Краткая история развития компьютерной техники
Счетные устройства используются людьми много веков.
■Около 500 г. н.э. Изобретение первых счетов (абака).
■1642 г. Французский ученый Блез Паскаль приступил к созданию механической арифметической машины. Она умела «запоминать» числа и выполнять элементарные арифметические операции.
■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; устройство, управляющее последовательностью действий машины. Команды должны были вводиться с помощью перфокарт. Проект не был реализован до конца.
■1945 г. Джон фон Нейман сформулировал основные принципы работы и компоненты современных компьютеров.
■1946 г. Американцы Дж. Эккерт и Дж. Моучли сконструировали первый электронный цифровой компьютер «Эниак» (Electronic Numerical Integrator and Computer). Он имел 20 тысяч электронных ламп, занимал целый этаж здания и выполнял за одну секунду 5 тыс. поразрядных сложений.
■1981 г. Фирма IBM выпустила первый персональный компьютер IBM PC на базе микропроцессора8088 с быстродействием 5 млн. поразрядных сложений в секунду (5 МГц).
■1993 г. Фирма Intel выпустила микропроцессорPentium с быстродействием 100 млн. поразрядных сложений в секунду (100 МГц).
■1995 г. Фирма Microsoft выпустила операционную систему с графическим интуитивно понятным интерфейсом MS Windows 95 — первую в серии операционных систем, называемых MS Windows 9x (95,98, ME).
■2001 г. Фирма Intel выпустила микропроцессорPentium IV с быстродействием 2000 млн. поразрядных сложений в секунду (2 ГГц).
Архитектура компьютера
Архитектурой компьютера называется совокупность принципов действия, системы команд, информационных связей основных узлов компьютера: процессора, оперативной памяти, внешней памяти и периферийных устройств и т.д. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.
Наиболее широкое применение находят следующие архитектурные решения.
■Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — это однопроцессорная система, через которую проходит поток команд и данных. К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера.
■Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что одновременно может выполняться несколько программ, составляющих фрагменты одной задачи, и обслуживаться несколько потоков данных.
■Многомашинная вычислительная система. Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру. Такая система применяется достаточно широко при решении задач, состоящих из слабо связанных подзадач.
■Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько потоков данных обрабатываются по одной программе. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на так называемых разветвляющихся алгоритмах, в которых одинаковые вычислительные операции, выполняются одновременно на многих однотипных наборах данных.
Классификация компьютеров
По производительности и характеру использования компьютеры можно условно подразделить на:
■микрокомпьютеры, в том числе — персональные;
■миникомпьютеры;
■мэйнфреймы — универсальные компьютеры;
■суперкомпьютеры.
Микрокомпьютеры — это компьютеры, в которых центральный процессор выполнен в виде микропроцессора, его быстродействие - порядка 1-100 миллионов операций в секунду. Микрокомпьютеры универсального назначения, рассчитанные на одного пользователя, получили название персональных компьютеров (ПК).
Миникомпьютерами называются компактные по размерам, высокопроизводительные ЭВМ, оснащенные разнообразными периферийными устройствами, ориентированные на решение большого круга задач и способные обслуживать десятки рабочих мест.
Мэйнфреймы предназначены для решения широкого класса объемных задач создания и эксплуатации баз данных и являются дорогими машинами. Их применяют в больших системах при наличии не менее 200-300 рабочих мест.
Суперкомпьютеры — это очень мощные компьютеры с производительностью свыше 100 мегафлопов (1 мегафлоп — миллион операций с плавающей точкой в секунду). Эти машины имеют десятки процессоров, работающих с общей памятью. В них параллельно, то есть одновременно, выполняется множество однотипных операций (это называется мультипроцессорной обработкой). Суперкомпьютеры используются для решения сложных и больших научных задач, задач управления, обработки метеоданных, разведданных и т.д.
Классификация компьютеров
Существует достаточно много систем классификации компьютеров. Мы рассмотрим лишь некоторые из них, сосредоточившись на тех, о которых наиболее часто упоминают в доступной технической литературе и средствах массовой информации.
Классификация по назначению
Классификация по назначению — один из наиболее ранних методов классификации. Он связан с тем, как компьютер применяется. По этому принципу различают большие ЭВМ (электронно-вычислительные машины), мини -ЭВМ, микро -ЭВМ и персональные компьютеры, которые, в свою очередь, подразделяют на массовые, деловые, портативные, развлекательные и рабочие станции.
Большие ЭВМ.Это самые мощные компьютеры. Их применяют для обслуживания очень крупных организаций и даже целых отраслей народного хозяйства. За рубежом компьютеры этого класса называют мэйнфреймами {mainframe). В России за ними закрепился термин большие ЭВМ. Штат обслуживания большой ЭВМ составляет до многих десятков человек. На базе таких суперкомпьютеров создают вычислительные центры, включающие в себя несколько отделов или групп.
Несмотря на широкое распространение персональных компьютеров, значение больших ЭВМ не снижается. Из-за высокой стоимости их обслуживания при работе больших ЭВМ принято планировать и учитывать каждую минуту. Для экономии времени работы больших ЭВМ малопроизводительные операции ввода, вывода и первичной подготовки данных выполняют с помощью персональной техники. Подготовленные данные передают на большую ЭВМ для выполнения наиболее ресурсоемких операций.
Центральный процессор — основной блок ЭВМ, в котором непосредственно и происходит обработка данных и вычисление результатов. Обычно центральный процессор представляет собой несколько стоек аппаратуры и размещается в отдельном помещении, в котором соблюдаются повышенные требования по температуре, влажности, защищенности от электромагнитных помех, пыли и дыма.
Группа системного программирования занимается разработкой, отладкой и внедрением программного обеспечения, необходимого для функционирования самой вычислительной системы. Работников этой группы называют системными программистами. Они должны хорошо знать техническое устройство всех компонентов ЭВМ, поскольку их программы предназначены в первую очередь для управления физическими устройствами. Системные программы обеспечивают взаимодействие программ более высокого уровня с оборудованием, то есть группа системного программирования обеспечивает программно-аппаратный интерфейс вычислительной системы.
Группа прикладного программирования занимается созданием программ для выполнения конкретных операций с данными. Работников этой группы называют прикладными программистами. В отличие от системных программистов им не надо знать техническое устройство компонентов ЭВМ, поскольку их программы работают не с устройствами, а с программами, подготовленными системными программистами. С другой стороны, с их программами работают пользователи, то есть конкретные исполнители работ. Поэтому можно говорить о том, что группа прикладного программирования обеспечивает пользовательский интерфейс вычислительной системы.
Группа подготовки данных занимается подготовкой данных, с которыми будут работать программы, созданные прикладными программистами. Во многих случаях сотрудники этой группы сами вводят данные с помощью клавиатуры, но они могут выполнять и преобразование готовых данных из одного вида в другой. Так, например, они могут получать иллюстрации, нарисованные художниками на бумаге, и преобразовывать их в электронный вид с помощью специальных устройств, называемых сканерами.
Группа технического обеспечения занимается техническим обслуживанием всей вычислительной системы, ремонтом и наладкой устройств, а также подключением новых устройств, необходимых для работы прочих подразделений.
Группа информационного обеспечения обеспечивает технической информацией все прочие подразделения вычислительного центра по их заказу. Эта же группа создает и хранит архивы ранее разработанных программ и накопленных данных. Такие архивы называют библиотеками программ или банками данных.
Отдел выдачи данных получает данные от центрального процессора и преобразует их в форму, удобную для заказчика. Здесь информация распечатывается на печатающих устройствах (принтерах) или отображается на экранах дисплеев.
Большие ЭВМ отличаются высокой стоимостью оборудования и обслуживания, поэтому работа таких суперкомпьютеров организована по непрерывному циклу. Наиболее трудоемкие и продолжительные вычисления планируют на ночные часы, когда количество обслуживающего персонала минимально. В дневное время ЭВМ исполняет менее трудоемкие, но более многочисленные задачи. При этом для повышения эффективности компьютер работает одновременно с несколькими задачами и, соответственно, с несколькими пользователями. Он поочередно переключается с одной задачи на другую и делает это настолько быстро и часто, что у каждого пользователя создается впечатление, будто компьютер работает только с ним. Такое распределение ресурсов вычислительной системы носит название принципа разделения времени.
Мини-ЭВМ
От больших ЭВМ компьютеры этой группы отличаются уменьшенными размерами и, соответственно, меньшей производительностью и стоимостью. Такие компьютеры используются крупными предприятиями, научными учреждениями, банками и некоторыми высшими учебными заведениями, сочетающими учебную деятельность с научной.
На промышленных предприятиях мини-ЭВМ управляют производственными процессами, но могут сочетать управление производством с другими задачами. Например, они могут помогать экономистам в осуществлении контроля себестоимости продукции, нормировщикам в оптимизации времени технологических операций, конструкторам в автоматизации проектирования станочных приспособлений, бухгалтерии в осуществлении учета первичных документов и подготовки регулярных отчетов для налоговых органов. Для организации работы с мини-ЭВМ тоже требуется специальный вычислительный центр, хотя и не такой многочисленный, как для больших ЭВМ.
Микро-ЭВМ
Компьютеры данного класса доступны многим предприятиям. Организации, использующие микро-ЭВМ, обычно не создают вычислительные центры. Для обслуживания такого компьютера им достаточно небольшой вычислительной лаборатории в составе нескольких человек. В число сотрудников вычислительной лаборатории обязательно входят программисты, хотя напрямую разработкой программ они не занимаются. Необходимые системные программы обычно покупают вместе с компьютером, а разработку нужных прикладных программ заказывают более крупным вычислительным центрам или специализированным организациям.
Программисты вычислительной лаборатории занимаются внедрением приобретенного или заказанного программного обеспечения, выполняют его доводку и настройку, согласовывают его работу с другими программами и устройствами компьютера. Хотя программисты этой категории и не разрабатывают системные и прикладные программы, они могут вносить в них изменения, создавать или изменять отдельные фрагменты. Это требует высокой квалификации и универсальных знаний. Программисты, обслуживающие микро-ЭВМ, часто сочетают в себе качества системных и прикладных программистов одновременно.
Несмотря на относительно невысокую производительность по сравнению с большими ЭВМ, микро-ЭВМ находят применение и в крупных вычислительных центрах. Там им поручают вспомогательные операции, для которых нет смысла использовать дорогие суперкомпьютеры.