ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ
Данная тема включает в себя следующие вопросы:
1 Принципы архитектуры и история развития компьютеров.
1.1 Архитектура компьютера.
1.2 Основные тенденции развития аппаратного обеспечения компьютера.
1.3 Магистрально-модульный принцип архитектуры персональных компьютеров.
1.4 Хронология развития электронной вычислительной техники.
1.5 Поколения ЭВМ и их основные характеристики.
2 Представление информации в компьютере.
2.1 Представление текстовой информации
2.2 Представление графической информации
2.3 Представление звуковой информации
2.4 Представление числовой информации
1 ПРИНЦИПЫ АРХИТЕКТУРЫ И ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ КОМПЬЮТЕРОВ
1.1 Архитектура компьютера
Основные понятия
Архитектура ЭВМ - общее описание структуры и функций ЭВМ, ее ресурсов. В это описание входит:
- общая конфигурация основных устройств;
- основные возможности и характеристики устройств;
- способы взаимосвязи основных устройств компьютера.
Ресурсы ЭВМ - средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени. К ресурсам ЭВМ традиционно относят объем доступной памяти, процессорное время и др.
К центральным (системным) устройствам компьютера относят, прежде всего, центральный процессор, оперативную память, системную магистраль.
Периферийными устройствами компьютера являются: дисплей, клавиатура, манипуляторы -мышь, джойстик, световое перо и т.п., винчестер, дисководы для гибких и компакт-дисков, принтер, плоттер, сканер, модем и пр.
Порт - устройство, через которое периферийные устройства подключаются к системной магистрали.
При разработке принципов архитектуры компьютеров широко используется идея о разделении отдельных операций процесса решения задачи (процесса вычислений) между отдельными специализированными устройствами.
Когда Чарльз Бэббидж разрабатывал аналитическую счетную машину в 1830-х гг. он предположил, что для успешной работы необходимы как минимум следующие устройства (рис. 9):
- устройство для обработки данных, в котором непосредственно осуществляются вычисления (мельница);
- устройство для хранения данных (склад);
- устройство для управления процессом вычислений (контора).
Рис. 9 Архитектура аналитической счетной машины с точки зрения Ч. Бэббиджа
Разработке Бэббиджа не суждено было воплотиться в действующей модели, но идеи о разделении отдельных операций процесса вычислений между отдельными специализированнымиустройствами получили дальнейшее развитие в принципах архитектуры компьютеров, традиционно называемых принципами фон Неймана (1940-е гг.). Эти принципы таковы:
- принцип программного управления. Все устройства работают под управлением программ.
Программы состоят из отдельных шагов - команд. Последовательность команд и является программой;
- принцип условного перехода. Существует возможность менять последовательность вычислений в зависимости от полученных промежуточных результатов;
- принцип хранимой программы. Программы и данные к ним хранятся в одной той же памяти.
Команды представляются в числовой форме и хранятся в том же ОЗУ, что и данные для вычислений. Таким образом, команды можно посылать в арифметическое устройство и преобразовывать как обычные числа. Это позволяет создавать программы, способные в процессе вычислений изменять сами себя;
- принцип иерархичности запоминающих устройств - память делится на оперативную (быстрая, небольшого размера) и долговременную (большую, а потому медленную). Наиболее часто используемые данные хранятся в быстром ЗУ сравнительно малой емкости, а более редко используемые - в медленном, но гораздо большей емкости;
- принцип двоичного кодирования - вся информация в компьютере хранится и обрабатывается в двоичном коде.
Начиная с первых ЭВМ (1940-е гг.), реализовывалась схема взаимодействия устройств компьютера, основанная на этих принципах, представленная на рис. 10.
Рис. 10 Схема взаимодействий устройств компьютера согласно архитектуре фон Неймана: УУ - устройство управления; АЛУ - арифметико-логическое устройство
Что касается персональных компьютеров (конец 1970-х - начало 1980-х гг.), то их основу составляет находящаяся в системном блоке системная (материнская) плата, на которой размещены системные (центральные) устройства компьютера - процессор и память (оперативная и постоянная), соединенные между собой системной шиной (информационной магистралью), к которой подсоединяются контроллеры всех периферийных устройств, подключаемых к компьютеру (см. рис. 11).
При этом периферийными считаются и клавиатура, и монитор, и винчестер, и дисководы, и модем, и манипуляторы, и сканер, и видеокамера, и т.д. Дополнительные устройства, позволяющие пользователю компьютера слушать музыку, смотреть видеоролики, работать в сети и т.д., подключаются через специальные платы расширения.
Невозможна работа компьютера и без таких вспомогательных (с точки зрения процесса обработки информации) устройств, как блок питания, система охлаждения и пр.
Рис. 11 Схема архитектуры персонального компьютера
Примечание. Адаптер монитора (видеоадаптер) часто также располагается на системной плате.
1.2 Основные тенденции развития аппаратного обеспечения компьютера
Развитие ЭВМ с момента их появления происходит быстрыми темпами. Модернизируются существующие устройства и разрабатываются новые, появляются более совершенные конструктивные решения для обеспечения взаимосвязи отдельных устройств между собой - т.е. архитектура ЭВМ постоянно совершенствуется.
На смену большим ЭВМ пришли мини-ЭВМ, а затем и персональные компьютеры (ПК). Сохраняя общие принципы архитектуры, каждая новая модель компьютеров обладает определенными отличительными признаками.
Интеграция устройств. Например, если в первых моделях математический сопроцессор, кэшпамять, таймер и ряд других устройств изготавливались и размещались на материнской плате как отдельные устройства, то в настоящее время они все чаще объединяются в одном кристалле с центральным процессором.
Расширение спектра периферийных устройств. В настоящее время пользователю предлагаются самые различные модели принтеров, дисплеев, клавиатур, несколько десятков видов манипуляторов, сенсорные системы и т.д.
Унификация портов - переход от специализированных портов для разных устройств (например, LPT - Line PrinTer - для подключения принтера и COM - communicate - для модема и т.п.) к универсальным портам - USB - universal serial bus (универсальная последовательная шина). К одному USB-порту можно подключить до 127 устройств разного назначения.
Унификация двоичного кодирования символов - переход от множества однобайтных таблиц кодировок (ASCII, КОИ-8, CP1251 и т.п.) к единой двухбайтной таблице Unicode, содержащей коды 216 = 65536 различных символов.
1.3 Магистрально-модульный принцип архитектуры персональных компьютеров
Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе организации обмена информации. В соответствии с этим принципом центральные устройства компьютера взаимодействуют между собой (обмениваются информацией) и с периферийными устройствами через системную (информационную) магистраль (рис.
12).
Системная магистраль предназначена для передачи данных, адресов, команд управления, а потому включает в себя шину данных, адресную шину и шину управления.
Центральные устройства подсоединены к шине непосредственно, а периферийные - через устройства сопряжения (контроллеры или адаптеры).
Рис. 12 Схема архитектуры ПК, основанной на магистрально-модульном принципе организации обмена информации:
НГМД - накопитель на гибких магнитных дисках (дисковод флоппи-диска);
Винчестер - накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД)
1.4 Хронология развития электронной вычислительной техники
1941 г. - первый автоматический программируемый универсальный цифровой компьютер. Название: Z3
Разработчик: доктор Конрад Цузе (Konrad Zuse), Германия.
Приблизительный период разработки: 1938 - 1941 гг.
Краткое описание: Z3 управлялся перфолентой из использованной кинопленки, а ввод и вывод производился с четырехкнопочной цифровой клавиатуры и ламповой панели. Машина была основана на реле-технологии и требовала приблизительно 2600 реле: 1400 - для памяти, 600 - для арифметического модуля и оставшиеся как часть схем управления.
Главный недостаток реле в том, что прохождение сигнала вызывает искру при замыкании и размыкании контактов. Искра была причиной износа и коррозии контактов и вызывала отказы реле.
Память состояла из 64 слов. Цузе использовал двоичные числа с плавающей точкой, длина кода числа составляла 22 бит: четырнадцать для мантиссы, семь для порядка и один для знака. Арифметический модуль состоял из двух механизмов - для порядка и мантиссы, - которые функционировали параллельно.
Это обеспечивало не только выполнение четырех стандартных арифметических операций, но и позволяло вычислять квадратные корни. Имелись специальные аппаратные команды для умножения чисел на - 1; 0,1; 0,5; 2 или 10.
Практиковалось изготовление специальных модулей для автоматического преобразования чисел из двоичной системы в десятеричную, чтобы упростить чтение и запись данных. Z3 мог выполнять три или четыре сложения в секунду и умножать два числа за 4 или 5 секунд.
Z3 никогда не использовался для решения серьезных проблем, потому что ограниченная память не позволяла загрузить достаточное количество информации, чтобы обеспечить решение систем линейных уравнений, для чего он и создавался.
Единственная модель Z3 была разрушена во время воздушного налета в 1944 г. Z3 - первое устройство, которое можно назвать полностью сформировавшимся компьютером с автоматическим контролем над операциями.
1943 г. - первый программируемый электронный цифровой компьютер.
Название: Colossus.
Разработчики: доктор Томми Флаверс (Tommy Flowers) и научно-исследовательские лаборатории Почтового департамента Англии,
Приблизительный период разработки: 1939 - 1943 гг.
Краткое описание: Colossus был построен в 1943 году в научно-исследовательских лабораториях Почтового департамента Англии группой разработчиков во главе с Томми Флаверсом для декодирования немецких телеграфных шифровок. Немецкое командование использовало шифровальную машину Лоренца для обработки секретных депеш как от Гитлера к генералам, так и между генералитетом. Декодируя эти сообщения, генералы Эйзенхауэр и Монтгомери получали важнейшую информацию, сыгравшую немаловажную роль в успешной высадке союзнических войск в 1944 г.
1946 г. - первый большой универсальный электронный цифровой компьютер (рис. 13).
Название: ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator).
Разработчики: Джон Мочли (John Маuchу) и Дж. Преспер Эккерт (J.
Prosper Eckert).
Приблизительный период разработки: 1943 - 1946 гг.
Краткое описание: Электронный числовой интегратор и вычислитель, полностью готовый к работе весной 1945 г., стал первым полнофункциональным цифровым компьютером. Он был произведен на свет в Школе электрической техники Moore (при университете в Пенсильвании). Для хранения и обработки данных в ней были применены 18 тыс. электронных ламп и 1500 реле. Таким образом, компьютер осуществлял обработку данных с помощью электроники, а не механически.
ENIAC мог производить 5 тыс. операций сложения или 300 операций умножения в секунду.
Время сложения - 200 мкс, умножения - 2800 мкс и деления - 24000 мкс. Команды по программе вводились вручную и каждый раз программу нужно было вводить заново. В результате на создание и выполнение даже самой простой программы требовалось очень много времени.
Однако в считанные часы на этой машине можно было решить задачи, на которые 50 инженерам потребовался бы целый год. Компьютер содержал 17468 вакуумных ламп шестнадцати типов, 7200 кристаллических диодов и 4100 магнитных элементов.
В 1940-е гг. электронные лампы не были такими надежными, какими они являются в настоящее время. В среднем каждые 8 минут одна лампа выходила из строя и все-таки ENIAC продемонстрировал всем широкие возможности электронного компьютера.
Потребляемая мощность ENIAC -174 кВт - мощность, достаточная для небольшого завода. Это было огромное сооружение из 40 панелей, расположенных П-образно. Объем - 85 м, длина - 30 м, занимаемое пространство - около 300 м2, вес - 30 т.
Первая полностью электронная цифровая вычислительная машина ENIAC (Electronic Numerical Integrator and - электронный численный интегратор и калькулятор) была создана в 1946 г. по заказу военного ведомства США. Машина употребляла около 150 кВт энергии.
Рис. 13 ENIAC
1949 г. - первый большой полнофункциональный электронный цифровой компьютер с сохраняемой программой.
Название: EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Computer - электронный калькулятор с памятью на линиях задержки).
Разработчики: Морис Вилкес (Maurice Wilkes) и сотрудники математической лаборатории Кембриджского университета (Англия).
Приблизительный период разработки: 1946 - 1949 гг. Первая программа успешно прошла 6 мая 1949 г.
1950 г. - первая отечественная электронная цифровая вычислительная машина.
Название: МЭСМ (Модель электронной счетной машины).
Разработчики: С.А. Лебедев, Институт электротехники АН УССР.
Приблизительный период разработки: 1946 - 1950 гг.
1952 г. - первая российская цифровая вычислительная машина общего назначения семейства БЭСМ, ориентированная на решение сложных задач науки и техники.
Название: БЭСМ - большая электронная счетная машина.
Разработчик: Институт точной механики и вычислительной техники АН СССР.
Приблизительный период разработки: 1949 - 1952 гг.
Краткое описание: Трехадресная машина параллельного действия, оперировавшая с 39разрядными словами со скоростью 10 тыс. операций в секунду.
1956 г. - первое принесшее коммерческий успех игровое цифровое устройство. Прообраз игровых компьютеров и приставок.
Название: Genlac.
Разработчик: Эдмунд Беркли (Edmund С. Berkeley).
Приблизительный период разработки: 1955 - 1956 гг.
1963 г. - первое надежное коммерческое использование электроннолучевых трубок (CRT) для компьютерного дисплея.
Название: PDP-1.
Разработчик: Digital Equipment Corporation. В более ранних моделях дисплеев использовались CRT от осциллографа.
1964 г. - первое ручное устройство ввода.
Название: мышь.
Разработчик: Дуглас Энгельбарт (Douglas Engelbart).
Приблизительный период разработки: 1962 - 1964 гг.
1967 г. - одна из самых успешных отечественных разработок, самая мощная вычислительная машина семейства БЭСМ - БЭСМ-6.
Разработчик: Институт точной механики и вычислительной техники АН СССР. Приблизительный период разработки: 1965 - 1967 гг.
Краткое описание: Быстродействие - около 1 млн. операций в секунду. Применение в машине одноадресной системы команд подтверждало общую тенденцию повышения гибкости командного управления.
Центральный процессор характеризовался высокой степенью локального параллелизма, у него были сверхбыстродействующее буферное запоминающее устройство и расширенная система команд, он обладал возможностью организации стековой памяти и разбиением оперативной памяти на независимые блоки. Широко использовалось совмещение выполнения операций обращения к памяти с работой арифметического устройства и устройства управления.
Имелось пять уровней предварительного просмотра команд.
Работа машины в режиме разделения времени и мультипрограммирования обеспечивалась аппаратной системой прерываний, схемой защиты памяти, индексацией и развитой системой преобразования виртуальных адресов памяти в физические. Были предусмотрены также косвенная адресация и возможности переадресации.
Общий объем математического обеспечения достигал сотен тысяч строк кода.
1970 г. - создание больших интегральных схем (БИС). На одном кристалле удалось разместить все основные электронные части процессора.
1970 г. - первый многооконный интерфейс пользователя. Первая крупномасштабная реализация электронной почты.
Разработчики: Дуглас Энгельбарт (Douglas Engelbart) и Исследовательский центр аугментации (Augmentation Research Center).
Приблизительный период разработки: 1969-1970 гг.
1971 г. - первый коммерчески доступный микропроцессор.
Название: Intel 4004.
Разработчик: корпорация Intel, разработка для компании Busicom.
1971 г. - первое регулярное использование 8-дюймовой гибкой дискеты (бабушки флоппи-дисков).
Разработчик: Алан Шугарт (Alan Shugart) в IBM.
1973 г. - первый полнофункциональный персональный компьютер, укомплектованный монитором.
Название: Alto.
Разработчик: фирма Xerox, лаборатория в Пало-Альто (Xerox PARC).
Приблизительный период разработки: 1970 - 1973 гг.
1975 г. - первый серийно произведенный и выставленный на продажу персональный компьютер (в комплекте для сборки и собранный).
Название: Altair 8800.
Разработчики: Эдвард Робертс (Edward Roberts), Вильям Ятес (William Yates) и Джим Байби (Jim Bybee).
Приблизительный период разработки: 1973-1974 гг.
Краткое описание: Первый Altair использовал процессор Intel 8080 и 4 Кбайт памяти. По заказу Эдварда Робертса из компании MITS, распространяющей компьютер, Билл Гейтс и Поль Аллен написали интерпретатор языка Бейсик, втиснув его в имеющиеся 4 Кбайт (этим до сих пор гордится Б. Гейтс).
Так начиналась компания Microsoft, специализирующаяся на разработке программного обеспечения.
1975 г. - первый персональный компьютер IBM (IBM Portable Computer).
Название: IBM 5100.
Разработчик: IBM.
Приблизительный период разработки: 1973 - 1975 гг. (продажа и маркетинг этого устройства были неудачны).
Краткое описание: Портативный компьютер с ленточным устройством ввода/ вывода и крошечным дисплеем. IBM 5100 - один из самих первых персональных компьютеров.
IBM 5100 Portable Computer был первой (и неудачной) попыткой IBM сформировать персональный компьютер в конце 1974 г. Он весил около 23 кг и стоил около 10000 долларов. У компьютера были встроенный ленточный накопитель, маленький экран и возможность управления программами на Бейсике или APL (языке программирования, созданном IBM).
IBM использовала собственные комплектующие и не полагалась на микропроцессор Intel, в отличие от следующих, более успешных моделей.
Монитор отображал 16 строк по 64 символа в каждой, память расширялась до 64 Кбайт, и ленточное устройство использовало стандартную музыкальную кассету, которая сохраняла приблизительно 200 Кбайт данных.
Компьютер разрабатывался для использования в малом бизнесе, но высокая стоимость, недостатки интерфейса и невозможность обмена данными с другими компьютерами ограничили его применение и не позволили стать широко используемым персональным компьютером.
1976 г. - первый чрезвычайно успешно продаваемый персональный компьютер.
Название: Apple II.
Разработчики: СтивДжобс (Steve Jobs) и Стив Возняк (Steve Wozniak).
Приблизительный период разработки: 1974 - 1976 гг.
Краткое описание: первый компьютер Арріе, собранный буквально на коленках, не слишком отличался от своих собратьев (Altair и другие). И только линия Apple II, выполненная на коммерческой основе, стала чрезвычайно популярна.
Немного позже появились Арріе III и Lisa, а только затем -Macintosh, вышедший как Мас 128К (со всеми новинками, приписываемыми фирмеАрр^ как первооткрывателю).
Apple II имел 48 Кбайт памяти и S.O.S. (Sophisticated Operating System - замысловатая операционная система); он создал тенденцию всеобщей компьютеризации и породил бум персональных компьютеров.
1981 г. - первый успешно продаваемый персональный компьютер IBM.
Название: IBM PC.
Разработчик: IBM.
Приблизительный период разработки: 1978 - 1981 гг.
Краткое описание: Оригинальный PC - это модель 1983 г. с 640 Кбайт оперативной памяти, но самые ранние модели могли иметь только 64 Кбайт на материнской плате. Этот PC имел два пятидюймовых дисковода для гибких дискет на 360 Кбайт.
Потребляет всего 63,5 Вт.
IBM представила Personal Computer (PC), или персональный компьютер (ПК), 12 августа 1981 г. В то время большинство компьютеров все еще были 8-разрядными и могли обрабатывать 8 бит информации за такт. IBM революционизировала компьютерную индустрию, выйдя на рынок с персональным компьютером, базирующемся на процессоре Intel 8088, совместимом с компьютерами на 8-разрядных процессорах Intel, но обрабатывающем до 16 бит информации за такт (т.е. он был 16-разрядным).
PC показал пример расширяемой архитектуры, известной как открытая архитектура, которая дала возможность пользователям добавлять новые компоненты к их компьютерам без замены целого устройства.
Первоначально IBM PC (модель 5150) приходил с 16 Кбайт стандартной оперативной памяти, имел одноцветный монитор, где зеленым по черному отображалось 25 строк по 80 символов и который подключался к блоку питания компьютера, так что не нуждался в собственном выключателе; монохромный графический адаптер с параллельным портом для принтера; последовательный порт; гибкий дисковод, способный использовать односторонние и двухсторонние дискеты, с одинарной и удвоенной плотностью записи (емкостью 80...360 Кбайт). Благодаря возможной расширяемости и открытости архитектуры сторонние изготовители быстро наладили производство жестких дисков, которые добавили новые возможности для хранения программ и данных на IBM PC.
В марте 1983 г. IBM выпустила персональный компьютер XT (сокращение от extended Technology), или PC/XT, или просто ХТ. Он комплектовался жестким диском на 10 мегабайт, памятью до 640 Кбайт и
MS-DOS v2.1., которая поддерживала каталоги и подкаталоги. Один или два дисковода для пятидюймовых гибких дискет а позже жесткий диск на 20 Мбайт и низкая цена (1995 долларов) открыли новую эру использования персональных компьютеров.
Шина расширения персонального компьютера XT содержала восемь слотов вместо старых пяти. Это дало пользователям большую гибкость в добавлении периферийных устройств.
Машина была настолько популярна, что многие изготовители начали копировать проект IBM.
Начиная с XT произошел взрыв в индустрии персональных компьютеров. Он стал возможен благодаря открытой архитектуре IBM PC и XT, ставшей промышленным стандартом.
1981 г. - первый успешно продаваемый переносной микрокомпьютер с экраном, дисководами и сумкой для переноса (прообраз ноутбуков).
Название: Osborne 1.
Разработчик: Osborne Computer Corp.
Приблизительный период разработки: 1980 - 1981 гг.
Краткое описание: Дисковод для пятидюймовых гибких дискет, крошечный экран (3,55 дюйма по горизонтали и 2,63 по вертикали), шаблон текстового процессора Wordstar на клавиатуре, аккумуляторные батареи и сумка для переноски.
1.5 Поколения ЭВМ и их основные характеристики
Существует своеобразная периодизация развития ЭВМ, связанная, в основном, с типом используемой элементной базы, которая определяет в свою очередь быстродействие компьютера, емкость ЗУ. Временные границы поколений сильно размыты: в одно и то же время выпускались и использовались машины различных типов.
Для отдельных же машин вопрос об их принадлежности к тому или иному поколению решается достаточно просто.
С переходом к серийному производству ламповых ЭВМ с хранимой программой начинается период машин первого поколения.
В качестве внешних носителей информации при вводе и выводе данных использовались перфоленты и перфокарты. Типичное (среднее) быстродействие машин первого поколения измерялось несколькими тысячами арифметических операций в секунду.
В 1948 г. был изобретен транзистор и начиная с середины 1950-х гг. на смену ламповым машинам пришли транзисторные машины второго поколения, в которых основными элементами были полупроводниковые триоды-транзисторы (габариты транзистора, заменившего электронную лампу, приблизительно в 40 раз меньше). Транзисторные машины обладали значительно более высокой надежностью, чем ламповые ЭВМ (средний срок службы транзисторов на два-три порядка превосходит срок службы электронных ламп), меньшим потреблением энергии, более высоким быстродействием, которое достигалось не только за счет повышения скорости переключения счетных и запоминающих элементов, но и за счет изменений в структуре машин. Наиболее мощные машины второго поколения (МИНСК, МИР, БЭСМ-6) достигали быстродействия до ста тысяч операций в с.
