Основные классы компьютеров. Тема 3

1.

Тема 3
Основные классы компьютеров
Тема 5, 6 из учебного пособия
«Информационное и
компьютерное обеспечение»

2.

Классификация ЭВМ по этапам создания
и элементной базе
Компьютеры условно делятся на поколения:
• 1– е поколение, 50– е годы: ЭВМ на электронных
вакуумных лампах
• 2– е поколение, 60– е годы: ЭВМ на дискретных
полупроводниковых приборах (транзисторах)
• 3– е поколение, 70– е годы: компьютеры на
полупроводниковых интегральных схемах с малой
и средней степенью интеграции (сотни–тысячи
транзисторов в одном корпусе).
• 4– е поколение, 80– 90– е годы: компьютеры на
больших и сверхбольших интегральных схемах,
основная из которых – микропроцессор

3.

• 5– е поколение, настоящее время:
компьютеры со многими десятками и
сотнями параллельно работающих
микропроцессоров.
• 6– е и последующие поколения: нейрокомпьютеры (компьютеры с ИИ) и
квантовые компьютеры.

4.

Первое поколение компьютеров
Элементная база – электронные лампы.
Компьютер ЭНИАК (отсутствовал блок памяти)
Американский математик Джон фон Нейман
Разработаны общие принципы
функционирования и элементы архитектуры
компьютеров, как универсальных
вычислительных устройств, которые получили
название принципы фон Неймана.

5.

Компьютер, согласно принципам фон
Неймана, должен иметь следующие
устройства:
1. арифметико– логическое устройство (АЛУ),
выполняющее арифметические и
логические операции;
2. устройство управления (УУ), которое
синхронизирует работу всего компьютера;
3. память для хранения программ и данных;
4. внешние устройства (ВУ) для ввода–
вывода информации.

6.

Структурная схема ЭВМ первого и второго
поколений

7.

Основным принципом построения всех
компьютеров
является
принцип
программного управления (ППУ). Этот
принцип обеспечивает универсальность
использования компьютера: компьютер
решает различные задачи в соответствии с
выбранной программой.
Программа, требуемая для работы ЭВМ,
предварительно размещается в памяти
компьютера.
ППУ реализуется за счет наличия в
компьютере устройства управления (УУ) и
развитого запоминающего устройства (ЗУ).

8.

С помощью устройства ввода информации
пользователь вводит в ЭВМ программы и
данные.
Введенная
информация
запоминается
в
оперативном
запоминающем устройстве (Память).
Затем программа команда за командой
считывается в устройство управления.
Устройство управления предназначается
для автоматического выполнения программ
путем синхронизации всех остальных
устройств ЭВМ.

9.

АЛУ (арифметико-логическое устройство)
выполняет арифметические и логические
операции над данными.
Результаты выполнения отдельных операций
сохраняются
для
последующего
использования в одном из регистров АЛУ
или записываются в Память.
Результаты, полученные после выполнения
всей программы вычислений, передаются
на Устройство вывода (монитор, принтер,
графопостроитель и др).

10.

АЛУ и УУ в современных компьютерах объединены
в единое устройство – процессор (центрально
обрабатывающее устройство).
Память компьютера состоит из ячеек, каждая из
которых имеет свой уникальный адрес.
Информация в процессор поступает из памяти или
от внешнего устройства.
Процессор выполняет программу команду за
командой до тех пор, пока не получит команду
остановиться.
В 1951 году был создан первый компьютер,
предназначенный для коммерческого
использования, – УНИВАК (универсальный
автоматический компьютер), в котором были
реализованы все принципы архитектуры фон
Неймана.

11.

В СССР в 1950 году под руководством
академика С.А.Лебедева - МЭСМ (малая
электронная счетная машина).
Язык программирования –машинный язык
(команды в виде двоичных кодов),
допускающий их непосредственное
исполнение на компьютере.
Для каждого компьютера существовал свой
собственный машинный язык, что
ограничивало область применения
компьютеров.

12.

Второе поколение компьютеров
Элементная база – транзисторы.
Появилась возможность значительно уменьшить
размеры компьютеров, сделать их более
надежными и быстрыми.
Язык программирования – ассемблер, далее
появились языки высокого уровня (Фортан,
Кобол).
Для их использования необходимо иметь
транслятор (компилятор или интерпретатор),
то есть программу, которая преобразует
операторы языка в машинный язык.
Началось развитие индустрии программного
обеспечения.

13.

Третье поколение компьютеров
Элементная база – интегральные микросхемы.
ИС – пластина кремния, на которой
размещаются сначала десятки, а затем сотни
и больше транзисторов и все необходимые
соединения между ними.
Позволило значительно уменьшить стоимость и
размеры компьютеров. Началось массовое
производство компьютеров.
Языки программирования – Бейсик , Паскаль.
Появились первые коммерческие
операционные системы.

14.

Четвертое поколение компьютеров
Элементная база – сверхбольшие
интегральные схемы, включающие сотни
тысяч и даже миллионы элементов на один
кристалл.
Появился микропроцессор.
Позволило продолжить уменьшение размеров
и стоимости компьютеров и повысить их
производительность и надежность.
Появились микрокомпьютеры, или
персональные компьютеры, отличительной
особенностью которых стали небольшие
размеры и низкая стоимость.

15.

Компания Apple (основатели: Стив Джобс и Стив
Возняк):
ПК Apple I, Apple II, который стал первым
массовым персональным компьютером.
Фирма IBM: август 1981 г компьютер под
названием IBM PC (персональный компьютер
фирмы IBM) – МП Intel– 8088 (16-разрядный), ПО
– фирма Microsoft.
Через пару лет компьютер IBM PC занял ведущее
место на рынке. Благодаря принципу открытой
конфигурации.
Принцип открытой архитектуры (ПК собирался
из готовых узлов и правила сборки не держались
в тайне (не были запатентованы)).

16.

Структурная схема ПК (ЭВМ 4 поколения)

17.

В персональных компьютерах (ПК), относящихся к
ЭВМ
четвертого
поколения,
используется
структура с шинным интерфейсом: все устройства
компьютера обмениваются информацией и
управляющими сигналами через шину.
Шина представляет собой систему функционально
объединенных
проводов,
обеспечивающих
передачу трех потоков: данных, адресов и
управляющих сигналов.
Количество проводов в системной шине для
передачи данных, называется разрядностью
шины. Разрядность шины определяет число
битов информации, которые могут передаваться
по шине одновременно.

18.

Ядро ПК образуют процессор и основная
память, состоящая из оперативной памяти
(ОП) и постоянного запоминающего
устройства (ПЗУ).
Подключение всех внешних устройств (ВнУ):
дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ и других
обеспечивается через соответствующие
контроллеры – специальные устройства
управления периферийной аппаратурой.

19.

Классификация ЭВМ по назначению
• универсальные (общего назначения)
• проблемно– ориентированные
• специализированные
Универсальные компьютеры предназначены
для решения самых различных задач,
отличающихся сложностью алгоритмов и
большим объемом обрабатываемых
данных.

20.

Проблемно – ориентированные компьютеры
предназначены для решения более узкого круга
задач, связанных, как правило, с управлением
технологическими объектами. Обработка
относительно небольших объемов данных по
относительно несложным алгоритмам. они
обладают ограниченными аппаратными и
программными ресурсами.
Специализированные компьютеры предназначены
для решения узкого круга задач или реализации
строго определенной группы функций.
К этому классу ЭВМ относятся адаптеры или
контроллеры.

21.

Классификация ЭВМ по размерам и
вычислительной мощности
• Суперкомпьютеры (суперЭВМ)
• большие компьютеры
• Миникомпьютеры
• Микрокомпьютеры (микроЭВМ)
Исторически первыми появились большие
ЭВМ, элементная база которых прошла путь
от электронных ламп до интегральных схем
со сверхвысокой степенью интеграции.
Первая большая ЭВМ – ЭНИАК.

22.

Производительность больших компьютеров
оказалась недостаточной для ряда задач:
• прогнозирования метеообстановки,
• управления сложными оборонными
комплексами,
• биологических исследований,
• моделирования экологических систем и др.
Появляются суперкомпьютеры, самые
мощные вычислительные системы,
интенсивно развивающиеся и в настоящее
время.

23.

Появление в 70– х годах малых компьютеров
обусловлено
• прогрессом в области электронной
элементной базы и
• избыточностью ресурсов больших ЭВМ для
ряда приложений.
Малые компьютеры используются чаще всего
для управления технологическими
процессами.
Они более компактны и существенно
дешевле больших компьютеров.

24.

Изобретение в 1969 году микропроцессора
(МП) привело к появлению в 70– х годах
еще одного класса компьютеров –
микрокомпьютеров.
Именно наличие МП послужило
первоначально определяющим признаком
микрокомпьютеров.
Сейчас микропроцессоры используются во
всех без исключения классах компьютеров.

25.

Большие компьютеры
Большие компьютеры (мэйнфреймы)
характеризуются многопользовательским
режимом (до 1000 пользователей
одновременно), исключительной надежностью,
высоким быстродействием, очень большой
пропускной способностью устройств ввода и
вывода информации.
Основные направления применения:
• научно– технические задачи,
• работа с большими базами данных,
• управление вычислительными сетями (в качестве
больших серверов вычислительных сетей).

26.

Мини компьютеры
Малые компьютеры (миниЭВМ) –
надежные, недорогие и удобные в
эксплуатации компьютеры, обладающие
несколько более низкими по сравнению с
мэйнфреймами возможностями.
Основные направления применения:
• управление технологическими процессами,
• в системах автоматизированного
проектирования,
• в системах искусственного интеллекта.

27.

Микрокомпьютеры
Персональные компьютеры (ПК) относятся к классу
универсальных однопользовательских микроЭВМ.
ПК обладают следующими качествами:
• малая стоимость ПК;
• автономность эксплуатации;
• гибкость архитектуры (адаптируемость к
разнообразным применениям в сфере управления,
науки, образования, в быту);
• дружественность операционной системы и прочего
программного обеспечения (возможность работы с
ней пользователя без специальной
профессиональной подготовки);
• высокая надежность работы (более 5000 часов
наработки на отказ).

28.

По конструктивным особенностям ПК делятся на
стационарные (настольные – тип DeskTop) и
переносные.
Первые ПК были стационарными. Они состояли
из отдельных конструктивно завершенных
частей: системного блока, монитора,
клавиатуры соединенными интерфейсными
кабелями с системным блоком. Это пример
раздельной схемы построения ПК.
ПК– моноблоки, в которых системный блок,
монитор и, нередко, другие устройства
(клавиатура, звуковая подсистема, веб–
камера, микрофон) конструктивно
объединены в одно устройство.
Переносные ПК встречаются различных типов,
например, ноутбуки, нетбуки , планшеты и т.д.

29.

Суперкомпьютеры
Это мощные многопроцессорные
вычислительные системы.
Главное в архитектуре суперкомпьютера –
принцип параллельной обработки данных.
Решения задач в аэродинамике,
метеорологии, физике высоких энергий,
геофизике, в финансовой сфере и др.
Высокая стоимость – от пятнадцати
миллионов долларов.

30.

Кластерные суперкомпьютеры
Кластер – группа компьютеров, объединённых
высокоскоростными каналами связи и
представляющая с точки зрения пользователя
единую вычислительную систему.
Основные достоинства кластера:
• высокая суммарная производительность;
• высокая надежность работы системы;
• наилучшее соотношение производительность–
стоимость;
• легкая масштабируемость, то есть наращивание
вычислительной мощности путем подключения
дополнительных компьютеров;
• удобство управления и контроля работы системы.

31.

Контрольные вопросы
1. Перечислите элементные базы, на основе которых
строились компьютеры с 1– го по 4 – й поколения.
2. Согласно принципам Джона фон Неймана, какие
устройства входят в компьютер?
3. Какой основной принцип построения компьютера? Что
он обеспечивает?
4. За счет наличия каких блоков в компьютере реализуется
принцип программного управления?
5. Приведите структурную схему ЭВМ первых поколений.
6. Для чего предназначено устройство управления?
7. Для чего предназначено АЛУ?
8. В какое устройство в современных компьютерах
объединены устройство управления и АЛУ?

32.

9. Какой язык программирования использовался в
компьютерах первого поколения?
10. С какого поколения и почему началось развитие
индустрии программного обеспечения?
11. В чем заключается принцип открытой архитектуры?
12. Что такое структура с шинным интерфейсом? В каких
компьютерах она появилась?
13. Что представляет собой шина?
14. Приведите структурную схему ЭВМ четвертого поколения?
15. Что называется разрядностью шины и что она
определяет?
16. Что образует ядро персональных ЭВМ?
17. Что включает в себя основная память?
18. Что такое контроллеры? Их назначение?

33.

19. Классификация компьютеров по назначению и их
характеристика.
20. Классификация компьютеров по размерам и
вычислительной мощности. Какой класс компьютеров
исторически появился раньше?
21. Какими качествами обладают персональные
компьютеры?
22. Охарактеризовать суперкомпьютеры.
23. Кластерные суперкомпьютеры. Их достоинства.