Аппаратное обеспечение информационных технологий. Структура и принципы функционирования ЭВМ
Несмотря на то, что современные ЭВМ внешне не имеют ничего общего с первыми моделями, основополагающие идеи, заложенные в них и связанные с понятием алгоритма, разработанным Аланом Тьюрингом, а также архитектурной реализацией, предложенной Джоном фон Нейманом, пока не претерпели коренных изменений. В соответствии с принципами американского математика Джона фон Неймана в состав ЭВМ входят следующие элементы: арифметическо-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ), оперативная память (ЗУ), внешние устройства (УВВ, ПУ)(Рисунок 2). Принципы фон Неймана были сформулированы в 1928г., а воплощены в первом (созданном в 1949г.) компьютере, в котором числа и программы хранились в памяти компьютера. Возможность использования двоичных цифр для представления любых чисел принадлежит немецкому математику Лейбницу (1666г).
В
Рисунок 2 - Классическая архитектура ЭВМ
ычислительный процесс должен быть предварительно представлен для ЭВМ в виде программы — последовательности инструкций (команд), записанных в порядке выполнения. В процессе выполнения программы ЭВМ выбирает очередную команду, расшифровывает ее, определяет, какие действия и над какими операндами следует выполнить. Эту функцию осуществляет УУ. Оно же помещает выбранные из ЗУ операнды в АЛУ, где они и обрабатываются. Само АЛУ работает под управлением УУ. Обрабатываемые данные и выполняемая программа должны находиться в ЗУ, куда они вводятся через устройство ввода УВВ. Емкость памяти измеряется в величинах, кратных байту. Память представляет собой сложную структуру, построенную по иерархическому принципу, и включает в себя запоминающие устройства различных типов. Функционально она делится на две части: внутреннюю и внешнюю.
Совершенствование и развитие внутренней структуры ЭВМ
Очевидно, что развитие электронно-вычислительной техники непосредственно связано с основными этапами развития микроэлектроники и во многом определяется ее уровнем и достигнутыми результатами. Этапы создания и развития технологии микроэлектроники находят отражение в смене поколений ЭВМ (Таблица 4). В настоящее время наибольшее распространение получили персональные компьютеры (ПК). Львиную долю среди них занимают IBM PC-совместимые микрокомпьютеры (читается Ай-Би-Эм Пи-Си). В конце 1990-х годов IBM PC-совместимые микрокомпьютеры составляли более девяноста процентов мирового компьютерного парка.
IBM PC был создан американской фирмой Ай-Би-Эм (IBM) в августе 1981, при его создании был применен принцип открытой архитектуры, который означает применение в конструкции при сборке компьютера готовых блоков и устройств, а также стандартизацию способов соединения компьютерных устройств. Принцип открытой архитектуры способствовал широкому распространению IBM PC-совместимых микрокомпьютеров-клонов. Их сборкой занялось множество фирм, которые в условиях свободной конкуренции снизили в несколько раз цены, энергично внедряли в производство новейшие технические достижения. Пользователи в свою очередь получили возможность самостоятельно модернизировать свои микрокомпьютеры и оснащать их дополнительными устройствами сотен различных производителей. Единственный из IBM PC-несовместимых микрокомпьютеров, получивший относительно широкое распространение, — компьютер Макинтош (Macintosh). Начиная с 1980-х годов микрокомпьютеры Макинтош американской фирмы Эпл (Apple) составляли достойную конкуренцию IBM PC-совместимым микрокомпьютерам, так как, несмотря на свою дороговизну, они обеспечивали пользователю наглядный графический интерфейс, были значительно проще в эксплуатации и обладали большими возможностями. Начиная с 1990-х годов разница между возможностями Макинтошей и IBM PC все более нивелируется. Последние были оснащены операционными системами с графическим интерфейсом (Windows, OS/2), многочисленными рассчитанными на них прикладными программами. В настоящее время Макинтоши удерживают лидирующие позиции лишь на рынке настольных издательских систем.
Таблица 4 – смена поколений компьютеров
Поколение и годы
|
Элементная база
|
Характеристики и типичные представители
|
I
|
50-е
|
Электронные вакуумные лампы
|
Большие габариты и энергопотребление, низкие быстродействие и надежность, программирование в кодах. МЭСМ, БЭСМ.
|
II
|
60-е
|
Дискретные полупроводниковые приборы — транзисторы
|
Большие габариты и энергопотребление, низкие быстродействие и надежность.
Минск 2, 22, 32, БЭСМ-6.
|
III
|
70-е
|
Полупроводниковые интегральные схемы (ИС) с малой и средней степенью интеграции (сотни — тысячи транзисторов в одном корпусе)
|
Качественное улучшение всех параметров, удаленный доступ ЕС-1022, ЕС-1035, ЕС-1066
|
IV
|
80-е
|
Микропроцессоры на БИС и СБИС — десятки тысяч — миллионы транзисторов в одном кристалле
|
Появление первых ПК. ДВК, IBM PC 286, 386, 486, Apple
|
V
|
90-е
|
Десятки параллельно работающих микропроцессоров.
|
Массовое применение ПК, локальные и глобальные сети, внедрение электронного документооборота Pentium, Atlon
|
VI
|
2000-е и перспектива
|
Оптоэлектронные ЭВМ с нейронной структурой, моделирующие структуру биологических систем
|
Микропроцессорная революция в технических и биологических системах, распределенная обработка данных, интеграция социальной памяти на базе компьютерных сетей, медиатехнологий и систем связи, безбумажная информатика, использование систем искусственного интеллекта, нанотехнологии
|
|
