное запоминающее устройство;

4.данные представлены в запоминающем устройстве в форме двоичных чисел;

5.арифметические и логические операции выполняются арифметико-логическим устройством;

6.выполнение программ в вычислительной машине контролируется устройством управления;

7.программа, задающая работу компьютера, хранится в том же запоминающем устройстве, в котором хранятся данные (принцип хранимой программы);

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

Принцип хранимой программы позволяет обрабатывать команды программы так, как если бы они были данными, организуя наиболее эффективное выполнение программ. Большинство современных компьютеров в основных чертах соответствуют принципам, предложенным фон Нейманом.

Компьютер – это универсальное вычислительное устройство, предназначенное для выполнения произвольных алгоритмов. Любая информация в компьютере представляется в цифровой форме (в виде последовательностей нулей и единиц) и размещается в специальном хранилище данных, которое называется оперативной памятью компьютера. Алгоритм вводится в память компьютера в форме машинной программы и состоит из отдельных инструкций – машинных команд. С момента появления вычислительных машин их характеристики непрерывно улучшались. Согласно сложившейся традиции эволюция компьютеров разделена на несколько этапов, с которыми связывают поколения компьютеров. Каждое очередное поколение отличается элементной базой, лежащей в основе технологии их производства, производительностью и используемыми программными средствами. Развитие компьютерной техники определяется в терминах технологии аппаратуры и схем. Классификация компьютеров по их принадлежности к тому или иному поколению и появление самого термина «поколение компьютеров» относится к 1964 г., когда компания IBM выпустила серию компьютеров IBM/360 на интегральных микросхемах, назвав эту серию «компьютерами третьего поколения». Ранние компьютеры (на электронных лампах и на транзисторах) были отнесены к первому и второму поколению. В дальнейшем эта классификация, вошедшая в употребление, была расширена, и появились компьютеры четвёртого и пятого поколений (на больших и сверхбольших интегральных схемах).



История компьютерной индустрии почти всегда двигалась технологией. К середине ХХ века усилиями многих поколений ученых, начиная с Эдисона, были созданы и усовершенствованы электронные вакуумные лампы, которые обладали важными для компьютерных технологий свойствами: они имели конечное число различных состояний (в основном, два), неограниченно долго (при наличии питания) могли сохранять свое состояние и могли очень быстро эти состояния переключать. Эти технологические свойства электронных ламп позволили создать первые электронные вычислительные машины (ENIAC, EDSAC и EDVAC в Англии и США, МЭСМ в СССР) и заложили основу для развёртывания работ по созданию ЭВМ вакуумно-ламповой технологии - серийных ЭВМ первого поколения.

Разработка первой электронной серийной машины была начата в 1947 г. Эккертом и Моучли. Первый образец машины UNIVAC-1 был построен для бюро переписи США и пущен в эксплуатацию весной 1951 г. Вычислительная машина UNIVAC-1 содержала около 5 тыс. электронных ламп.

В 1952 г. свой первый промышленный электронный компьютер выпустила компания IBM. В компьютерах компании IBM появились регистры процессора и представление данных с плавающей запятой, смещение при адресации команд и каналы ввода-вывода.

В 1951г. Грейс Хоппер разработала первую компилирующую программу, которая производила трансляцию на машинный язык программы, записанной в удобной для обработки алгебраической форме. Английский ученый Уилкс предложил метод проектирования устройств управления компьютером, который нашел широкое применение. В 1951г. Уилкс совместно с Уиллером и Гиллом написали первый учебник по программированию. В нашей стране один из первых языков программирования предложил А.А. Ляпунов. В 1954 г. в компании IBM был разработан популярный до сих пор первый язык программирования высокого уровня, получивший название Fortran. Затем появились другие языки программирования (Cobol, Algol, Basic, PL/1), которые способствовали расширению сферы применения компьютеров.

В нашей стране в 1952 г. была введена в действие созданная под руководством С.А. Лебедева вполне современная по тому времени машина БЭСМ (Большая Электронная Счётная Машина). Серийно машина стала выпускаться в 1956 г. под названием БЭСМ-2. В 1955 г. был создан Вычислительный центр Академии наук, предназначенный для ведения научной работы в области машинной математики и для предоставления открытого вычислительного обслуживания другим организациям. Во второй половине 50-х гг. в нашей стране было выпущено восемь типов машин на электронных лампах.

При рассмотрении технического обеспечения компьютеров необходимо особо остановиться на устройствах ввода-вывода. Уже с появлением первых компьютеров выявилось противоречие между высоким быстродействием их центральных устройств и низкой скоростью работы внешних устройств. Кроме того, выявилось несовершенство и неудобство внешних устройств. Первым носителем данных в компьютерах была перфокарта. Затем появились перфорационные бумажные ленты или просто перфоленты. Затем под влиянием телевизионной техники появились дисплеи, а из магнитофонной техники были позаимствованы магнитные ленты. Далее компьютерная технология стала развиваться самостоятельно. После магнитных лент появились магнитные барабаны. В 1956 г. компанией IBM были разработаны плавающие магнитные головки на воздушной подушке, что позволило создать новый тип внешней памяти - дисковые запоминающие устройства.

Компьютеры первого поколения, содержащие процессор и память на электронных лампах, имели максимальную емкость оперативной памяти 104 ячеек и максимальное быстродействие процессора 104 операций в секунду. Программы составлялись только на машинном языке. Пользователь связывался с ЭВМ посредством пульта управления и колоды перфокарт.

Компьютеры второго поколения появились в конце 50-х годов с изобретением транзисторов. Эти машины имели процессор на транзисторах, а оперативную память на ферритовых сердечниках. Максимальная емкость памяти увеличилась до105 ячеек, максимальное быстродействие процессора – до 106 операций в секунду. Для этих машин был разработан язык программирования Ассемблер и появились компиляторы с Ассемблера.

В середине 1960 годов Р. Нойс изобрел метод, позволяющий создавать на одной пластине и транзисторы, и все соединения между ними. Полученные электронные схемы стали называться интегральными схемами или чипами, а компьютеры с процессором и памятью на интегральных схемах теперь относят к третьему поколению. Максимальная емкость оперативной памяти вследствие этого увеличилась до106 ячеек, максимальное быстродействие процессора – до 107 операций в секунду.

Машины третьего поколения были обеспечены трансляторами с языков программирования высокого уровня. Появилась клавиатура для ввода текстовой информации и видеотерминал для вывода информации в визуальной форме.

Дальнейшее развитие технологии в конце 1970-х годов привело к появлению больших интегральных схем – БИС. Транзисторы размещались на подложках из кремния в несколько слоев, которые прошивались по вертикали. Миниатюризация БИС одновременно привела к увеличению памяти и повышению быстродействия устройств. Компьютеры с процессором и памятью на БИС стали называть компьютерами четвертого поколения. Максимальная емкость оперативной памяти стала составлять до 108 байтов, а максимальное быстродействие процессора увеличилось до 109 операций в секунду. Появились новые языки программирования, позволяющие учитывать многозадачность и многопроцессорность компьютеров четвертого поколения. Были придуманы новые средства ввода и вывода информации типа манипулятора «мышь» и различных средств мультимедиа. Наконец, был создан персональный компьютер.

Компьютеры пятого поколения характеризуются процессором и оперативной памятью на сверхбольших интегральных схемах (СБИС). Процессоры суперкомпьютеров используют охлаждение гелием для достижения сверхпроводимости, широко используется многопроцессорность. Емкость оперативной памяти суперкомпьютеров составляет до 1010 байтов, максимальное быстродействие процессора – 1012 операций в секунду. Разработаны новые непроцедурные языки, включающие методы распараллеливания вычислений. В качестве средства взаимодействия пользователя и компьютера появилась голосовая связь.

 

Системы счисления

Во первых нужно рассказать о том, что такое двоичная система счисления. Мы привыкли для записи чисел использовать десятичную систему счисления. На самом деле эта система счисления не единственная. Десятичная система счисления относится к классу позиционных систем счисления. В общем случае позиционной системой счисления называется способ представления чисел в виде последовательности цифр, при котором вклад цифры в величину числа зависит от положения цифры в записи числа. Существуют и непозиционные системы счисления, например, римская система счисления.

Сначала разберемся в том, что собой представляет десятичная система счисления. Тогда величина этого числа вычисляется по формуле: X = A0*M0 + A1*M1 + A2*M2 +…+ AN-1*MN-1 + AN*MN. Здесь A0, A1, A2, …, AN-1, AN – так называемые M-ричные цифры, которые представляют значения от 0 до M-1 включительно.

Например, записанное в семиричной системе счисления число 236417 = 1+4*71+6*72+3*73+2*74 = 1+28+294+1029+4802 = 615410 .Это вычисление называется схемой Горнера, которая заключается в расстановке скобок в вышеприведенной сумме: 1+4*71+6*72+3*73+2*74 = 1+7*(4+7*(6+(7*(3+7*2) ) ) = 1+7*(4+7*(6+7*17) ) = 1+7*(4+7*125) = 1+7*879 = 615410 .

M-ричная система счисления:

Возьмем то же число X=39710. Попробуем записать его в пятиричной системе счисления. Для этого разделим его на 5. Получим 79 и 2 в остатке. Запомним первый остаток: A0 = 2. Далее разделим 79 на 5. Получим 15 и 4 в остатке. Запомним второй остаток: A1 = 4. Теперь разделим на 5 число 15. Получим 3 и 0 в остатке. Следовательно, A2 = 0. Последнее деление 3 на 5 дает 0 и 3 в остатке, то есть последняя полученная цифра – это A3 = 3. Равенство частного нулю означает, что процедуру следует завершить. Полученные остатки следует записать в обратном порядке. В результате проделанного вычисления получаем, что 39710 = 30425.

Для дробных чисел формула для вычисления величины числа слегка видоизменяется. Пусть число записано в системе счисления по основанию M в виде AnAn-1…A2A1A0 , A-1A-2…A-h . Тогда его величина вычисляется по формуле:

X = A-h*M-h +…+ A-2*M-2+A-1*M-1 + A0*M0 + A1*M1 + A2*M2 +…+ An-1*Mn-1 + An*Mn.

Так, число 1011,0112 представляет собой значение 2-3+2-2+20+21+23 = 11,37510 .

Для хранения числа в памяти компьютера оно переводится в двоичную систему счисления. Каждая двоичная цифра соответствует одному разряду хранения информации в памяти компьютера – одному биту. В современных компьютерах биты хранения информации объединяются в группы по восемь, которые называются байтами. Соответственно при хранении чисел двоичные цифры группируются по восемь. Например, для хранения числа 10011 100111012 требуется два байта. В первый байт записываются цифры 00010011, а во второй – цифры 10011101.

Шестнадцатиричная и двоичная системы счисления связаны между собой. Если в двоичной записи числа сгруппировать двоичные цифры по четыре (считая справа налево), а затем заменить каждую четверку двоичных цифр на шестнадцатиричную цифру, то получится шестнадцатиричное представление числа.





sdamzavas.net - 2017 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...