Краткая история ЭВМ

Современному человеку сегодня трудно представить свою жизнь без электронно-вычислительных машин (ЭВМ). В настоящее время любой желающий, в соответствии со своими запросами, может собрать у себя на рабочем столе полноценный вычислительный центр. Так было, конечно, не всегда. Путь человечества к этому достижению был труден и тернист. Много веков назад люди хотели иметь приспособления, которые помогали бы им решать разнообразные задачи. Многие из этих задач решались последовательным выполнением некоторых рутинных действий, или, как принято говорить сейчас, выполнением алгоритма. С попытки изобрести устройство, способное реализовать простейшие из этих алгоритмов (сложение и вычитание чисел), все и началось...

Точкой отсчета можно считать начало XVII века (1623 год), когда ученый В. Шикард создал машину, умеющую складывать и вычитать числа. Но первым арифмометром, способным выполнять четыре основных арифметических действия, стал арифмометр знаменитого французского ученого и философа Блеза Паскаля. Основным элементом в нем было зубчатое колесо, изобретение которого уже само по себе стало ключевым событием в истории вычислительной техники. Хотелось бы отметить, что эволюция в области вычислительной техники носит неравномерный, скачкообразный характер: периоды накопления сил сменяются прорывами в разработках, после чего наступает период стабилизации, во время которого достигнутые результаты используются практически и одновременно накапливаются знания и силы для очередного рывка вперед. После каждого витка процесс эволюции выходит на новую, более высокую ступень.

В 1671 году немецкий философ и математик Густав Лейбниц также создает арифмометр на основе зубчатого колеса особенной конструкции - зубчатою колеса Лейбница. Арифмометр Лейбница, как и арифмометры его предшественников, выполнял четыре основных арифметических действия. На этом данный период закончился, и человечество в течение почти полутора веков копило силы и знания для следующего витка эволюции вычислительной техники. XVIII и XIX века были временем, когда бурно развивались различные науки, в том числе математика и астрономия. В них часто возникали задачи, требующие длительных и трудоемких вычислений.

Еще одним известным человеком в истории вычислительной техники стал английский математик Чарльз Бэббидж. В 1823 году Бэббидж начал работать над машиной для вычисления полиномов, но, что более интересно, эта машина должна была, кроме непосредственного производства вычислений, выдавать результаты - печатать их на негативной пластине для фотопечати. Планировалось, что машина будет приводиться в действие паровым двигателем. Из-за технических трудностей Бэббиджу до конца не удалось реализовать свой проект. Здесь впервые возникла идея использовать некоторое внешнее (периферийное) устройство для выдачи результатов вычислений. Отметим, что другой ученый, Шойц, в 1853 году все же реализовал машину, задуманную Бэббиджем (она получилась даже меньше, чем планировалась). Наверное, Бэббиджу больше нравился творческий процесс поиска новых идей, чем воплощение их в нечто материальное. В 1834 году он изложил принципы работы очередной машины, которая была названа им «Аналитической». Технические трудности вновь не позволили ему до конца реализовать свои идеи. Бэббидж смог довести машину лишь до стадии эксперимента. Но именно идея является двигателем научно-технического прогресса. Очередная машина Чарльза Бэббиджа была воплощением следующих идей:

Управление производственным процессом. Машина управляла работой ткацкого станка, изменяя узор создаваемой ткани в зависимости от сочетания отверстий на специальной бумажной ленте. Эта лента стала предшественницей таких знакомых нам всем носителей информации, как перфокарты и перфоленты.

Программируемость. Работой машины также управляла специальная бумажная лента с отверстиями. Порядок следования отверстий на ней определял команды и обрабатываемые этими командами данные. Машина имела арифметическое устройство и память. В состав команд машины входила даже команда условного перехода, изменяющая ход вычислений в зависимости от некоторых промежуточных результатов.

В разработке этой машины принимала участие графиня Ада Августа Лавлейс, которую считают первой в мире программистом.

Идеи Чарльза Бэббиджа развивались и использовались другими учеными. Так, в 1890 году, на рубеже XX века, американец Герман Холлерит разработал машину, работающую с таблицами данных (первый Excel?). Машина управлялась программой на перфокартах. Она использовалась при проведении переписи населения в США в 1890 году. В 1896 году Холлерит основал фирму, явившуюся предшественницей корпорации IBM. Со смертью Бэббиджа в эволюции вычислительной техники наступил очередной перерыв вплоть до 30-х годов XX века. В дальнейшем все развитие человечества стало немыслимым без компьютеров.

В 1938 году центр разработок ненадолго смещается из Америки в Германию, где Конрад Цузе создает машину, которая оперирует, в отличие от своих предшественниц, не десятичными числами, а двоичными. Эта машина также была все еще механической, но ее несомненным достоинством было то, что в ней была реализована идея обработки данных в двоичном коде. Продолжая свои работы, Цузе в 1941 году создал электромеханическую машину, арифметическое устройство которой было выполнено на базе реле. Машина умела выполнять операции с плавающей точкой.

За океаном, в Америке, в этот период также шли работы по созданию подобных электромеханических машин. В 1944 году Говард Эйкен спроектировал машину, которую назвали Mark-1 . Она, как и машина Цузе, работала на реле. Но из-за того, что эта машина явно была создана под влиянием работ Бэббиджа, она оперировала с данными в десятичной форме.

Естественно, из-за большого удельного веса механических частей эти машины были обречены. Нужно было искать новую, более технологичную элементную базу. И тогда вспомнили об изобретении Фореста, который в 1906 году создал трех электродную вакуумную лампу, названную триодом. В силу своих функциональных свойств она стала наиболее естественной заменой реле. В 1946 году в США, в университете города Пенсильвания, была создана первая универсальная ЭВМ - ENIAC . ЭВМ ENIAC содержала 18 тыс. ламп, весила 30 тонн, занимала площадь около 200 квадратных метров и потребляла огромную мощность. В ней все еще использовались десятичные операции, и программирование осуществлял ось путем коммутации разъемов и установки переключателей. Естественно, что такое «программирование» влекло за собой появление множества проблем, вызванных, прежде всего, неверной установкой переключателей. С проектом ENIAC связано имя еще одной ключевой фигуры в истории вычислительной техники - математика Джона фон Неймана. Именно он впервые предложил записывать программу и ее данные в память машины так, чтобы их можно было при необходимости модифицировать в процессе работы. Этот ключевой принцип, был использован в дальнейшем при создании принципиально новой ЭВМ EDVAC (1951 год). В этой машине уже при меняется двоичная арифметика и используется оперативная память, построенная на ультразвуковых ртутных линиях задержки. Память могла хранить 1024 слова. Каждое слово состояло из 44 двоичных разрядов.

После создания EDVAC человечество осознало, какие высоты науки и техники могут быть достигнуты тандемом человек-компьютер. Данная отрасль стала развиваться очень быстро и динамично, хотя здесь тоже наблюдалась некоторая периодичность, связанная с необходимостью накопления определенного багажа знаний для очередного прорыва. До середины 80-х годов процесс эволюции вычислительной техники принято делить на поколения. Для полноты изложения дадим этим поколениям краткие качественные характеристики:

Первое поколение ЭВМ (1945-1954 гг.) В этот период формируется типовой набор структурных элементов, входящих в состав ЭВМ. К этому времени у разработчиков уже сложилось примерно одинаковое представление о том, из каких элементов должна состоять типичная ЭВМ. Это - центральный процессор (ЦП), оперативная память (или оперативно запоминающее устройство - ОЗУ) и устройства ввода-вывода (УВВ). ЦП, в свою очередь, должен состоять из арифметико-логического устройства (АЛУ) и управляющею устройства (УУ). Машины этого поколения работали на ламповой элементной базе, из-за чего поглощали огромное количество энергии и были очень не ненадежны. С их помощью, в основном, решались научные задачи. Программы для этих машин уже можно было составлять не на машинном языке, а на языке ассемблера.

Второе поколение ЭВМ (1955-1964 гг.). Смену поколений определило появление новой элементной базы: вместо громоздкой лампы в ЭВМ стали применяться миниатюрные транзисторы, линии задержки как элементы оперативной памяти сменила память на магнитных сердечниках. Это в конечном итоге привело к уменьшению габаритов, повышению надежности и производительности ЭВМ. В архитектуре ЭВМ появились индексные регистры и аппаратные средства для выполнения операций с плавающей точкой. Были разработаны команды для вызова подпрограмм.

Появились языки программирования высокого уровня - Algol, FORTRAN, COBOL, - создавшие предпосылки для появления переносимого программного обеспечения, не зависящего от типа ЭВМ. С появлением языков высокого уровня возникли компиляторы для них, библиотеки стандартных подпрограмм и другие хорошо знакомые нам сейчас вещи.

Важное новшество, которое хотелось бы отметить, - это появление так называемых процессоров ввода-вывода. Эти специализированные процессоры позволили освободить центральный процессор от управления вводом-выводом и осуществлять ввод-вывод с помощью специализированного устройства одновременно с процессом вычислений. На этом этапе резко расширился круг пользователей ЭВМ и возросла номенклатура решаемых задач. Для эффективного управления ресурсами машины стали использоваться операционные системы (ОС).

Третье поколение ЭВМ (1965-1970 гг .). Смена поколений вновь была обусловлена обновлением элементной базы: вместо транзисторов в различных узлах ЭВМ стали использоваться интегральные микросхемы различной степени интеграции. Микросхемы позволили разместить десятки элементов на пластине размером в несколько сантиметров. Это, в свою очередь, не только повысило производительность ЭВМ, но и снизило их габариты и стоимость. Появились сравнительно недорогие и малогабаритные машины - Мини-ЭВМ. Они активно использовались для управления различными технологическими производственными процессами в системах сбора и обработки информации.

Увеличение мощности ЭВМ сделало возможным одновременное выполнение нескольких программ на одной ЭВМ. Для этого нужно было научиться координировать между собой одновременно выполняемые действия, для чего были расширены функции операционной системы.

Одновременно с активными разработками в области аппаратных и архитектурных решений растет удельный вес разработок в области технологий программирования. В это время активно разрабатываются теоретические основы методов программирования, компиляции, баз данных, операционных систем и т. д. Создаются пакеты прикладных программ для самых различных областей жизнедеятельности человека.

Теперь уже становится непозволительной роскошью переписывать все программы с появлением каждого нового типа ЭВМ. Наблюдается тенденция к созданию семейств ЭВМ, то есть машины становятся совместимы снизу вверх на программно-аппаратном уровне. Первая из таких семейств была серия IBM System/360 и наш отечественный аналог этого компьютера - ЕС ЭВМ.

Четвертое поколение ЭВМ (1970-1984 гг.). Очередная смена элементной базы привела к смене поколений. В 70-е годы активно ведутся работы по созданию больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС), которые позволили разместить на одном кристалле десятки тысяч элементов. Это повлекло дальнейшее существенное снижение размеров и стоимости ЭВМ. Работа с программным обеспечением стала более дружественной, что повлекло за собой рост количества пользователей.

В принципе, при такой степени интеграции элементов стало возможным попытаться создать функционально полную ЭВМ на одном кристалле. Соответствующие попытки были предприняты, хотя они и встречались, в основном, недоверчивой улыбкой. Наверное, этих улыбок стало бы меньше, если бы можно было предвидеть, что именно эта идея станет причиной вымирания больших ЭВМ через каких-нибудь полтора десятка лет.

Тем не менее в начале 70-х годов фирмой Intel был выпущен микропроцессор (МП) 4004. И если до этого в мире вычислительной техники были только три направления (супер ЭВМ, большие ЭВМ (мэйнфреймы) и мини-ЭВМ), то теперь к ним прибавилось еще одно - микропроцессорное. В общем случае под процессором понимают функциональный блок ЭВМ, предназначенный для логической и арифметической обработки информации на основе принципа микропрограммного управления. По аппаратной реализации процессоры можно разделить на микропроцессоры (полностью интегрированы все функции процессора) и процессоры с малой и средней интеграцией. Конструктивно это выражается в том, что микропроцессоры реализуют все функции процессора на одном кристалле, а процессоры других типов реализуют их путем соединения большого количества микросхем.

Итак, первый микропроцессор 4004 был создан фирмой Intel на рубеже 70-х годов. Он представлял собой 4-разрядное параллельное вычислительное устройство, и его возможности были сильно ограничены. 4004 мог производить четыре основные арифметические операции и применялся поначалу только в карманных калькуляторах. Позднее сфера его применения была расширена за счет использования в различных системах управления (например, для управления светофорами). Фирма Intel, правильно предугадав перспективность микропроцессоров, продолжила интенсивные разработки, и один из ее проектов в конечном итоге привел к крупному успеху, предопределившему будущий путь развития вычислительной техники.

Им стал проект по разработке 8-разрядного процессора 8080 (1974 г.). Этот микропроцессор имел довольно развитую систему команд и умел делить числа. Именно он был использован при создании персонального компьютера Альтаир, для которого молодой Билл Гейтс написал один из своих первых интерпретаторов языка BASIC. Наверное, именно с этого момента следует вести отсчет 5-го поколения.

Пятое поколение ЭВМ (1984 г. - наши дни) можно назвать микропроцессорным. Заметьте, что четвертое поколение закончилось только в начале 80-х, то есть родители в лице больших машин и их быстро взрослеющее и набирающее силы «чадо» В течение почти 10 лет относительно мирно существовали вместе. Для них обоих это время пошло только на пользу. Проектировщики больших компьютеров накопили огромный теоретический и практический опыт, а программисты микропроцессоров сумели найти свою, пусть поначалу очень узкую, нишу на рынке.

В 1976 году фирма Intel закончила разработку 16-разрядного процессора 8086. Он имел достаточно большую разрядность регистров (16 бит) и системной шины адреса (20 бит), за счет чего мог адресовать до 1 Мбайт оперативной памяти.

В 1982 году был создан 80286. Этот процессор представлял собой улучшенный вариант 8086. Он поддерживал уже несколько режимов работы: реальный, когда формирование адреса производилось по правилам i8086, и защищенный, который аппаратно реализовывал многозадачность и управление виртуальной памятью. 80286 имел также большую разрядность шины адреса - 24 разряда против 20 у 8086, и поэтому он мог адресовать до 16 Мбайт оперативной памяти. Первые компьютеры на базе этого процессора появились в 1984 году. По своим вычислительным возможностям этот компьютер стал сопоставим с IBM System/370. Поэтому можно считать, что на этом четвертое поколение развития ЭВМ завершилось.

В 1985 году фирма Intel представила первый 32-разрядный микропроцессор 80386, аппаратно совместимый снизу вверх со всеми предыдущими процессорами этой фирмы. Он был гораздо мощнее своих предшественников, имел 32-разрядную архитектуру и мог прямо адресовать до 4 Гбайт оперативной памяти. Процессор 386 стал поддерживать новый режим работы - режим виртуального 8086, который обеспечил не только большую эффективность работы программ, разработанных для 8086, но и позволил осуществлять параллельную работу нескольких таких программ. Еще одно важное нововведение - поддержка страничной организации оперативной памяти - позволило иметь виртуальное пространство памяти размером до 4 Тбайт.

Процессор 386 был первым микропроцессором, в котором использовалась параллельная обработка. Так, одновременно осуществлялись: доступ к памяти и устройствам ввода-вывода, размещение команд в очереди для выполнения, их декодирование, преобразование линейного адреса в физический, а также страничное преобразование адреса (информация о 32-х наиболее часто используемых страницах помещалась в специальную кэш-память).

Вскоре после процессора 386 появился 486. В его архитектуре получили дальнейшее развитие идеи параллельной обработки. Устройство декодирования и исполнения команд было организовано в виде пятиступенчатого конвейера, на втором в различной стадии исполнения могло находиться до 5 команд. На кристалл была помещена кэш-память первого уровня, которая содержала часто используемые код и данные. Кроме этого, появилась кэш-память второго уровня емкостью до 512 Кбайт. Появилась возможность строить многопроцессорные конфигурации. В систему команд процессора были добавлены новые команды. Все эти нововведения, наряду со значительным (до 133 МГц) повышением тактовой частоты микропроцессора, значительно позволили повысить скорость выполнения про грамм.

С 1993 года стали выпускаться микропроцессоры Intel Pentium. Их появление, начале омрачилось ошибкой в блоке операций с плавающей точкой. Эта ошибка была быстро устранена, но недоверие к этим микропроцессорам еще некоторое время оставалось.

Pentium продолжил развитие идей параллельной обработки. В устройство декодирования и исполнения команд был добавлен второй конвейер. Теперь два конвейера (называемых u и v) вместе могли исполнять две инструкции за такт. Внутренний кэш был увеличен вдвое - до 8 Кбайт для кода и 8 Кбайт для данных. Процессор стал более интеллектуальным. В него была добавлена возможность предсказания ветвлений, в связи с чем значительно возросла эффективность исполнения нелинейных алгоритмов. Несмотря на то что архитектура системы оставалась все еще 32-разрядной, внутри микропроцессора стали использоваться 128- и 256-разрядные шины передачи данных. Внешняя шина данных была увеличена до 64 бит. Продолжили свое развитие технологии, связанные с многопроцессорной обработкой информации.

Появление микропроцессора Pentium Pro разделило рынок на два сектора - высокопроизводительных рабочих станций и дешевых домашних компьютеров. В процессоре Pentium Pro были реализованы самые передовые технологии. В частности был добавлен еще один конвейер к имевшимся двум у процессора Pentium. Тем самым за один такт работы микропроцессор стал выполнять до трех инструкций.

Более того, процессор Pentium Pro позволил осуществлять динамическое исполнение команд (Dynamic Execution). Суть его в том, что три устройства декодирования команд, работая параллельно, делят команды на более мелкие части, называемые микрооперациями. Далее эти микрооперации могут исполняться параллельно пятью устройствами (двумя целочисленными, двумя с плавающей точкой и одним устройством интерфейса с памятью). На выходе эти инструкции опять собираются в первоначальном виде и порядке. Мощь Pentium Pro дополняется усовершенствованной организацией его кэш-памяти. Как и процессор Pentium, он имеет 8 Кбайт кэш-памяти первого уровня и 256 Кбайт кэш-памяти второго уровня. Однако за счет схемных решений (использование архитектуры двойной независимой шины) кэш-память второго уровня расположили на одном кристалле с микропроцессором, что значительно повысило производительность. В Pentium Pro реализовали 36-разрядную адресную шину, что позволило адресовать до 64 Гбайт оперативной памяти.

Процесс развития семейства обычных процессоров Pentium тоже не стоял на месте. Если в процессорах Pentium Pro параллелизм вычислений был реализован за счет архитектурных и схемотехнических решений, то при создании моделей процессора Pentium пошли по другому пути. В них включили новые команды, для поддержки которых несколько изменили программную модель микропроцессора. Эти команды, получившие название MMX-команд (MultiMedia eXtention - мультимедийное расширение системы команд), позволили одновременно обрабатывать несколько единиц однотипных данных.

Следующий выпущенный в свет процессор, названный Pentium II, объединил в себе все технологические достижения обоих направлений развития архитектуры Pentium. Кроме этого он имел новые конструктивные особенности, в частности, его корпус выполнен в соответствии с новой технологией изготовления корпусов. Не забыт и рынок портативных компьютеров, в связи с чем процессором поддерживаются несколько режимов энергосбережения.

Процессор Pentium III. Традиционно он поддерживает все достижения своих предшественников, главное (и, возможно, единственное?!) его достоинство - наличие новых 70 команд, Эти команды дополняют группу MMX-команд, но для чисел с плавающей точкой. Для поддержки этих команд в архитектуру процессора был включен специальный блок.

Одним из первых устройств (V-IV вв. до н.э.), с которых, можно считать, началась история развития компьютеров, была специальная доска, названная впоследствии «абак». Вычисления на ней проводились перемещением костей или камней в углублениях досок из бронзы, камня, слоновой кости и тому подобное. В Греции абак существовал уже в V в. до н.э., у японцев он назывался «серобаян», у китайцев — «суанпань». В Древней Руси для счета применялось устройство, похожее на абак, — «дощаный счет». В XVII веке этот прибор принял вид привычных российских счетов.

Абак (V-IV вв. до н.э.)

Французский математик и философ Блез Паскаль в 1642 г. создал первую машину, получившую в честь своего создателя название — Паскалина. Механическое устройство в виде ящика со многими шестернями кроме сложения выполняла и вычитание. Данные вводились в машину с помощью поворота наборных колесиков, которые отвечали числам от 0 до 9. Ответ появлялся в верхней части металлического корпуса.

Паскалина

В 1673 году Готфрид Вильгельм Лейбниц создал механическое счетное устройство (ступенчатый вычислитель Лейбница — калькулятор Лейбница), которое впервые не только складывало и вычитало, а еще умножало, делило и вычисляло квадратный корень. Впоследствии колесо Лейбница стало прототипом для массовых счетных приборов — арифмометров.

Модель ступенчатого вычислителя Лейбница

Английский математик Чарльз Бэббидж разработал устройство, которое не только выполняло арифметические действия, но и сразу же печатало результаты. В 1832 г. была построена десятикратно уменьшенная модель из двух тысяч латунных деталей, которая весила три тонны, но была способна выполнять арифметические операции с точностью до шестого знака после запятой и вычислять производные второго порядка. Эта вычислительная машина стала прообразом настоящих компьютеров, называлась она дифференциальной машиной.

Дифференциальная машина

Суммирующий аппарат с непрерывной передачей десятков создает российский математик и механик Пафнутий Львович Чебышев. В этом аппарате достигнута автоматизация выполнения всех арифметических действий. В 1881 году была создана приставка к суммирующему аппарату для умножения и деления. Принцип непрерывной передачи десятков широко использовался в различных счетчиках и вычислительных машинах.

Суммирующий аппарат Чебышева

Автоматизированная обработка данных появилась в конце прошлого века в США. Герман Холлерит создал устройство — Табулятор Холлерита — в котором , нанесенная на перфокарты, расшифровывалось электрическим током.

Табулятор Холлерита

В 1936 году молодой ученый из Кембриджа Алан Тьюринг придумал мысленный счетный аппарат-компьютер, который существовал только на бумаге. Его «умная машина» действовала по определенному заданному алгоритму. В зависимости от алгоритма, воображаемая машина могла применяться для самых разнообразных целей. Однако в то время это были чисто теоретические рассуждения и схемы, которые послужили прототипом программируемого компьютера, как вычислительного устройства, которое обрабатывает данные в соответствии с определенной последовательностью команд.

Информационные революции в истории

В истории развития цивилизации произошло несколько информационных революций — преобразований социальных общественных отношений вследствие изменений в области обработки, сохранения и передачи информации.

Первая революция связана с изобретением письменности, что привело к гигантскому качественному и количественному скачку цивилизации. Появилась возможность передачи знаний от поколений к поколениям.

Вторая (середина XVI в.) революция вызвана изобретением книгопечатания, которое радикально изменило индустриальное общество, культуру, организацию деятельности.

Третья (конец XIX в.) революция с открытиями в области электричества, благодаря чему появились телеграф, телефон, радио, устройства, которые позволяют оперативно передавать и накапливать информацию в любом объеме.

Четвертая (с семидесятых годов XX в.) революция связана с изобретением микропроцессорной технологии и появлением персонального компьютера. На микропроцессорах и интегральных схемах создаются компьютеры, системы передачи данных (информационные коммуникации).

Этот период характеризуют три фундаментальные инновации:

• переход от механических и электрических средств преобразования информации к электронным;
• миниатюризация всех узлов, устройств, приборов, машин;
• создание программно-управляемых устройств и процессов.

История развития компьютерной техники

Потребность в хранении, преобразовании и передачи информации у человека появилась значительно раньше, чем был создан телеграфный аппарат, первая телефонная станция и электронная вычислительная машина (ЭВМ). Фактически весь опыт, все знания, накопленные человечеством, так или иначе, способствовали появлению вычислительной техники. История создания ЭВМ — общее название электронных машин для выполнения вычислений — начинается далеко в прошлом и связана с развитием практически всех сторон жизни и деятельности человека. Сколько существует человеческая цивилизация, столько времени используется определенная автоматизация вычислений.

История развития компьютерной техники насчитывает около пяти десятилетий. За это время сменилось несколько поколений ЭВМ. Каждое следующее поколение отличалось новыми элементами (электронные лампы, транзисторы, интегральные схемы), технология изготовления которых была принципиально иной. В настоящее время существует общепринятая классификация поколений ЭВМ:

• Первое поколение (1946 — начало 50-х гг.). Элементная база — электронные лампы. ЭВМ отличались большими габаритами, большим потреблением энергии, малым быстродействием, низкой надежностью, программированием в кодах.
• Второе поколение (конец 50-х — начало 60-х гг.). Элементная база — полупроводниковые . Улучшились по сравнению с ЭВМ предыдущего поколения практически все технические характеристики. Для программирования используются алгоритмические языки.
• 3-е поколение (конец 60-х — конец 70-х). Элементная база — интегральные схемы, многослойный печатный монтаж. Резкое снижение габаритов ЭВМ, повышение их надежности, увеличение производительности. Доступ с удаленных терминалов.
• Четвёртое поколение (с середины 70-х — конец 80-х). Элементная база — микропроцессоры, большие интегральные схемы. Улучшились технические характеристики. Массовый выпуск персональных компьютеров. Направления развития: мощные многопроцессорные вычислительные системы с высокой производительностью, создание дешевых микроЭВМ.
• Пятое поколение (с середины 80-х гг.). Началась разработка интеллектуальных компьютеров, которая пока не увенчалась успехом. Внедрение во все сферы компьютерных сетей и их объединение, использование распределенной обработки данных, повсеместное применение компьютерных информационных технологий.

Вместе со сменой поколений ЭВМ менялся и характер их использования. Если сначала они создавались и использовались в основном для решения вычислительных задач, то в дальнейшем сфера их применения расширилась. Сюда можно отнести обработку информации, автоматизацию управления производственно-технологическими и научными процессами и многое другое.

Принципы работы компьютеров Конрада Цузе

Идея о возможности построения автоматизированного счетного аппарата пришла в голову немецкому инженеру Конраду Цузе (Konrad Zuse) и в 1934 г. Цузе сформулировал основные принципы, на которых должны работать будущие компьютеры:

• двоичная система счисления;
• использование устройств, работающих по принципу «да / нет» (логические 1 / 0);
• полностью автоматизированный процесс работы вычислителя;
• программное управление процессом вычислений;
• поддержка арифметики с плавающей запятой;
• использование памяти большой емкости.

Цузе первым в мире определил, что обработка данных начинается с бита (бит он называл «статусом да / нет», а формулы двоичной алгебры — условными суждениями), первым ввел термин «машинное слово» (Word), первым объединил в вычислители арифметические и логические операции, отметив, что «элементарная операция компьютера — проверка двух двоичных чисел на равенство. Результатом будет тоже двоичное число с двумя значениями (равно, не равно)».

Первое поколение — ЭВМ с электронными лампами

Colossus I — первая вычислительная машина на лампах, созданная англичанами в 1943 г., для раскодирования немецких военных шифров; она состояла из 1800 электронных ламп — устройств для хранения информации — и была одним из первых программируемых электронных цифровых компьютеров.

ENIAC — был создан для расчета артиллерийских таблиц баллистики; этот компьютер весил 30 тонн, занимал 1000 квадратных футов и потреблял 130-140 кВт электроэнергии. Компьютер содержал 17468 вакуумных ламп шестнадцати типов, 7200 кристаллических диодов и 4100 магнитных элементов, и содержались они в шкафах общим объемом около 100 м 3 . ENIAC имел производительность 5000 операций в секунду. Общая стоимость машины составляла $ 750 000. Потребность в потребления электричества — 174 кВт, общее занимаемое пространство — 300 м 2 .

ENIAC — устройство для расчета артиллерийских таблиц баллистики

Еще один представитель 1-го поколения ЭВМ, на который следует обратить внимание, это EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer). EDVAC интересен тем, что в нем была сделана попытка записывать программы электронным способом в так называемых «ультразвуковых линиях задержки» с помощью ртутных трубок. В 126 таких линиях было возможно сохранять 1024 строк четырехзначных двоичных чисел. Это была «быстрая» память. В качестве «медленной »памяти предполагалось фиксировать числа и команды на магнитном проводе, однако этот метод оказался ненадежным, и пришлось вернуться к телетайпным лентам. EDVAC работал быстрее своего предшественника, сложение занимало 1 мкс, деление — 3 мкс. Он содержал всего 3,5 тыс. электронных ламп и располагался на 13 м 2 площади.

UNIVAC (Universal Automatic Computer) представлял собой электронное устройство с программами, хранящимися в памяти, которые вводились туда уже не с перфокарт, а с помощью магнитной ленты; это обеспечивало высокую скорость чтения и записи информации, а, следовательно, и более высокое быстродействие машины в целом. Одна лента могла содержать миллион символов, записанных в двоичной форме. Ленты могли хранить и программы, и промежуточные данные.

Представители I-го поколения ЭВМ: 1) Electronic Discrete Variable Computer; 2) Universal Automatic Computer

Второе поколение — ЭВМ на транзисторах.

Транзисторы пришли на смену электронным лампам в начале 60-х годов. Транзисторы (которые действуют как электрические переключатели), потребляя меньше электроэнергии и выделяя меньше тепла, занимают и меньше места. Объединение нескольких транзисторных схем на одной плате дает интегральную схему (chip — «щепка», «стружка» буквально, пластинка). Транзисторы это счетчики двоичных чисел. Эти детали фиксируют два состояния — наличие тока и отсутствие тока, и тем самым обрабатывают информацию, представленную им именно в таком двоичном виде.

В 1953 г.. Уильям Шокли изобрел транзистор с p — n переходом (junction transistor). Транзистор заменяет электронную лампу и при этом работает с большей скоростью, выделяет очень мало тепла и почти не потребляет электроэнергию. Одновременно с процессом замены электронных ламп транзисторами совершенствовались методы хранения информации: как устройства памяти стали применяться магнитные сердечники и магнитные барабаны, а уже в 60-е годы получило распространение хранение информации на дисках.

Один из первых компьютеров на транзисторах — Atlas Guidance Computer — был запущен в 1957 г. и использовался при управлении запуском ракеты Atlas.

Созданный в 1957 г.. RAMAC был недорогим компьютером с модульной внешней памятью на дисках, комбинированным оперативным запоминающим устройством на магнитных сердечниках и барабанах. И хотя этот компьютер еще не был полностью транзисторным, он отличался высокой работоспособностью и простотой обслуживания и пользовался большим спросом на рынке средств автоматизации делопроизводства в офисах. Поэтому для корпоративных заказчиков срочно выпустили уже «большой» RAMAC (IBM-305), для размещения 5 Мбайт данных системе RAMAC нужно было 50 дисков диаметром 24 дюйма. Созданная на основе этой модели информационная система безотказно обрабатывала массивы запросов на 10 языках.

В 1959 году IBM создала свой первый полностью транзисторный большой универсальный компьютер модели 7090, способный выполнять 229 тыс. операций в секунду — настоящий транзисторный мэйнфрейм. В 1964 году на основе двух 7090-х мейнфреймов американская авиакомпания SABRE впервые применила автоматизированную систему продажи и бронирования авиабилетов в 65 городах мира.

В 1960 году DEC представила первый в мире миникомпьютер — модель PDP-1 (Programmed Data Processor, программируемый процессор данных), компьютер с монитором и клавиатурой, который стал одним из самых заметных явлений на рынке. Этот компьютер был способен выполнять 100 000 операций в секунду. Сама машина занимала на полу всего 1,5 м 2 . PDP-1 стал, по сути, первой в мире игровой платформой благодаря студенту MIT Стиву Расселу, который написал для него компьютерную игрушку Star War!

Представители II-го поколения ЭВМ: 1) RAMAC ; 2) PDP -1

В 1968 году Digital впервые наладила серийное производство мини-компьютеров — это был PDP-8: цена их была около $ 10000, а размером модель была холодильник. Именно эту модель PDP-8 смогли покупать лаборатории, университеты и небольшие предприятия.

Отечественные компьютеры того времени можно охарактеризовать так: по архитектурным, схемным и функциональных решений они соответствовали своему времени, но их возможности были ограничены из-за несовершенства производственной и элементной базы. Наибольшей популярностью пользовались машины серии БЭСМ. Серийное производство, достаточно незначительное, началось выпуском ЭВМ «Урал-2» (1958), БЭСМ-2, « Минск-1» и « Урал-3» (все — 1959 г.). В 1960 г. пошли в серию « М-20» и «Урал-4». Максимальной производительностью в конце 1960 располагал «М-20» (4500 ламп, 35 тыс. полупроводниковых диодов, память на 4096 ячеек) — 20 тыс. операций в секунду. Первые компьютеры на полупроводниковых элементах («Раздан-2», «Минск — 2», «М-220» и «Днепр») находились еще в стадии разработки.

Третье поколение — малогабаритные ЭВМ на интегральных схемах

В 50-х и 60-х годах сборка электронного оборудования представляла трудоемкий процесс, который замедлялся возрастающей сложностью электронных схем. Так, например, компьютер типа CD1604 (1960 , Control Data Corp.) , содержал около 100 тыс. диодов и 25 тыс. транзисторов.

В 1959 американцы Джек Сент Клэр Килби (фирма Texas Instruments) и Роберт Н. Нойс (фирма Fairchild Semiconductor) независимо друг от друга изобрели интегральную схему (ИС) — совокупность тысяч транзисторов, размещенных на одном кристалле кремния внутри микросхемы.

Производство компьютеров на ИС (микросхемами их стали называть позже) было гораздо дешевле, чем на транзисторах. Благодаря этому многие организации смогли приобрести и освоить такие машины. А это, в свою очередь, привело к росту спроса на универсальные ЭВМ, предназначенные для решения различных задач. В эти годы производство компьютеров приобрело промышленные масштабы.

В это же время появляется полупроводниковая память, которая и по сей день используется в персональных компьютерах.

Представитель III-го поколения ЭВМ — ЕС-1022

Четвертое поколение — персональные компьютеры на процессорах

Предшественниками IBM PC были Apple II, Radio Shack TRS-80, Atari 400 и 800, Commodore 64 и Commodore PET.

Рождения персональных компьютеров (ПК, PC) с полным основанием связывают с процессорами Intel. Корпорация была основана в середине июня 1968 г. с тех пор Intel превратилась в крупнейшего в мире производителя микропроцессоров с числом сотрудников более 64 тысяч. Целью Intel было создание полупроводниковой памяти и, чтобы выжить, фирма стала брать и сторонние заказы на разработку полупроводниковых устройств.

В 1971 г.. Intel получила заказ на разработку набора из 12 микросхем для программируемых микрокалькуляторов, но инженерам Intel создание 12 специализированных чипов показалось громоздким и неэффективным. Задача сокращения номенклатуры микросхем была решена путем создания «спарки» с полупроводниковой памяти и исполнительного устройства, способного работать по командам, хранящимся в ней. Это был прорыв в философии создания вычислительных средств: универсальное логическое устройство в виде 4-разрядного центрального процессорного устройства i4004, который позже был назван первый микропроцессором. Он представлял собой набор из 4 чипов, в числе которых был один чип, управляемый командами, которые хранились в полупроводниковой внутренней памяти.

Как коммерческая разработка, микрокомпьютер (так тогда называлась микросхема) появился на рынке 11 ноября 1971 под названием 4004: 4 битный, содержащий 2300 транзисторов, тактовая частота 60 кГц, стоимость — $ 200. В 1972 г. компания Intel выпустила восьмибитный микропроцессор 8008, а в 1974 г. — его усовершенствованную версию Intel-8080, которая к концу 70-х годов стала стандартом для микрокомпьютерной индустрии. Уже в 1973 году во Франции появляется первый компьютер на базе процессора 8080 — Micral. По разным причинам этот процессор не имел успеха в Америке (в Советском Союзе он был скопирован и выпускался долгое время под названием 580ВМ80). Тогда же группа инженеров ушла из Intel и образовала фирму Zilog. Наиболее громким ее продуктом является Z80, который имеет расширенный набор команд 8080 и, что обеспечило его коммерческий успех для бытовых приборов, обходился одним напряжением питания 5В. На его основе был создан, в частности, компьютер ZX-Spectrum (иногда его называют по имени создателя — Sinclair), ставший практически прообразом Home PC середины 80-х. В 1981 г. Intel выпускает 16-разрядный процессор 8086 и 8088 — аналог 8086, за исключением внешней 8-битной шины данных (вся периферия тогда была еще 8-битной).

Конкурент Intel, компьютер Apple II отличался тем, что не был вполне законченным аппаратом и оставалась некоторая свобода для доработки непосредственно пользователем — можно было устанавливать дополнительные интерфейсные платы, платы памяти и др. Именно эта особенность, которую впоследствии стали называть «открытой архитектурой», стала его основным преимуществом. Успеху Apple II способствовали еще две новинки, разработаные в 1978 году. Недорогой накопитель на гибких дисках, и первая программа для коммерческих расчетов — электронная таблица VisiCalc.

Большой популярностью в 70-х годах пользовался компьютер Altair-8800, построенный на основе процессора Intel -8080. Хотя возможности Altair были довольно ограничены — оперативная память составляла всего 4 Kb, клавиатура и экран отсутствовали, его появление было встречено с большим энтузиазмом. Он был выпущен на рынок в 1975 году, и в первые месяцы было продано несколько тысяч комплектов машины.

Представители IV -го поколения ЭВМ: а) Micral; б) Apple II

Этот компьютер, разработанный фирмой MITS, продавался по почте в виде набора деталей для самостоятельной сборки. Весь комплект для сборки стоил $ 397, тогда как только один процессор от Intel продавался за $360.

Распространение ПК к концу 70-х годов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и мини-ЭВМ — фирма IBM в 1979 выпустила IBM PC на базе процессора 8088. Существующее в начале 80-х годов программное обеспечение было ориентировано на обработку текстов и простых электронных таблиц, а сама мысль о том, что «микрокомпьютер» может стать привычным и необходимым устройством на работе и дома, казалась невероятной.

12 августа 1981 года IBM представила Personal Computer (PC), ставший, в сочетании с программным обеспечением от Microsoft, стандартом для всего парка ПК современного мира. Цена модели IBM PC с монохромным дисплеем составила около $3.000, с цветным — $6.000. Конфигурация IBM PC: процессор Intel 8088 с частотой 4,77 МГц и 29 тысячами транзисторов, 64 Кб оперативной памяти, 1 флоппи-дисковод емкостью 160 Кб, — обычный встроенный динамик. В это время запуск приложений и работа с ними были настоящей мукой: из-за отсутствия жесткого диска приходилось все время менять дискеты, не было ни «мыши», ни графического оконного пользовательского интерфейса, ни точного соответствия между изображением на экране и конечным результатом (WYSIWYG). Цветная графика была крайне примитивна, о трехмерной анимации или фотообработке не было и речи, однако история развития персональных компьютеров началась именно с этой модели.

В 1984 году IBM представила еще две новинки. Во-первых, была выпущена модель для домашних пользователей, названная PCjr на базе процессора 8088, котрая была оснащена едва ли не первой беспроводной клавиатурой, но успеха на рынке эта модель не добилась.

Вторая новинка — IBM PC AT. Важнейшая особенность: переход на микропроцессоры более высоких уровней (80286 с цифровым сопроцессором 80287) с сохранением совместимости с предыдущими моделями. Этот компьютер оказался законодателем стандартов на много лет вперед в целом ряде отношений: здесь впервые появилась 16-разрядная шина расширений (остающаяся стандартной и по сей день) и графические адаптеры EGA с разрешением 640х350 при глубине представления цвета 16 бит.

В 1984 г. состоялся выпуск первых компьютеров Macintosh с графическим интерфейсом, манипулятором «мышь» и многими другими атрибутами пользовательского интерфейса, без которых не мыслятся современные настольные компьютеры. Пользователей новый интерфейс не оставил равнодушными, но революционный компьютер не был совместим ни с прежними программами, ни с аппаратными компонентами. А в тогдашних корпорациях уже стали нормальными рабочими инструментами WordPerfect и Lotus 1-2-3. Пользователи уже привыкли и приспособились к символьному интерфейса DOS. С их точки зрения, Macintosh выглядел даже как-то несерьезно.

Пятое поколение компьютеров (с 1985 и по наше время)

Отличительные признаки V -го поколения:

1. Новые технологии производства.
2. Отказ от традиционных языков программирования таких, как Кобол и Фортран в пользу языков с повышенными возможностями манипулирования символами и с элементами логического программирования (Пролог и Лисп).
3. Акцент на новые архитектуры (например, на архитектуру потока данных).
4. Новые способы ввода-вывода, удобные для пользователя (например, распознавание речи и образов, синтеза речи, обработка сообщений на естественном языке)
5. Искусственный интеллект (то есть автоматизация процессов решения задач, получения выводов, манипулирования знаниями)

Именно на рубеже 80-90-х сформировался альянс Windows-Intel. Когда в начале 1989 г. Intel выпустила микропроцессор 486, производители компьютеров не стали дожидаться примера со стороны IBM или Compaq. Началась гонка, в которую вступили десятки фирм. Но все новые компьютеры были чрезвычайно похожи друг на друга — их объединяла совместимость с Windows и процессоры от Intel.

В 1989 г. был выпущен процессор i486. Он имел встроенный математический сопроцессор, конвейер и встроенный кэш первого уровня.

Направления развития компьютеров

Нейрокомпьютеры можно отнести к шестому поколению ЭВМ. Несмотря на то, что реальное применение нейросетей началось относительно недавно, нейрокомпьютингу как научному направлению пошел седьмой десяток лет, а первый нейрокомпьютер был построен в 1958 году. Разработчиком машины был Фрэнк Розенблатт, который подарил своему детищу имя Mark I.

Теория нейронных сетей впервые была обозначена в работе МакКаллока и Питтса в 1943 г.: любую арифметическую или логическую функцию можно реализовать с помощью простой нейронной сети. Интерес к нейрокомпьютингу снова вспыхнул в начале 80-х годов и был подогрет новыми работами с многослойным перцептроном и параллельными вычислениями.

Нейрокомпьютеры — это ПК, состоящих из множества работающих параллельно простых вычислительных элементов, которые называют нейронами. Нейроны образуют так называемые нейросети. Высокое быстродействие нейрокомпьютеров достигается именно за счет огромного количества нейронов. Нейрокомпьютеры построены по биологическим принципу: нервная система человека состоит из отдельных клеток — нейронов, количество которых в мозгу достигает 10 12 , при том, что время срабатывания нейрона — 3 мс. Каждый нейрон выполняет достаточно простые функции, но так как он связан в среднем с 1 — 10 тыс. других нейронов, такой коллектив успешно обеспечивает работу человеческого мозга.

Представитель VI-го поколения ЭВМ — Mark I

В оптоэлектронных компьютерах носителем информации является световой поток. Электрические сигналы преобразуются в оптические и обратно. Оптическое излучение в качестве носителя информации имеет ряд потенциальных преимуществ по сравнению с электрическими сигналами:

• Световые потоки, в отличие от электрических, могут пересекаться друг с другом;
• Световые потоки могут быть локализованы в поперечном направлении нанометровых размеров и передаваться по свободному пространству;
• Взаимодействие световых потоков с нелинейными средами распределено по всей среде, что дает новые степени свободы в организации связи и создания параллельных архитектур.

В настоящее время ведутся разработки по созданию компьютеров полностью состящих из оптических устройств обработки информации. Сегодня это направление является наиболее интересным.

Оптический компьютер имеет невиданную производительность и совсем другую, чем электронный компьютер, архитектуру: за 1 такт продолжительностью менее 1 наносекунды (это соответствует тактовой частоте более 1000 МГц) в оптическом компьютере возможна обработка массива данных около 1 мегабайта и больше. К настоящему времени уже созданы и оптимизированы отдельные составляющие оптических компьютеров.

Оптический компьютер размером с ноутбук может дать пользователю возможность разместить в нем едва ли не всю информацию о мире, при этом компьютер сможет решать задачи любой сложности.

Биологические компьютеры — это обычные ПК, только основанные на ДНК-вычислений. Реально показательных работ в этой области так мало, что говорить о существенных результатах не приходится.

Молекулярные компьютеры — это ПК, принцип действия которых основан на использовании изменении свойств молекул в процессе фотосинтеза. В процессе фотосинтеза молекула принимает различные состояния, так что ученым остается только присвоить определенные логические значения каждом состояния, то есть «0» или «1». Используя определенные молекулы, ученые определили, что их фотоцикл состоит всего из двух состояний, «переключать» которые можно изменяя кислотно-щелочной баланс среды. Последнее очень легко сделать с помощью электрического сигнала. Современные технологии уже позволяют создавать целые цепочки молекул, организованные подобным образом. Таким образом, очень даже возможно, что и молекулярные компьютеры ждут нас «не за горами».

История развития компьютеров еще не закончена, помимо совершенствования старых, идет и разработка совершенно новых технологий. Пример тому квантовые компьютеры — устройства, работающие на основе квантовой механики. Полномасштабный квантовый компьютер — гипотетическое устройство, возможность построения которого связана с серьезным развитием квантовой теории в области многих частиц и сложных экспериментов; эта работа лежит на передовом крае современной физики. Экспериментальные квантовые компьютеры уже существуют; элементы квантовых компьютеров могут применяться для повышения эффективности вычислений на уже существующей приборной базе.

Немцы повернуты на технике — общепризнанный факт. Поэтому, точно так же, как в Италии обязательны для посещения музеи классического искусства, в Германии надо непременно зайти в какой-нибудь технический музей. Благо в большинстве крупных немецких городов что-то подходящее всегда найдется.

В большинстве случаев это музеи того или иного производителя автомобилей. Но в Берлине, городе с непростой историей, такового нет. Можно разве что полюбоваться на многочисленные «трабанты» в «Траби-сафари» неподалеку от Потсдамер-плац — но это удовольствие достаточно сомнительное. Русского человека убогой машиной не удивишь, пусть даже она и немецкая.

Что может быть внутри здания с самолетом на крыше? Ну разумеется, корабль — что же еще! Кстати, в соседнем зале есть подводная лодка

Один из самых первых реактивных двигателей, BMW 003, в сравнении со своим более молодым и совершенным «коллегой» производства Pratt&Whitney

Зато в Берлине есть музей более широкого профиля — Deutsches Technikmuseum, Немецкий технический музей. Любителям самобеглых повозок в нем вряд ли будет интересно — автомобилей там немного — зато всем, кто интересуется компьютерами, посетить это место непременно стоит. Дело в том, что здесь хранится модель первого в мире компьютера. Причем эта модель воссоздана именно тем человеком, который в свое время сконструировал и собственноручно создал оригинал, — Конрадом Цузе (Konrad Zuse).

Не нравятся самолеты и корабли? Пожалуйста, есть пара десятков паровозов

Или можно посмотреть на дедушкины телевизоры. Например, есть Philips образца 1953 года. Это, впрочем, не совсем обычный телевизор — это проектор

Хотя жить и работать Конраду Цузе приходилось и в других местах, родился он в Берлине, в нем же получил образование и здесь же в 1938 году сконструировал и воплотил в железе свой первый компьютер, получивший по первой букве фамилии автора незамысловатое название Z1. На самом деле изначально первые машины Zuse назывались еще проще: V1, V2 и так далее (от нем. Versuchsmodell — «экспериментальная модель»). Но впоследствии были переименованы, чтобы их не путали с ракетами: V по-немецки читается как «фау».

Транзисторов или даже электронных ламп в Z1 найти не удастся: эта вычислительная машина была создана за 6 лет до начала использования ламп в вычислительной технике. Z1 — компьютер полностью механический, разве что привод электрический. Тем не менее, эта вычислительная машина содержала практически все элементы современных компьютеров, была программируемой, работала с двоичным кодом и оперировала 22-битными числами с плавающей запятой — что давало возможность проводить вычисления как с очень большими, так и с очень маленькими величинами.

Вот такой он, первый компьютер

Процессор Z1 работал на частоте 1 Гц, машина была способна выполнять одну операцию сложения в секунду (умножение происходило значительно дольше, поскольку было реализовано как последовательное сложение), объем памяти составлял 0,17 Кбайт. Программы — у компьютера была система из 9 команд — вводились с помощью перфоленты. В модели Z1 использовалась бумажная лента, однако при разработке Z2 в качестве основы выступала уже 35-миллиметровая кинопленка.

Пленка была выбрана Цузе по той простой причине, что его дядя (иные источники говорят о дедушке, но на сопроводительной табличке в музее указан именно дядя) работал на крупнейшей германской киностудии того времени — Universum Film AG — и мог поставлять племяннику отработанную пленку в достаточных для его целей количествах. Поскольку Цузе создавал свою машину без участия государства или крупных компаний, в основном на деньги друзей и родственников, экономия была более чем уместна.

Единственным более-менее серьезным спонсором, которого Цузе удалось заполучить на ранней стадии создания своих вычислительных машин, стал Курт Панке, владелец производства калькуляторов. Забавно, но поначалу Панке несколько раз отказывал инженеру в финансовой помощи со словами: «В вычислительных устройствах, в сущности, все уже изобретено — вплоть до всех возможных подходов и самых замысловатых конструкций. В них просто уже не осталось ничего, что можно было бы изобрести». Вот бы показать этому человеку какой-нибудь, скажем, «Айпад» и посмотреть на выражение его лица…

Но денег Панке в конце концов все-таки дал. Целых 7 000 рейхсмарок — по тому времени примерно треть цены шикарного спортивного купе «Мерседес» (ремарка для заскучавших автолюбителей: с пятилитровым компрессорным двигателем, шик-модерн того времени). Этот достаточно щедрый грант позволил Цузе довести до конца работу над Z1 и начать создание улучшенной версии, Z2.

А уже к 1941 году Конрад Цузе создал модель Z3 — основанную на электромагнитных реле, избавленную от недостаточной точности механики и полноценно работающую. Помимо всего прочего, эта машина удовлетворяла условию полноты по Тьюрингу. То есть на ней можно было решить любую задачу, которую возможно выразить алгоритмически. Первые компьютеры других разработчиков, удовлетворявшие этому условию, появились только после войны.

Данную машину можно по праву считать первым полноценно рабочим компьютером в мире. Правда, создана она уже с участием государства: к этому моменту правительство Германии заинтересовалось работами Цузе и на создание Z3 выделило грант в размере 20 000 рейхсмарок.

Однако в дальнейшем финансировании создания универсальных компьютеров Цузе было отказано. Вторая мировая война приняла неожиданный для нацистского правительства оборот, Германии внезапно стало не до компьютеров. И в 1945 году во время бомбардировок Берлина машины Z1, Z2 и Z3, существовавшие в единственном экземпляре, были уничтожены вместе со зданием, в котором размещалась компания Цузе.

Основанный на реле компьютер Z11 (1956). Первый компьютер, который массово производился в Германии

Из-за несовершенства тогдашних ламп Цузе долго держался за реле — а потом почти сразу переключился на транзисторы. Единственным ламповым компьютером его разработки стал Z22 (1958)

Нельзя сказать, что все это совсем остановило инженера, — Конрад Цузе и после весьма успешно занимался созданием вычислительной техники. Однако было потеряно время, которое в те годы было особенно драгоценно в связи с лавинообразным прогрессом во множестве технических отраслей. Да и денег в послевоенной Европе было негусто. Поэтому инициатива в зарождающейся индустрии вычислительной техники была перехвачена американцами, и в дальнейшем историю компьютеров определяли уже они.

Z23 (1961) — один из первых транзисторных компьютеров

Тем не менее работы Цузе остались в этой истории в качестве одного из важных этапов. Так что будете в Берлине — обязательно сходите в этот музей. Только обязательно учтите тот факт, что экспозиция, посвященная компьютерам, занимает лишь малую часть музея. В нем есть еще уйма всего интересного — от первых телевизоров, культовых фотоаппаратов и типографских станков до кораблей и самолетов. И целых два полноценных депо, наполненных железнодорожной техникой.

Как показала практика, трех часов, проведенных автором в музее, для обхода всей территории категорически недостаточно — стоит выделить на него больше времени. Кстати, при музее есть вполне приличный бар. Так что спутников, которые не захотят составить компанию в стремительном беге по экспозиции или устанут на полдороге, вполне можно оставить наслаждаться второй после техники любимой вещью немцев.

А в качестве завершения этой статьи приведем историю компьютеров в картинках по версии Немецкого технического музея. Ее, пожалуй, не стоит воспринимать как абсолютную истину и точнейший рассказ обо всех подробностях. Скорее, это общее русло тех событий, которые в результате привели компьютерную отрасль в то состояние, которое мы имеем счастье наблюдать ежедневно. И тем не менее, с ней весьма интересно ознакомиться.

1705 год. Двоичная система

Немецкий философ и математик Готфрид Вильгельм фон Лейбниц первым публикует полное описание двоичной системы счисления, в которой все числа записываются с помощью только двух цифр — 0 и 1.

1833 год. Идея первого компьютера

Английский математик Чарльз Бэббидж начинает создание полностью автоматической программируемой вычислительной машины — как он ее назвал, «Аналитической машины». После 30 лет попыток Бэббидж сдался. Уровень развития точной механики того времени был недостаточен для создания настолько сложной машины, использующей десятичную систему счисления.

1847 год. Булева алгебра

Английский математик Джордж Буль разрабатывает «формальную логику высказываний». В ней высказывания объединяются в структуры с помощью логических операторов AND, OR, NOT. Сегодня булева алгебра является основой программирования.

1886 год. Автоматизированная обработка данных

Созданная Германом Холлеритом машина для считывания перфорированных карт использована для подсчета результатов переписи населения в США. Машина автоматически вычисляла разнообразную статистику, позволив уменьшить время на обработку результатов с семи лет, потребовавшихся для предыдущей переписи, до двух (при этом численность населения США за период между переписями увеличилась на четверть) .

1937 год. Теория универсального вычислителя

Английский математик Алан Тьюринг публикует концепцию универсального вычислителя. Он доказал, что компьютер способен решить любые математические проблемы, которые могут быть выражены алгоритмически. (На всякий случай, видимо, следует заметить, что логотип Apple представляет собой отравленное цианидом яблоко, которое послужило причиной смерти Алана Тьюринга. И радужная раскраска первоначального логотипа компании тоже неслучайна, Тьюринг был гомосексуалистом.)

1938 год. Создание первого компьютера

Берлинский инженер Конрад Цузе завершает создание Z1: первой полностью программируемой вычислительной машины. Она работает автоматически в двоичной системе счисления и оперирует числами с плавающей запятой. Функциональность машины ограничена в связи с недостаточной точностью некоторых компонентов.

1941 год. Полностью работающий компьютер

Конрад Цузе завершает создание Z3, первого в мире полностью работающего компьютера. Схема Z3 использует электромагнитные реле. В Z3 реализованы все элементы современных компьютеров, однако программы все еще хранились на внешнем носителе. (Все дело в том, что реле, использовавшиеся в качестве ячеек памяти, стоили по тем временам довольно дорого, 2 рейхсмарки за штуку, то есть за один бит; в то время как кинопленку-перфоленту для хранения программ Цузе получал бесплатно.)

1944 год. Большая вычислительная машина в США

В Гарвардском университете Говард Эйкен представляет первую в США полностью программируемую вычислительную машину. В MARK I использованы электромагнитные реле и десятичная система счисления. Длина машины составляла 17 метров, операцию сложения она производила за 0,3 секунды. (Стоит заметить, что эта машина, созданная на 3 года позже Zuse Z3, не удовлетворяла условию полноты по Тьюрингу.)

1944 год. Вычислительная машина взламывает шифры

Британские взломщики шифров запускают в работу машину COLOSSUS. Она позволяет им расшифровывать телетайп-сообщения, которыми обмениваются вооруженные силы Германии. Машина использует электронные лампы и работает в двоичной системе. Она способна обрабатывать 5 000 символов в секунду. (И эта машина также не обладала полнотой по Тьюрингу.)

1945 год. Внутреннее хранение программ

Венгерско-американский математик Джон фон Нейман (Янош Лайош Нейман) описал концепцию современного компьютера: программы должны храниться так же, как данные, — в памяти компьютера, чтобы к ним можно было получить быстрый доступ и их было легко отредактировать.

1946 год. Электронная вычислительная машина

В США создан первый компьютер с полностью электронной архитектурой. В машине ENIAC использовано около 18 000 электронных ламп и она примерно в 1 000 раз быстрее машин, основанных на электромагнитных реле. Программирование компьютера занимает несколько дней.

1948 год. Бит

Американский математик Клод Шеннон впервые использует термин «бит» (один двоичный разряд — 0 или 1) для наиболее мелкой единицы информации. Он утверждает, что любая информация может быть представлена в виде битов.

1948/1949 год. Хранение программ

В Великобритании запущены компьютеры, которые способны хранить программы и данные в электронном виде: экспериментальная машина BABY, созданная Манчестерским университетом и EDSAC, сконструированная Кембриджским университетом.

1951 год. Монитор

Первый монитор в истории компьютеров был разработан в США для мейнфрейма WHIRLWIND. Этот военный компьютер использовался для наблюдения за американским воздушным пространством. Вражеские самолеты представлялись на экране в виде графических символов.

1955 год. Компьютер на транзисторах

В США построен первый транзисторный компьютер — TRADIC (TRAnsistorised Airborne Digital Computer). Схемы, построенные на транзисторах, компактнее, быстрее и надежнее — а в недалеком будущем становятся и дешевле, — чем схемы на электронных лампах. Начинается коммерческое использование компьютеров.

1958 год. На пути к микрочипу

Американский инженер Джек Килби разрабатывает интегральную схему. Транзисторы, резисторы и другие электронные компоненты производятся из одного материала и объединены в один модуль. Таким образом компьютеры становятся значительно компактнее и эффективнее. (Следует заметить, что ИС, созданная Джеком Килби, была выполнена из дорогого германия. Кремниевый микрочип был впервые получен через полгода Робертом Нойсом, впоследствии вместе с Городоном Муром основавшим компанию Intel.)

1964 год. «Семейство компьютеров»

Американская фирма IBM представляет System/360. Благодаря модульной конструкции этого компьютера, IBM удается добиться долговременного сотрудничества со своими клиентами, которые могут компоновать свои собственные вычислительные системы, выбирая из шести различных по возможностям мейнфреймов и 40 периферийных устройств.

1965 год. Миникомпьютер

На рынке появляется первый миникомпьютер, PDP-8. Миникомпьютеры значительно дешевле мейнфреймов и могут сравнительно легко программироваться самими пользователями. Благодаря этим преимуществам компьютеры начинают появляться в небольших фирмах и научных отделах.

1968 год. Компьютерная мышь

Американский исследователь Дуглас Энгельбарт представляет свой «указатель положения X-Y для системы отображения». Этот механизм, предназначенный для работы с графическими интерфейсами, теперь известен как «мышь». (Вообще, этот человек и его коллектив заслуживают отдельной полновесной статьи. Мышь была представлена на презентации, ставшей впоследствии известной как «Мать всех демонстраций» — The Mother of All Demos. Одновременно с мышью Энгельбарт продемонстрировал концепты электронной почты, гипертекста, видеоконференций, систем обработки текста, совместного одновременного редактирования файлов, мультимедиа, графического интерфейса. А также множества других вещей, которые в то время выглядели совершенно фантастично, а много позже, спустя десятилетия, прочно вошли в жизнь людей. Стиву Джобсу тогда было всего 13 лет, и о своих пафосных презентациях мелких улучшений интерфейса и новых Радиусов Скругления он еще и не помышлял. Так-то.)

1969 год. Начало эры Интернета

Через телефонное соединение в Америке объединены компьютеры четырех исследовательских институтов. К 1973 году эта компьютерная сеть содержит 35 узлов. Некоторое время спустя во Франции построена первая европейская компьютерная сеть.

1975 год. Микрокомпьютер

Микрокомпьютер Altair 8800, сперва продававшийся исключительно в виде набора деталей «сделай сам», стал фантастически успешным. В эру микрокомпьютеров ключевым элементом становятся микрочипы: эти миниатюрные элементы содержат в себе полноценный процессор.

1975 год. Фирмы, разрабатывающие программное обеспечение

Билл Гейтс и Пол Аллен основывают компанию Microsoft. Она быстро приобретает известность благодаря языку программирования BASIC, разработанному для компьютера Altair. Теперь даже любители могут писать простые программы.

1977 год. Персональный компьютер

Компания Apple рекламирует свой Apple II как «персональный компьютер». В отличие от его предшественника, Apple I, который покупатели должны были собирать сами, Apple II — первый микрокомпьютер, который можно купить полностью собранным.

1981 год. Портативный компьютер

Первым портативным компьютером, который попал в продажу, стал Osborne 1. Компьютер, оборудованный экраном размером с кредитную карточку, весил 12 килограмм, и по контрасту с будущими ноутбуками его скорее следовало бы назвать «переносносным», а не «портативным».

1982 год. C64

Домашний компьютер Commodore 64 продается в количестве 30 миллионов экземпляров и становится самой продаваемой моделью компьютера всех времен. Благодаря своим мощным звуковому и графическому чипам, C64 становится лучшим компьютером для фанатов компьютерных игр. (В те времена было модно указывать в названии компьютера объем оперативной памяти, в данном случае 64 Кбайт.)

1991 год. Всемирная паутина

Разработанная Европейским центром ядерных исследований (CERN) Всемирная паутина открыта для общего пользования. Благодаря специальному протоколу передачи данных, унифицированным сетевым адресам и языку разметки страниц HTML, теперь можно обмениваться информацией по всему миру.

1996 год. Компьютер побеждает мирового чемпиона по шахматам

Компьютер, разработанный для игры в шахматы, впервые побеждает сильнейшего в мире игрока-человека. Компьютер IBM Deep Blue выигрывает партию в матче против многократного чемпиона мира по шахматам, Гарри Каспарова. В 1997 году компьютер выигрывает у Каспарова и весь матч.

1998 год. Google

Появляется и быстро становится лидером рынка поисковая система Google. Компания занимается интенсивными исследованиями алгоритмов сортировки, которые приводят к хорошей точности результатов поиска.

2007 год. Компьютер в кармане

Компания Apple представляет iPhone. Он и другие так называемые смартфоны демонстрируют тренд интеграции изначально отдельных устройств — таких как мобильный телефон, компьютер, цифровая камера — в одно многофункциональное устройство. (Выбор iPhone в качестве устройства, задавшего этот тренд, конечно, вызывает немало вопросов. С другой стороны, по-настоящему популярны смартфоны действительно стали именно после появления телефона Apple.)

2010 год. Суперкомпьютеры

В июне 2010 года список самых мощных суперкомпьютеров возглавляет американский Cray Jaguar, за ним с небольшим отставанием следует китайский Nebulae. Оба этих высокопроизводительных суперкомпьютера могут выполнять более триллиона вычислений в секунду. (За прошедший год китайцы успели запустить вдвое более мощный суперкомпьютер Tianhe-1. Однако всех обогнали японцы, умудрившиеся создать систему с лаконичным названием K computer. Эта система показала почти втрое более высокую производительность по сравнению с китайской Tianhe-1. Итого за год производительность самого мощного компьютера в мире выросла примерно в пять раз.)

Будущее. Вычисления с помощью квантов?

У истории компьютеров пока нет окончания. К примеру, уже много лет проводится интенсивное изучение квантовых вычислений. Компьютер, использующий изменение квантовых состояний — так называемых «кубитов», или квантовых битов, может стать в несколько раз более быстрым, чем привычные для нас системы.

Можете представить современный мир без компьютеров? Я — нет, ведь каждый наш шаг связан с компьютерами. Эта история началась еще в далекие 40-е годы, когда мир только начал узнавать о создании первых «ЭВМ» (электронно-вычислительных машин).

История создания первого в мире компьютера

В 1942 году проект Джона Маучли дал толчок для создания первого компьютера, хотя на сам проект, вначале внимания не обратили. Однажды им заинтересовалась одна из лабораторий армии США, и уже в 1943-м были сделаны первые шаги по созданию машины, под названием «ENIAC». Денег на создание дал Пентагон (которому нужно было создать новые пушки), и ушло их чуть меньше 500 000 $.

Кстати, ENIAC в плане электричества получился очень прожорливым, когда его включали — огни близлежащего города каждый раз тускнели. ENIAC (Electronical Numerical Integrator and Calculator) - это по-настоящему первый компьютер, который можно было программировать.

Технические характеристики первого компьютера:

1. Вес достигал 27 тонн;
2. Мощность — 174 кВт — столько примерно расходует огромный торговый центр в выходной день;
3. Содержал 18 000 электронных ламп, ведь транзисторов и процессоров в то время не было;
4. Память — 4 килобайта;
5. Размер он имел впечатляющий — занимал 135 кв.м.
6. Выполнял до 5000 действий в секунду.

Самое удивительное — это километры проводов, которыми был обвит компьютер. Он программировался как телефонный коммуникатор, обслуживаемый телефонистками.

Позже, его начали использовать не только для анализа космических излучений, но и для создания водородной бомбы. Пока создавали компьютер война закончилась, но исследования не прекратили и в 1945 году провели первое официальное испытание, которое он выдержал. При этом было обработано около 1 000 000 перфокарт компании IBM. Не смотря на огромные размеры и вес компьютер проработал около 10 лет.

Через 5 лет был придуман транзистор, который положил начало уменьшению размеров компьютеров.

Где и когда продали первый персональный компьютер?

Концепция персонального компьютера мало изменилась в течении следующих двух десятилетий. Внедрение микропроцессора ускорило процесс создания компьютера. Компания IBM еще в 1974 году пыталась создать свой первый компьютер, но попытка не удалась и продажи были очень низкими. IBM5100 — имел кассеты в качестве носителей информации, довольно маленький вес и серьезную стоимость в 10 000 $.

Также он уже мог самостоятельно исполнять программы, написанные на таких языках программирования, как BASIC и APL (его создали в IBM). отображал 16 линий по 64 знака, память около 64 Кб, причем эти кассеты были похожи на аудио стерео-кассеты. Но продажи так и не пошли, потому, что не было предусмотрено нормального интерфейса и цена была завышенной.

А вы задавались вопросом — какими будут компьютеры через 10 лет?

Недавно компания IBM представила свой новый мега-компьютер «Roadrunner». Его мощность 1 000 000 000 000 (1 квадриллион) операций. Создан он для министерства энергетики США, и состоит из 6480 2-х ядерных процессоров, и 12 960 процессоров от IBM, которые называются . В него входит 278 огромных шкафов, 88 километров кабелей, вес — 226 тонн, занимает площадь в 1100 м², потребляемая мощность 3,9 МВт, а стоимость составила 133 000 000$.

Глава 2. Основы организация и функционирования компьютеров

2.1. Классификация компьютеров

По мере совершенствования структур и технологий производства средств вычислительной техники появляются новые классы компьютеров, и различия для определенных моделей компьютеров постепенно изменяются. Используются разнообразные классификационные характеристики компьютерной техники:

· по поколениям;

· по архитектуре, структуре, по количеству процессоров компьютера;

· по быстродействию;

· по условиям эксплуатации;

· по назначению компьютеров и другим характеристикам.

Идея классифицировать компьютеры по поколениям определяется тем, что компьютерная техника за свою длительную историю развития проделала большой путь как с точки зрения используемой элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы, большие и сверхбольшие интегральные схемы), так и в смысле развития структурной организации, значительного расширения сфер применения.

В 1945 г. Американский ученый Джон фон Нейман сформулировал основы организации и функционирования современных компьютеров на основе принципа программного управления работой компьютера, в соответствии с которым программа и данные хранились в оперативной памяти компьютера.

В 1946 г. В США была разработана первая электронная цифровая ЭВМ "Эниак". Машина выполняла за одну секунду только 300 умножений и 5000 сложений.

В 1948 г. в американской фирме Bell Laboratories физики У. Шокли, У. Браттейн и Дж. Бардин создали транзистор, за что они были удостоены Нобелевской премии. Транзисторы оказали революционное влияние на развитие средств вычислительной техники, заменив электронные лампы и открыв путь к созданию микросхем.

В 1951 г. в СССР под руководством С.А. Лебедева была разработана первая в континентальной Европе ЭВМ, названная «МЭСМ» (Малая Электронная Счетная Машина). СССР вошел в лидирующие страны в области проектирования и разработки средств вычислительной техники, что позволило развивать такие важные области как ядерная энергетика и космос.

В 1952 г. в нашей стране был разработан компьютер БЭСМ-1 (Большая Электронная Счетная Машина), который являлся самым быстродействующим компьютером Европе и одним из лучших в мире.

В 1964 г. американская фирма IBM разработала новое семейство ЭВМ третьего поколения с использованием микросхем - IBM/360.

В 1967 г. В СССР была создана ЭВМ БЭСМ-6 с производительностью 1 млн.операций/сек. Это был один из самых быстродействующих компьютеров в мире в то время, за которым последовала разработка компьютера нового типа «Эльбрус»- ЭВМ производительностью 10 млн. операций/с.

В 1979 г. Американская фирма Intel разработала микропроцессор Intel 8088, который фирма IBM стала использовать для разработки и производства персональных компьютеров. В 1981 г. фирма IBM выпустила первый персональный компьютер IBM PC на базе данного микропроцессора.

В 1982 г. и последующие годы фирма Intel выпустила микропроцессоры Intel286 и Intel386, а затем и микропроцессор Intel 486, который

стал первым микропроцессором со встроенным математическим сопроцессором. Данный сопроцессор значительно повысил скорость обработку данных, он выполнял тригонометрические, экспоненциальные и другие математические функции вместо центрального процессора.

В 1993 г. Фирма Intel выпустила первый микропроцессор семейства Pentium, который позволил обрабатывать компьютерам атрибуты "реального мира" : аудио, видио информацию, фотоизображения и т.п. И в течении последующих лет и до настоящего времени данное семейство является основой для разработки последующих компьютеров.

Остановимся кратко на рассмотрении классификации компьютеров по поколениям, которая достаточно часто встречается в литературе.

К первому поколению обычно относят машины, созданные в 50-х годах, в них использовались электронные лампы. Опыт использования компьютеров первого поколения показал, что необходимо разрабатывать средства автоматизации программирования, создавать программные системы, упрощающие работу на компьютерах, повышать эффективность использования компьютерной техники. Все это потребовало существенных изменений структуры компьютеров.

Второе поколение ЭВМ - это машины, которые разрабатывались в 1955-65 годах. Для них характерным явилось использование транзисторов, оперативная память использовала магнитные элементы. Начали использоваться для программирования языки высокого уровня. Специальные программы, называемые трансляторами выполняют перевод программы с языка высокого уровня на машинный язык компьютера. Появляются мониторные системы, которые управляют процессом трансляции и выполнения программ. Мониторные системы явились основой для создания современных операционных систем. Некоторые компьютеры второго поколения использовали уже операционные системы с ограниченными возможностями.

Компьютеры третьего поколения появились в мировой практике в начале 60-x годов. Компьютеры третьего поколения уже представляли собой семейство ЭВМ с единой архитектурой, они имели программную совместимость. ЭВМ данного поколения имели эффективные операционные системы, они поддерживали мультипрограммный режим, позволяющий одновременно выполнять несколько программ. Примерами ЭВМ этого поколения являются IBM/360, IBM/370, а также разработанные в СССР ЕСЭВМ, СМЭВМ и многие другие. Быстродействие ЭВМ в рамках одного семейства значительно отличается.

Компьютеры четвёртого поколения - это ЭВМ, разработанные в конце 70-х годов. В принципиальном отношении эти компьютеры отличаются от машин третьего поколения использованием современных языков высокого уровня, упрощенным процессом разработки программного обеспечения. В данных компьютерах получило широкое использование микросхем, емкость оперативной памяти возросла до десятков мегабайт. ЭВМ четвертого поколения являлись многопроцессорными и многомашинными комплексами, использующие общую оперативную память, а также общий пул периферийных устройств. Данные ЭВМ поддерживали режим телекоммуникационной обработки информации, объединялись в компьютерные сети, использовали систем управления базами данных и другие инновации того времени.

В разработках ЭВМ последующих поколений широко используются большие и сверхбольшие интегральные схемы, получили распространение оптоэлектронные принципы. Компьютеры обеспечивают ввод информации с рукописного или печатного текста, аудио ввод, идентифицировать пользователя по голосу, выполнять перевод, происходит переход к обработке знаний и т.д.

По условиям эксплуатации компьютеры подразделяются на два основных типа:

· офисные (универсальные);

· промышленные (специализированные).

Офисные компьютеры используются для работы в нормальных условиях эксплуатации.

Промышленные компьютеры должны удовлетворять специальным требованиям эксплуатации, класс решаемых задач являются проблемно- ориентированными или специализированным.

2.2. Принципы построения персонального компьютера

Персональные компьютеры получили бурное развитие, начиная с 1980 годов. Любой компьютер представляет собой совокупность аппаратного и программного обеспечения. К аппаратному обеспечению компьютеров относятся устройства и схемы, образующие аппаратную конфигурацию, необходимую для выполнения задач, их можно собирать из готовых узлов и блоков, наращивать, они имеют открытую архитектуру. Многочисленные интерфейсы в архитектуре любой вычислительной системы, можно условно разделить на две большие группы: последовательные и параллельные. Через последовательный интерфейс данные передаются последовательно, бит за битом, а через параллельный - одновременно группами битов. Количество битов, участвующих в одной передаче, определяется разрядностью интерфейса, например, восьмиразрядные параллельные интерфейсы передают один байт (8 бит) за один такт. Параллельные интерфейсы обычно имеют более сложную организацию по сравнению с последовательными, но обеспечивают принципиально более высокую скорость передачи информации. Производительность параллельных интерфейсов измеряют байтами в секунду (байт/с; Кбайт/с; Мбайт/с).

Программы - это упорядоченные последовательности команд, обеспечивающие управление аппаратными средствами компьютера. Даже если, на первый взгляд, программа не взаимодействует с оборудованием, не требует ввода или вывода данных в периферийные устройства, все равно ее работа основана на управлении аппаратными устройствами компьютера на основе принципа программного управления.

Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в непрерывном взаимодействии. Несмотря на то, что мы рассматриваем эти две категории отдельно, нельзя забывать, что между ними существует диалектическая связь, и раздельное их рассмотрение является, по меньшей мере, условным.

В основе структурной организации современных персональных компьютеров используется магистрально-модульный принцип, в соответствии с которым все модули компьютера объединяются в единую систему хранения, обработки и передачи информации (рис.2.1). Данный принцип позволяет пользователю определять необходимую конфигурацию компьютера, осуществлять при необходимости модернизацию (апгрейд) компьютера. Магистраль состоит из трех многоразрядных шин: шина данных, шина адреса и шина управления.

Шина данных . Данная шина используется для передачи данных между процессором и устройствами ПК, а также передаются команды в регистр команд процессора из оперативной памяти. Разрядность шины данных современных ПК составляет 64 бита.

Шина адреса . По шине адреса процессор передает адрес из процессора в адресуемый модуль памяти или периферийное устройство. Разрядность шины адреса определяет адресное пространство памяти, адресуемое процессором

Количество ячеек памяти, адресуемых при прямой адресации можно оценить по формуле: N = 2 R , где R - разрядность шины адреса.

Шина управления. По шине управления передаются сигналы управления, определяющие выполняемую операцию в адресуемом устройстве. Например, при чтении данных из памяти формируется сигнал чтения, а при записи – сигнал записи.

Рис.2.1. Структура персонального компьютера

2.3. Базовая конфигурация ПК

Персональный компьютер является универсальной системой обработки и хранения информации, конфигурацию которого можно гибко изменять в соответствии с классом решаемых задач. Такие компьютеры называют компьютерами с открытой архитектурой. В базовую конфигурацию ПК входят следующие модули:

· системный блок;

· монитор;

· клавиатура;

На рис.2.2 показаны основные модули базовой конфигурации и основные устройства системного блока.

2.3.1 Системный блок

Системный блок представляет собой основу компьютера, внутри которого установлены основные устройства. Устройства, подключаемые к системному блоку, называют внешними или периферийными, предназначенными для ввода, вывода и долговременного хранения информации.

Рис.2.2. Состав ПК и устройств системного блока

Основными устройствами системного блока (рис. 2.2) являются следующие:

· системная (материнская) плата-2;

· центральное процессорное устройство - 3;

· оперативная память - 4;

· платы расширений – 5;

· блок питания – 6;

· привод оптических дисков – 7;

· накопители на жестких дисках – 8;

2.3.2. Системная плата

Системная плата (systemboad), материнская плата(motherboard) или главная плата (mainboard) - это различные названия печатной платы с набором микросхем, на которой осуществляется монтаж большинства компонентов персонального компьютера посредством печатных проводников и различных разъёмов (слотов). На материнской плате также располагаются слоты для центрального процессорного устройства, графической и звуковой плат, жёстких дисков, оперативной памяти и других дополнительных компонент.

Материнская плата представляет собой многослойную печатную плату из диэлектрика, на которой электропроводящие проводники выполнены из фольги.

Также на плате находятся слоты и порты шин, например PCI Express (PCI-E), PCI, AGP(Accelerated Graphics Port), USB, контроллеров дисков SATA и IDE/ATA. Слотами называют разъемы для подключения внутренних плат, отдельные слоты предназначены для плат оперативной памяти. Разъемы крепления внешних компонентов называют портами, сейчас многие устройства подключаются через USB-порт. Пример системной платы приведен на рис 2.3.

Рис. 2.3. Системная плата

На системной плате размещаются следующие компоненты:

· процессор – основная микросхема, выполняющая обработку данных

· шины интерфейсы – системная магистраль, включающая шину данных, адреса и управляющих сигналов, по которым происходит передача данных и команд;

· оперативная память представляет набор микросхем, она используется оперативного хранения данных во время работы компьютера;

· постоянное запоминающее устройство – микросхема, предназначенная для долговременного хранения данных, в том числе и после выключения компьютера, в которой хранится BIOS;

· комплект чипсет – набор микросхем, который определяет характеристики материнской платы;

· набор разъемов (слотов) и портов - используется для подключения дополнительных внешних и внутренних устройств.

От производительности перечисленных компонентов в значительной степени зависит производительность компьютера и поэтому выбор системной платы является очень важной задачей при конфигурировании ПК.

Чипсет (Chip Set) . Это набор микросхем материнской платы, состоящий из двух основных микросхем:

· «Северный мост» (Northbridge) - обеспечивает взаимодействие ЦПУ с памятью и видеоадаптером. В новых чипсетах используется интегрированная видеокарта.

· «Южный мост» (Southbridge) - обеспечивает взаимодействие между ЦПУ и жестким диском, слотами PCI-Е, USB и другими.

Южный мост реализует взаимодействия на материнской плате между чипсетом материнской платы и её компонентами. Южный мост обычно не подключён напрямую к процессору в отличие от северного моста.

На системных платах для установки процессоров используется специальный разъем-сокет, который может быть квадратной формы с многочисленными отверстиями под выводы микросхемы. Однако можно встретить не только квадратный сокет, а и длинный разъем – слот.

Системная шина. Это компьютерная шина, которая передает данные, команды, управляющие сигналы и питание между компонентами компьютера. Каждая шина имеет свой набор соединителей (коннекторов) для физического подключения устройств, карт и кабелей. Современные компьютерные шины используют как параллельные, так и последовательные соединения.

Шины подразделяются на внутренние (local bus) и внешние (external bus). Первые используются для подключения внутренних устройств, таких как видеоадаптеры и звуковые платы, а вторые предназначаются для подключения внешних устройств, например, сканеров. IDE является внешней шиной по своему предназначению, но почти всегда используется внутри компьютера.

В последнее время используются такие шины как HyperTransport и Infiniband. Infiniband - это высокоскоростная коммутируемая последовательная шина, применяющаяся как для внутрисистемных, так и для межсистемных соединений. Данные шины позволяют обеспечивать как большие скорости, необходимые для памяти, видеокарт и межпроцессорного взаимодействия, так и небольшие скорости для работы с медленными устройствами, например, приводами дисков.

На производительность компьютера оказывают влияние следующие основные факторы:

· частота процессора - это частота, на которой работает центральный процессор, определяется исходя из частоты шины FSB (Front Side Bus - переводится как «системная шина») и коэффициента умножения. Большинство современных процессоров имеют заблокированный коэффициент умножения, так что единственным способом разгона процессора является изменение частоты FSB;

· память - до определённого момента в развитии компьютеров частота работы памяти совпадала с частотой FSB, на современных персональных компьютерах частоты FSB и шины памяти могут различаться.

· периферийные шины - в старых компьютерах частоты шин ISA, PCI, AGP задавались в соотношении с FSB, на новых компьютерах частоты для каждой шины задаются независимо.

Характеристики системной платы . Системная плата имеет следующие основные характеристики:

· форм - фактор платы - определяет форму, размер, расположение компонентов на плате и тип корпуса компьютера, в который можно ее поместить. Например, корпус типа ATX предоставляет дополнительные возможности: программное включение/выключение компьютера, более надежный разъем питания, лучшая вентиляция корпуса.

· количество и тип разъемов для плат расширения, для подключения которых (видеокарт, звуковых карт, внутренних модемов и др.) необходимо иметь на плате достаточное количество разъемов расширения соответствующего типа.

· набор микросхем - это одна или несколько микросхем, таймеры, системы управления, специально разработанные для "обвязки" процессора.

· наличие интегрированных возможностей - на некоторых материнских платах интегрируют дополнительные возможности, которые могут находится на платах расширения. При такой интеграции повышается надежность системы (меньшее количество контактов), плата стоит дешевле, но модернизировать такую плату дороже.

2.3.3. Центральное процессорное устройство

Центральное процессорное устройство (ЦПУ) является основной микросхемой компьютера, в которой выполняется обработка данных. Современные процессорные микросхемы помимо центрального процессора содержат также математический процессор, называемый сопроцессором. Начиная с процессора Intel486, сопроцессор, выполняющий операции с плавающей запятой, был интегрирован в процессорный чип и назван FPU (Floating Point Unit). Основными операциями, выполняемыми сопроцессором, являются: арифметические, сравнение, деление по модулю, квадратный корень, тригонометрические, загрузка констант, логарифмические и некоторые другие специальные операции.

В состав центрального процессора входят арифметико-логическое устройство для выполнения арифметических и логических операций, регистры процессора, образующие сверхоперативную память процессора для временного хранения данных. Кроме того, процессор содержит регистр команд, в котором хранится выполняемая команда, и программный счетчик для адресации команд программы, хранящейся в оперативной памяти компьютера. В процессорную микросхему также включают кэш-память, например двух уровней L1 и L2.

Команды также как и данные представлены в виде последовательности байтов и хранятся в оперативной памяти. Множество команд процессора образует систему команд процессора. Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют совместимые системы команд. Процессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд и являются несовместимыми.

Выполнение команд в процессоре сводится к следующим основным этапам:

· процессор выдает из программного счетчика адрес памяти для выборки команды из оперативной памяти;

· память, получив адрес и сигнал чтения, передает в регистр команд процессора код команды по шине данных;

· процессор расшифровывает полученную команду, выполняет ее, формирует адрес следующей команды и переходит к первому этапу.

Данный цикл выполняется периодически и называется циклом выборки и выполнения команд. Данную последовательность команд называют программой, разработанной в соответствии с алгоритмом решаемой задачи. Линейный порядок выборки команд из памяти может нарушаться при появлении команд условного перехода для выполнения разветвлений или организации программных циклов.

Характеристики процессоров. Основными характеристиками процессоров являются:

· Разрядность процессора - определяет количество бит данных, которое он может загрузить и обработать одновременно (параллельно). Современные процессоры, разрабатываемые фирмами Intel и AMD, являются 64-разрядными.

· Тактовая частота . В основе работы процессора положен тактовый принцип, в соответствии с которым для выполнения каждой команды требуется определенное количество тактов. В компьютере частоту тактовых импульсов, поступающих в процессор, задает генератор тактовых импульсов Чем выше частота тактовых импульсов, тем выше производительность компьютера. Современные процессоры могут работать на тактовых частотах примерно 4 ГГц.

· Кэш-память . Обмен данными внутри процессора происходит значительно быстрее, чем с оперативной памятью.

· Для уменьшения обращений оперативную память в процессор имеется буферная область памяти, называемая кэш-памятью. Процессор вначале выполняет обращение за данными в кэш-память и при их отсутствии происходит запрос в оперативную память. Получая данные из оперативной памяти, процессор загружает их и в кэш.

· Кэш-память может иметь несколько уровней. Кэш-память первого и второго уровней (L1,L2) размещается в том же кристалле, что и сам процессор и имеет объем от десятков Кбайт до нескольких мегабайт. Кэш-память третьего уровня реализуют на быстродействующих микросхемах памяти типа SRAM (статическая память с произвольным доступом) и размещают на материнской плате вблизи процессора. Емкость данной памяти составляет десятки Мбайт, работает она на частоте материнской платы.

· Напряжение питания процессора по мере развития микропроцессорной техники постепенно понижается. В настоящее время ядро процессора питается напряжением 2,2 В и 1,8 В. Такое напряжение позволяет уменьшить потребляемую мощность блока питания и является важной тенденцией в развитии микроэлектронных технологий. Кроме того, уменьшается и тепловыделение в процессоре, что позволяет увеличить его производительность и является одним из важных факторов надежной работы компьютера в целом.

· Компьютерный блок питания . Предназначен для питания узлов компьютера и обеспечивает для платформы ПК выходные напряжения +5В, +12В, −12В, +3,3В, −5В.

Мультиядерные процессоры. Эра одноядерных процессоров фирмы Intel завершается, на замену их приходят более современные процессоры с мультипроцессорной архитектурой, содержащие 2,4, 6 и более процессоров, часто называемых «ядрами». К росту быстродействия процессоров привыкли уже все пользователи, частоты достигли нескольких гигагерц и остро встала задача охлаждения кристаллов с возможным переходом на жидкостное охлаждение. Большой интерес вызывают разработки, основанные на новой архитектуре следующего поколения от основных разработчиков процессорных кристаллов фирм Intel и AMD. Рассмотрим кратко некоторые разработки многоядерных процессоров фирмы Intel.

Процессоры Core 2 Duo используют микро - архитектуру Core. На этот раз фирме Intel удалось выиграть гонку производительности и, что важнее, процессоры Core 2 Duo обеспечивают не только высокую скорость, но и отличаются прекрасным соотношением производительности на ватт потребляемой мощности. Все процессоры архитектуры Core 2 Duo работают с тактовой частотой системной шины FSB (Front Side Bus,) 266 МГц, в то время как большинство моделей Pentium 4 используют 200-МГц шину. Поскольку за такт передаётся учетверённое количество информации (QDR), то получается эквивалентная частота FSB 1066 МГц с пропускной способностью 8,5 Гбайт/с. За исключением процессоров начального уровня, все модели оснащены 4 Мбайт кэша L2, который используют оба процессорных ядра. Все процессоры поддерживают 64-битные расширения Intel (EM64T), мультимедийные и инструкции, технологию виртуализации. Кроме этих функций, все модели поддерживают последние технологии управления энергопотреблением. Основные характеристики некоторых двухъядерных процессоров Pentium D приведены в таблице:

В 2006 году корпорация Intel начала переход на четырехъядерные процессоры, которые обеспечивают новые возможности для реализации научных исследований, ведения бизнеса и развлечений. Основные характеристики четырехъядерных процессоров Intel Xeon приведены в таблице:

Фирма Intel выпускает процессоры Dunnington, объединяющие шесть ядер в одном корпусе. Данные процессоры имеют 16 Мб кэш-памяти третьего уровня, а также 9 Мб кэш-памяти второго уровня (по 3 Мб на каждую пару ядер).

2.3.4. Шинные интерфейсы и порты системной платы

Порты компьютера. Под портами понимаются разъемы на задней стенке компьютера, предназначенные для подключения таких внешних устройств, как принтер, сканер, внешние диски, флэшки, внешние модемы, мышки и другие периферийные устройства.

ISA. Интерфейс ISA (Industry Standard Architecture) являлся долгие годы промышленным стандартом, она все еще используется в промышленных компьютерах для подключения относительно медленных периферийных устройств.

PCI. Интерфейс PCI (Peripheral Component Interconnect – стандарт подключения внешних компонентов) появился в персональных компьютерах, реализованных на основе процессоров Pentium. Данный стандарт стал поддерживать режим «plug-and-play», который обеспечивает автоматическое распознавание подключаемых устройств «на лету».

FSB . PCI в настоящее время применяется только как шина для интерфейса с периферийными устройствами, а для сопряжения процессора с оперативной памятью, используют шина, которая получила название FSB (Front Side Bus).

PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association – стандарт международной ассоциации производителей плат памяти для персональных компьютеров). Данный стандарт используется для подключения «плоских» карт памяти, в портативных персональных компьютерах, его используют при изготовлении плат ввода-вывлда информации, модемов.

PCI Express. PCI Express или PCI-E - компьютерная шина, использует программную модель шины PCI. В отличие от шины PCI, используемой для передачи данных по общей шине, PCI-E является пакетной сетью с топологией типа звезда. Устройства на шине PCI-E взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором. Шина PCI Express поддерживает горячую замену карт, управление энергопотреблением и контроль передаваемых данных.

Официально первая базовая спецификация PCI Express появилась в 2002 году и ориентирована на использование в качестве локальной шины. Так как программная модель PCI Express во многом унаследована от PCI, то существующие системы и контроллеры могут быть доработаны для использования шины PCI Express заменой только аппаратного уровня без доработки программного обеспечения. Высокая пиковая производительность шины PCI Express позволяет использовать её вместо шин AGP и PCI.

Hyper-Transport. Шина HyperTransport (HT) - это двунаправленная последовательно/параллельная компьютерная шина с высокой пропускной способностью и малыми задержками, она работает на частотах до 2,6 ГГц. HyperTransport поддерживает автоматическое определение ширины шины, от 2-х битных линий до 32-х битных линий. Полноразмерная, высокоскоростная 32-х битная шина в двунаправленном режиме способна обеспечить пропускную способность до 41600 МБ/с. Шина может быть использована как с устройствами с высокими требованиями к пропускной способности (оперативная память и ЦПУ), так и с устройствами с низкими требованиями (периферийные устройства).

USB (Universal Serial Bus) - универсальная последовательная шина, предназначенная для подключения периферийных устройств. Шина USB представляет собой последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств. Для высокоскоростных устройств лучше применять FireWire. USB - кабель представляет собой две витые пары: по одной паре происходит передача данных в каждом направлении, а другая пара используется для питания периферийного устройства (+5 В).

Первые компьютеры с портами USB (USB 1.1) появились в 1996 году, скорость обмена составляла 12Мбит/сек при длине кабеля 3-5 метров.

USB 2.0 отличается от USB 1.1 большей скоростью и небольшими изменениями в протоколе передачи данных для режима Hi-speed (до 480Мбит/сек).

USB OTG (On-The-Go) - дальнейшее развитие спецификации USB 2.0, предназначенное для лёгкого соединения периферийных USB-устройств без необходимости подключения к компьютеру. Например, цифровой фотоаппарат можно подключать к фотопринтеру напрямую, если они оба поддерживают стандарт USB OTG. Этот стандарт возник из-за возросшей в последнее время необходимости надёжного соединения различных USB-устройств без использования компьютера.

USB 3.0. Находится на этапе разработки и будет передавать сигналы посредством оптоволоконного кабеля. USB 3.0 будет совместима с USB 2.0 и USB 1.1, теоретическая пропускная способность 4,8 Гбит/с.

USB wireless. Эта технология стала доступной в 2005 году и позволяет организовать беспроводную связь с высокой скоростью передачи информации (до 480 Мбит/с на расстоянии 3 метра и до 110 Мбит/с на расстоянии 10 метров).

Wi-Fi . В последние годы широкую популярность приобрелибеспроводные технологии Wi-Fi (Wireless Fidelity – беспроводная достоверность). Это семейство технологий беспроводной передачи данных, максимальная производительность канала более 50 Мбод, а радиус действия около 100 метров, что достаточно для создания беспроводных локальных сетей. Точки доступа Wi-Fi создают в общественных местах: гостиницы, кафе, вокзалы и др. Находясь в зоне действия Wi-Fi , в Интернет можно выйти с помощью ноутбука или ПКП. Мобильные устройства (КПК, ноутбуки), оснащённые клиентскими Wi-Fi приёмо-передающими устройствами, могут подключаться к локальной сети и получать доступ в Интернет.

Wi-Max . Это еще одна интенсивно развивающаяся беспроводная технология, но в России она еще практически не распространена. Производительность канала – около 75Мбод, а дальность действия измеряется уже десятками километров. Это хорошая альтернатива выделенной линии для Интернета.

GPRS (General Packet Radio Service) – это cтандарт для передачи данных всотовыхсетях. Соединение с помощью мобильного телефона может принципиально заменить обычную телефонную линию. Но обычный голосовой модем сотового телефона обеспечивает скорость передачи данных со скоростью 9.6 Кбод, что недостаточно для работы в Интернете. Поэтому для мобильной связи была создана специальная технология пакетной передачи данных GPRS, позволяющая вести обмен со скоростью около 200Кбод. Эта величина пока теоретическая, на практике большинство операторов мобильной связи обеспечивает канал со скоростью 56Кбод.

Технология BlueTooth («блютуз»). Буквально переводится как «синий зуб» и это название исторически связано с датским королем 10 века Гаральдом «Синие зубы», который собирал скандинавские земли, а данная технология как раз и предназначена для объединения мобильной электроники. Данная технология считается пригодной для беспроводной передачи данных для мобильных устройств различного назначения: мобильные телефоны, портативные компьютеры, принтеры, цифровые фотоаппараты и т.п. Необходимость в низком энергопотреблении обусловила и небольшую дальность действия – до сотни метров. Разрабатывается вариант, способный передавать данные на инфракрасные порты на расстояние до 30-40 километров. По умолчанию устройства с данной технологией соединяются друг с другом автоматически, как только они оказываются в зоне обнаружения.

IEEE 1394 (FireWire) –высокоскоростная последовательная шина, используемая для передачи данных между персональным компьютером и различными периферийными устройствами: принтерами, сканерами, жёсткими дисками, цифровыми видеокамерами. Она позволяет подключать внешние устройства и конкурирует с USB.

2.3.5. Базовая система ввода-вывода

BIOS (basic input/output system) – представляет встроенный в компьютер набор базовых программ для загрузки операционной системы, проверки устройств компьютера во время запуска, а также для поддержки обмена данными между устройствами. Eсли при загрузке возникают отказы оборудования, то на экран выдается сообщение об ошибке.

Программы базовой системы ввода-вывода, как правило, остаются недоступными для пользователей. В настоящее время материнские платы включают Flash - BIOS и программа может быть перезагружена в микросхеме.

После выполнения диагностики компьютера BIOS выводит на монитор основные параметры аппаратных средств и после этого загружается операционная система. Пользователь может предварительно нажать Del и вызвать BIOS - Setup, которая позволяет изменить различные установки в CMOS RAM.

2.3.6. Энергонезависимая память

Системная плата содержит микросхему «энергонезависимой памяти», изготовления по технологии CMOS. В отличие от оперативной памяти содержимое CMOS не стирается после выключения компьютера. В нее можно записывать данные, а также их модифицировать согласно устройствам, входящим в состав компьютера. Данная схема использует для питания автономный аккумулятор, который находится на системной плате. CMOS хранит информацию о дисках, процессоре и других устройствах системной платы.

2.4. Система памяти компьютера

Система памяти компьютера используется для хранения информации в персональных компьютерах и включает следующие устройства:

· регистры ЦПУ, представляющие самую быстродействующую память ограниченного объема (8-16 регистров) и называемую сверхоперативной памятью компьютера;

· кэш-память;

· модули оперативной памяти;

· накопители на жестких магнитных дисках;

· оптические диски (CD и DVD диски);

· внешняя память (внешние диски, флэш-память).

Ниже будут более подробно рассмотрены вопросы организации, функционирования и основные характеристики устройств памяти.

2.4.1. Кэш-память

Кэш- память (cache - дословно «заначка») - память компьютера с быстрым доступом, в которой дублируется и хранится часть данных памяти с более медленным доступом, которой является оперативная память. Кэш-память позволяет обращаться к часто требуемым данным быстрее, чем это происходит при использовании только оперативной памяти. Процесс организации доступа посредством кэш-памяти называется кэшированием.

Кэш-память в персональных компьютерах обычно разделяется на несколько уровней: L1, L2, L3, причем память младшего уровня всегда меньше по размеру и имеет более высокую скорость доступа. Самой быстрой памятью является кэш-память первого уровня (L1-cache) и она размещается на одном с ним кристалле. Память уровня L1 работает на частоте процессора и объём этой памяти обычно небольшой - примерно 128 Кб. L2 - кэш второго уровня, которая обычно расположена также на кристалле или рядом с ЦПУ, объём L2 доходит до 4 Мб. Кэш-память третьего уровня наименее быстродействующая и обычно расположена вне ЦПУ, она может иметь значительную емкость и работать быстрее оперативной памяти.

2.4.2. Оперативная память

Оперативная память предназначена для временного хранения данных и команд, при отключении питания компьютера вся информация из памяти стирается. Поэтому при работе с документами нужно периодически сохранять данные на диск, так как при случайной перезагрузке, зависании системы или скачке напряжения оперативная память очистится и все данные будут потеряны. Из оперативной памяти команды и данные передаются в процессор напрямую или через кэш-память. В компьютерах оперативная память является динамической памятью с произвольным доступом (dynamic random access memory - DRAM).

Понятие «динамической» памяти DRAM относится ко всем типам оперативной памяти, начиная с самой старой асинхронной динамической памяти и заканчивая современными модулями памяти DDR2, DDR3. Этот термин вводится в противоположность понятию «статической» памяти (SRAM) и означает, что содержимое каждой ячейки памяти периодически необходимо обновлять ввиду особенности ее конструкции, продиктованной экономическими соображениями. В то же время, статическая память, характеризующаяся более сложной и дорогой конструкцией ячейки и применяемая в качестве кэш-памяти в процессорах, свободна от циклов регенерации, так как в ее основе лежит не емкость (динамический элемент), а триггер (статический элемент).Оперативная память является памятью с произвольным доступом RAM (Random Access Memory), это означает, что при обращении к данным порядок их расположения в памяти может быть произвольным. Оперативная память состоит из ячеек определенной разрядности.

Под емкостью или объемом модуля памяти понимают максимальный объем информации, которую данный модуль может хранить. Емкость памяти обычно измеряется в байтах, а учитывая емкость современных модулей памяти - в Мегабайтах или Гигабайтах, (например 512 Мб, 1Гб). Наиболее приоритетным направлением развития технологии оперативной памяти в настоящее время является DDR SDRAM (Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory - удвоенная скорость передачи данных синхронной памяти с произвольным доступом). Данная память обеспечивает:

· дальнейшее увеличение ее пропускной способности и снижение задержек;

· уменьшение энергопотребления;

· увеличение емкости отдельных микросхем и модулей памяти в целом.

Реализация данного направления является очень важной, так как происходит постоянное развитие технологии изготовления модулей памяти.

2.4.3. Накопители на жестких магнитных дисках

Накопители на жестких магнитных дисках (HDD - Hard Disk Driver) являются энергонезависимыми, перезаписываемыми запоминающими устройствами для долговременного хранения больших объемов информации. В жестких дисках информация хранится на вращающейся металлической или стеклянной пластине, покрытой магнитным материалом. В первых накопителях на жестких магнитных дисках (НЖМД) использовалась одна пластина, а современные диски имеют несколько пластин, размещенных на одной оси или шпинделе.

Информация записывается на обеих сторонах диска. Когда диск вращается, магнитная головка считывает или записывает двоичные данные на магнитный носитель. Магнитные головки записи - чтения информации в рабочем режиме не касаются поверхности пластин, и расстояние между ними не более нескольких нанометров, что обеспечивает долгий срок службы устройства. Накопитель на жёстком магнитном диске состоит из следующих основных узлов: корпуса из прочного сплава, жестких магнитных дисков (пластин) с магнитным покрытием, магнитных головок, электропривода шпинделя и контроллера, управляющего работой жесткого диска и представляющего собой микросхему. Контроллер диска определяет используемый метод записи данных на диске. Жесткий диск устанавливается в специальные монтажные отсеки внутри системного блока и подключается к материнской плате плоским контактным кабелем. На рис 2.4 представлен накопитель на жестких дисках.

Данные на магнитных дисках хранятся на концентрических круговых участках, называемых дорожками (tracks), которых на жестком диске размером 3,5 дюйма может быть более тысячи. Дорожки представляют собой скорее логическую, чем физическую структуру и наносятся при низкоуровневом форматировании жесткого диска. Нумерация дорожек начинается с 0, которая является ближайшей к внешнему краю диска. Дорожка с самым высоким номером находится ближе всех к шпинделю. На рис.2.5 показаны нулевая дорожка, дорожка в середине жесткого диска (N) и дорожка номер 1023.

Головки чтения-записи представляют собой миниатюрные преобразователи, которые позиционируются над дорожкой диска с помощью шагового двигателя. На каждую сторону пластины диска имеется по одной головке. Как правило, все головки закреплены на едином механизме перемещения головок, и все они перемещаются синхронно. Все головки всегда располагаются над одной и той же логической дорожкой на каждой стороне каждой пластины. Головки перемещаются над поверхностью диска небольшими приращениями, которые называются шагами (steps), каждый шаг соответствует одной дорожке.

Рис. 2.4. Накопитель на жестких магнитных дисках

Рис. 2.5. Расположение дорожек на диске

Некоторые диски имеют по одной головке на каждую дорожку и, следовательно, контроллеры не тратят время на перемещение головок к нужной дорожке для считывания информации. Эти диски существенно дороже и, как правило, устанавливаются только на суперкомпьютерах.

В настоящее время разработаны твердые диски, не имеющие ни пластин, ни головок, вместо которых используется энергонезависимая память (NVRAM). Микрокод контроллера организует память, имитируя логические цилиндры, головки, дорожки и секторы, обеспечивая интерфейс с операционной сис­темой. Время доступа к таким дискам измеряется наносекундами (для сравнения - при использовании традиционных технологий оно измеряется в миллисекундах).

Секторы и кластеры. Каждая дорожка разбивается на фрагменты, называемые секторами (sectors), причем все дорожки на диске имеют одинаковое количество секторов. Сектор представляет собой минимальную физическую единицу хранения информации на диске. Размер сектора почти всегда равен 512 байт. Каждая дорожка имеет одно и то же количество секторов, поэтому на дорожках, расположенных ближе к центру диска, секторы упакованы гораздо плотнее.

Дляподготовки диска к работе необходимо на нем создать разделы и логические диски, а также выполнить форматирование диска, то есть разметить его. При этом уничтожается вся информация на жёстком диске. Под разделом диска понимается часть физического диска, которая ведет себя как отдельное устройство и для хранения данных на созданном разделе необходимо сначала отформатировать его и присвоить имя диску. Диск можно разбить на несколько разделов, например на основной и дополнительные, а в разделах можно создать, в свою очередь, логические диски, каждый из которых будет иметь собственное имя. Логические диски похожи на основные разделы за тем исключением, что на одном диске может быть не более четырех основных разделов, в то время как число логических дисков не ограничено, их можно форматировать и присваивать имена.

Разбиение диска на дорожки и сектора выполняется производителем диска. Сектор емкостью 512 байт представляет минимальный физический объем диска. При логическом разбиении диска на нем создаются более крупные фрагменты, состоящие от одного до нескольких секторов и называемые кластерами. Количество секторов в кластере зависит от используемой файловой системы и емкости диска. Ниже приведена таблица размеров кластеров для файловой системы NTFS (файловые системы обсуждаются в главе 3). В этой системе обычно форматируют жесткий диск при установке операционной системы, например при установке операционной системы Windows.

Основными характеристиками НЖМД являются следующие:

· интерфейс - существует огромное количество разных моделей жестких дисков многих фирм, для обеспечения совместимости дисков разработаны стандарты на их интерфейсы, определяющие номенклатуру соединительных проводников, их размещение в переходных разъемах, электрические параметры сигналов и т.п. Распространенными являются интерфейсы IDE (Integrated Drive Electronics) или ATA (Advanced Technology Attachment), Serial ATA, SCSI (Small Computer System Interface), EIDE (Enhanced IDE). Характеристики интерфейсов, с помощью которых винчестеры связаны с материнской платой, в значительной степени определяют производительность современных жестких дисков;

· емкость диска – максимальное количество данных, хранимых накопителем, емкость современных дисков достигает до 1000 Гб (1Тбайт). Обычно оптимальный объём определяется минимальной стоимостью одного гигабайта данных. Для её определения необходимо ёмкость HDD разделить на цену. На рис. 2.6. представлена зависимость стоимости хранения одного гигабайта для наиболее распространенных НЖМД до 500 Гбайт;

Рис. 2.6. Стоимость хранения гигабайта информации на диске

За основу бралась стоимость моделей с SATA-интерфейсом и буфером от 8 Мбайт. Цены на НЖМД от разных производителей суммировались, определялось среднее значение, которое и делилось на ёмкость диска. Наиболее выгодным по стоимости за один гигабайт оказались модели ёмкостью 250 Гбайт. С небольшим отрывом за ними следуют НЖМД ёмкостью 200 Гбайт и 300 Гбайт, именно на них и следует обратить внимание пользователям;

· физический размер (форм-фактор) - большинство современных накопителей персональных компьютеров и серверов имеют размер 3,5, или 2,5 дюйма, применяются в основном в ноутбуках. Другими популярными форматами являются диски 1,8 дюйма, 1,3 дюйма и 0,85 дюйма;

· время произвольного доступа (random access time) – среднее время доступа составляет от 3 до 15 мс, как правило, минимальным временем обладают серверные диски;

· скорость вращения шпинделя (spindle speed) – диски имеют различные стандартные скорости вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 7200 и 10 000 (ПК), 10 000 и 15 000 об./мин. (серверы и высокопроизводительные рабочие станции);

· потребляемая энергия - важный показатель для мобильных устройств;

· уровень шума - определяется шумом, порождаемым работой механических частей накопителя. Данный параметр определяется в децибелах. Бесшумными накопителями являются накопители с уровнем шума менее 25 дБ;

· скорость передачи данных (Transfer Rate) – средняя скорость лежит в диапазоне (45-500) Мбайт/с.

2.4.4. Накопители на оптических дисках

Под оптическими дисками понимают носители информации, выполненные в виде дисков, запись на которые выполняется с помощью оптического излучения. Диск изготовлен из поликарбоната толщиной 1,2 мм, на который нанесен специальный слой, служащий для хранения информации. При чтении данных луч лазера отражается к читающей лазерной головке по разному для «0» и «1», посредством которых и передается информация. Диаметр дисков может быть 12см или 8см (210 Мбайт).

Первые компакт-диски были созданы для хранения аудио информации в 1979 году компаниями Philips и Sony, однако в настоящее время широко используются как устройства хранения данных широкого назначения. CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory) означает компакт-диск с возможностью только чтения. Для штамповки существует специальная матрица (мастер-диск) будущего диска, которая выдавливает дорожки на поверхности и после штамповки на поверхность диска наносят защитную пленку из прозрачного лака. Накопитель CD-ROM содержит:

· электродвигатель, который вращает диск;

· оптическую систему, состоящую из лазерного излучателя, оптических линз и датчиков и предназначенную для считывания информации с поверхности диска;

· микропроцессор, который руководит механикой привода, оптической системой и декодирует прочитанную информацию в двоичный код.

Компакт-диск раскручивается электродвигателем. На поверхность диска с помощью привода оптической системы фокусируется луч из лазерного излучателя. Луч отражается от поверхности диска и сквозь призму подается на датчик. Световой поток превращается в электрический сигнал, который поступает в микропроцессор, где он анализируется и превращается в двоичный код.

DVD – диски. Официально DVD диск был объявлен в 1995 году и вначале под данной аббревиатурой понимался Digital Video Disk (цифровой видео диск), а затем данное сокращение стало соответствовать названию Digital Versatile Disk (Versatile – универсальный). DVD имеет более высокую плотность записи за счет использования лазера с меньшей длинной волны. Кроме того, DVD могут быть двухслойными, это позволяет записывать данные на одной стороне диска в два слоя. Данные могут записываться также на две стороны диска, что обеспечивает удвоение ёмкости.

HD DVD (High Definition DVD) - это DVD высокой чёткости, использующие такие же диски стандартного размера (12см) и синий лазер с длиной волны 405 нанометров. Однослойный HD DVD имеет ёмкость 15 GB, двухслойный - 30 GB. Фирма Toshiba также анонсировала трёхслойный диск, который будет хранить 45 GB данных. Это меньше, чем ёмкость основного конкурента Blu-ray, который поддерживает 25 GB на один слой и 100 GB на четыре слоя. Оба формата совместимы с DVD и используют одни и те же методики сжатия видео.

BD DVD (Blu-RayDisc) - это стандарт DVD дисков - Blu-Ray Disc (Голубой луч) следующего поколения. Запись и чтение данных выполняется "сине-фиолетовым" лазером длиной волны 0,4 мкм. Это обеспечивает возможность размещать на одной стороне диска 27 Гбайт, а для двухслойного диска – порядка 50 Гбайт информации. Blu-ray Disc, сокращённо BD - это следующее поколение оптических дисков с высокой плотностью.

2.5. Периферийные устройства

Периферийными или внешними устройствами называют устройства, размещенные вне системного блока и используемые для обмена информацией с компьютером. К ним относятся устройства вывода результатов (мониторы, принтеры, плоттеры и другие) и устройства ввода данных (клавиатура, сканеры и т.п.).

2.5.1. Монитор

Это стандартное устройство вывода, предназначенное для визуального отображения текстовой и графической информации. В зависимости от принципа действия, мониторы подразделяются на:

· мониторы на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ или CRT- Cathod Ray Tube);

· жидкокристаллические мониторы.

Монитор с электронно-лучевой трубкой представляет собой электронно-вакуумное устройство в виде стеклянной колбы, в горловине которой находится электронная трубка с экраном со слоем люминофора. При нагревании электронная пушка излучает поток электронов, которые с высокой скоростью двигаются к экрану. Изображение на мониторе формируется при помощи электронного луча, очень быстро проходящего последовательно по строкам слева- направо, сверху- вниз. Если бы луч проходил всю область экрана очень медленно, то мы бы увидели точку, последовательно проходящую по всей области экрана. Но, так как луч проходит весь экран с очень большой скоростью, мы видим изображение с небольшим мерцанием. Чем быстрее луч проходит по экрану, тем менее заметно мерцание картинки. Считается, что мерцание картинки будет незаметно, если луч полностью пройдет экран 75 раз за секунду (то есть с частотой 75Гц). Естественно, чем больше этот параметр, тем лучше для глаз пользователя и рекомендуемая величина - это 85Гц и выше.

При выборе монитора следует учитывать и разрешающую способность экрана (разрешение). Как правило, производитель указывает в паспорте к монитору максимальное разрешение (например макс. - 2048x1536, 60 Гц) и оптимальное (например оптим. - 1280x1024, 85 Гц).

Следующий критерий выбора - размер экрана по диагонали в дюймах. Основными стандартными размерами экрана являются 15"; 17",19"; 20"; 21", 22”,24”.

Если вы собираетесь работать только с текстовой информацией и простой графикой, вам вполне подойдет монитор 17"", 1024x768, 85Гц. Для игр следует брать монитор с наиболее большим разрешением экрана и частотой, а для профессиональной работы с видео и графикой рекомендуется монитор с диагональю экрана не менее 19"". Достоинствами мониторов на основе ЭЛТ являются:

· отличный обзор экрана под любым углом;

· достаточно точная цветопередача;

· идеально подходит для отображения видео и анимации.

К недостаткам мониторов данного типа можно отнести:

· занимают много места на рабочем столе;

· всегда присутствует электромагнитное излучение;

· мерцание вредно для глаз, чувствуется усталость после нескольких часов работы.

Монитор этого типа подойдет, если вы занимаетесь профессиональной работой с графикой и видео, в других случаях рекомендуется обратить внимание на ЖК-мониторы.

Жидкокристаллические мониторы (ЖК или LCD - Liquid Crystal Display ) – пассивные плоские мониторы, данный тип мониторов был разработан в 1963 году. Большое значение имеют чистота и тип полимера со свойствами жидких кристаллов, примененный в мониторе. В основе мониторов этого типа лежит вещество, находящееся в жидком состоянии (жидкие кристаллы), благодаря которому и формируется изображение. Экран ЖК-монитора представляет собой массив пикселей из жидких кристаллов (матрица), которые используются для отображения информации. У ЖК-мониторов нет мерцаний, дефектов сведения, помех от магнитных полей, идеальны фокусировка, геометрия изображения и фиксированное разрешение. Энергопотребление ЖК-мониторов в несколько раз меньше, чем у ЭЛТ и плазменных экранов сравнимых размеров Энергопотребление ЖК мониторов на 95% определяется мощностью ламп подсветки или светодиодной матрицы подсветки пассивного ЖК экрана. При выборе ЖК монитора следует обратить внимание на следующие основные характеристики:

· яркость - е диницей измерения яркости является «кандела» (лат. candela- свеча) на квадратный метр (кд/м 2). В некоторых документах применяется единица измерения яркости - нит, который равен 1 кд/м 2 , стандартная яркость равна 300 кд/м 2 ;

· контрастность - определяется отношением самой яркой и самой темной точки экрана. Данная величина является безразмерной и обозначается, например так: 1600:1;

· угол обзора - он бывает как горизонтальный, так и вертикальный. Горизонтальный угол обзора позволяет вам видеть изображение на мониторе (если вам позволит угол самого обзора), если вы сидите не напротив монитора, а чуть сбоку (справа или слева – вот самые крайние боковые точки и формирует данный угол – стандартный горизонтальный угол равен 160 градусам). Вертикальный угол обзора – это угол между верхней точкой перед монитором и нижней (стандартный угол составляет 60 градусов, но чем больше, тем лучше). В отличие от ЭЛТ-мониторов, в которых картинка видима под любым углом обзора, кристаллическое содержание не позволяет ЖК-мониторам похвастать этим. Наибольший угол обзора для ЖК на сегодняшний день составляет 178 градусов и по горизонтали и по вертикали;

· максимальное разрешение - от этого показателя зависит плотность или, так сказать, наибольшая детализация изображения. Стандартное разрешение составляет 1280:1024, но чем больше, тем качественнее изображение, например хорошее качество соответствует разрешение - 1920х1200;

· частота и время отклика - время отклика характеризует суммарное время переключения пиксела LCD-матрицы из черного в светлое состояние и обратно;

· потребление энергии - важный показатель при выборе монитора, потребление эпергии примерно от 30 Вт, а в режиме экономии монитор потребляет 1-2 Вт.

ЖК-мониторы имеют не только вышеперечисленные характеристики, некоторые модели имеют возможность поворота экрана на разные углы, как по горизонтали и вертикали, так и в других плоскостях. При выборе ЖК монитора следует попросить показать тест поверхности монитора на "битые пиксели" - точки на экране, которые при прохождении через них светового луча утратили свою способность изменять цвет. Дело в том, что наличие до 5 "битых пикселей" не является гарантийной ситуацией, а это значит, что никто такой монитор вам заменять не будет. Так же следует обратить внимание на "смазывание" текста при прокрутке станицы с текстовой информацией. Если текст при прокрутке оставляет за собой на некоторый момент "шлейф", приобретать такой монитор не стоит. Достоинствами ЖК мониторов являются:

· низкая потребляемая мощность электроэнергии;

· возможность поворота экрана;

· занимают достаточно мало места;

· достаточно безопасны для зрения;

· идеально подходят для работы с текстовой информацией и простой графикой, а так же для игр.

Рынок ЖК-мониторов движется все больше в сторону широкого формата. Выход Windows Vista еще больше подстегивает этот процесс. Интерфейс Vista «настроен» под формат экрана 16:10, соответственно, и большинство новинок будет теперь выходить с таким соотношением сторон. Параметры продолжают улучшаться: у новинок выросла контрастность до 3000:1. Любители игр, как обычно, не обделены вниманием: время отклика 5 мс уже никого не удивляет, в семействе моделей основных производителей имеются разработанные специально для «геймеров» двухмиллисекундные мониторы. Для профессиональной работы с графикой имеются мониторы, например NEC LCD2690WUXi с экраном 26 дюймов по диагонали.

2.5.2. Видеоплата

Видеоплата, известная также под названием графическая карта, видеокарта или видеоадаптер, является частью видиосистемы компьютера и выполняет преобразование изображения, хранящегося в памяти компьютера, в видеосигнал монитора. Видеокарта представляет собой плату расширения, встраиваемую в специальный разъём для видеокарт на материнской плате или бывает встроенной в материнскую плату микросхемой. Современные видеокарты имеют специализированный микропроцессор, выполняющий большую часть обработки изображений, освобождая от этих задач центральный процессор компьютера.

Стандартная видеоплата плата включает:

· графический процессор (Graphic Processor Unit) - является основой графической платы и в значительной степени определяет ее быстродействие. Поэтому используется понятие «графический ускоритель» (graphics accelerator), который обеспечивает выполнение определенных графических функций аппаратными средствами. Графический процессор выполняет обработку выводимого изображения, производит обработку команд трёхмерной графики. Графические процессоры являются достаточно сложными устройствами, соответствующими центральному процессору. Архитектура современного графического процессора обычно предполагает наличие блоков обработки 2D- и 3D-графики;

· видеопамять - выполняет роль буферной памяти, в которой хранится изображение, формируемое и обрабатываемое графическим процессором и выводимое на экран монитора. Основное назначение видеопамяти - временное хранение выводимой на экран монитора информации. Каждая картинка имеет определенный объём, который измеряется в байтах, поэтому больший объем видиопамяти обеспечивает лучшее разрешение, а также глубину цвета изображения. Часть видеопамяти, используемая для хранения выводимого изображения, называют кадровым буфером (фрейм- буфером). Например, если разрешение 1024х768 точек, то на экране будет 786 432 точек и при использовании 32-битного цвета для кодирования одной точки потребуется: (1024х768х32)/8 = 3145728 байт, то есть нужно более 3 Мбайт памяти. Таким образом, емкость буфера кадра видеопамяти в байтах можно в общем случае определить следующим образом: М=(r*c*b)/8, где:

М – емкость буфера памяти видеоплаты;

r - количество точек (пикселов) по горизонтали экрана;

с - количество точек (пикселов) по вертикали экрана;

b – количество бит для кодирования цвета;

8 – количество бит в байте.

· цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) используется для формирования изображений, формируемых специальным видеоконтроллером. Он формирует изображение в видеопамяти и вырабатывает сигналы развёртки монитора.

Основными характеристиками видеоадаптера являются следующие:

· разрядность шины данных, то есть количество бит информации, передаваемых за один такт и определяемых производительность видеоадаптера;

· производительность видеопамяти, от нее зависит, как быстро видеопроцессор будет получать данные для обработки. Большинство современных видеокарт сегодня имеют быстрые видеопроцессоры;

· емкость видеопамяти на плате;

· частота работы видеокарты, определяющая скорость обработки видеоинформации и измеряемая в мегагерцах;

· тип используемого интерфейса, в качестве которого сейчас применяется PCI Express, являющийся последовательным интерфейсом, его пропускная способность может достигать 8 Гб/с. В настоящее время имеет место практически полный отказ от шины AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт) в пользу PCI Express.