Развитие элементной базы и компьютеров

Элементная база компьютера и основные характеристики.

Описание занятия

1. Прочитать и законспектировать теоретическую часть.

2. Выполнить контрольные задания.

3. Ответить на контрольные вопросы.

4. Полученные результаты отправить на электронный адрес radaev1964@gmail.com (или в личку VK)

Теоретические сведения:

Развитие элементной базы и компьютеров

1-е поколение (с середины 40-х годов). Элементная база – электронные лампы. ЭВМ отличаются большими габаритами, большим потреблением энергии, малой скоростью действия, низкой надежностью, программирование ведется в кодах.

2-е поколение (с конца 50-х годов). Элементная база – полупроводниковые элементы. По сравнению с ЭВМ предыдущего поколения улучшены все технические характеристики. Для программирования используются алгоритмические языки.

3-е поколение (с середины 60-х годов). Элементная база – интегральные схемы, многослойный печатный монтаж. Резкое снижение габаритов ЭВМ, повышение их надежности, увеличение производительности. Доступ с удаленных терминалов.

4-е поколение (с конца 70-х годов по настоящее время). Элементная база – микропроцессоры, большие интегральные схемы. Улучшены технические характеристики. Массовый выпуск персональных компьютеров. Направления развития – мощные многопроцессорные вычислительные системы с высокой производительностью; создание дешевых микро ЭВМ. Опытные разработки интеллектуальных компьютеров. Внедрение во все сферы компьютерных сетей и их объединение, распределенная обработка данных, повсеместное использование компьютерных информационных технологий.

5-е поколение (пока только разработки с конца 90-х годов по настоящее время). Квантовый процессор и квантовый компьютер. Элементная база – Сверхпроводящие элементы (джозефсоновские переходы, СКВИДы и др.). В качестве логических кубитов используются присутствие/отсутствие куперовской пары в определённой пространственной области. Управление: внешний потенциал/магнитный поток. Пока в лидерах корпорация IBM опытным образцом квантового компьютера IBM Q System One (2019г), мощность системы — 20 кубитов, одновременное число связанных кубитов не превышает 6.

Так, пользователю ЭВМ безразлично, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемно или программно реализуются команды и т.д. Важно другое: как те или иные структурные особенности ЭВМ связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю, какие альтернативы реализованы при создании машины и по каким критериям принимались решения, как связаны между собой характеристики отдельных устройств, входящих в состав ЭВМ, и какое влияние они оказывают на общие характеристики машины. Иными словами, архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, относящихся к общему проектированию и построению вычислительных машин и их программного обеспечения.

2. Основные компоненты архитектуры ЭВМ

Основные компоненты архитектуры ЭВМ можно представить в виде схемы, показанной на рисунке 07.1.

Рисунок 07.1 – Основные компоненты архитектуры ЭВМ

3. Критерии классификации ЭВМ

Номенклатура видов компьютеров сегодня огромная: машины различаются по назначению, мощности, размерам, элементной базе и т.д. Поэтому классифицируют ЭВМ по разным признакам. Следует заметить, что любая классификация является в некоторой мере условной, поскольку развитие компьютерной науки и техники настолько бурное, что, например, сегодняшняя микроЭВМ не уступает по мощности более ранним мини-ЭВМ и даже суперкомпьютерам недавнего прошлого. Кроме того, зачисление компьютеров к определенному классу довольно условно через нечеткость разделения групп, так и вследствие внедрения в практику заказной сборки компьютеров, где номенклатуру узлов и конкретные модели адаптируют к требованиям заказчика. Наиболее распространенными критериями классификации ЭВМ являются:

· классификация по назначению;

· классификация по уровню специализации;

· классификация по размеру;

· классификация по совместимости;

· классификация Флинна.

4. Классификация ЭВМ по назначению

По назначению различают:

· большие ЭВМ;

· мини-ЭВМ;

· микро-ЭВМ;

· персональные компьютеры.

Рассмотрим наш вариант - персональные компьютеры.

Персональные компьютеры (ПК) приобрели бурное развитие в последние 30 лет. Персональный компьютер предназначен для обслуживания одного рабочего места и способен удовлетворить потребности малых предприятий и отдельных лиц. С появлением сети «Интернет» популярность ПК значительно возросла, поскольку с помощью персонального компьютера можно пользоваться научной, справочной, учебной и развлекательной информацией. Персональные компьютеры условно можно поделить на профессиональные и бытовые, но в связи с удешевлением аппаратного обеспечения, грань между ними размывается. С 1999 года введен международный сертификационный стандарт – спецификация РС99:

· массовый персональный компьютер (Consumer PC);

· деловой персональный компьютер (Office PC);

· портативный персональный компьютер (Mobile PC);

· рабочая станция (WorkStation);

· развлекательный персональный компьютер (Entertaiment PC).

Большинство персональных компьютеров на рынке подпадают до категории массовых ПК. Деловые ПК имеют минимум средств воспроизведения графики и звука. Портативные ПК отличаются наличием средств коммуникации отдаленного доступа (компьютерная связь). Рабочие станции – увеличенные требования к устройствам хранения данных. Развлекательные ПК – основной акцент на средствах воспроизведения графики и звука.

5. Классификация ЭВМ по уровню специализации

По уровню специализации различают:

· универсальные ЭВМ;

· специализированные ЭВМ.

На базе универсальных ЭВМ можно создать любую конфигурацию для работы с графикой, текстом, музыкой, видео и т.п. Специализированные ЭВМ созданы для решения конкретных задач, в частности, бортовые ЭВМ в самолетах и автомобилях. Специализированные ЭВМ для работы с графикой (кино- видеофильмы, реклама) называются графическими станциями. Специализированные ЭВМ, объединяющие ЭВМ в единую сеть, называются файловыми серверами. ЭВМ, обеспечивающие передачу информации через «Интернет», называются сетевыми серверами.

6. Классификация ЭВМ по размеру

По размеру различают:

· настольные ЭВМ (desktop);

· портативные ЭВМ (notebook);

· карманные ЭВМ (palmtop).

Наиболее распространенными являются настольные ЭВМ, которые позволяют легко изменять конфигурацию. Портативные удобны для пользования, имеют средства компьютерной связи. Карманные модели можно назвать "интеллектуальными" записными книжками, разрешают хранить оперативные данные и получать к ним быстрый доступ.

7. Классификация ЭВМ по совместимости

Существует великое множество типов ЭВМ, которые собираются из деталей, изготовленных разными производителями. Важным является совместимость обеспечения ЭВМ:

· аппаратная совместимость (платформа IBM PC, Apple Macintosh или др.);

· совместимость на уровне операционной системы;

· программная совместимость;

· совместимость на уровне данных.

8. Классификация Флинна

Наряду с приведенной классификацией, существует классификация Флинна. В ее основу положено описание работы компьютера с потоком команд и потоком данных. По Флинну принято классифицировать все возможные архитектуры ЭВМ на четыре категории:

1. SISD (Single Instruction Stream - Single Data Stream) – один поток команд и один поток данных.

2. SIMD (Single Instruction Stream - Multiple Data Stream) – один поток команд и множество потоков данных.

3. MISD (Multiple Instruction Stream - Single Data Stream) – множество потоков команд и один поток данных.

4. MIMD (Multiple Instruction Stream - Multiple Data Stream) – множество потоков команд и множество потоков данных.

9. Организация функционирования ЭВМ

Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки информации, называют вычислительной техникой. Конкретный набор, связанных между собою устройств, называют вычислительной системой. Центральным устройством большинства вычислительных систем ЭВМ.

ЭВМ – это электронное устройство, которое выполняет операции ввода информации, хранения и обработки ее по определенной программе, вывод полученных результатов в форме, пригодной для восприятия человеком. За любую из названных операций отвечают специальные блоки ЭВМ:

· процессор;

· постоянная память;

· оперативная память;

· периферийные устройства.

Аппаратные средства ЭВМ построены по иерархическому принципу, т.к. все эти блоки состоят из отдельных меньших устройств.

10. Принципы Фон Неймана

Все современные вычислительные машины построены по принципам и имеют структуру, предложенную еще в 40–х годах академиком Джоном Фон Нейманом.

Принципы Фон Неймана можно сформулировать следующим образом:

· вычислительная машина конструктивно делится на ряд устройств: процессор, запоминающее устройство (для хранения программ и данных), устройство ввода–вывода и т.д.;

· наличие хранимой в памяти программы;

· одинаковое представление чисел и команд в виде двоичных кодов;

· принцип программного управления процессом вычислений;

· естественный порядок выборки команд (команды выполняются последовательно, так как они хранятся в памяти; изменение порядка выполнения команд, при необходимости, осуществляется специальными командами перехода).

11. Типовая архитектура ЭВМ

Согласно первому принципу Фон Неймана ЭВМ состоит из ряда устройств, взаимодействующих друг с другом в процессе решения задачи. Рассмотрим кратко основные устройства и их функции (см. рисунок 11.1).

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения предусмотренных в ЭВМ арифметических и логических операций. Участвующие в операциях данные выбираются из ОЗУ, результаты операций отсылаются в ОЗУ. Для ускорения выборки операндов (данных, участвующих в операциях) АЛУ может снабжаться собственной местной памятью (сверхоперативным запоминающим устройством – СОЗУ) на небольшое число данных (в сравнении с ОЗУ), но обладающей быстродействием, превышающим быстродействие ОЗУ. При этом результаты операций, если они участвуют в последующих операциях, могут не отсылаться в ОЗУ, а храниться в СОЗУ. Оперативная память вместе с СОЗУ представляет собой единый массив памяти, непосредственно доступный процессору для записи и чтения данных, а также считывания программного кода. К настоящему времени для оптимизации работы созданы процессоры с несколькими уровнями (от одного до трех) кэширования ОЗУ (несколькими СОЗУ).

Рисунок 11.1 – Типовая архитектура ЭВМ

Устройство управления (УУ) – координирует работу процессора, посылая в определенной временной последовательности управляющие сигналы в устройства ЭВМ, обеспечивая их соответствующее функционирование и взаимодействие друг с другом.

Оперативная память (ОЗУ) – реализуется, как правило, на модулях (микросхемах) динамической памяти. ОЗУ служит для хранения программы, исходных данных задачи, промежуточных и конечных результатов решения задачи.

Память ЭВМ к настоящему времени приобрела довольно сложную структуру и "расползлась" по многим компонентам. Кроме оперативной, память включает также и постоянную (ПЗУ), из которой можно только считывать команды и данные, и некоторые виды специальной памяти (например, видеопамять графического адаптера). Вся эта память вместе с оперативной располагается в едином пространстве с линейной адресацией. В любом компьютере обязательно есть постоянная память, в которой хранится программа начального запуска компьютера и минимальный необходимый набор сервисов (например: ROM BIOS).

Все узлы ЭВМ не входящие в ядро называются периферийными. Они обеспечивают расширение возможностей ЭВМ, облегчают пользование ими. В состав периферийных (внешних) устройств могут входить следующие узлы.

Внешняя память (устройства хранения данных, например, дисковые) – память, имеющая относительно невысокое быстродействие, но по сравнению с ОЗУ существенно более высокую емкость. Внешняя память предназначена для записи данных с целью последующего считывания (возможно, и на другом компьютере). От рассмотренной выше памяти, называемой также внутренней, устройства хранения отличаются тем, что процессор не имеет непосредственного доступа к данным по линейному адресу. Доступ к данным на устройствах хранения выполняется с помощью специальных программ, обращающихся к контроллерам этих устройств. В силу того, что быстродействие внешней памяти значительно ниже быстродействия АЛУ, последнее в процессе работы взаимодействует лишь с ОЗУ, получая из него команды и данные, отсылая в эту память результаты операций. Часто при решении сложных задач емкость ОЗУ оказывается недостаточной. В этих случаях в процессе решения задач данные определенными порциями могут пересылаться из внешней памяти в ОЗУ, откуда они затем выбираются для обработки в АЛУ.

Устройства ввода/вывода (УВВ) служат для преобразования информации из внутреннего представления в компьютере (биты и байты) в форму, доступную окружающим, и обратно. Под окружающими понимаем как людей, так и другие машины (например технологическое оборудование, которым управляет компьютер). К устройствам ввода относятся клавиатура, мышь, джойстик, микрофон, сканер, видеокамера, различные датчики; к устройствам вывода – дисплей, принтер, плоттер, акустические системы (наушники), исполнительные механизмы. Список устройств ввода/вывода безграничен – благодаря техническому прогрессу в него входят все новые и новые устройства. Устройства хранения к УВВ относить некорректно, поскольку здесь преобразования информации ради доступности внешнему миру не происходит. Устройства хранения вместе с УВВ можно объединить общим понятием периферийные устройства. Существует еще большой класс коммуникационных устройств, предназначенных для передачи информации между компьютерами и (или) их частями. Эти устройства обеспечивают, например, соединение компьютеров в локальные сети или подключение терминала (это УВВ) к компьютеру через пару модемов. Периферийные и коммуникационные устройства снабжаются контроллерами или адаптерами, которые доступны процессору.

Задание. Ответьте на контрольные вопросы:

1. Что являлось элементной базой 1 и 2 поколения ПК?

2. Что являлось элементной базой 3 и 4 поколения ПК?

3. Перечислите основные компоненты архитектуры ЭВМ

4. Перечислите разновидности персональных компьютеров.