Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
1. Історія розвитку обчислювальної техніки. Покоління розвитку обчислювальної техніки.
Інформатика – одна з наймолодших дисциплін, корені якої сягають у далеке минуле.
Людина живе у світі інформації, і здавна існує необхідність її збереження та передачі. Першими сховищами інформації були бібліотеки. У середині 7 ст. до н.е. при палаці ассирійського царя Ашшурбаніпала було велике зібрання глиняних таблиць. До нинішніх часів дійшла слава Александрійської бібліотеки, заснованої Птолемеєм, яка нараховувала на початок I століття 700 тис. одиниць. Кожний освічений правитель вважав своїм обов’язком сприяти розвиткові бібліотек. У Давній Русі перша бібліотека була заснована в 1037 р. Ярославом Мудрим при Софійському соборі у Києві. Якщо перші бібліотеки призначалися для вищих прошарків суспільства, то у 17-18 ст. стала помітно збільшуватися кількість національних бібліотек, виникла необхідність систематизації книжкового фонду. У ті часи були закладені основи бібліотечної справи, а інформація, що зберігається у бібліотеках, стала доступною широкому колу читачів.
Однак не всі знання, що накопичуються і зберігаються у книгах, відразу застосовуються на практиці.
Ще за часів найдавніших культур людині доводилося розв’язувати задачі, які пов’язані з торговельними розрахунками, з обчисленням часу, із визначенням площі земельних ділянок тощо. Зростання обсягів цих розрахунків призводило навіть до того, що з однієї країни до іншої запрошували спеціально навчених людей, які добре володіли технікою арифметичного числення. Тому рано чи пізно мали з’явитися пристрої, що полегшують виконання повсякденних розрахунків.
Абак - V ст. до н.е.
У Давній Греції й у Давньому Римі були створені пристрої для лічби, названі абак. (від грецького слова abakion – „дощечка, покрита пилюкою ”). Абак представляв собою дощечку с жолобками, в яких розміщувались камінці чи кісточки. Кожен жолобок відповідав певному розряду числа.
Потім люди додумались нанизати камінці з дірочками на палочки і закріпити їх в спеціальну рамку. Так була винайдена рахівниця.
Рахівниці
|
Суан-пан (Китай) - VI століття |
|
|
Соробан (Японія) – XV-XVI століття |
|
|
Рахівниця |
Перші проекти лічильних машин
Леонардо да Вінчі (XV ст.) – сумувальний пристрій із зубчатими коліщатами: додавання 13-розрядних чисел
1623 р. – машина Шиккарда
Професор Вільгельм Шиккард – знавець сходу і математик, описав будову "годинника для лічби" - лічильної машини з пристроєм установки чисел і валиками, з двигуном і вікном для зчитування результату. Ця перша механічна машинка могла додавати і віднімати, а за свідченнями інших джерел – іще множити і ділити.
1642 – «Паскалина» (Арифмометр Паскаля)
Перша в світі механічна лічильна машина
Її винайшов 19-тирічний французький математик Блез Паскаль.
Арифмометр представляє собою комбінацію взаємозв’язаних зубчатих коліщат з нанесеними цифрами від 0 до 9. Якщо перше коліщатко робить оберт від 0 до 9, то починає рухатися друге коліщатко і т.д. Схожий принцип роботи – в звичайному лічильнику електроенергії.
Лічильна машина Паскаля могла тільки додавати і віднімати.
1654 – логарифмічна лінійка
Розвиток пристроїв для лічби крокував у ногу з досягненнями математики. Незабаром після введення в обіг логарифмів у 1623 р. з’явилося логарифмічна лінійка. Англієць Р. Біссакар, а в 1657 році – незалежно від нього – С. Патрідж розробили прямокутну логарифмічну лінійку, конструкція якої в основному збереглась до наших днів. Цей простий на перший погляд пристрій досить добре продуманий і дозволяє проводити складні обрахунки. Ця лінійка і по сьогодні знаходиться на озброєнні в українській армії, і її використання аргументується тим, що у випадку ядерного вибуху всі електричні пристрої вийдуть з ладу.
1672 – Лічильна машина Лейбніца
Лічильну машину для 12-розрядних десяткових чисел створив німецький вчений Вільгельм Готфрід фон Лейбніц. До зубчастих коліщат він додав ступінчатий валик, який крім додавання і віднімання дозволяє виконувати операції множення і ділення.
Лейбніц уперше висловив думку про можливість машинного моделювання людських функцій і ввів термін „модель ”. Крім того, він розробив двійкову систему числення, що згодом широко застосовувалася в обчислювальних машинах.
Лічильні машини Паскаля і Лейбніца стали прообразом арифмометра. Перший арифмометр для чотирьох арифметичних дій, який застосовувався у практиці, вдалося сконструювати тільки через сто років, у 1790 р., німецькому годинниковому майстру Гану. Згодом пристрій арифмометра удосконалювався багатьма механіками з Англії, Франції, Італії, Росії, Швейцарії. Арифмометри застосовувалися для виконання складних розрахунків під час проектування та будівництва кораблів, мостів, будинків, проведення фінансових операцій. Але продуктивність роботи на арифмометрах залишалася невисокою, нагальною вимогою часу була автоматизація розрахунків.
Удосконалений арифмометр використовувався для обрахунків в різних організаціях до 70 - х років. 20 століття.
1820 – механический калькулятор
Перший механічний калькулятор, який міг додавати, множити, віднімати і ділити, створив Чарльз Ксав’єр Томас. Бурхливий розвиток механічних калькуляторів привів до того, що до 1890 року додався ряд корисних функцій: запам’ятовування проміжних результатів з використанням їх в наступних операціях, друк результату і т.п. Створення таких недорогих и надійних машин дозволило використовувати їх в комерційних цілях і наукових розрахунках.
1801 –1808 ткацький станок Жаккарда
Французький винахідник Жозеф Марі Жаккард створив машину для вироблення крупно візерункових тканин. Для управління нитками в ній використовувалися спеціальні карти з отворами перфокарти.
1836-1848 – аналитическая машина Бэббиджа
У 1833 р. Англійський вчений Чарльз Бебідж, укладач таблиць для навігації, розробив проект „аналітичної машини ”. За його задумом, ця машина мала стати гігантським арифмометром із програмним керуванням. У машині Бебіджа передбачені були також арифметичний і запам’ятовуючий пристрої. Його обчислювальна машина повинна була виконувати обчислення за програмою, яка задавалась за допомогою перфокарт. Результати обчислень планувалося видавати на друк чи на перфокарти. Його машина стала прообразом майбутніх комп’ютерів. Нажаль, технології того часу не дозволили Беббіджу повністю втілити ідею створення аналітичної машини.
1842 Перший програміст
Серед вчених, які розуміли важливість створення обчислювальних машин, була математик леді Ада Августа Лавлейс - дочка англійського поета лорда Байрона. Саме вона переконала Беббіджа використовувати в його винаході двійкову систему числення замість десяткової (якою ми користуємось при звичайних розрахунках). Вона також розробила основні принципи для створення мов програмування, і тому одна із сучасних мов програмування називається АДА на честь леді Ади Августи Лавлейс.
Лише через 100 років машина Бебіджа привернула увагу інженерів. Наприкінці 30-х років 20 століття німецький інженер Конрад Цузе розробив першу двійкову цифрову машину Z1. У ній застосовувалися електромеханічні реле, тобто механічні перемикачі, які починають працювати під дією електричного струму. У 1941 р. К.Цузе створив машину Z3, цілком керовану за допомогою програми.
У 1944 р. американець Говард Айкен на одному із підприємств фірми IBM побудував досить потужну на той час обчислювальну машину „Марк-1”. У цій машині для зображення чисел використовувалися механічні елементи – лічильні колеса, а для керування – електромеханічні реле.
Різкий стрибок у розвитку обчислювальної техніки відбувся в 40-х роках, після Другої світової війни, і пов’язаний він був із появою якісно нових електронних пристроїв – електронно-вакуумних ламп. Електричні схеми, побудовані на цих лампах, працювали значно швидше, ніж схеми на електромеханічних реле. Зросла швидкодія обчислювальних машин, і релейні машини були усунуті продуктивнішими і надійнішими електронними обчислювальними машинами (ЕОМ). Застосування ЕОМ значно розширило коло розв’язуваних завдань. Доступними стали завдання, які раніше просто на ставилися: розрахунки інженерних споруд, розрахунки руху планет, балістичні розрахунки тощо.
Перша ЕОМ створювалася в 1943-1946 рр. у США і називалася ЕНІАК (ENIAC – Electronic Numerical Integrator and Calculator – електронно-числовий інтегратор і обчислювач). Ця машина містила близько 18 тисяч електронних ламп, багато електромеханічних реле, причому щомісяця виходило з ладу близько 2 тисяч ламп. У машини ЕНІАК, а також в інших перших ЕОМ був серйозний недолік – програма, що виконувалася і зберігалася не в пам’яті машини, а набиралася складним способом за допомогою зовнішніх перемичок.
У 1945 р. відомий математик і фізик-теоретик фон Нейман сформулював загальні принципи роботи універсальних обчислювальних пристроїв. За фон Нейманом, обчислювальна машина повинна керуватися програмою з послідовним виконанням команд, а сама програма – зберігатися в пам’яті машини. Перша подібна ЕОМ була побудована в Англії в 1949 р.
У 1951 році в СРСР була створена „МЭСМ” (малая электронно-счётная машина). Ці роботи здійснювались в Україні (м. Київ) в Інституті електродинаміки під керівництвом видатного конструктора обчислювальної техніки С.О.Лебедєва. Можна стверджувати, що ”МЭСМ” була першою ЕОМ в континентальній Європі.
ЕОМ постійно вдосконалювалися, завдяки чому до середини 50-х років їх швидкодію вдалося підвищити від кількох сотень до кількох десятків тисяч операцій за секунду. Однак при цьому електронна лампа залишалася найненадійнішим елементом ЕОМ. Використання ламп почало гальмувати подальший прогрес обчислювальної техніки.
Згодом на зміну лампам прийшли напівпровідникові прилади. Так завершився перший етап розвитку ЕОМ. Обчислювальні машини цього етапу прийнято називати ЕОМ першого покоління.
Характерними рисами ЕОМ першого покоління є
Насправді, ЕОМ першого покоління розміщувалися у великих машинних залах, споживали багато електроенергії та вимагали охолодження за допомогою потужних вентиляторів. Програми для цих ЕОМ потрібно було складати у машинних кодах, і це могли робити тільки фахівці, що знали детально пристрій ЕОМ.
Розробники ЕОМ завжди прямували за прогресом в електронній техніці. Коли в середині 50-х років на зміну електронним лампам прийшли напівпровідникові прилади, почалося переведення ЕОМ на напівпровідники. Напівпровідникові прилади (транзистори, діоди) були, по-перше, значно компактнішими, ніж їхні лампові попередники. По-друге, вони мали триваліший термін служби. По-третє, споживання енергії в ЕОМ на напівпровідниках було істотно нижчим.
З упровадженням цифрових елементів на напівпровідникових приладах почалося створення ЕОМ другого покоління.
ЕОМ другого покоління відрізняються
Завдяки застосуванню більш досконалої елементної бази почали створюватися невеликі ЕОМ, сталося розподілення обчислювальних машин на великі, середні й малі.
В Україні першою малою ЕОМ стала машина „Днепр-1”, серійне виробництво якої було налагоджено на заводі „Арсенал” (м. Київ). ЕОМ „Днепр-1” передувала унікальній за своєю архітектурою машині „Мир-1”, розробленій в 1965 р. в Інституті кібернетики (керівник В.М.Глушков). Машина „Мир-1” та її наступна модіфікація”Мир-2” передбачались для інженерних розрахунків, які виконував на ЕОМ сам користувач без допомоги оператора. У СРСР були розроблені і широко використовувалися також малі ЕОМ „Раздан” і „Наїрі”. До середніх ЕОМ належали машини серій „Урал”, „М-21”, „Минск”. Але рекордною серед вітчизняних машин другого покоління і однією з найкращих у світі була „БЭСМ-6”, створена колективом на чолі з академіком С.О.Лебедєвим. Ця машина виконувала понад 1 млн. операцій за секунду. За кордоном найпоширенішими машинами другого покоління були „Елліот” (Англія), „Сіменс” (ФРН), „Стретч” (США).
Чергова заміна поколінь ЕОМ відбулася наприкінці 60-х років при переході від напівпровідникових приладів у пристроях ЕОМ до інтегральних схем. Інтегральна схема (мікросхема) – це невелика пластинка кристалу кремнію, на якій розміщуються сотні і тисячі елементів: діодів, транзисторів, конденсаторів, резисторів тощо. Застосування інтегральних схем надало можливість збільшити кількість електронних елементів в ЕОМ без зміни їхніх реальних розмірів. Швидкодія ЕОМ зросла до 10 мільйонів операцій за секунду. Крім того, складати програми для ЕОМ стало під силу простим користувачам, а не тільки фахівцям у галузі електроніки.
Характерними рисами ЕОМ третього покоління є
У третьому поколінні з’явилися великі серії ЕОМ, що розрізняються за своєю продуктивністю і призначенням. Це родина великих і середніх машин ІВМ 360/370, розроблених у США. У Радянському Союзі й у країнах РЕВ були створені аналогічні серії машин: ЄС ЕОМ (Єдина Система ЕОМ, машини великі і середні), СМ ЕОМ (Система Малих ЕОМ) і „Електроніка” (система мікро-ЕОМ).
У процесі вдосконалення мікросхем збільшувалася їхня надійність і щільність розміщених в них елементів. З’явилися великі інтегральні схеми (ВІС), у яких на один квадратний сантиметр припадає декілька десятків тисяч елементів. На основі ВІС були розроблені ЕОМ четвертого покоління. Завдяки ВІС на одному невеличкому кристалі кремнію стало можливим розмістити таку велику електронну схему, як процесор ЕОМ. Однокристальні процесори згодом почали називатися мікропроцесорами. Перший мікропроцесор був створений компанією Intel (США) у 1971 р. Це був 4-розрядний Intel 4004, що містив 2250 транзисторів і виконував 60 тис. операцій за секунду. Мікропроцесори стали основою міні-ЕОМ, а потім і персональних комп’ютерів, тобто ЕОМ, орієнтованих на одного користувача. Почалася епоха персональних комп’ютерів(ПК), що триває і досі. Однак четверте покоління ЕОМ – це не тільки покоління ПК. Крім персональних комп’ютерів, існують й інші, значно потужніші комп’ютерні системи.
ЕОМ четвертого покоління характеризуються
Вплив персональних комп’ютерів на уявлення людей про обчислювальну техніку виявився настільки великим, що поступово з ужитку зник термін „ЕОМ”, а його місце зайняло слово „ комп’ютер ”.
Починаючи з 90-х років, у потужних комп’ютерах застосовуються супермасштабні ВІС, які вміщують сотні тисяч елементів на квадратний сантиметр. Багато фахівців почали говорити про комп’ютери п’ятого покоління.
Характерною рисою комп’ютерів п’ятого покоління повинно бути
У людей завжди існувала потреба виконувати ті або інші розрахунки. Поява ЕОМ дала можливість вирішувати такі завдання, які раніше були не під силу механічним і електромеханічним обчислювальним пристроям. Перші потужні ЕОМ конструювалися заради вирішення складних прикладних науково-технічних завдань: визначення координат кораблів, космічних апаратів, розрахунку фізичних процесів, економічного планування тощо. Для виконання різних розрахунків на ЕОМ Створювалося спеціальне математичне і програмне забезпечення. Вартість цього забезпечення вже в 60-ті роки перевищила вартість матеріальної частини ЕОМ. З винаходом персональних комп’ютерів і розробкою мережних технологій з’явилися нові галузі застосування обчислювальної техніки.
Сукупність пристроїв, призначених для автоматичної або автоматизованої обробки інформації називають обчислювальною технікою.
Конкретний набір, пов'язаних між собою пристроїв, називають обчислювальною системою.
Центральним пристроєм більшості обчислювальних систем є електронна обчислювальна машина (ЕОМ) або комп'ютер.
Комп'ютер - це електронний пристрій, що виконує операції введення інформації, зберігання та оброблення її за певною програмою, виведення одержаних результатів у формі, придатній для сприйняття людиною. За кожну з названих операцій відповідають спеціальні блоки комп'ютера:
Схематично загальна структура комп'ютера зображена на рис.
Всі ці блоки складаються з окремих дрібніших пристроїв. Зокрема в центральний процесор можуть входити арифметико-логічний пристрій (АЛП), внутрішній запам'ятовуючий пристрій у вигляді регістрів процесора та внутрішньої кеш-пам'яті, керуючий пристрій (КП). Пристрій введення, як правило, теж не є однією конструктивною одиницею. Оскільки види інформації, що вводиться, різноманітні, джерел може бути декілька. Це стосується і пристрою виведення.
Запам'ятовуючий пристрій - це блок ЕОМ, призначений для тимчасового (оперативна пам'ять) та тривалого (постійна пам'ять) зберігання програм, вхідних і результуючих даних та деяких проміжних результатів. Інформація в оперативній пам'яті зберігається тимчасово лише при включеному живленні, але оперативна пам'ять має більшу швидкодію. В постійній пам'яті дані можуть зберігатися навіть при вимкненому комп'ютері, проте швидкість обміну даними між постійною пам'яттю та центральним процесором, у переважній більшості випадків, значно менша.
Арифметико-логічний пристрій - це блок ЕОМ, в якому відбувається перетворення даних за командами програми: арифметичні дії над числами, перетворення кодів та ін.
Керуючий пристрій координує роботу всіх блоків комп'ютера. У певній послідовності він вибирає з оперативної пам'яті команду за командою. Кожна команда декодується, за потреби елементи даних з указаних в команді комірок оперативної пам'яті передаються в АЛП. АЛП настроюється на виконання дії, вказаної поточною командою (в цій дії можуть брати участь також пристрої введення-виведення); дається команда на виконання цієї дії.
Цей процес буде продовжуватися доти, доки не виникне одна з наступних ситуацій: вичерпано вхідні дані, з одного з пристроїв надійшла команда на припинення роботи, вимкнено живлення комп'ютера.
Описаний принцип побудови ЕОМ носить назву архітектури фон Неймана - американського вченого угорського походження Джона фон Неймана, який її запропонував.
Сучасну архітектуру комп'ютера визначають також такі принципи:
На підставі цих принципів можна стверджувати, що сучасний комп'ютер - технічний пристрій, який після введення в пам'ять початкових даних у вигляді цифрових кодів і програми їх обробки, вираженої також цифровими кодами, здатний автоматично здійснити обчислювальний процес, заданий програмою, і видати готові результати розв'язання задачі у формі придатній для сприйняття людиною.
Реальна структура комп'ютера значно складніша, ніж розглянута вище (її можна назвати логічної структурою). У сучасних комп'ютерах, зокрема персональних, все частіше здійснюється відхід від традиційної архітектури фон Неймана, зумовлений прагненням розробників та користувачів до підвищення якості та продуктивності комп'ютерів. Якість ЕОМ характеризується багатьма показниками. Це і набір команд, які комп'ютер здатний розуміти, і швидкість роботи (швидкодія) центрального процесора, кількість периферійних пристроїв введення-виведення, які можна приєднати до комп'ютера одночасно і т.д. Головним показником є швидкодія - кількість операцій, яку процесор здатний виконати за одиницю часу. На практиці корситувача більше цікавить продуктивність комп'ютера - показник його ефективної швидкодії, тобто здатності не просто швидко функціонувати, а швидко розв'язувати конкретні поставлені задачі.
Як результат, всі ці та інші фактори спричинили принципове і конструктивне вдосконалення елементної бази комп'ютерів, тобто створення нових, більш швидких, надійних і зручних у роботі процесорів, запам'ятовуючих пристроїв, пристроїв введення-виведення і т.д. Проте, слід усвідомлювати, що швидкість роботи елементів неможливо збільшувати безмежно (існують сучасні технологічні обмеження та обмеження, зумовлені фізичними законами). Тому розробники комп'ютерної техніки шукають вирішення цієї проблеми вдосконаленням архітекутри ЕОМ.
Так, з'явилися комп'ютери з багатопроцесорною архітектурою, в яких кілька процесорів працюють одночасно, а це означає, що продуктивність такого комп'ютера дорівнює сумі продуктивностей процесорів. У потужних комп'ютерах, призначених для складних інженерних розрахунків і систем автоматизованого проектування (САПР), часто встановлюють два або чотири процесори. У надпотужних ЕОМ (такі машини можуть, наприклад, моделювати ядерні реакції в режимі реального часу, передбачати погоду в глобальному масштабі) кількість процесорів досягає кількох десятків.
Швидкість роботи комп'ютера істотно залежить від швидкодії оперативної пам'яті. Тому постійно ведуться пошуки елементів для оперативної пам'яті, які потребували б якомога менше часу на операції читання-запису. Але разом із швидкодією зростає вартість елементів пам'яті, тому нарощення швидкодійної оперативної пам'яті потрібної ємності не завжди прийнятна економічно.
Проблема вирішується побудовою багаторівневої пам'яті.
Оперативна пам'ять складається з двох-трьох частин: основна частина великої ємності будується на відносно повільних (більш дешевих) елементах, а додаткова (так звана кеш-пам'ять) складається зі швидкодійних елементів. Дані, до яких процесор звертається найчастіше містяться в кеш-пам'яті, а більший обсяг оперативної інформації зберігається в основній пам'яті.
Раніше роботою пристроїв введення-виведення керував центральний процесор, що займало в нього чимало часу. Архітектура сучасних комп'ютерів передбачає наявність каналів прямого доступу до оперативної пам'яті для обміну даними з пристроями введення-виведення без участі центрального процесора, а також передачу більшості функцій керування периферійними пристроями спеціалізованим процесорам, що розвантажує центральний процесор і підвищує його продуктивність.