Введение. 
Физические и цифровые основы компьютера

Целью курса является изучение физических, математических и других принципов работы ЭВМ и периферийных устройств.

Основная задача ЭВМ — переработка и хранение данных (информации).

В соответствии с физическими принципами, заложенными в основу вычислительных машин (ВМ), они подразделяются на несколько основных типов:

• 1) электронно-механические (элементная база — на основе реле);
• 2) электронные;
• 3) оптические;
• 4) механические.

В настоящее время наибольшее распространение получили электронные вычислительные машины. Остальные ВМ применяются для решения специального класса задач.

История разработки и создания первых ВМ

В 1623 г. немецкий ученый В. Шикард изобрел вычислительную машину, которая выполняла 4 арифметических действия, и могла накапливать промежуточные результаты вычислений. Затем подобные ВМ были созданы Б. Паскалем и Г. Лейбницем. По сути дела, это были арифмометры, предназначенные для облегчения бухгалтерской работы. Основной недостаток их заключался в том, что они не были автоматическими (не программировались) и требовали постоянного участия человека в управлении вычислительным процессом.

В 20-х годах XIX века Ч. Беббидж предложил принцип программного управления и начал создавать первую программирующую машину. Программа задавалась в виде системы пробивок (перфорация) на перфокартах, которые были предложены Ж. Жаккардом. Вычислительные машины использовались для программирования работы ткацкого станка.

В 1854 г. Джон Буль опубликовал работу «Алгебра высказываний», которая лежит в основе работы современных ВМ и называется «булева алгебра». прибор диод устройство цифровой В 1890 г. в Америке для обработки результатов переписи населения была использована вычислительная машина на электрических реле.

В 1918 г. Бонч-Бруевич предлагает схему триггера — устройства, которое может находиться в двух устойчивых состояниях (1 и 0).

В 1945 г. Нейман излагает принцип работы памяти и обосновывает использование двойной системы счисления в ВМ.

Первая ЭВМ — ENIAC, создана в Пенсильвании, университете США в период 1943;1947 для расшифровки сообщений противника. Вес — 30 тонн, занимаемая площадь — 200 м², 18 тысяч ламп, производительность — 400−500 операций в секунду. Программирование осуществлялось путем установки переключателей и коммутации разъемов и занимало много времени.

В 1949 г. в Кембридже была создана ЭВМ EDVAK с использованием предложенного Дж. фон Нейманом «принципа хранимой программы». Суть: алгоритм вычисления записывается вместе с данными так, чтобы его можно было модифицировать в соответствии с получаемыми результатами.

Первой коммерческой ЭВМ такого типа стала IBM701, выпущенная в 1952 г. Эти машины положили начало первому поколению ЭВМ (1950 — 1960;е годы). Вычислительные машины этого поколения состояли лишь из центрального процессора, памяти и устройства ввода-вывода. Элементная база — электронные лампы.

• 1951 г. — СССР — МЭСМ — малая электронно-счетная машина.
• 1953 г. — СССР — БЭСМ-1 — большая электронно-счетная машина. Ее характеристики: 18 тысяч ламп, занимаемая площадь =170м², потребляемая мощность — 150кВт, быстродействие — 20 тысяч операций в секунду.

Второе поколение ЭВМ (1955;1965г.г.) — БЭСМ-6, Минск 22, М-220. Элементная база — транзисторы. Запоминающие устройства — на магнитных сердечниках. К этому этапу относится появление специализированных процессоров, которые позволили разгрузить центральный процессор.

Быстродействие — 10−100 тысяч операций в секунду. Для суперЭВМ (с несколькими процессорами) быстродействие достигало 3 миллиона операций в секунду.

Третье поколение ЭВМ (1965;1980г.г.) — вычислительные машины на интегральных схемах (малые интегральные схемы 1- 10 логических элементов на кристалл, средние — до 100 элементов, большие (БИС) — 100−3000 элементов на кристалл). Память — на полупроводниках. Применяется принцип параллельной обработки данных, а именно их буферизация.

В 1972 г. начато производства серийных ЭВМ единой системы — ЭВМ ЕС. Они обладали программной совместимостью и были построены на единых принципах и единой конструкторско-технологической основе. Производительность — до 5 миллионов операций в секунду.

Четвертое поколение ЭВМ связано с появлением микропроцессоров на основе БИС с количеством элементов больше 10⁵ на одном кристалле. Эти микропроцессоры представляли собой законченные устройства. Их использование позволило значительно повысить тактовую частоту работы ЭВМ, что привело к появлению персональных ЭВМ и вычислительных цепей.

Пятое поколение ЭВМ. Их появление позволило значительно расширить круг решаемых задач: воспроизведение человеческой речи, перевод с языка на язык, применение элементов искусственного интеллекта. Появились переносные компьютеры — Notebook и Laptop, которые являлись полнофункциональными устройствами. В настоящее время самым быстрым компьютером является ASCI White с производительностью 12· 10²⁴ операций в секунду. Его применяют для расчета ядерных реакций.

Классификация ЭВМ.

I. По принципу представления информации:

Аналоговые ЭВМ, в которых данные вводятся и обрабатываются в виде непрерывных функций (электрических сигналов). Их преимуществом является высокая скорость обработки информации, а недостатками — низкая точность и универсальность.

Цифровые ЭВМ, в которых данные вводятся и обрабатываются в цифровом виде. Их преимущества — практически неограниченная точность, универсальность, а недостаток - меньшая по сравнению с аналоговыми скорость расчета при решении некоторых задач.

II. По функциональному назначению:

Универсальные ЭВМ, например, ПК.

Проблемно-ориентированные ЭВМ, применяются для решения определенного класса задач, например, при расчетах прогноза погоды, создании трехмерной графики. Ресурсы таких компьютеров оптимизированы специальным образом для решения определенных задач.Специализированные ЭВМ, применяются для решения узкого круга задач или многократного решения одной и той же задачи (процессор видеоплаты, ПК в автомобилях, стиральных машинах).

Применение ЭВМ Вычисление.

Вычисления значений функций, определенных интегралов, решения дифференциальных уравнений численными методами.

При этом вычисление любой функции сводится к расчету суммы членов бесконечного ряда, на который она разлагается:

Например:

Чем больше членов ряда используется, тем точнее рассчитывается значение функции.

До создания ЭВМ для расчетов значения функций использовались различные таблицы, на создание которых уходило несколько лет.

Обработка информации.

Примером необходимости использования ЭВМ может служить следующий факт: в 60-е годы было подсчитано, что для нормального функционирования народного хозяйства СССР в год нужно было производить порядка 10¹⁷ вычислительных операций.

В настоящее время ЭВМ в основном используют для поиска, обработки и хранения информации, а уж потом для непосредственных вычислений. Пример — расчет заработной платы сотрудников предприятия, где основное время уходит на учет количества рабочих дней, больничных, командировочных, налогов и т. д.

Физический эксперимент.

ЭВМ позволяет проводить множество актов измерения без участия человека, а также изменять условия измерения (сканирование по углу и т. д.). Кроме того, ЭВМ позволяет представить результаты в удобной для анализа форме. Пример — представление микроснимка, какой либо поверхности, в трехмерном виде.

Управление (как способ достижения определенной цели).

Пример: 1) Поддержание определенного уровня горючего в резервуаре.

• 2) Управление цепной реакцией на атомных электростанциях.
• 3) Управление самолетом (автопилот).

Во всех указанных ситуациях ЭВМ получает информацию об управляемой системе, анализирует ее и выдает команды на изменение определенных параметров системы.

Системы автоматического проектирования (САПР).

Пример: задача поиска оптимального расположения элементов на микросхеме (простейший случай). При этом все элементы должны находиться в одной плоскости, соединения между ними не должны пересекаться и должны учитываться определенные стандарты. Так как в современных БИС на 1 см² площади приходится 10−20 миллионов элементов, то оптимизация их расположения вручную заняла бы несколько лет. САПР дает возможные варианты расположения, а человек выбирает наиболее подходящий.

Организация работы служащих.

Например, поиск необходимой информации в сфере науки, техники или образования. Как и в предыдущем случае, ЭВМ усиливает интеллектуальные возможности человека.

Коммуникации (передача информации).

Примером может служить всемирная информационная сеть Интернет, которая позволяет производить обмен информацией в огромных объемах и с большой скоростью.

Виртуальная реальность.

Пример: различного рода тренажеры. Их использование ведет к удешевлению подготовки водителей, лоцманов, летчиков и т. д.

Образование — функции контроля и самообразования.

Техника безопасности Опасные факторы при работе и обслуживании ЭВМ:

Возможное появление высокого напряжения (220 V). Вращающиеся части — вентиляторы. Воспламенение ЛВЖ при работах по обслуживанию ЭВМ. Перенапряжение зрения.