В1.История, современное состояние и перспективы развития вычислительной техники. Элементная база, архитектура, сетевая компоновка, производительность.

Абак (прообраз более знакомых нам счетов) — старейшее из известных счетных устройств, использовался в древней Азии еще в 30 веке до н.э. Чертежи первой механической вычислительной машины были созданы итальянским художником, скульптором и изобретателем Леонардо да Винчи в начале XVI в. Первая механическая машина, которая могла складывать числа, была создана в 1624 г. немецким ученым Вильгельмом Шиккардом. Большой вклад в развитие механических вычислительных машин в XVII в. внесли французский математик и философ Блез Паскаль (1642), немецкий философ и математик Готфрид Лейбниц (1674), создавшие свои варианты счетных машин. Английский математик и экономист Чарльз Бэббидж опередил время на десятилетия. Он изобрел первую программируемую вычислительную машину (1822 г.) В 1927 г. создан первый аналоговый компьютер (Массачусетский технологический институт, США). Эра ЭВМ зарождалась в обстановке II й мировой войны, и первые компьютеры использовались в военных целях. В 1946 г. создан американский компьютер ENIAC, в 1953 г. — советская машина БЭСМ. 1958 — год изобретения электронной интегральной микросхемы. Это был крупный технологический прорыв в вычислительной технике. В 1971 г. американская фирма Intel изобрела микропроцессор — интегральную микросхему, объединившую основные функции управления компьютером. Персональный компьютер на основе процессора Intel 8088 (год выпуска 1979) был создан фирмой IBM в 1981 году. Название «персональный компьютер» вскоре стало нарицательным. Началась эра ПК.

Крупным прорывом в вычислительной технике стало развитие технологий компьютерной связи в 60-80-х годах прошлого века. Глобальное распространение сети Internet и её сервиса World Wide Web в 1993-1995 годах коренным образом изменило информационные технологии, современные тенденции которых: интеграция, создание новых видов обслуживания, создание максимальных удобств для конечного пользователя.

Первое поколение ЭВМ. ЭВМ первого поколения обладали небольшим быстродействием в несколько десятков тыс. оп./сек. Начало современной эры использования ЭВМ в нашей стране относят к 1950 году, когда в институте электротехники АН УССР под руководством С.А. Лебедева была создана первая отечественная ЭВМ под названием МЭСМ – Малая Электронная Счетная Машина. Второе поколение ЭВМ – это переход к транзисторной элементной базе, появление первых мини-ЭВМ. Совершенствование и удешевление ЭВМ привели к снижению удельной стоимости машинного времени и вычислительных ресурсов в общей стоимости автоматизированного решения задачи обработки данных, в то же время расходы на разработку программ (т.е. программирование) почти не снижались, а в ряде случаев имели тенденции к росту. Третье поколение ЭВМ. В 70-х годах возникают и развиваются ЭВМ третьего поколения.Данный этап - переход к интегральной элементной базе и создание многомашинных систем, поскольку значительного увеличения быстродействия на базе одной ЭВМ достичь уже не удавалось. Четвертое поколение ЭВМ. С 1980 года начался современный четвертый этап, для которого характерны переход к большим интегральным схемам, создание серий недорогих микро-ЭВМ, разработка суперЭВМ для высокопроизводительных вычислений. Наиболее значительным стало появление персональных ЭВМ, что позволило приблизить ЭВМ к своему конечному пользователю. Компьютеры стали широко использоваться неспециалистами, что потребовало разработки "дружественного" программного обеспечения.

Архитектура вычислительной машины (Архитектура ЭВМ, Computer architecture) — концептуальная структура вычислительной машины.

Компьютер для решения задач имеет стандартный набор устройств - устройства ввода, обработки, вывода информации. Типовой комплект оборудования персонального компьютера: основные и дополнительные устройства.

Рассмотрим архитектуру компьютера на примере персонального компьютера.

Центральный процессор (ЦПУ, CPU) - Выполнение компьютерных программ. Вычисления, принятие логических решений, управление работой устройств компьютера.

Оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ, RAM) - Временное (оперативное) хранение загруженных программ и данных. Объем памяти влияет на быстродействие компьютера

Монитор - Отображение текста, графики и видеоинформации на дисплее.

Клавиатура - Ввод текстовой информации. Управление компьютером.

«Мышь» - Управление компьютером. Ввод графической информации.

Колонки - Вывод звука.

Принтер - Вывод текста и графики на бумагу – распечатывание.

Сканер - Ввод графической информации.

Модем - Связь по компьютерной сети с помощью телефонной линии.

Жесткий диск (винчестер) - Хранение системных и прикладных программ, данных пользователя.

Устройство считывания гибких дисков (дисковод) - Считывание и запись гибких дисков.

Устройство считывания оптических дисков - Считывание и запись лазерных дисков.

Устройство бесперебойного питания - Бесперебойное питание. Контроль напряжения питания и включение аккумулятора при его ухудшении или исчезновении.

Производительность. Единицей измерения производительности компьютера является время: компьютер, выполняющий тот же объем работы за меньшее время, является более быстрым. Время выполнения любой программы измеряется в секундах. Наиболее простой способ определения времени называется астрономическим временем, временем ответа (response time), временем выполнения (execution time) или прошедшим временем (elapsed time). Важной характеристикой, часто публикуемой в отчетах по процессорам, является среднее количество тактов синхронизации на одну команду - CPI (clock cycles per instruction). При известном количестве выполняемых команд в программе этот параметр позволяет быстро оценить время ЦП для данной программы.

Таким образом, производительность ЦП зависит от трех параметров: такта (или частоты) синхронизации, среднего количества тактов на команду и количества выполняемых команд. Когда сравниваются две машины, необходимо рассматривать все три компоненты, чтобы понять относительную производительность.

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭВМ. В структуре ЭВМ выделяют следующие структурные единицы: устройства, узлы, блоки и элементы. Такая детализация соответствует вполне определенным операциям преобразования информации, заложеным в программах пользователей. Нижний уровень обработки реализуют элементы. Каждый элемент предназначается для обработки единичных электрических сигналов, соответствующих битам информации. Узлы обеспечивают одновременную обработку группы сигналов — информационных слов.Блоки реализуют некоторую последовательность в обработке информационных слов — функционально обособленную часть машинных операций (блок выборки команд, блок записи-чтения и др.). Устройства предназначаются для выполнения отдельных машинных операций и их последовательностей.

Все современные вычислительные машины строятся на комплексах (системах) интегральных микросхем (ИС). Электронная микросхема называется интегральной, если ее компоненты и соединения между ними выполнены в едином технологическом цикле, на едином основании и имеют общую герметизацию и защиту от механических воздействий. Каждая микросхема представляет собой миниатюрную электронную схему, сформированную послойно в кристалле полупроводника: кремния, германия и т.д. В состав микропроцессорных набо­ров включаются различные типы микросхем, но все они должны иметь единый тип межмодульных связей, основанный на стандартизации параметров сигналов взаимодействия (амплитуда, полярность, длительность импульсов и т.п.). Основу набора обычно составляют большие интегральные схемы (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС). В ближайшем будущем следует ожидать появления ультрабольших ИС (УБИС). Кроме них обычно используются микросхемы с малой и средней степенью интеграции (СИС). Функционально микросхемы могут соответствовать устройству, узлу или блоку, но каждая из них состоит из комбинации простейших логических элементов, реализующих функции формирования, преобразования, запоминания сигналов и т.д.