Технические средства реализации

Технические средства реализации информационных процессов

ПЛАН

10.1. Историческая справка о этапах развития ЭВМ

10.2. Состав ЭВМ

10.2. Устройства ввода-вывода ПЭВМ

10.4. Периферийные устройства ПЭВМ

10.1. Историческая справка о этапах развития ЭВМ

В переводе с английского computer дословно означает - вычислитель. Назначение PC - воспринимать,  хранить, в соответствии с командами пользователя - обрабатывать  и выдавать информацию.

Годом рождения ЭВМ считается 1946[1].

Рекомендуемые материалы

Первой машиной была построенная в  США  ЭВМ  ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) на  электронных  лампах  (20 тысяч электронных ламп и 1,5 тысячи реле, вес порядка 50 тонн,  быстродействие - 300 операций умножения или 5000 сложения в секунду).

Как вы поняли,  поколения ЭВМ определяются их элементной базой.

К первому поколению обычно относят машины, созданные на рубеже 50-х годов. В их схемах использовались электронные лампы. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла. ПО практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Ввод-вывод: перфокарты, перфоленты, магнитные ленты и АЦПУ;  память - лампы, центральный процессор =УУ (устройство управления) + АЛУ (арифметико-логическое устройство) - тоже лампы. Быстродействие порядка 10-20 тысяч операций в секунду. В США представителями первого поколения ЭВМ являются первые машины серии IBM/360, у нас - МЭСМ[2], БЭСМ, Стрела, Урал, М-20.

Ко второму поколению ЭВМ относятся компьютеры, сконструированные примерно в 1955-65 гг, в которых кроме электронных ламп присутствовали транзисторы. Первый компьютер на транзисторах в 1957 г. создан американской фирмой NCR. У нас это  М-222 (7 оп/с),  "Наири" и т.д.  Ввод-вывод - аналогично первому поколению. Память - магнитные носители (сердечники), ЦП = УУ+АЛУ - полупроводниковые транзисторы. Быстродействие — до сотен тысяч операций в секунду, ёмкость памяти — до нескольких десятков тысяч слов. Ввод-вывод: дополнительно к имеющимся появились магнитные ленты, барабаны, первые магнитные диски. ПО: появились алгоритмические языки, выполняемые на ЭВМ при помощи транслятора. Библиотеки программ (математические). Для некоторых ЭВМ созданы ОС— важнейшая часть ПО, предназначенная для автоматизации планирования и организации процесса обработки программ, ввода-вывода и управления данными, распределения ресурсов, подготовки и отладки программ, других вспомогательных операций обслуживания.

1964 г. Начат выпуск семейства машин третьего поколения — IBM/360. Третье поколение ЭВМ обязано своим  появлением  интегральным схемам (микросхемам). Это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно совместимых. Ввод возможен с клавиатуры;  вывод на АЦ и даже графический дисплей, магнитную и перфоленту; ЦП - ИС.

ПО: развитые ОС. Мультипрограммирование, т.е. одновременного выполнения нескольких программ.

Примеры машин третьего поколения — семейства IBM-360, IBM-370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др.

Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.

Четвёртое поколение — это поколение компьютерной техники, разработанное после 1970 года. ВТ проектировалась в расчете на эффективное использование высокоуровневых языков и упрощение процесса программирования.

Элементная база - ИС, быстродействующие ЗУ с выборкой ёмкостью в десятки мегабайт, многопроцессорность и многомашинные комплексы с общей памятью и общем полем внешних устройств. Быстродействие составляет до нескольких десятков миллионов операций в секунду, ёмкость оперативной памяти порядка 1 - 64 Мбайт.

Ввод осуществляется в основном с клавиатуры,  может быть  с магнитных и оптических носителей,  голоса; вывод - дисплей, периферийные устройства; ЦП – микросхема.

Для них характерны:

• применение персональных компьютеров;
• телекоммуникационная обработка данных;
• компьютерные сети;
• широкое применение систем управления базами данных;
• элементы интеллектуального поведения систем обработки данных и устройств.

Какими будут компьютеры пятого поколения?

На основе БИС повышенной степени интеграции, использования оптоэлектронных принципов (лазеры, голография).

Развитие идет также по пути "интеллектуализации" компьютеров, устранения барьера между человеком и компьютером. Компьютеры будут способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. В компьютерах пятого поколения произойдёт качественный переход от обработки данных к обработке знаний.

Архитектура: первый блок — традиционный компьютер без привычных устройств связи с пользователем. Эту связь осуществляет второй блок – "интеллектуальный интерфейс". Его задача — понять текст, написанный на естественном языке и содержащий условие задачи, и перевести его в работающую программу для компьютера. Будет также решена проблема децентрализации вычислений с помощью компьютерных сетей. Т.е. в двух словах это интеллектуальные  ЭВМ,  обладающих  multy-  и  hypermedia вводом-выводом, подключенные к Internet даже без видимых каналов.

10.2. Состав ЭВМ

Разнообразие современных компьютеров очень велико. Но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие главные устройства:

• память (ЗУ);
• процессор, включающий в себя УУ (управление устройствами) и АЛУ (часть процессора, которая выполняет команды). Деление процессора на АЛУ и УУ - условно;
• устройство ввода;
• устройство вывода.

Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация.

Что же мы видим в PC:

- системный блок,  содержащего процессор и оперативную память, смонтированные на системной плате, а также контроллеры ввода-вывода;

- устройств ввода-вывода: стандартные (клавиатура и дисплей) и периферийные  (дисководы  -НЖМД  и  НГМД - обычно расположены в системном блоке, но подключены к системной плате через контроллеры, принтеры, сканеры, дигитайзеры, модемы и т.д.).

Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

• арифметико-логическое устройство;
• шины данных и шины адресов;
• регистры;
• счетчики команд;
• кэш — очень быструю память малого объема (от 8 Кбайт до нескольких Мбайт);
• математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

Классификация моделей IBM PC по установленному процессору.

MIPS - Million Instruction Per Second.

Процессоры моделей до 486 не содержат специальных команд для  работы над  числами с плавающей точкой.  Поэтому для выполнения операций над "плавающей арифметикой" применяется дополнительно к основному  математический сопроцессор,  который позволяет на порядок и более увеличить скорость данных операций.  При установке сопроцессора  необходима его стыковка  по классу (8087/80287/80387) и тактовой частоте с основным процессором.

10.3. Устройства ввода-вывода ПЭВМ

Клавиатура

Существует несколько моделей клавиатур.  Отличие их друг  от друга в  основном заключается в количестве и расположении клавиш, наличии дополнительных органов управления: встроенного шарика работающего по типу мыши,  джойстика,  регуляторов громкости и т.д.

На IBM PC XT применялась 88 клавишная клавиатура.  В данное время наиболее распространенной и дешевой являются 101 клавишные клавиатуры, как правило,  содержащие переключатель  AT/XT.  Существуют 110 клавишные  клавиатуры и клавиатуры с дополнительными органами управления, но они значительно дороже и менее распространены. Содержание клавиатуры - на лабораторной работе.

Монитор

Монитор — устройство визуального отображения информации (в виде текста, таблиц, рисунков, чертежей и др.). Есть ЭЛТ и ЖК. ЭЛТ мониторы принципиально отличаются друг от друга в зависимости от количества точек (пискселей) на экране,  наличия в них  основных цветов (монохромный или цветной) и по размеру (14",16",19"и т.д.).

Основной характеристикой монитора  является  максимальная частота вертикальной развертки в максимальном разрешении. Она должна быть не менее 75 Гц  (глаз человека замечает мерцание на частотах 60..70 Гц. Значение у каждого индивидуально).

Важной характеристикой   монитора  является  размер  пикселя ("зерно"). Чем меньше "зерно" тем четче  изображение.  Существуют мониторы с размером "зерна" 0.49, 0.39, 0.31, 0.28 мм.

В данный  момент большее распространение имеют мониторы размером 15", SVGA, с зерном 0.28 .

Разновидность мониторов — сенсорный экран. Здесь общение с компьютером осуществляется путём прикосновения пальцем к определённому месту чувствительного экрана. Этим выбирается необходимый режим из меню, показанного на экране монитора.

Также важно соответствие монитора стандартам безопасности. Самые мягкие допустимые требования обеспечивает стандарт MPR II, жесткие – TCO’03.

10.4. Периферийные устройства ПЭВМ

Принтеры

Существует огромное  количество  моделей  принтеров (сотни) для IBM PC.  Их можно  подразделить  в  основном  на:  матричные, струйные и  лазерные.  Наиболее дешевыми во всех отношениях (цена принтера + относительная стоимость расходных материалов) являются матричные принтеры.  Принцип  печати  основан на ударном действии вертикального ряда иголок (9, 18, 24 или 48 шт.), расположенных в головке принтера, через красящую ленту о бумагу. Иголки приводятся в движение электромагнитным способом.  Скорость печати в зависимости от выводимой информации (графика или текст,  качество печати) колеблется в пределах 10..60 с/стр. Сопоставимы по ценам и скорости печати с матричными струйные принтеры. Однако качество значительно выше,  возможно  применение цветной печати, но и цена расходных материалов велика. Она сопоставима с лазерными принтерами.  Принцип действия струйных принтеров: красящая жидкость через микроскопические сопла выдувается на бумагу, формируя изображение. В лазерных принтерах при помощи лазера электризуется  печатающий барабан в соответствии с командами компьютера, к барабану притягиваются частички тонера -  красящего порошка, которые  затем  вплавляются в бумагу.  Качество печати - наивысшее. Скорость в 3..5 раз выше матричного. Нет шума. Важным параметром принтера, влияющим на качество печати, являются количество печатаемых точек на дюйм.  Сейчас этот  показатель должен быть не менее 300. Наличие у принтера оперативной памяти (1 Мб и более),  встроенных шрифтов влияет на скорость и качество  печати.  Наиболее  перспективными  по интегральной оценке считаются струйные принтеры.

Мышь, джойстик,  плоттер, сканер, дигитайзер, sound blaster.

В состав внешней памяти компьютера входят:

• накопители на жёстких магнитных дисках;
• накопители на гибких магнитных дисках;
• накопители на компакт-дисках;
• накопители на магнито-оптических компакт-дисках;
• накопители на магнитной ленте (стримеры) и др.

НЖМД(HardDisk,HD)

Имеет большую емкость (1.2, 1.7, 2.1, 3.4 и более Гб), малую скорость доступа,  а  некоторые  диски  - собственную кэш-память. Скорость вращения – 3500…5600 об/мин.,  что на порядок выше Flopy-дисководов. Типоразмеры дисков совпадают с размерами Flopy. Форматируется на физическом уровне программой debag,  разбивается на логические диски программой fdisk, форматируется программой format.

НГМД(Flopy), дискеты.

Позволяют иметь копии небольших (до 1..2 Мб) по объему  порций информации, переносить их с компьютера на компьютер. В настоящее время широко распространены 2 типоразмера дискет и соответственно НГМД:  5.25"  и 3.5".

Дискеты 5.25" бывают 2 видов:

    - DD - форматируются стандартно на 360 К (format a: /f:360) и нестандартно но 806 Кб (800 или pu_1700 или fdread,  затем format a: /t:80/n:10); - HD - форматируются стандартно на 1.2 Мб (format a: /f:1.2).

Отличие -  металическое кольцо на внутреннем диаметре у первых.

    Дискеты 3.5" также бывают 2 видов:

    - DD - форматируются стандартно на 720 К (format b: /f:720);

    - HD  -  форматируются  стандартно  на  1.44  Мб  (format  b: /f:1.44).

CD ROM.

Бывают 2 размеров:  8 и 12 см. Различаются по емкости и скорости считывания информации (до *24). Емкость порядка 640 Мб.

Стриммеры.

Для копирования НЖМД на магнитную ленту.  Различаются по ширине ленты. Емкость кассеты порядка 50..100 Мб.

[1] История счётных устройств насчитывает много веков. Ниже в хронологическом порядке приводятся некоторые наиболее значимые события этой истории, их даты и имена участников.

Около 500 г. н.э. Изобретение счётов (абака) — устройства, состоящего из набора костяшек, нанизанных на стержни.

1614 г. Шотландец Джон Непер изобрёл логарифмы. Вскоре после этого Р. Биссакар создал логарифмическую линейку.

1642 г. Французский ученый Блез Паскаль приступил к созданию арифметической машины — механического устройства с шестернями, колёсами, зубчатыми рейками и т.п. Она умела "запоминать" числа и выполнять элементарные арифметические операции.

1804 г. Французский инженер Жаккар изобрёл перфокарты для управления автоматическим ткацким станком.

1834 г. Английский ученый Чарльз Бэббидж составил проект "аналитической" машины, в которую входили: устройства ввода и вывода информации, запоминающее устройство для хранения чисел, устройство, способное выполнять арифметические операции, и устройство, управляющее последовательностью действий машины. Команды вводились с помощью перфокарт. Проект не был реализован.

1876 г. Английский инженер Александер Белл изобрёл телефон.

1890 г. Американский инженер Герман Холлерит создал статистический табулятор, в котором информация, нанесённая на перфокарты, расшифровывалась электрическим током. Табулятор использовался для обработки результатов переписи населения в США.

1892 г. Американский инженер У. Барроуз выпустил первый коммерческий сумматор.

1897 г. Английский физик Дж. Томсон сконструировал электронно-лучевую трубку.

1901 г. Итальянский физик Гульельмо Маркони установил радиосвязь между Европой и Америкой.

1904-1906 гг. Сконструированы электронные диод и триод (Алан Тьюринг)

1936 г. Алан Тьюринг и независимо от него Э. Пост выдвинули и разработали концепцию абстрактной вычислительной машины. Они доказали принципиальную возможность решения автоматами любой проблемы при условии возможности её алгоритмизации.

1938 г. Немецкий инженер Конрад Цузе построил первый чисто механический компьютер.

1938 г. Американский математик и инженер Клод Шеннон показал возможность применения аппарата математической логики для синтеза и анализа релейно-контактных переключательных схем.

1939 г. Американец болгарского происхождения Джон Атанасофф создал прототип вычислительной машины на базе двоичных элементов.

1941 г. Конрад Цузе сконструировал первый универсальный компьютер на электромеханических элементах. Он работал с двоичными числами и использовал представление чисел с плавающей запятой.

1944 г. Под руководством американского математика Говарда Айкена создана автоматическая вычислительная машина "Марк-1" с программным управлением. Она была построена на электро-механических реле, а программа обработки данных вводилась с перфоленты.

1945 г. Джон фон Нейман в отчёте "Предварительный доклад о машине Эдвак" сформулировал основные принципы работы и компоненты современных компьютеров.

1946 г. Американцы Дж. Эккерт и Дж. Моучли сконструировали первый электронный цифровой компьютер "Эниак"

[1] 1951 г. В Киеве построен первый в континентальной Европе компьютер МЭСМ (малая электронная счетная машина), имеющий 600 электронных ламп. Создатель С.А. Лебедев. В 1952 г. Под руководством С.А. Лебедева в Москве построен компьютер БЭСМ-1 (большая электронная счетная машина) — на то время самая производительная машина в Европе и одна из лучших в мире.

---

[1] История счётных устройств насчитывает много веков. Ниже в хронологическом порядке приводятся некоторые наиболее значимые события этой истории, их даты и имена участников.

Около 500 г. н.э. Изобретение счётов (абака) — устройства, состоящего из набора костяшек, нанизанных на стержни.

1614 г. Шотландец Джон Непер изобрёл логарифмы. Вскоре после этого Р. Биссакар создал логарифмическую линейку.

1642 г. Французский ученый Блез Паскаль приступил к созданию арифметической машины — механического устройства с шестернями, колёсами, зубчатыми рейками и т.п. Она умела "запоминать" числа и выполнять элементарные арифметические операции.

1804 г. Французский инженер Жаккар изобрёл перфокарты для управления автоматическим ткацким станком.

1834 г. Английский ученый Чарльз Бэббидж составил проект "аналитической" машины, в которую входили: устройства ввода и вывода информации, запоминающее устройство для хранения чисел, устройство, способное выполнять арифметические операции, и устройство, управляющее последовательностью действий машины. Команды вводились с помощью перфокарт. Проект не был реализован.

1876 г. Английский инженер Александер Белл изобрёл телефон.

1890 г. Американский инженер Герман Холлерит создал статистический табулятор, в котором информация, нанесённая на перфокарты, расшифровывалась электрическим током. Табулятор использовался для обработки результатов переписи населения в США.

1892 г. Американский инженер У. Барроуз выпустил первый коммерческий сумматор.

1897 г. Английский физик Дж. Томсон сконструировал электронно-лучевую трубку.

1901 г. Итальянский физик Гульельмо Маркони установил радиосвязь между Европой и Америкой.

1904-1906 гг. Сконструированы электронные диод и триод (Алан Тьюринг)

1936 г. Алан Тьюринг и независимо от него Э. Пост выдвинули и разработали концепцию абстрактной вычислительной машины. Они доказали принципиальную возможность решения автоматами любой проблемы при условии возможности её алгоритмизации.

1938 г. Немецкий инженер Конрад Цузе построил первый чисто механический компьютер.

1938 г. Американский математик и инженер Клод Шеннон показал возможность применения аппарата математической логики для синтеза и анализа релейно-контактных переключательных схем.

Вам также может быть полезна лекция "2.4. Этапы развития информационных систем".

1939 г. Американец болгарского происхождения Джон Атанасофф создал прототип вычислительной машины на базе двоичных элементов.

1941 г. Конрад Цузе сконструировал первый универсальный компьютер на электромеханических элементах. Он работал с двоичными числами и использовал представление чисел с плавающей запятой.

1944 г. Под руководством американского математика Говарда Айкена создана автоматическая вычислительная машина "Марк-1" с программным управлением. Она была построена на электро-механических реле, а программа обработки данных вводилась с перфоленты.

1945 г. Джон фон Нейман в отчёте "Предварительный доклад о машине Эдвак" сформулировал основные принципы работы и компоненты современных компьютеров.

1946 г. Американцы Дж. Эккерт и Дж. Моучли сконструировали первый электронный цифровой компьютер "Эниак"

[2] 1951 г. В Киеве построен первый в континентальной Европе компьютер МЭСМ (малая электронная счетная машина), имеющий 600 электронных ламп. Создатель С.А. Лебедев. В 1952 г. Под руководством С.А. Лебедева в Москве построен компьютер БЭСМ-1 (большая электронная счетная машина) — на то время самая производительная машина в Европе и одна из лучших в мире.