Общие принципы построения современных ЭВМ. Тема 1.1

1.

Общие принципы
построения
современных ЭВМ

2.

Вычислительная техника - совокупность
технических и математических средств,
методов и приёмов, используемых для
облегчения
и
ускорения
решения
трудоёмких
задач,
связанных
с
обработкой информации, в частности
числовой, путём частичной или полной
автоматизации
вычислительного
процесса.

3.

Этапы Развития
Выделяют четыре этапа развития
вычислительной техники:
• Домеханический — с 40—30-го тысячелетия
до н. э.
• Механический — с середины XVII в.
• Электромеханический — с 90-х годов XIX в.
• Электронный — со второй половины 40-х
годов XX в.

4.

Домеханический этап
Ручной период автоматизации вычислений
начался на заре человеческой
цивилизации. Он базировался на
использовании пальцев рук и ног. Счет с
помощью группировки и перекладывания
предметов явился предшественником счета
на абаке - наиболее развитом счетном
приборе древности.

5.

Домеханический этап
Аналогом абака на Руси счетов, дошедших
до наших дней. Использование абака
предполагает выполнение вычислений по
разрядам, то есть наличие некоторой
позиционной системы счисления.
Вычисления на них проводились путем
перемещения счетных костей и камешков
(Кальк) в полосковых углублениях досок из
бронзы, камня, слоновой кости, цветного
стекла.

6.

Домеханический этап
В своей примитивной форме абак был
дощечкой (позже он принял вид доски,
разделенной на колонки перегородками).
На ней проводились линии, разделявшие
ее на колонки, а камешки раскладывались в
эти колонки по тому же позиционным
принципом, по которому кладется число на
наши счеты.

7.

Домеханический этап
Аба́к (др.-греч. ἄβαξ, ἀβάκιον, лат. abacus) — семейство счётных
досок, применявшихся для арифметических вычислений в древних
культурах — Древней Греции, Древнем Риме и Древнем Китае и ряде
других.

8.

Механический этап
Эскиз механического тринадцятиразрядного
устройства заключает с десятью колесами был
разработан еще Леонардо да Винчи (14521519г.г.).

9.

Механический этап
По этим чертежам в наши дни фирма IBM в целях
рекламы построила работоспособную машину.
Первая механическая счетная машина была
изготовлена ​в 1623 г.. Профессором математики
Вильгельмом Шиккардом (1592-1636рр.). В ней были
механизированы операции сложения и вычитания, а
умножение и деление выполнялось с элементами
механизации. Но машина Шиккарда вскоре сгорела во
время пожара. Поэтому биография механических
вычислительных устройств ведется от машины,
заключает, изготовленной в 1642 Блез Паскаль
(1623-1662), в дальнейшем великим математиком и
физиком.

10.

Электромеханический этап
Электромеханический этап развития ВТ
явился наименее продолжительным и
охватывает всего около 60 лет — от первого
табулятора Германа Холлерита (1887 г.) до
первой ЭВМ ЕNIАС (1945 г.). Классическим
типом средств электромеханического этапа
был счетно-аналитический комплекс,
предназначенный для обработки информации
на перфокарточных носителях.

11.

Электромеханический этап
В конце XIX в. были созданы сложные механические
устройства. Важнейшим из них был устройство,
разработанное американцем Германом Холлеритом.
Исключительность его заключалась в том, что в нем
впервые была употреблена идея перфокарт и расчеты
велись с помощью электрического тока. Это сочетание
делало машину настолько работоспособной, что она
получила широкое применение в свое время.
Например, при перечислении населения в США,
проведенного в 1890, Холлерит, с помощью своих
машин смог выполнить за три года то, что вручную
делалось бы в течении семи лет, причем гораздо
большим числом людей.

12.

Электромеханический этап
Начало - тридцатые годы XX
века - разработка
рахунковоаналитичних
комплексов, состоящих из
четырех основных
устройств: перфоратора,
контрольника, сортировщика
и табулятора. На базе таких
комплексов создаются
вычислительные центры. В
это же время развиваются
аналоговые машины.

13.

Электронный этап
Начало этого этапа связывают с созданием в
США в конце 1945 электронной вычислительной
машины ENIAC американским инженеромэлектронщиком Дж. П. Эккерт и физиком Дж.У.
Моучли.

14.

Электронный этап
В истории развития ЭВТ принято выделять
несколько поколений, каждое из которых
имеет свои отличительные признаки и
уникальные характеристики. Главное
отличие машин разных поколений состоит в
элементной базе, логической архитектуре и
программном обеспечении, кроме того, они
различаются по быстродействию,
оперативной памяти, способам ввода и
вывода информации.

15.

Электронный этап
ЭВМ 1-го поколения (1945-1955)
ЭВМ первого поколения в качестве элементной
базы использовали электронные лампы и реле;
оперативная память выполнялась на триггерах,
позднее на ферритовых сердечниках; они отличались
невысокой надежностью, требовали систем
охлаждения и имели значительные габариты.
Процесс программирования требовал значительного
искусства, хорошего знания архитектуры ЭВМ и ее
программных возможностей. На первых порах
данного этапа использовалось программирование в
кодах ЭВМ (машинный код).

16.

Электронный этап
ЭВМ 1-го поколения (1945-1955)
Как правило, ЭВМ первого поколения использовались
для научно-технических расчетов, а сам процесс
программирования больше напоминал искусство,
которым занимался весьма узкий круг математиков,
инженеров-электриков и физиков.

17.

Электронный этап
ЭВМ 2-го поколения (1955-1964)
Общепринято, что второе поколение начинается с ЭВМ,
появившейся в 1959 г. в США и созданной на
полупроводниковой элементной базе. Новая
элементная технология позволила резко повысить
надежность ВТ, снизить ее габариты и
потребляемую мощность, а также значительно
повысить производительность. Это позволило
создавать ЭВМ с большими логическими
возможностями и производительностью, что
способствовало распространению сферы применения
ЭВМ на решение задач планово-экономических,
управления производственными процессами и др.

18.

Электронный этап
ЭВМ 3-го поколения (1965-1974)
Третье поколение связывается с появлением ЭВМ с
элементной базой на интегральных схемах (ИС). В
январе 1959 г. Джеком Килби была создана первая
ИС, представляющая собой тонкую германиевую
пластинку длиной в 1 см.
Значительно более мощным становится программное
обеспечение, обеспечивающее функционирование
ЭВМ в различных режимах эксплуатации. Появляются
развитые системы управления базами данных (СУБД)
. По-прежнему появляются новые и развиваются
существующие языки и системы программирования.

19.

Электронный этап
ЭВМ 4-го поколения (1975-1985)
Элементная база компьютеров 4-го поколения
это БИС (большая интегральная схема).
Стремительное развитие электроники,
позволило разместить на одном кристалле
тысячи полупроводников. Небольшие ЭВМ
могли разместиться на одном письменном
столе.

20.

Электронный этап
ЭВМ 5-го поколения
История создания компьютеров пятого
поколения начинает свой отсчет с 1982 года,
когда в Японии приняли программу разработки
соответствующих ЭВМ. Ученые планировали к
1991 году разработать новую технику,
ориентированную на обработку знаний.
Предыдущие поколения электронных
вычислительных устройств были направлены
на хранение и обработку данных.

21.

Электронный этап
ЭВМ 5-го поколения
Согласно замыслу разработчиков, элементной базой
компьютеров рассматриваемого периода должны
были стать устройства, созданные на основе
сверхбольших интегральных схем с компонентами
искусственного интеллекта. Это позволило бы
избежать необходимости писать программы для ЭВМ.
Разработчики стремились к тому, чтобы компьютер
выполнял функции по объяснению человека.
В ЭВМ пятого поколения количество выполняемых за
секунду операций должно достигать сотен
миллиардов.

22.

Электронный этап
ЭВМ 5-го поколения
К плюсам ЭВМ пятого поколения следует отнести
следующие характеристики:
• интеллектуальность, позволяющая устранить
барьер между пользователем и устройством;
• высокая производительность;
• небольшие размеры;
• доступность;
• объем памяти в сотни мегабайт.
Минус один – устройство еще не изобретено.

23.

Электронный этап
ЭВМ 5-го поколения
Поскольку понятие «ЭВМ пятого поколения»
размытое и неопределенное, сложно говорить о
его строении.
Разработчики видят перспективы в идее создания
оптических компьютеров. Она заключается в том,
чтобы использовать для вычислений фотоны,
генерируемые лазерами и диодами. По
сравнению с электронами, фотоны достигают
более высоких скоростей.

24.

Электронный этап
ЭВМ 5-го поколения
Мысли о создании фотонного устройства стали
реальны в 1976 году, когда ученые США провели
опыт с оптической метастабильностью.
Выяснилось, что для подобного рода приборов
необходим полупроводник с двусторонним
спектром – прозрачным и непрозрачным. Кроме
того, материал должен обладать резко
нелинейной оптической характеристикой. Эти
особенности позволяют увеличить скорость
микросхем до триллиона операций в секунду.

25.

Принципы фон Неймана
(Архитектура фон Неймана)
В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и
А. Беркс в своей совместной статье
изложили новые принципы построения и
функционирования ЭВМ. В последствие на
основе этих принципов производились
первые два поколения компьютеров. В
более поздних поколениях происходили
некоторые изменения, хотя принципы
Неймана актуальны и сегодня.

26.

Принципы фон Неймана
(Архитектура фон Неймана)
1. Использование двоичной системы
счисления в вычислительных машинах.
Преимущество перед десятичной системой
счисления заключается в том, что
устройства можно делать достаточно
простыми, арифметические и логические
операции в двоичной системе счисления
также выполняются достаточно просто.

27.

Принципы фон Неймана
(Архитектура фон Неймана)
2. Программное управление ЭВМ.
Работа ЭВМ контролируется программой,
состоящей из набора команд. Команды
выполняются последовательно друг за
другом. Созданием машины с хранимой в
памяти программой было положено начало
тому, что мы сегодня называем
программированием.

28.

Принципы фон Неймана
(Архитектура фон Неймана)
3. Память компьютера используется не
только для хранения данных, но и
программ.
При этом и команды программы и данные
кодируются в двоичной системе счисления,
т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в
определенных ситуациях над командами
можно выполнять те же действия, что и над
данными.

29.

Принципы фон Неймана
(Архитектура фон Неймана)
4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса,
которые последовательно
пронумерованы.
В любой момент можно обратиться к любой
ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип
открыл возможность использовать
переменные в программировании.

30.

Принципы фон Неймана
(Архитектура фон Неймана)
5. Возможность условного перехода в процессе
выполнения программы.
Не смотря на то, что команды выполняются
последовательно, в программах можно реализовать
возможность перехода к любому участку кода.
Самым главным следствием этих принципов можно
назвать то, что теперь программа уже не была постоянной
частью машины (как например, у калькулятора).
Программу стало возможно легко изменить. А вот
аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень
простой.

31.

Принципы фон Неймана
Схема вычислительной машины фон Неймана

32.

Типы современных ЭВМ
Классы компьютеров
Все выпускаемые компьютеры можно разделить на два
класса: персональные и корпоративные. Помимо
внешнего вида, основное отличие – быстродействие.
Эту характеристику по-другому называют флопс (в
англоязычном варианте FLOPS или полностью FLoatingpoint Operations Per Second). Она означает количество
определенных операций, которое может выполнить
компьютер в единицу времени. Для ПК нормальной
считается величина 0,1 терафлопса, у корпоративного она
может доходить до 10 терафлопсов.

33.

Типы современных ЭВМ
Основные типы персональных компьютеров
Устройства этого типа позволяют работать на них
одиночным пользователям. Они универсальны, а
перечень решаемых с их помощью задач достаточно
широк: на ПК можно набирать тексты, смотреть видео,
оформлять чертежи, выполнять вычисления и решать
другие задачи. Подобные устройства, в свою очередь,
делятся на несколько типов.

34.

Типы современных ЭВМ
Основные типы персональных компьютеров
Стационарные компьютеры
Предназначены для постоянного использования в одном месте
и делятся на несколько видов:
• Настольные компьютеры или по-другому десктопы (desktop)
отличаются модульной конфигурацией. Они состоят из
системного блока и подключенных к нему монитора,
клавиатуры и мышки.
• Моноблоки отличаются от настольных компьютеров тем, что
у них системный блок и монитор размещены в одном корпусе.
Соответственно, они более компактные, но менее
производительные.
• Неттопы отличаются от классических настольных
компьютеров уменьшенными габаритами системного блока,
очень тихой работой, пониженным энергопотреблением и более
низкой производительностью.

35.

Типы современных ЭВМ
Основные типы персональных компьютеров
Мобильные компьютеры
Производительность – одна из основных характеристик
современного компьютера, но в ряде случаев более
важной оказывается их мобильность. К мобильному типу
относится несколько видов устройств:
• Ноутбуки;
• Нетбуки;
• Ультрабуки;
• Планшеты;
• Карманные компьютеры.

36.

Типы современных ЭВМ
Основные типы персональных компьютеров
Переносные компьютеры
Возможности современных компьютеров не ограничиваются
выполнением заданных операций. Это качество в полной
мере реализуется в переносных моделях (на английском
wearables). Их можно было бы отнести к мобильным, но у
них есть два ярких отличия: форма и способность
анализировать окружающую среду и выдавать рекомендации
владельцу. К этому типу относится несколько видов
устройств:
• Смарт-часы;
• Фитнес-трекеры;
• Беспроводные наушники;
• Умные очки, Смарт-кольца.

37.

Типы современных ЭВМ
Основные типы корпоративных компьютеров
Корпоративные компьютеры превосходят
персональные по производительности и часто
на них одновременно работают несколько
пользователей. Такой класс устройств часто
используют в бизнесе, в системе образования
или на производстве. Они делятся на
следующие типы.

38.

Типы современных ЭВМ
Основные типы корпоративных компьютеров
Серверы
К серверам относят мощные компьютеры,
способные обрабатывать большие массивы
информации, принимать и выполнять запросы от
персональных компьютеров или рабочих станций.
Их используют, например, все интернетпровайдеры. Помимо этого, серверы применяют
для хранения больших объемов информации. В
этом случае их используют в качестве хостингов,
файлообменников или облачных сервисов.

39.

Типы современных ЭВМ
Основные типы корпоративных компьютеров
Мейнфреймы
Мейнфреймы выполняют схожие с серверами
задачи, но превосходят их по техническим
параметрам и обладают очень высокой
надежностью. Чаще всего их используют на
крупных предприятиях, которые выполняют
обработку большого количества информации: в
банках, аэропортах, на железнодорожных
вокзалах и других предприятиях.

40.

Типы современных ЭВМ
Основные типы корпоративных компьютеров
Суперкомпьютеры
Суперкомпьютеры – это уже не отдельные
компьютеры, а многопроцессорные комплексы. Они
отличаются высочайшей производительностью и
способны выполнять несколько триллионов операций
в секунду. На задачу, которую суперкомпьютеры
решают за несколько минут, обычному ПК
понадобится несколько дней. Такие устройства
отличаются крупными габаритами. Чаще всего их
используют для моделирования различных
природных (смерчи, наводнения и прочее) или
техногенных (аварии, войны и прочее) событий.

41.

Типы современных ЭВМ
Основные типы корпоративных компьютеров
Суперкомпьютеры
Суперкомпьютеры – это уже не отдельные
компьютеры, а многопроцессорные комплексы. Они
отличаются высочайшей производительностью и
способны выполнять несколько триллионов операций
в секунду. На задачу, которую суперкомпьютеры
решают за несколько минут, обычному ПК
понадобится несколько дней. Такие устройства
отличаются крупными габаритами. Чаще всего их
используют для моделирования различных
природных (смерчи, наводнения и прочее) или
техногенных (аварии, войны и прочее) событий.