Основы вычислительной техники

Вычислительная техника - это совокупность механических и электронных средств автоматизации вычислений и обработки информации.

Первая ЭВМ “ЭНИАК” была создана в 1946 г. в США. Сразу после войны работы в этом направлении были развернуты у нас в стране и в 1950 г. была создана первая отечественная ЭВМ “МЭСМ” (малая электронно-счетная машина). В 1952 г. была создана ЭВМ “БЭСМ”, которая в течение нескольких лет была самой быстродействующей в Европе.

В первых ЭВМ в качестве элементной базы использовались электронные лампы - это было первое поколение ЭВМ. Лампы часто выходили из строя, занимали много места, потребляли большую энергию и выделяли много тепла. С современной точки зрения ничтожно малыми были память и быстродействие (у МЭСМ - 50 оп/с, БЭСМ - 8000 оп/с). В начале 60-х годов начался переход к ЭВМ второго поколения, выполненных на полупроводниковых элементах (диодах, транзисторах). Эти ЭВМ имели намного меньший размер, большую надежность, более высокое быстродействие и большой объем памяти. Из отечественных машин к этому поколению относятся БЭСМ-4, Минск-22, Минск-32, БЭСМ-6 с быстродействием 10⁶ оп/с.

Появление третьего поколения ЭВМ относят к 1964 г. Они были выполнены на малых интегральных схемах (МИС) - это кристалл полупроводника, на котором создается ряд участков, моделирующих диоды и транзисторы, причем число таких элементов на одном кристалле достигало десятков и сотен. У нас в стране машины этого поколения выпускались с 1972 г. в виде ЭВМ Единой Системы (ЕС ЭВМ). Если ЭВМ первого и второго поколения использовались в основном для научно -технических расчетов, то ЭВМ третьего поколения начинают применять в управлении технологическими процессами, промышленными предприятиями, при обработке экономической информации, т.е. они вышли из научно-исследовательских учреждений и перешли в область практической деятельности.

Удешевление элементной базы ЭВМ привело к появлению в 70-е годы мини-ЭВМ, имеющих ограниченную память и быстродействие (однако у современной мини-ЭВМ они больше, чем у большой ЭВМ первого поколения), но сравнительно дешевых, что ускорило их внедрение во все области человеческой деятельности. Элементной базой мини-ЭВМ является так же интегральная схема, но степень интеграции, т.е. число элементов на одной ИС резко возросло, поэтому они стали называться большими интегральными схемами (БИС) или интегральными подсистемами. Наконец, во второй половине 70-х годов стало возможным поместить целую ЭВМ на одном кристалле - появились микропроцессоры и микро-ЭВМ (персональные компьютеры), помещающиеся на обычном столе.

В 1979 г. американская фирма IBM приступила к разработке персональных компьютеров и в августе 1981 г. был выпущен компьютер под названием IBM PC (Ай-Би-Эм Пи-Си), который приобрел большую популярность у пользователей.

В 1983 г. был выпущен компьютер IBM PC XT, имеющий встроенный жесткий диск, а в 1985 г. - компьютер IBM PC AT на основе нового микропроцессора, работающий в 3 - 4 раза быстрее IBM PC XT.

Развитие компьютеров типа IBM PC теперь осуществляется многими конкурирующими фирмами, хотя IBM и остается самым крупным производителем.

Наибольшее влияние на развитие компьютеров типа IBM PC оказывает фирма Intel - производитель микропроцессоров, являющихся “мозгом” компьютера, и фирма Microsoft - разработчик операционной системы MS DOS, графической операционной оболочки Windows и многих других программ, используемых на IBM PC.

Мини- и микро-ЭВМ, а так же ЭВМ на БИС, с быстродействием порядка десятков и сотен миллионов оп/с, образуют четвертое поколение ЭВМ.

Сейчас ведутся разработки машин пятого поколения на светокристаллах.

Современная ЭВМ по своей структуре состоит из двух типов устройств - центральных и периферических.

К центральным устройствам относятся:

1. Арифметическое устройство (АУ).

2. Устройство управления (УУ).

3. Оперативная память (ОП).

АУ предназначено для выполнения арифметических операций, но оно же выполняет и логические операции (сравнение чисел, проверка условий и т.д.), поэтому его также называют арифметико-логическим устройством (АЛУ).

УУ управляет работой всех устройств машины, т.е. устанавливает последовательность и режим работы всех остальных устройств.

Название АЛУ и УУ использовались в машинах 1 - 2 поколений. В ЭВМ 3-4 поколений АУ и УУ обычно объединяют в понятие “процессор” или “центральный процессор” (ЦП).

Процессор - это основное устройство ЭВМ, управляющее работой всех остальных устройств и реализующее процесс выполнения операций.

Другим центральным устройством ЭВМ является ОП. Она предназначена для временного хранения информации и состоит из ряда ячеек, в которых помещается информация. В ОП хранится программа работы ЭВМ, ее данные, промежуточные расчеты и окончательные результаты. Важнейшей характеристикой ОП является ее емкость (объем), т.е. то количество информации, которое ЭВМ в состоянии хранить (“запомнить”). Емкость ОП измеряется в килобайтах.

ОП является памятью с прямым доступом, т.е. процессор в любой момент может прочитать содержимое любой ячейки памяти или изменить его. Все ячейки пронумерованы и ЭВМ в состоянии сразу же найти нужную. Для этого необходимо указать ее адрес, т.е. номер ячейки, в которой содержится нужная информация. Получение информации из ОП происходит с большой скоростью, но этот вид памяти не предназначен для постоянного хранения информации, т.к. содержимое ОП стирается после выключения или ввода новой программы и т.д.

Для длительного хранения информации используется внешняя память (ВП), относящаяся к периферийным устройствам ЭВМ. ВП не столь быстра как ОП, зато имеет гораздо большую емкость и сохраняет свое содержимое после выключения машины. Технически ВП выполнена на магнитных носителях, из которых наиболее распространены магнитные ленты (МЛ) и магнитные диски (МД).

Накопители на жестких дисках (винчестеры) предназначены для постоянного хранения информации, используемой при работе с компьютером: программ операционной системы, часто используемых пакетов программ, редактирование документов, трансляторов с языков программирования и т.д. Наличие жесткого диска значительно повышает удобство работы с компьютером.

Жесткие диски бывают с емкостью 20, 40 - 80, 120 -210 Мбайт.

Скорость работы диска характеризуется двумя показателями:

1. временем доступа к данным на диске;

2. скоростью чтения и записи данных на диске.

Гибкие дискеты позволяют переносить документы и программы с одного компьютера на другой, хранить информацию, неиспользуемую постоянно, поэтому доступ к любой информации, записанной на нем, осуществляется за доли секунды.

Чаще всего на компьютере имеется 2 дисковода для дискет. Наиболее распространены дискеты 5,25 и 3,5 дюйма (133 и 89 мм).

Дискеты размером 5,25 дюйма имеют емкость 360 Кбайт и 1,2 Мбайт.

Дискеты размером 3,5 дюйма имеют емкость 0,7 и 1,4 Мбайт.

Следующая группа периферийных устройств - устройства ввода и вывода информации.

В качестве устройств ввода, начиная с ЭВМ 2 - 3 поколения широко используются терминалы.

Терминал - это алфавитно-цифровой монитор в сочетании с блоком клавиатуры. В качестве монитора можно использовать обыкновенный телевизор. На экране монитора изображаются символы, вводимые с блока клавиатуры, который позволяет вводить не только русские, латинские и греческие буквы алфавита, но и общепринятые и специальные символы. Терминал можно использовать как для ввода так и для вывода информации, например, для вывода результатов вычислений.

Если объем результатов вычислений достаточно велик или требует сохранения на длительное время, то используют специальные печатающие устройства.

На больших ЭВМ применяю алфавитно-цифровые печатающие устройства (АЦПУ), где все символы одной строки печатаются одновременно. На мини- и микро-ЭВМ используют малогабаритные печатающие устройства (принтеры).

Принтер - предназначен для вывода информации на бумагу. Все принтеры могут выводить текстовую информацию, многие из них могут выводить так же рисунки, графики и цветные рисунки.

Как правило, применяются принтеры следующих типов: матричные, струйные, лазерные, светодиодные, термопринтеры и т.д.

Принцип печати матричных и точечно-матричных принтеров таков: печатающая головка принтера содержит вертикальный ряд тонких металлических стержней (иголок). Головка движется вдоль печатаемой строки, а стержни в нужный момент ударяют по бумаге через красящую ленту. Это и обеспечивает формирование на бумаге символов и изображений.

В струйных принтерах изображение формируется микрокаплями специальных чернил, выдуваемых на бумагу с помощью сопел. Этот способ печати обеспечивает более высокое качество печати по сравнению с матричными принтерами и очень удобен для цветной печати.

Лазерные принтеры обеспечивают в настоящее время наилучшее (близкое к типографскому) качество печати. В этих принтерах для печати используется принцип ксерографии: изображение переносится на бумагу со специального барабана, к которому электрически притягиваются частички краски. А отличие от обычного ксерокопировального аппарата состоит в том, что печатающий барабан электризуется с помощью лазера по командам из компьютера.

Как мы уже упоминали, с появлением БИС стало возможным создание микропроцессоров и микро-ЭВМ (персональных компьютеров).

Микропроцессор - это программируемое логическое устройство, выполненное на основе одной или нескольких БИС.

Его задача - декодировать команды, вложенной в него программы и реализовать их. Микропроцессоры обладают высокой надежностью и производительностью, малыми размерами и низкой стоимостью. Это позволяет встраивать их в устройства самого различного назначения - от контрольно-измерительной аппаратуры до бытовых приборов.

Персональный компьютер представляет собой вычислительную систему, включающую микропроцессор, память и устройство ввода-вывода.

По своему строению они не имеют принципиальных отличий от других ЭВМ.

Характерной особенностью внутренней организацией микро-ЭВМ является то, что их отдельные устройства связанны между собой шинами. Шина представляет собой совокупность линий, по которым передается информация от любого из ее источников к любому из ее приемников. Различают 3 типа шин. По адресной шине информация передается только в одном направлении: от микропроцессора к памяти и устройствам ввода и вывода.

Шина данных двунаправлена. Она служит для передачи данных в обоих направлениях.

В шине управления часть линий является однонаправленными, а часть - двунаправленными.

Центральные устройства являются обязательной частью любой ЭВМ, что касается периферийных устройств, то их наличие определяется потребностями пользователя.

Рассмотрим как происходит обработка информации в ЭВМ.

Центральный процессор имеет доступ только к ОП и в любой момент может прочитать или изменить содержимое любой ячейки ОП. Однако емкость ОП невелика и поэтому массивы информации записываются и хранятся во внешней памяти. ЦП к ВП прямого доступа не имеет, поэтому, чтобы получить информацию из ВП, необходимо переписать ее в ОП. Эта операция называется считыванием или вводом из ВП. Таким образом, ВП выступает в роли своеобразного архива или склада информации. В ОП информация обрабатывается, а хранится в ней только во время работы ЭВМ по данной программе. Информационные потоки в ЭВМ могут быть представлены схемой, изображенной на рис. 3.5.1 (стрелками указаны направления передачи информации):

Использование ЭВМ в медицине перспективно в следующих направлениях:

1. Создание банков информации о состоянии здоровья всех людей данного региона, страны в целом.

2. Обработка медицинской информации.

3. Помощь врачу в диагностике заболевания.

4. Информационно-следящие системы (мониторы).

5. Создание автоматизированных систем управления здравоохранения.

6. Моделирование органов тканей с целью объяснения процессов, протекающих в них и создание на этой основе искусственных органов (почка, сердце, печень).