Выделение информатики как самостоятельной области человеческой деятельности в первую очередь связано с развитием компьютерной техники.
Компьютер – «вычислитель», т.е. устройство для вычислений. Принципиальное отличие компьютеров от арифмометров и других счетных устройств состоит в том, что арифмометры могут выполнять лишь отдельные операции (сложение, вычитание и т.д.), а компьютеры позволяют производить без участия человека сложные последовательности вычислительных операций по заранее заданной инструкции – программе. Кроме того для хранения данных компьютеры содержат память.
История компьютера тесным образом связана с попытками человека облегчить автоматизировать большие объёмы вычислений. Даже простые арифметические операции с большими числами затруднительны для человеческого мозга. Поэтому уже в древности появилось простейшее счётное устройство-абак. В семнадцатом веке была изобретена логарифмическая линейка, облегчающая сложные математические расчёты. В 1642 году Блез Паскаль сконструировал восьмиразрядный суммирующий механизм. Два столетия спустя в 1820 француз Шаль де Кальмар создал арифмометр, способный производить умножение и деление. Этот прибор прочно занял своё место на бухгалтерских столах.
Все основные идеи, которые лежат в основе работы компьютеров, были изложены ещё в 1833 английским математиком Чарльзом Бэббиджем. Он разработал проект машины для выполнения научных и технических расчётов, где предугадал устройства современного компьютера, а также его задачи. Для ввода и вывода данных Бэббидж предлагал использовать перфокарты-листы из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий. В то время перфокарты использовались в текстильной промышленности. Управление такой машиной должно было осуществляться программным путём.
Идеи Бэббиджа стали реально выполняться в жизнь в конце 19 века. В 1888 американский инженер Герман Холлерит сконструировал первую электромеханическую счётную машину. Эта машина, названная табулятором, могла считывать и сортировать статистические записи, закодированные на перфокартах. В 1890 изобретение Холлерита было использовано в 11-ой американской переписи населения. Работу, которую 500 сотрудников выполняли в течении семи лет, Холлерит с 43 помощниками на 43 табуляторах выполнил за один месяц.
В 1896 Герман Холлерит создал фирму COMPUTING TOBULATING RECORDING COMPANY, которая стала основой для будущей компании IBM (International Business Machines Corporation), внёсшей гигантский вклад в развитие мировой компьютерной техники.
В 40-х годах XX в. сразу несколько групп исследователей повторили попытку Беббиджа. Так, в США в 1943 г. на одном из предприятий фирмы IBM Говарт Эйкен создал компьютер под названием “Марк – 1”, который работал на базе электромеханических реле. Это был монстр весом в 35 тонн.
«Марк-1» был основан на использовании электромеханических реле и оперировал десятичными числами, закодированными на перфоленте. Машина могла манипулировать числами длинной до 23 разрядов. Для перемножения двух 23-разрядных чисел ей было необходимо 4 секунды.
Но электромеханические реле работали недостаточно быстро, поэтому в это же время группа специалистов под руководством Джона Мочли и Преспера Экерта начала конструировать компьютер ENIAK на основе электронных ламп, который работал в тысячу раз быстрее, чем “Марк – 1”. Её вес составлял 30 тонн, она требовала для размещения 170 квадратных метров площади. Вместо тысяч электромеханических деталей ENIAC содержал 18000 электронных ламп. Считала машина в двоичной системе и производила 5000 операций сложения или 300 операций умножения в секунду.
В 1945 году к работе был привлечен математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этом компьютере. В своем докладе фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования компьютеров.
И до сих пор подавляющее большинство компьютеров сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 г. Джон фон Нейман:
Принцип программного управления . Обработка данных производится в соответствии с заранее составленной программой.
Принцип дискретности представления и преобразования информации . Информация в ЗУ представляется в виде двоичных слов, а работа машины состоит из последовательности отдельных действий.
Принцип адресности . Для обозначения слов, хранящихся в памяти используются адреса – тоже двоичные слова, обозначающие номера соответствующих ячеек памяти.
Принцип единства команд и данных (операндов). Одно и то же машинное слово может являться и командой и операндом. Выполняемая словом функция зависит от того, где оно размещается управляющей программой.
Принцип обратной связи . При получении определенных сигналов порядок выполнения команд может быть изменен.
Машины на электронных лампах работали существенно быстрее, но сами электронные лампы часто выходили из строя. Для их замены в 1947 американцы Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Брэдфорд Шокли предложили использовать изобретённые ими стабильные переключающие полупроводниковые элементы-транзисторы. Использование транзисторов в качестве элементной базы компьютеров позволило во много раз уменьшить размеры ЭВМ. Так, если компьютеры, созданные на основе электронных ламп занимали огромные залы, то первый мини-компьютер, выпущенный фирмой Digital Equpment в 1965 г. был размером с холодильник.
Совершенствование первых образцов вычислительных машин привело в 1951 к созданию компьютера UNIVAC стал первым серийно выпускавшимся компьютером, а его первый экземпляр был передан в Бюро переписи населения США.
С активным внедрением транзисторов в 1950-х годах связано рождение второго поколения компьютеров. Один транзистор был способен заменить 40 электронных ламп. В результате быстродействие машин возросло в 10 раз при существенном уменьшении веса и размеров. В компьютерах стали применять запоминающие устройства из магнитных сердечников, способные хранить большой объём информации.
В 1959 были изобретены интегральные микросхемы (чипы),в которых все электронные компоненты вместе с проводниками помещались внутри кремниевой пластинки. Применение чипов в компьютерах позволяет сократить пути прохождения тока при переключениях, и скорость вычислений повышается в десятки раз. Существенно уменьшаются габариты машин. Появление чипа знаменовало собой рождение третьего поколения компьютеров.
К началу 1960-х годов компьютеры нашли широкое применение для обработки большого количества статистических данных, производства научных расчётов, решения оборонных задач, создания автоматизированных систем управления. Высокая цена, сложность и дороговизна обслуживания больших вычислительных машин ограничивали их использование во многих сферах. Однако процесс миниатюризации компьютера позволил в 1965 американской фирме DIGITAL EQUIPMENT выпустить миникомпьютер PDP-8 ценой в 20 тысяч долларов, что сделало компьютер доступным для средних и мелких коммерческих компаний.
В 1970 году был сделан еще один важный шаг на пути к персональному компьютеру. Сотрудник компании INTEL Эдвард Хофф создал первый микропроцессор, разместив несколько интегральных микросхем на одном кремниевом кристалле. Интегральная схема была аналогична по своим функциям центральному процессору большого компьютера. Так появился первый микропроцессор Intel-4004, размер которого не превышал 3 см.
В 1974 г. сразу несколько фирм объявили о создании на основе микропроцессора Intel-8008 персонального компьютера, т.е. устройства, выполняющего те же функции, что и большой компьютер, но рассчитанного на одного пользователя.
Важный вклад в развитие компьютеров был сделан фирмой IBM. В 1981 г. IBM выпустила компьютер IBM PC, в основу конструкции которого был заложен принцип открытой архитектуры. Фирма IBM не сделала свой компьютер единым неразъемным устройством и не стала защищать его конструкцию патентами. Наоборот, она собрала компьютер из независимо изготовленных частей и не стала держать спецификации этих частей и способы их соединения в секрете. Это привело к тому, что многие фирмы перестали довольствоваться ролью производителей комплектующих для IBM PC и начали сами собирать компьютеры совместимые с IBM PC. Пользователи получили возможность самостоятельно модернизировать свои компьютеры и оснащать их дополнительными устройствами. Конкуренция производителей IBM PC-совместимых компьютеров привела к удешевлению и стремительному улучшению их характеристик, росту популярности IBM PC-совместимых компьютеров.
Несмотря на то, что IBM PC-совместимые персональные компьютеры являются наиболее широко используемым видом компьютеров, их возможности по обработке информации все же ограничены и не во всех ситуациях их применение оправдано. Помимо IBM PC-совместимых персональных компьютеров существуют:
Супер-ЭВМ – это компьютеры, предназначенные для решения задач, требующих громадных объемов вычислений. Основные потребители супер-ЭВМ – военные, метеорологи, геологи и многие прочие ученые.
Мэйнфреймы или большие ЭВМ, созданные для обработки больших объемов информации. Отличаются исключительной надежностью, высоким быстродействием и очень большой пропускной способностью каналов ввода-вывода. К ним могут подключаться тысячи терминалов.
Мини-ЭВМ – это компьютеры, занимающие промежуточное положение между персональными компьютерами и мэйнфреймами.
Компьютеры типа Macintosh – это единственный сколько-либо распространенный вид персональных компьютеров, не совместимый с IBM PC.
Карманные компьютеры или личные электронные помощники – это небольшие компьютеры весом около 300-500 грамм.
Бытовые компьютеры , которые встроены в различные бытовые приборы и устройства, например, стиральную машину и т.д.
ЭВМ и микропроцессор
Электронная вычислительная машина (ЭВМ ) – это устройство, выполняющее операции ввода данных, их обработку по программе, вывод результатов обработки в форме, пригодной для восприятия человеком.
В составе ЭВМ можно выделить устройства ввода информации (клавиатура, мышка, …), арифметико-логическое устройство (АЛУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), устройство управления (УУ), устройства вывода информации (экран дисплея, принтер, …) .
АЛУ осуществляет непосредственную обработку данных: сложение двух чисел, умножение одного числа на другое, перенос информации из одного места в другое. УУ координирует взаимодействие всех устройств ЭВМ. ОЗУ предназначено для записи, считывания и временного хранения программ (при выключении компьютера, информация в ОЗУ стирается), исходных данных, промежуточных и окончательных результатов. Доступ к элементам памяти прямой. Все ячейки памяти объединены в группы по 8 бит (1 байт) и каждая такая группа имеет адрес, по которому к ней можно обратиться.
Первая миниатюрная ЭВМ, размещенная в одной сверхбольшой интегральной схеме (СБИС) на кристалле кремния, была разработана и выпущена в 1971 г. фирмой Intel (США). Такая СБИС была названа микропроцессором (МП) типа i8008. В этой схеме содержалось несколько тысяч активных элементов (транзисторов), реализующих принципиальную схему ЭВМ (АЛУ, УУ, ОЗУ).
Количество таких активных элементов в кристалле МП называется его степенью интеграции . Вместе с величиной тактовой частоты , разрядностью и адресным пространством они определяют основные параметры МП .
Тактовая частота МП характеризует его быстродействие. Она задается микросхемой, которая называется генератором тактовой частоты. Современные МП имеют тактовую частоту до двух и более ГигаГерц (ГГц).
Разрядность МП – это число одновременно обрабатываемых МП битов (8, 16, 32, 64 бит). Чем больше разрядность МП, тем больше информации он может обработать в единицу времени, тем выше его эффективность.
Максимальное количество памяти, которое МП может обслужить, называется его адресным пространством . Определяется адресное пространство разрядностью адресной шины.
Сегодня принято делить МП по особенностям их архитектуры на следующие 4 группы . RISC – это высокоскоростные МП с сокращенным набором команд. Их основные производители фирмы Sun, DEC, HP, IBM. CISC – это МП со сложным набором команд. К ним относятся все МП х86, Pentium, Pentium Pro, Pentium II, III, 4. Их основные производители фирмы Intel, AMD. VLIW – это МП со сверхдлинным командным словом (Intel Itanium). EPIC – это МП вычислений с "явным параллелизмом" (Intel Itanium).
Персональная ЭВМ, центральным устройством которой является микропроцессор, называется персональным компьютером. Т.е. персональный компьютер (ПК) - это ЭВМ, реализованная на базе микропроцессорной техники и ориентированная на личное использование человеком.
2. Классификация современных компьютеров
В литературе предложен вариант деления современных компьютеров на следующие категории.
1) Карманные ПК гораздо проще ПК других категорий, однако в комплекте с сотовым телефоном, факс-модемом и принтером они могут представлять полноценное оборудование мобильного офиса. OС Windows CE. ОЗУ не менее 4 Мб. Связь с настольными ПК - беспроводная инфракрасная. Вес около 200 гр. Батареи работают около 10 часов без подзарядки.
2) Ноутбуки являются полноценными ПК. Для них используются мобильные МП Intel Сeleron/Pentium III/IV и SVGA-дисплеи. ОС - Windows 2000. Имеются приводы CD-ROM или DVD-ROM. Масса 3-4 кг. Толщина - 5 см.
3) ПК для сферы автоматизации домашнего хозяйства (Home PC ) появились относительно недавно (в 1998 г.). Развиваются две линии таких ПК. Первая – это eHome (разработка фирмы MicroSoft) для управление электроникой дома (холодильник, стиральная машина, кондиционер), для работы с игровой приставкой и просмотра Интернет-страниц. Вторая – это беспроводной ПК (разработка фирмы Intel). Обеспечивается связь ПК с телевизором или со стерео-системой по беспроводной сети.
4) Базовые настольные ПК являются самыми распространенными. С 2002 г. в их основе микропроцессор Intel Pentium 4.
В спецификации РС 99 (это рекомендации Intel и MicroSoft) предложено ПК 2000-го года делить на категории : Consumer PC (потребительский ПК), Office PC (ПК для офиса), Entertainment PC (ПК развлекательного назначения), Mobile PC (мобильный ПК), Workstation PC (рабочая станция).
Спецификация РС 2001 (также разработана фирмами Intel и MicroSoft) содержит требования к ПК:
В ПК не должно быть ISA слотов, PS/2 портов, 1,2/1,44 Мбайт дисководов и MS-DOS.
Обязательна поддержка шины USB, т.к. все клавиатуры, мыши, джойстики должны иметь USB интерфейс.
Процессор от 500 МГц (рабочая станция - от 700 МГц).
КЭШ от 128 Кбайт (рабочая станция - от 512 Кбайт).
Память от 64 Мбайт (рабочая станция - от 128 Мбайт).
Система должна контролировать встроенный вентиллятор.
Видео в формате не менее 1024*768 пикселей (при частоте регенерации не ниже 85 Гц).
Аудиоподсистема должна поддерживать 2 ключевых формата 44,1 48 КГц, не загружая МП более чем на 10%.
Накопители CD-ROM должны работать со скоростью 8х или более высокой.
Если есть DVD-ROM, то он должен воспроизводить DVD-RАM, DVD+RW диски, а также все форматы CD-ROM дисков.
Приветствуется ASDN, ADSL и адаптеры беспроводной связи.
Спецификация ПК для Windows XP требует:
ОЗУ 128 Мб, видеопамять 64 Мб, загрузка ПК быстрее 30 с, выход из состояния временного отключения за 20 с.
НЖМД не менее 40 Гб.
Магнитооптические накопители CD-R/W, DVD и комбинированные.
В системе должно быть 4 порта USB.
Графическая подсистема 1024*768 (но лучше 1280*1024).
Иметь цифровой интерфейсный разъем DVI для ЖК-мониторов.
Иметь сетевой Ethernet адаптер 10/100, встроенный DSL или кабельный модем.
Шум от ПК не выше 37 db.
5) Сетевые ПК продвигаются фирмами Sun, IBM, Oracle, а также Intel, MicroSoft и HP. Такие ПК, как правило, не имеют жесткого диска и зависят от дисковой памяти сервера. Они имеют низкую стоимость. Часто - это запечатанный ПК без возможности установки плат расширения.
6) Высокопроизводительные настольные ПК и серверы начального уровня являются более дорогими устройствами. Они предназначены для пользователей настольных издательских систем, где нужно работать со сложной графикой. Они обычно имеют корпус миди-тауэр с большим количеством разъемов расширения. Могут поддерживать несколько накопителей. Имеют большую кэш-память. Их главное качество – надежность и отказоустойчивость.
7) Многопроцессорные рабочие станции и серверы высокого уровня имеют от двух до восьми производительных процессоров. Для них важно понятие "масштабируемости" – т.е. возможность наращивания количества процессоров, модулей памяти и других ресурсов для выполнения практических задач более высокого уровня.
8) Суперкомпьютеры предназначены для научных исследований, для метеорологии, аэродинамики, сейсмологии, атомной и ядерной физики, математическое моделирование и т.п. Производительность и цена этих компьютеров огромные.
9) Кластерная система – это объединение компьютеров, являющееся единым целым для ОС, системного ПО, прикладных программ и пользователей. Они обеспечивают высокую степень отказоустойчивости и в то же время эти системы дешевле чем суперкомпьютеры.
Выбор персонального компьютера (ПК) для решения прикладных задач – это серьезная задача. Обычно она не имеет однозначного решения и во многом зависит от предполагаемой сферы применения ПК (класса решаемых прикладных задач).
Например, для компьютерного контроля знаний студентов можно сформулировать следующие требования к оборудованию в современном компьютерном классе.
1) Оснащение персональных компьютеров русской версией Windows 2000/XP.
2) Наличие выхода в Интернет (достаточно иметь один выход на все классы для передачи файлов с протоколами через Интернет на сервер университета).
3) Наличие в классе одного компьютера со звуковой картой и с колонками для субтеста "Аудирование" при тестировании по английскому языку, по русскому языку как иностранному и т.п.
4) Специальные требования к дополнительному оборудованию в классе (фальшпанели, видеокамера, панорамное стекло и др.), связанные со спецификой процедуры компьютерного тестирования и с необходимостью обеспечить информационную безопасность.
Компьютерная грамотность предполагает наличие представления о пяти поколениях ЭВМ, которое Вы получите после ознакомления с данной статьей.
Когда говорят о поколениях, то в первую очередь говорят об историческом портрете электронно-вычислительных машин (ЭВМ).
Фотографии в фотоальбоме по истечении определенного срока показывают, как изменился во времени один и тот же человек. Точно так же поколения ЭВМ представляют серию портретов вычислительной техники на разных этапах ее развития.
Всю историю развития электронно-вычислительной техники принято делить на поколения. Смены поколений чаще всего были связаны со сменой элементной базы ЭВМ, с прогрессом электронной техники. Это всегда приводило к росту быстродействия и увеличению объема памяти. Кроме этого, как правило, происходили изменения в архитектуре ЭВМ, расширялся круг задач, решаемых на ЭВМ, менялся способ взаимодействия между пользователем и компьютером.
ЭВМ первого поколения
Онибыли ламповыми машинами 50-х годов. Их элементной базой были электровакуумные лампы. Эти ЭВМ были весьма громоздкими сооружениями, содержавшими в себе тысячи ламп, занимавшими иногда сотни квадратных метров территории, потреблявшими электроэнергию в сотни киловатт.
Например, одна из первых ЭВМ – представляла собой огромный по объему агрегат длиной более 30 метров, содержала 18 тысяч электровакуумных ламп и потребляла около 150 киловатт электроэнергии.
Для ввода программ и данных применялись перфоленты и перфокарты. Не было монитора, клавиатуры и мышки. Использовались эти машины, главным образом, для инженерных и научных расчетов, не связанных с переработкой больших объемов данных. В 1949 году в США был создан первый полупроводниковый прибор, заменяющий электронную лампу. Он получил название транзистор .
ЭВМ второго поколения
Транзисторы
В 60-х годах транзисторы стали элементной базой для ЭВМ второго поколения. Машины стали компактнее, надежнее, менее энергоемкими. Возросло быстродействие и объем внутренней памяти. Большое развитие получили устройства внешней (магнитной) памяти: магнитные барабаны, накопители на магнитных лентах.
В этот период стали развиваться языки программирования высокого уровня: ФОРТРАН, АЛГОЛ, КОБОЛ. Составление программы перестало зависеть от конкретной модели машины, сделалось проще, понятнее, доступнее.
В 1959 г. был изобретен метод, позволивший создавать на одной пластине и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. Полученные таким образом схемы стали называться интегральными схемами или чипами. Изобретение интегральных схем послужило основой для дальнейшей миниатюризации компьютеров.
В дальнейшем количество транзисторов, которое удавалось разместить на единицу площади интегральной схемы, увеличивалось приблизительно вдвое каждый год.
ЭВМ третьего поколения
Это поколение ЭВМ создавалось на новой элементной базе – интегральных схемах (ИС) .
Микросхемы
ЭВМ третьего поколения начали производиться во второй половине 60-х годов, когда американская фирма IBM приступила к выпуску системы машин IBM-360. Немного позднее появились машины серии IBM-370.
В Советском Союзе в 70-х годах начался выпуск машин серии ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ) по образцу IBM 360/370. Скорость работы наиболее мощных моделей ЭВМ достигла уже нескольких миллионов операций в секунду. На машинах третьего поколения появился новый тип внешних запоминающих устройств – магнитные диски.
Успехи в развитии электроники привели к созданию больших интегральных схем (БИС) , где в одном кристалле размещалось несколько десятков тысяч электрических элементов.
Микропроцессор
В 1971 году американская фирма Intel объявила о создании микропроцессора. Это событие стало революционным в электронике.
Микропроцессор – это миниатюрный мозг, работающий по программе, заложенной в его память.
Соединив микропроцессор с устройствами ввода-вывода и внешней памяти, получили новый тип компьютера: микро-ЭВМ.
ЭВМ четвертого поколения
Микро-ЭВМ относится к машинам четвертого поколения. Наибольшее распространение получили персональные компьютеры (ПК). Их появление связано с именами двух американских специалистов: и Стива Возняка. В 1976 году на свет появился их первый серийный ПК Apple-1, а в 1977 году – Apple-2.
Однако с 1980 года «законодателем мод» на рынке ПК становится американская фирма IBM. Ее архитектура стала фактически международным стандартом на профессиональные ПК. Машины этой серии получили название IBM PC (Personal Computer). Появление и распространение ПК по своему значению для общественного развития сопоставимо с появлением книгопечатания.
С развитием этого типа машин появилось понятие «информационные технологии», без которых невозможно обойтись в большинстве областей деятельности человека. Появилась новая дисциплина – информатика.
ЭВМ пятого поколения
Они будут основаны на принципиально новой элементной базе. Основным их качеством должен быть высокий интеллектуальный уровень, в частности, распознавание речи, образов. Это требует перехода от традиционной фон-неймановской к архитектурам, учитывающим требования задач создания искусственного интеллекта.
Таким образом, для компьютерной грамотности необходимо понимать, что на данный момент создано четыре поколения ЭВМ :
- 1-ое поколение: 1946 г. создание машины ЭНИАК на электронных лампах.
- 2-ое поколение: 60-е годы. ЭВМ построены на транзисторах.
- 3-ье поколение: 70-е годы. ЭВМ построены на интегральных микросхемах (ИС).
- 4-ое поколение: Начало создаваться с 1971 г. с изобретением микропроцессора (МП). Построены на основе больших интегральных схем (БИС) и сверх БИС (СБИС).
Пятое поколение ЭВМ строится по принципу человеческого мозга, управляется голосом. Соответственно, предполагается применение принципиально новых технологий. Огромные усилия были предприняты Японией в разработке компьютера 5-го поколения с искусственным интеллектом, но успеха они пока не добились.
