На разных этапах развития техники и технологии были приняты различные названия для компьютеров: арифметико-логическое устройство (АЛУ), программируемое электронно-вычислительное устройство (ПЭВМ или ЭВМ), вычислительная машина, компьютер.
Основные принципы построения логической схемы вычислительной машины, изложенные выдающимся математиком Джоном фон Нейманом. Классическая архитектура ЭВМ, построенная по принципу фон Неймана (фон-неймановская архитектура), реализованная в вычислительных машинах первого и второго поколений, содержит следующие основные блоки:
• арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции;
• устройство управления (УУ), которое организует процесс выполнения программ;
• внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), или память, для хранения программ и данных;
• оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
• устройства ввода и вывода информации (УВВ).
Внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в удобном виде компьютеру, но недоступном непосредственного восприятия человеком.
Например, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти;
– устройством ввода является клавиатура;
– устройствами вывода являются монитор и принтер. Причем, если монитор можно отнести к устройствам отображения информации, то принтер - типичное печатающее устройство.
Взаимодействие основных устройств компьютера реализуется в соответствии со следующей последовательностью. В память компьютера вводится программа с помощью какого-либо внешнего устройства. Память компьютера состоит из некоторого количества пронумерованных ячеек. В каждой ячейке могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством - счетчиком команд в УУ.
Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Как правило, после выполнения одной команды устройство управления начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за ячейкой, где содержится только что выполненная команда.
Управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически и может обмениваться информацией с оперативным запоминающим устройством и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода-вывода. Все результаты выполненной программы должны быть ею выведены на внешние устройства компьютера, после чего компьютер переходит к ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств.
Схема устройства современных компьютеров несколько отличается от приведенной ранее. Например, арифметико-логическое устройство и устройство управления объединены в единое устройство - центральный процессор - СРU(Central Processing Unit).
Появление ЭВМ третьего поколения было обусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам. В них не только были значительно уменьшены размеры базовых функциональных узлов, но и появилась возможность существенно повысить быстродействие процессора. При этом возникло противоречие между высокой скоростью обмена информацией внутри ЭВМ и медленной работой устройств ввода-вывода. Решение этой проблемы было найдено посредством освобождения центрального процессора от функций обмена и передачи их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы имели различные названия: каналы обмена, процессоры ввода-вывода, периферийные процессоры, но в последнее время все чаще используется
термин «контроллер внешнего устройства», или «контроллер». Контроллер можно представить как специализированный процессор, управляющий работой какого-либо внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Например, контроллер дисковода (накопителя на гибких магнитных дисках) обеспечивает позиционирование головки, чтение или запись информации. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть в дальнейшем
прочитаны CPU - центральным процессором. CPU в свою очередь выдает задание на выполнение контроллеру. Дальнейший обмен информацией может происходить под руководством контроллера, без участия CPU. Наличие таких интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой ЭВМ третьего и четвертого поколений. Шинная архитектура ЭВМ, содержит интеллектуальные контроллеры (К).
Для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая магистраль - шина, состоящая из трех частей:
–шины данных, по которой передается информация;
–шины адреса, определяющей, куда передаются данные, и шины управления, регулирующей процесс обмена информацией.
Следует отметить, что в некоторых моделях компьютеров шины данных и адреса объединены: на шину сначала выставляется адрес, а потом данные. Сигналы по шине управления определяют, для какой цели используется шина в каждый конкретный момент.
Такая открытость архитектуры ЭВМ позволяет пользователю свободно выбирать состав внешних устройств, т. е. конфигурировать компьютер.
Рассмотрим функции основных и периферийных устройств современного компьютера:
Процессор, или микропроцессор, является основным устройством ЭВМ и представляет собой функционально законченное устройство обработки информации. Он предназначен для выполнения вычислений по хранящейся в запоминающем устройстве программе и обеспечения общего управления ЭВМ. Быстродействие ЭВМ в значительной мере определяется скоростью работы процессора.
Память ЭВМ содержит обрабатываемые данные и выполняемые программы, поступающие через устройство ввода-вывода. Память представляет собой сложную структуру, построенную по иерархическому принципу, состоящую из запоминающих устройств различных типов. Функционально она подразделяется на две части внутреннюю и внешнюю.
Внутренняя память - это запоминающее устройство, напрямую связанное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых программ и данных, непосредственно участвующих в вычислениях. Обращение к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием, но она имеет ограниченный объем, определяемый системой адресации машины. Внутренняя память, в свою очередь, подразделяется на постоянную (ПЗУ) и оперативную (ОЗУ) память.
Постоянная память обеспечивает хранение и выдач у информации. Содержимое постоянной памяти заполняется при изготовлении ЭВМ и не подлежит изменению в обычных условиях эксплуатации. В постоянной памяти хранятся часто используемые (универсальные) программы и данные: некоторые программы операционной системы, программы тестирования оборудования ЭВМ и др. При выключении питания содержимое постоянной памяти сохраняется. Такой вид памяти называется ROM (Read Only Memory -
память только для чтения), или ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). Значительная часть программ, хранящихся в ROM, связана с обслуживанием ввода-вывода, поэтому эту память называют ROM BIOS (Basic Input-Output System - базовая система ввода-вывода).
Оперативная память, по объему составляющая большую часть внутренней памяти, служит для приема, хранения и выдач и информации. При выключении питания содержимое оперативной памяти теряется. Эта память называется «оперативная», поскольку работает очень быстро, так что процессору практически не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в нее.
Оперативная память обозначается RАМ (Random Access Метоrу память с произвольным доступом). Объем установленной в компьютере оперативной памяти определяет, с каким программным обеспечением можно на нем работать. При недостаточном объеме оперативной памяти многие программы либо не будут работать, либо будут работать крайне медленно.
Кэш-память - сверхбыстродействующая память, обеспечивающая ускорение доступа к оперативной памяти на быстродействующих компьютерах. Она располагается «между» микропроцессором и оперативной памятью и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. При обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск данных в кэш-памяти.
Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько- раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные уже содержатся в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается.
CMOS-RA̳M - участок памяти для хранения параметров конфигурации компьютера, называемый так в связи с тем, что эта память обычно выполняется по технологии CMOS, обладающей низким энергопотреблением. Содержимое CMOS-RAМ не изменяется при выключении электропитания компьютера. Эта память располагается на контролере периферии, для электропитания которого используются специальные аккумуляторы. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера Setup.
Видеопамять в IBM РС-совместимых компьютерах - память, используемая для хранения изображения, выводимого на экран монитора. Эта память обычно входит в состав видеоконтроллера - электронной схемы, управляющей выводом изображения на экран монитора.
Внешняя память (ВЗУ) предназначена для размещения больших объемов информации и обмена ею с оперативной памятью. Для построения внешней памяти используют энергонезависимые носители информации (диски и ленты), которые являются переносными.
Емкость этой памяти практически не имеет ограничений, а для обращения к ней требуется больше времени, чем к внутренней. ВЗУ по принципам функционирования подразделяются на устройства прямого доступа (накопители на магнитных и оптических дисках) и устройства последовательного доступа (накопители на магнитных лентах). Устройства прямого доступа обладают большим быстродействием, поэтому они являются основными внешними запоминающими устройствами, постоянно используемыми в процессе функционирования компьютера. Устройства пос- ледовательного доступа используются в основном для длительного хранения информации.
Устройства ввода-вывода (УВВ) служат для обеспечения общения пользователя с ЭВМ и относятся к периферийным, или внешним, устройствам.
Монитор принимает изображение от системного блока. Его экран является рабочим полем.
С помощью клавиатуры в компьютер вводятся любой текст, символы, подаются команды и осуществляется управление работой компьютера.
Мышь - средство управления курсором на экране монитора.
Контроллеры, или адаптеры, служат для управления внешними устройствами, в том числе и ВЗУ.
Сам по себе компьютер не обладает знаниями ни в одной области своего применения, все эти знания сосредоточены в выполняемых на компьютере программах. Программы, работающие на компьютере, можно подразделить на следующие категории.
Системные программы выполняют функции обеспечения нормальной работы компьютера, его обслуживания и настройки. Среди системных программ особое место занимают операционные системы (О С), которые служат для управления компьютером, запуска программ, обеспечения защиты данных, выполнения различных сервисных функций по запросам пользователя и программ.
Каждая ОС состоит как минимум из трех обязательных частей:
–Ядро, или командный интерпретатор, обеспечивает «перевод» с программного языка на язык машинных кодов.
–Драйверы расширяют возможности ОС, позволяя ей работать с тем или иным внешним устройством. Драйверы для различных ОС часто поставляются вместе с новыми устройствами или контроллерами.
–Интерфейс - удобная графическая оболочка, с которой общается пользователь.
Утилиты - комплект полезных программ, предназначенных для улучшения работы компьютера.
Тесты - программы для тестирования как программного обеспечения, так и аппаратных ресурсов, которые иногда относят к утелитам.
Прикладные программы непосредственно обеспечивают выполнение необходимых пользователям работ. Наиболее популярными из прикладных являются офисные программы, посредством которых создаются и редактируются документы в виде текстов, электронных таблиц. В эту группу входят также системы машинного перевода, распознавания текста, графи
ки со сканера; финансовые и бухгалтерские программы, программы для работы с Intemet.
К мультимедийным прикладным программам относятся программы для обработки и создания изображений, работы со звуком, а также проигрыватели (плееры) и программы просмотра (вьюверы). Последние не обеспечивают редактирование звукового файла или видео, но позволяют проиграть музыкальную композицию или вывести на экран изображение.
К группе профессиональных прикладных программ относятся инструментальные системы программирования, обеспечивающие создание новых программ для компьютера; системы автоматизированного проектирования (CAD); редакторы трехмерной графики и анимации, а также специализированные инженерные и научные программы.
КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ
Чтобы судить о возможностях ЭВМ, их принято подразделять на группы по определенным признакам, т. е. классифицировать.
По назначению ЭВМ подразделяются на универсальные; проблемно-ориентированные; специализированные.
Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных задач: экономических, математических, технических, информационных и других, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в мощных вычислительных комплексах.
Проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам. Они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами.
К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы.
Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций.
Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.
К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами.
По габаритным размерам и производительности ЭВМ классифицируются следующим образом:
• сверхпроизводительные ЭВМ и системы (суперЭВМ);
• большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения);
• малые, или мини-ЭВМ;
• микроЭВМ.
Супер ЭВМ - это самые мощные вычислительные системы, существующие в соответствующий исторический период.
К супер ЭВМ относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием более 10 млрд. операций в секунду. Суперкомпьютеры используются для решения сложных и больших научных задач (метеорология, гидродинамика и т.п.), в управлении, разведке, в качестве централизованных хранилищ информации и т. д.
Лидерство в разработке супер ЭВМ принадлежит фирме Cray Research. В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч супер ЭВМ, производительностью несколько десятков тысяч флопсов (MFJOPS - mega-floating point operations per second) - миллион операций с плавающей точкой, которые компьютер теоретически может выполнить за одну секунду.
К суперкомпьютерам часто относят и серверы.
Сервер - мощный компьютер в вычислительных сетях, который обеспечивает обслуживание подключенных к нему компьютеров и выход в другие сети.
В зависимости от назначения определяют следующие типы серверов.
Се р в е р п р ил о ж е н и й обрабатывает запросы от всех станций вычислительной сети и предоставляет им доступ к общим системным ресурсам (базам данных, библиотекам программ, принтерам, факсам и др.).
Файл-сервер применяется для работы с базами данных и использования файлов с информацией.
Архивационный сервер служит для резервного копирования информации в крупных многосервисных сетях. Он использует накопители на магнитной ленте (стриммеры) со сменными картриджами.
Факс -сервер предназначен для организации эффективной многоадресной связи с несколькими факсмодемными платами, со специальной защитой информации от несанкционированного доступа в процессе передачи.
Почтовый сервер выполняет те же функции, что и факссервер, но служит для организации электронной почты, а также для работы с электронными почтовыми ящиками.
Сервер печати и предназначен для эффективного использования системных принтеров.
Сервер телеконференций - компьютер, имеющий программу обслуживания пользователей телеконференциями и новостями.
Компьютер, если установить на нем соответствующее сетевое программное обеспечение, способен стать сервером и одновременно может выполнять несколько функций, например быть почтовым сервером, сервером новостей, сервером приложений и т. д.
Большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения), за рубежом чаще всего называемые мэйнфреймами (Mainframe), исторически появились первыми.
Мейнфреймы и до сегодняшнего дня остаются наиболее мощными (не считая суперкомпьютеров) вычислительными системами бщего назначения, обеспечивающими непрерывный круглосуточный режим эксплуатации. Основными поставщиками мейнфреймов являются известные компьютерные компании IВМ, Amdahl, ICL, Siemens, Nixdorf и некоторые другие, но ведущая роль принадлежит компании IBM.
Основные направления эффективного применения мэйнфреймов - это решение научно-технических задач, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами. Наиболее актуально использование мэйнфреймов в качестве больших серверов вычислительных сетей.
Мини-ЭВМ составляли самый многочисленный и быстро развивающийся класс ЭВМ и отличались малыми габаритными размерами, низкой стоимостью (по сравнению с большими и супер ЭВМ) и универсальными возможностями. Они появились в 1960-е гг. и широко применялись для управления технологическими процессами, создания систем автоматизированного проектирования и гибких производственных систем, для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного проектирования, для моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.
Микро ЭВМ обязаны своим появлением созданию микропроцессора, что не только изменило конструктивно центральную часть ЭВМ, но и привело к необходимости разработки малогабаритных устройств для ее периферийной части. Со временные модели микро ЭВМ имеют несколько микропроцессоров.
Микро ЭВМ получили широкое распространение во всех сферах экономики, промышленности и оборонного комплекса благодаря малым размерам, высокой производительности, повышенной надежности и небольшой стоимости.
Разновидность микр9ЭВМ - микроконтроллер. Это основанное на микропроцессоре специализированное устройство, встраиваемое в систему управления или технологическую линию.
Персональные ЭВМ (ПК) предназначены для индивидуального обслуживания пользователя и ориентированы на решение различных задач неспециалистами в области вычислительной техники, т. е. для поддержки различных видов профессиональной деятельности (инженерной, административной, производственной, литературной, финансовой), а также в быту, например, для. обучения и досуга. На основе персональных компьютеров создаются автоматизированные рабочие места (АРМ) для представителей разных профессий: конструкторов, дизайнеров, технологов, менеджеров.
По конструктивным особенностям ПК подразделяются следующим образом: стационарные (настольные, Desktop);
портативные;
блокнотные (Notebook);
карманные (Palmtop).
Портативные компьютеры обычно нужны руководителям предприятий, менеджерам, ученым, журналистам, которым приходится работать вне офиса. Системный блок, монитор и клавиатура портативных ПК размещены в одном корпусе.
Notebook (блокнот, записная книжка), или laptop (наколенник), по основным характеристикам (быстродействие, память) примерно соответствует настольным ПК.
Palmtop (наладонник), или КПК (карманный персональный компьютер), - самые миниатюрные современные персональные компьютеры, которые умещаются на ладони. Карманные модели называют «интеллектуальными» записными книжками, которые позволяют хранить оперативные данные, получать к ним быстрый доступ, решать определенный круг задач: набирать текст с помощью специального пера прямо на экране, составлять несложные
электронные таблицы, отправлять электронную почту.
По аппаратной совместимости, т. е. по совместимости набора электронных устройств, обеспечивающих функционирование, ПК подразделяются на IBM РС совместимые и Applе Macintosh.
С целью регулирования процесса развития и совершенствования аппаратных средств ПК, обеспечения совместимости с операционными системами корпорации Microsoft, Inte l, Compaq начиная с 1997 г. разработали спецификации РС97, РС98, РС99, РС2001. Данные спецификации описывают архитеу, набор устройств и требования к ним, функции BIOS, конструкцию и тип корпуса ПК и, по сути, являются руководством для разработчиков аппаратных средств.
Согласно спецификациям на рынке компьютеров системы РС классифицируются следующим образом.
С о n s и m е r Р С - ПК для домашнего использования, предназначенный для развлечений и игр, а также ПК, используемый в малом или домашнем офисе, - Small Office/Home Office (SOHO).
О f f i се Р С -ПК для корпоративного применения, отличающийся от Consumer РС меньшей стоимостью и возможностью работать в локальной сети.
W о r k s t а t i о n - рабочая станция, используемая для работы с ресурсоемкими приложениями: системами автоматического проектирования, моделирования, банковскими программами, сложными издательскими системами.
Mobile РС - мобильный ПК.
Е n t е r t а i n m е n t Р С - мультимедийный ПК, ориентированный на игры с 20/ЗD-rрафикой и звуковым сопровождением; работу в Intemet; обеспечение персональной связи (электронная почта, видеотелефонная связь); интерактивное телевидение с большим разрешением. Кроме того, мультимедийный ПК может быть использован в звуковой системе домашнего кинотеатра; для игр и просмотра DVD-фильмов; в качестве источника видеосигнала для оцифровки изображения видеомагнитофона, для редактирования и последующего воспроизведения видеосюжета на ПК.
Каждая из категорий ПК должна соответствовать базовому набору характеристик персонального компьютера, установленному в соответствующей спецификации.