Основы вычислительной техники

Вычислительная техника - это совокупность механических и электронных средств авто­матизации вычислений и обработки инфор­мации.

Первая ЭВМ "ЭНИАК" была создана в 1946 г. в США. Сразу после войны работы в этом направ­лении были развернуты у нас в стране и в 1950 г. была создана первая отечественная ЭВМ "МЭСМ" (малая электронно-счетная машина). В 1952 г. была со­здана ЭВМ "БЭСМ", которая в течение нескольких лет была са­мой быстродей­ствующей в Европе. В первых ЭВМ в качестве элементной базы использовались электронные лампы — это было первое поколение ЭВМ. Лампы часто выходили из строя, занимали много места, потребляли большую энергию и выделяли много тепла. С современной точки зрения ничтожно малыми были память и быстродейст­вие (у МЭСМ - 50 оп/с, БЭСМ - 8000 оп/с). В начале 60-х годов начал­ся переход к ЭВМ второго поколения, выполненных на полупро­водниковых элементах (диодах, транзисторах). Эти ЭВМ имели на­много меньший размер, большую надежность, более высокое бы­стродей­ствие и большой объем памяти. Из отечествен­ных машин к этому поколению относятся БЭСМ-4, Минск-22, Минск-32, БЭСМ-6 с быстродействием 10⁶ оп/с. Появление третьего поколения ЭВМ относят к 1964 г. Они были выполнены на малых интегральных схемах (МИС) - это кристалл полупроводника, на котором создается ряд участков, моделирующих диоды и транзисторы, причем число таких элементов на одном кристалле достигало десят­ков и сотен. У нас в стране машины этого поколения выпускались с 1972 г. в виде ЭВМ Еди­ной Системы (ЕС ЭВМ). Если ЭВМ первого и второго поколения использовались в основном для научно -технических расчетов, то ЭВМ третьего поколения начинают применять в управлении тех­нологическими процессами, промышленными предприятиями, при обработке экономической информации, т.е. они вышли из на­учно-исследовательских учреждений и перешли в область практи­ческой деятельности. Удешевление элементной базы ЭВМ привело к появлению в 70-е годы мини-ЭВМ, имеющих ограниченную память и быстро­действие (однако у современной мини - ЭВМ они больше, чем у большой ЭВМ первого поколения), но сравни­тельно дешевых, что ускорило их внедрение во все области человеческой деятельности. Эле­ментной базой мини-ЭВМ является так же интегральная схе­ма, но степень интеграции, т.е. число элементов на одной ИС рез­ко возросло, поэтому они стали называться большими ин­тегральными схемами (БИС) или интегральными подсистемами. Наконец, во второй половине 70-х годов стало возможным помес­тить целую ЭВМ на одном кристалле - появились микропроцес­соры и микро-ЭВМ (персональные компью­теры), помещающиеся на обычном столе. В 1979 г. американская фирма IBM приступила к разработке персональных компьютеров и в августе 1981 г. был выпущен ком­пьютер под названием IBM PC (Ай-Би-Эм Пи-Си), который при­обрел большую популярность у пользовате­лей. В 1983 г. был выпущен компьютер IBM PC XT, имеющий встроенный жесткий диск, а в 1985 г. - компьютер IBM PC AT на основе нового микропроцессора, работающий в 3 - 4 раза быст­рее IBM PC XT. Развитие компьютеров типа IBM PC теперь осуществляется многими конкури­рующими фирмами, хотя IBM и остается са­мым крупным производителем. Наибольшее влияние на развитие компьютеров типа IBM PC оказы­вает фирма Intel - производитель микропроцессо­ров, явля­ющихся "мозгом" компьютера, и фирма Microsoft - разработчик операционной системы MS DOS, графической операционной оболочки Windows и многих других программ, используе­мых на BМ PC. Мини- и микро-ЭВМ, а так же ЭВМ на БИС, с быстродей­ствием порядка десятков и сотен миллионов оп/с, образуют чет­вертое поколение ЭВМ. Сейчас ведутся разра­ботки машин пятого поколения на светокристал­лах. Современная ЭВМ по своей структуре состоит из двух типов устройств - центральных и периферических.

К центральным устройствам относятся:

1. Арифметическое устройство (АУ).

2. Устройство управления (УУ).

3. Оперативная память (ОП).

АУ предназначено для выполнения арифметиче­ских опера­ций, но оно же выполняет и логиче­ские операции (сравнение чи­сел, проверка условий и т.д.), поэтому его также называют ариф­метико-логическим устройством (АЛУ). УУ управляет работой всех устройств машины, т.е. устанавли­вает последовательность и режим работы всех остальных уст­ройств. Название АЛУ и УУ использовались в машинах 1 - 2 поколе­ний. В ЭВМ 3 - 4 поколений АУ и УУ обычно объединяют в по­нятие "процессор" или "центральный процессор" (ЦП).

Процессор - это основное устройство ЭВМ, управляющее работой всех остальных устройств и реализующее процесс выпол­нения операций.

Другим центральным устройством ЭВМ явля­ется ОП. Она предназначена для временного хранения информации и состоит из ряда ячеек, в которых помещается информация. В ОП хра­нится программа работы ЭВМ, ее данные, промежуточные расчеты и окончательные результаты. Важнейшей характеристикой ОП явля­ется ее емкость (объем), т.е. то количество информации, которое ЭВМ в состоянии хранить ("запомнить"). Емкость ОП измеряется в мего­байтах. ОП является памятью с прямым досту­пом, т.е. процессор в любой момент может прочитать содержимое любой ячейки па­мяти или изменить его. Все ячейки пронумерованы и ЭВМ в со­стоянии сразу же найти нужную. Для этого необходимо указать ее адрес, т.е. номер ячейки, в которой содержится нужная инфор­мация. Получение информации из ОП происходит с большой ско­ростью, но этот вид памяти не предназначен для постоянного хра­нения инфор­мации, т.к. содержимое ОП стирается после выклю­чения ЭВМ или ввода новой программы и т.д.

Для длительного хранения информации исполь­зуется вне­шняя память (ВП), относящаяся к периферийным устройствам ЭВМ. ВП не столь быстра как ОП, зато имеет гораздо большую емкость и сохраняет свое содержимое после выключения маши­ны. Технически ВП выпол­нена на магнитных носителях, из кото­рых наиболее распространены магнитные ленты (МЛ) и магнит­ные диски (МД). Накопители на жестких дисках (винчестерах) предназначены для постоянного хранения информации, исполь­зуемой при рабо­те с компьютером: программ операционной системы, часто ис­пользуемых пакетов программ, редактирование документов, трансляторов с языков программирования и т.д. Наличие жесткого диска значительно повышает удобство работы с компьютером.

Скорость работы диска характеризуется двумя показателями:

1) временем доступа к данным на диске;

2) скоростью чтения и записи данных на диске.

Гибкие дискеты позволяют переносить доку­менты и програм­мы с одного компьютера на другой, хранить информацию, неис­пользуемую постоянно, поэтому доступ к любой информа­ции, записанной на них, осуществляется за доли секунды.

Чаще всего на компьютере имеется 2 дисковода для дискет. Наиболее распространены дискеты 5,25 и 3,5 дюйма (133 и 89 мм). Дискеты разме­ром 5,25 дюйма имеют емкость 360 Кбайт и 1,2 Мбайт. Дискеты размером 3,5 дюйма имеют емкость 0,7 и 1,4 Мбайт.

Следующая группа периферийных устройств - устройства ввода и вывода информации. В качестве устройств ввода, начиная с ЭВМ 2 поколения ши­роко используются терминалы.

Терминал - это алфавитно-цифровой монитор в сочетании с блоком клавиатуры. В качестве монитора можно использовать обыкновенный телевизор. На экране монитора изображаются символы, вводимые с блока клавиатуры, который позволяет вво­дить не только русские, латинские и греческие буквы алфавита, но и общепринятые и специальные символы. Терминал можно использовать как для ввода так и для вывода информации, напри­мер, для вывода результатов вычислений. Если объем результатов вычисле­ний достаточно велик или требует сохранения на длительное время, то используют специ­альные печатающие устройства. На больших ЭВМ применяют алфавитно-цифровые печатаю­щие устройства (АЦПУ), где все символы одной строки печатают­ся одновременно. На мини- и микро-ЭВМ используют малогаба­ритные печатающие устройства (принтеры).

Принтер - предназначен для вывода информа­ции на бума­гу. Все принтеры могут выводить текстовую информацию, мно­гие из них могут выводить так же рисунки, графики и цветные рисунки. Как правило, применяются принтеры следующих типов: мат­ричные, струйные, лазерные, светодиодные, термопринтеры и т.д. Принцип печати матричных и точечно-матрич­ных принтеров таков: печатающая головка принтера содержит вертикальный ряд тонких металлических стержней (иголок). Головка движется вдоль печатаемой строки, а стержни в нужный момент ударяют по бу­маге через красящую ленту. Это и обеспечивает формиро­вание на бумаге символов и изображений. В струйных принтерах изображение формируется микрокап­лями специальных чернил, выдувае­мых на бумагу с помощью со­пел. Этот способ печати обеспечивает более высокое качество пе­чати по сравнению с матричными принтерами и очень удобен для цветной печати. Лазерные принтеры обеспечивают в настоящее время наи­лучшее (близкое к типографскому) качество печати. В этих прин­терах для печати использу­ется принцип ксерографии: изображе­ние перено­сится на бумагу со специального барабана, к которо­му электрически притягиваются частички краски. А отличие от обычного ксерокопиро­вального аппарата состоит в том, что печа­тающий барабан электризуется с помощью лазера по командам из компьютера.

Как мы уже упоминали, с появлением БИС стало возможным создание микропроцессоров и микро-ЭВМ (персональных компь­ютеров).

Микропроцессор - это программируемое логиче­ское уст­ройство, выполненное на основе одной или нескольких БИС. Его задача - декодировать команды, вложенной в него про­граммы и реализовать их. Микропроцессоры обладают высокой надежностью и производительностью, малыми размерами и низ­кой стоимостью. Это позволяет встраивать их в устройства само­го различного назначения - от контрольно-измери­тельной аппа­ратуры до бытовых приборов.

Персональный компьютер представляет собой вычислитель­ную систему, включающую микро­процессор, память и устрой­ство ввода-вывода. По своему строению они не имеют принципи­альных отличий от других ЭВМ. Характерной особенностью внутренней организации микро-ЭВМ является то, что их отдельные устройства связанны между собой шинами. Шина представ­ляет собой совокупность линий, по которым передается информация от любого из ее источ­ников к любому из ее приемников. Различают 3 типа шин. По адресной шине информация передается только в одном направлении: от микропроцессора к памяти и устройствам ввода и вывода. Шина данных двунаправлена. Она служит для передачи дан­ных в обоих направле­ниях. В шине управления часть линий является однонаправленны­ми, а часть - двунаправлен­ными.

Центральные устройства являются обязательной частью лю­бой ЭВМ, что касается периферийных устройств, то их наличие определяется потребно­стями пользователя.

Рассмотрим как происходит обработка инфор­мации в ЭВМ.

Центральный процессор имеет доступ только к ОП и в любой момент может прочитать или изменить содержимое любой ячей­ки ОП. Однако емкость ОП невелика и поэтому массивы инфор­мации записываются и хранятся во внешней памяти. ЦП к ВП прямого доступа не имеет, поэтому, чтобы получить информа­цию из ВП, необходимо переписать ее в ОП. Эта операция назы­вается считыванием или выводом из ВП. Таким образом, ВП выс­тупает в роли своеобраз­ного архива или склада информации. В ОП информация обрабатывается, а хранится в ней только во вре­мя работы ЭВМ по данной про­грамме. Использование ЭВМ в медицине перспективно в следующих направлениях:

1. Создание банков информации о состоянии здоровья всех людей данного региона, страны в целом.

2. Обработка медицинской информации.

3. Помощь врачу в диагностике заболевания.

4. Информационно-следящие системы (мони­торы).

5. Создание автоматизированных систем управ­ления здравоох­ранения.

6. Моделирование органов тканей с целью объяснения про­цессов, протекающих в них и создание на этой основе искусст­венных органов (почка, сердце, печень).