Состояние и тенденции развития ЭВМ

ЭВМ – это комплекс технологических средств, предназначенных для автоматической обработки данных.

ЭВМ = computer = вычислитель.

Первоначально эти устройства предназначались для операций над числами, в настоящее время ЭВМ в основном используются для операций над текстом, логикой и графикой.

Классификация ЭВМ (признаки)

1. Принцип действия.
2. Этапы развития.
3. Назначение.
4. Функциональные возможности.

Принципу действия

По принципу действия ЭВМ делятся на три класса:

1. Цифровые (ЦВМ)
2. Аналоговые (АВМ)
3. Гибридные (ГВМ)

Критерием деления является форма представления информации. При аналоговой форме значение характеристики во времени представлено величиной электрического напряжения U (рис. 4.1.а). При цифровой форме значение характеристики кодируется последовательностью импульсов в моменты тактовой частоты. (рис. 4.1.б).

					значение

U U

такты

t

t

значение

АВМ отличаются высокой скоростью и низкой ценой, неустойчивой работой и низкой точностью. При изменении напряжения значение характеристики в АВМ будет иеняться.

В ЦВМ падение напряжения слабо влияет на код характеристики.

Основы построения ЦВМ были заложены в 1946 г. фон Нейманом.

Принципы фон Неймана:

1. Вся информация представляется в двоичной форме.
2. Программа хранится в памяти компьютера, и может быть туда записана.
3. программы могут обрабатываться также как числа.
4. Иерархическая организация памяти.
5. Арифметическое устройство конструируется на основе схемы сложения.
6. Параллельная обработка нескольких разрядов двоичной информации.
7. Иерархическая система машинных действий от базисных команд до составных процедур.

В настоящее время АВМ почти не используются.

Цифровая форма хранения информации сейчас используется в цифровых фотоаппаратах, телевизорах и видеокамерах.

Цифровой принцип ещё называют импульсным, а аналоговый – непрерывным.

Этапы создания

Этапы создания ЭВМ связаны с изменением элементной базы, которое в свою очередь сопровождалось уменьшением её размеров, и как следствие – увеличение быстродействия и снижения цены.

По этапам создания ЭВМ делятся на шесть поколений:

1. 50-е годы XX в. Электронные вакуумные лампы.
2. 60-е годы. Полупроводниковые транзисторы.
3. 70-е годы. Полупроводниковые интегральные схемы (1000 транзисторов на схему)
4. 80-е годы. Большие интегральные схемы (1000000 транзисторов на схему)
5. 90-е годы. Многопроцессорные ЭВМ, обрабатывающие параллельно несколько потоков информации.
6. Оптоэлектронные ЭВМ. (ещё не существуют, но разрабатываются)

В настоящее время используются [4] и [5].

Назначение

По назначению ЭВМ делятся на три группы:

1. Универсальные.
2. Проблемно-ориентированные.
3. Специализированные.

[1] предназначены для решения широкого круга задач: экономических, инженерных, математических.

[2] решают задачи по управлению техническими объектами (сборочные конвейеры, автомобили, ракеты, самолёты, станки с числовым программным управлением)

[3] решают строго-определённые задачи (калькуляторы, записные книжки)

Функциональные возможности

По функциональным возможностям ЭВМ делятся на:

1. Сверхбольшие.
2. Большие
3. Малые
4. Мини ЭВМ
5. Сверхмалые (Микро ЭВМ)

Функциональные возможности ЭВМ определяются следующими техническими характеристиками:

1. Быстродействие, измеряемая усреднённым числом миллионов операций за секунду (MIPS).
2. Разрядность обрабатываемых чисел.
3. Ёмкость и быстродействие основной памяти (Mb/sec.)
4. Ёмкость и скорость доступа к внешним запоминающим устройствам.
5. Пропускная способность узлов ЭВМ и устройств сопряжения.

Супер-ЭВМ обладает большой памятью и характеризуется большим числом параллельно-работающих процессоров (до 100 штук), они используются для управления большими распределёнными компьютерными сетями и для сложных научных расчётов.

Большие ЭВМ исторически появились первыми. Их элементная база прошла путь от электронных ламп до больших интегральных схем. Большие ЭВМ используются для решения научно-технических задач, для работы с большими базами данных, для управления компьютерными сетями.

В семидесятых годах XX века появились мини-ЭВМ.

Мини-ЭВМ содержат только 1 процессор.

Достоинства мини-ЭВМ: модульная архитектура, которая позволяла легко наращивать мощность ЭВМ и подключать дополнительные устройства; высокое отношение производительность/цена; повышенная точность вычислений.

Основные сферы применения ЭВМ:

1. управление технологическими процессами.
2. Автоматизированное проектирование.
3. Моделирование объектов.
4. Научные расчёты.

В настоящее время мини ЭВМ не используются. Их достоинства и сферы применения перешли к микро ЭВМ.

Микро ЭВМ – это ЭВМ на базе микропроцессора. Имеется два направления использования микро ЭВМ:

1. Управление техническими объектами и процессами.
2. Персональные компьютеры.

Персональные компьютеры

Персональный компьютер (ПВМ) – это ЭВМ на базе микропроцессора, которое предоставляет в единичное пользование все свои вычислительные ресурсы.

История создания ПК

В 1969г. Японская фирма заказала у фирмы Intel 12 логических схем. Инженеры Intel вместо 12 схем создали одну. Эта схема решала все 12 задач, более того в ней была предусмотрена программа изменения её функций. Таким образом, эта схема могла в зависимости от программы выполнять неограниченное число функций. Эта схема была названа – микропроцессором.

Процессор – это устройство, которое способно принимать и выполнять программу.

На базе микропроцессора фирмы Intel был создан комплект ALTAIR, он был снабжен разъемами, к которым должны были подключаться внешние устройства.

ПК впервые был создан в 1976г. двумя студентами Гарвардского университета.

В 1981г. фирма IBM наконец-то вышла на рынок персональных компьютеров.

Группе разработчиков разрешили использовать разработки других фирм.

Был принят принцип открытой архитектуры, который заключался в том, что принимаются стандарты на правила приёма и передачи информации, а также стандарты на электрические разъемы, а разработку внешних устройств поручить другим фирмам.

Особенности ПК

ПК задумывался как устройство универсальное и общедоступное. Поэтому ПК обладает следующими особенностями:

· малый размер

· малая цена (100 – 10000)

· высокая надёжность (5000 часов беспрерывной работы)

· индивидуальное взаимодействие с компьютером без посредников

· программная совместимость с миллионами других персональных компьютеров

· гибкость архитектуры, позволяющая создавать конфигурацию под нужные требования

· возможность эксплуатации без особых требований к окружающей среде

· способность объединяться в компьютерные сети.

Кроме семейства IBM PC существует семейство DEC, представителями которого являются ПК «макинтау». По конструктивным особенностям ПК делятся на стационарные (настольные) и переносные. Переносные делятся на:

· портативные (Nomadic)

· наколенные (Laptop)

· блокноты (Notebook)

· наладонные (Palmtop)

· записные книжки (Organizer)

Архитектура ПК

Дадим представление о структуре и функциях аппаратной части ПК

Структура ПК

Довольно долго при создании компьютеров для управления устройствами использовался принцип «звезды», в котором все устройства подключались к устройству управления (У.У.) и У.У. координировало их работу.

Для создания ПК использовался принцип «общей шины», в которой все устройства, в том числе и устройство управления, подключились к одному устройству – общей шине.

Общая шина содержит стандартные разъемы (слоты), соединительные провода и схему управления. Схема управления может самостоятельно обрабатывать многие сигналы, снимая при этом часть нагрузки с устройства управления и ускоряя работу компьютера в целом. Структура ПК показана на рисунке:

	клавиатура		дисплей		принтер

НЖМД – накопитель на жестком магнитном диске; жесткий диск; винчестер.

Адаптер – устройство, преобразующее сигналы другого устройства в сигналы системной шины и наоборот.

НГМД – накопитель на гибких магнитных дисках, флоппи дисковод.

Таймер (часы)

Микропроцессор

Микропроцессор – это центральное устройство ПК предназначенное для управления всеми другими устройствами. В состав микропроцессора входят:

• устройство управления (У.У.)
• арифметико-логическое устройство (АЛУ)
• микропроцессорная память
• сопроцессор
• интерфейсная система

Устройство управления (У.У.) формируют и подают во все блоки компьютера, в другие части микропроцессора в нужные моменты времени сигналы управления.

АЛУ выполняет все арифметические и логические операции над целыми числами и символами.

Микропроцессорная память служит для кратковременного хранения информации при выполнении одной или нескольких машинных команд. Скорость доступа к ней в десятки раз выше, чем к основной памяти (кэш память [«кэш» – с франц. – клад, тайник]).

Сопроцессор выполняет арифметические операции над числами с плавающей точкой.

Интерфейсная система реализует сопряжение с другими устройствами. Она включает в себя:

• сопряжение частей микропроцессора
• буферное запоминающее устройство (регистры)
• схемы управления портами ввода/вывода
• схемы управления системной шиной

Координация работы частей микропроцессора и скорость работы задается генератором тактовых импульсов. Сейчас созданы генераторы, которые выдают 3,5 млрд. импульсов в секунду.

Системная шина

Системная (общая) шина включает в себя:

• шину данных, передающую содержание информации
• шину адреса, передающую адреса основной памяти и портов
• шину команд, передающую сигналы управления
• шину питания

Системная шина управляется микропроцессором и схемой управления шиной.

Большинство внешних устройств подключается к системной шине с помощью своих схем управления – адаптеров, контролёров. Важно отметить, что биты данных адреса и команды передаются по шине параллельно по нескольким проводам по 8, 16, 32, 64 бита за один такт. Это повышает скорость передачи.

Разрядность шины – это количество параллельно, одновременно передаваемых сигналов за один такт.

Основная память

Основная память служит для хранения и обмена информации между устройствами.

Основная память состоит из постоянно запоминающего устройства (ПЗУ) и оперативно запоминающего устройства (ОЗУ).

ПЗУ служит для хранения неизменной информации. Информация в ПЗУ сохраняется при выключении компьютера. Изменение информации в ПЗУ сильно затруднено. Имеет малый объём.

ОЗУ предназначено для хранения изменяемой во время работы компьютера информации. Информация в ОЗУ исчезает при выключении компьютера. По сравнению с ПЗУ имеет большой объём.

Клавиатура

Для ПК выпускается 3 вида клавиатуры: 84-клавишная, 101 и 104-клавишная.

Клавиатура содержит процессор клавиатуры, при нажатии на клавишу процессор определяет координаты клавиши и вырабатывает код. Процессор способен определять длительность нажатия и одновременное нажатие нескольких клавиш.

среда, 27 октября 2004 г.

Видеосистема

Состоит из дисплея (монитора) и видеоадаптера (графическая плата, видеоплата).

Для изображения информации используется растровый принцип, т.е. изображение формируется из горизонтальных и вертикальных рядов точек. В дисплее с электронно-лучевой трубкой три электронных луча пробегают по трём множествам точек на экране, которые светятся красным, зелёным и синим цветами (RGB). От мощности луча зависит яркость свечения. Смесь трёх цветов разной интенсивности даёт палитру цветов. Например, три луча одинаковой мощности дают оттенки серого. Лучи пробегают экран 70 и более раз в секунду (частота регенерации).

В дисплее на жидких кристаллах (LSD) в каждой точке экрана расположены по три окошка, отвечающих за RGB цвета. К окошкам подходят проводники, при подаче напряжения окошки либо светятся (активная матрица), либо теряют прозрачность. Разрешающая способность видеосистемы характеризует степень детальности изображения на экране.

Первой характеристикой разрешающей способности служит количество вертикальных и горизонтальных рядов точек. Для этой характеристики имеется стандартный ряд: 640 X 480, 800 X 600, 1024 X 768, 1152 X 864, 1280 X 720, 1280 X 768, 1280 X 960, 1280 X 1024.

Отношение ширины к высоте равно 4 X 3.

Второй характеристикой служит степень градации цвета в каждом троеточии: от 2х до 16 млн. цветов.

Максимальная разрешающая способность зависит как от дисплея, так и от видеоадаптера.

В видеоадаптере находится видеопамять. Объём видеопамяти ограничивает разрешающую способность. Например, для хранения картинки (800 X 600 точек) с 256 цветами необходимо 480 Кб видеопамяти.

Функция видеоадаптера состоит в получении информации, записи её в видеопамять и регулярной посылке на дисплей содержания видеопамяти. Отдельной проблемой является отображение кинофильмов: здесь требуется большой объём данных (480 Кб на кадр) и быстрая обработка (24 кадра в секунду). Для обработки кинофильмов используется сжатие файлов и имеется 2 алгоритма:

1. JPEG (хранится каждый кадр, при недостаточной обработке качество изображения улучшается)
2. MPEG (хранятся различия между кадрами)

Принтеры

Предназначены для вывода информации на бумагу.

3 вида принтеров: матричный, струйный, лазерный.

В матричном вертикальный ряд металлических стержней двигается и ударяет по бумаге, отпечатывая ряды точек через ленту с краской.

Струйные работает также как и матричные, только вместо стержней используется распыление краски через отверстия.

Печать на лазерном принтере состоит из 4 этапов. Сначала лазерным лучом изображение наносится на барабан, затем к местам прохождения луча прилипает краска. Краска при прокатывании барабана переносится на бумагу. В конце путём нагрева краска закрепляется.

Процесс печати на матричном принтере имеет низкую цену.

Струйные принтеры дешевы сами по себе.

Лазерная печать самая качественная.

Матричные принтеры сильно шумят, печать на струйном принтере достаточно дорогая, лазерные принтеры дорого стоят.