Добавлен: 25.06.2023
Просмотров: 95
Скачиваний: 2
4. Теория информации
До и во время 1930-х годов инженеры-электрики смогли построить электронные схемы для решения математических и логических задач, но большинство из них делали это специальным образом, не имея никакой теоретической строгости. Все изменилось с публикацией диссертации магистра 1937 году Клода Элвуда Шеннона на тему: Символический анализ релейных соединений и соединение с коммутацией каналов. Шеннон, находясь под воздействием работы Буля, признал, что она может быть использована для организации электромеханических реле для решения логических задач. Эта концепция лежала в основе всех электронных цифровых вычислительных машин.
Шеннон основал новый раздел информатики — теория информации. В 1948 году он опубликовал статью под названием «Математическая теория связи». Идеи из этой статьи применяются в теории вероятностей к решению проблемы, как лучше кодировать информацию, которую хочет передать отправитель. Эта работа является одной из теоретических основ для многих областей исследований, в том числе сжатие данных и криптография.
Из экспериментов с зенитными системами, интерпретирующими радиолокационные изображения для обнаружения вражеских самолетов, Норберт Винер ввел термин кибернетика, в переводе с древнегреческого обозначающий искусство управления. Он опубликовал статью «Кибернетика» в 1948 году, что повлияло на появление искусственного интеллекта. Винер также сравнил вычисления, вычислительную технику, устройства памяти и другие когнитивно сходные понятия со своего рода анализом мозговых волн [6].
Архитектура фон Неймана
В 1946 году была создана модель компьютерной архитектуры, которая стала известна как архитектура фон Неймана. С 1950 года модель фон Неймана обеспечила единство конструкций последующих компьютеров. Архитектура фон Неймана считалась новаторской, поскольку фон Нейман ввел представление, позволяющее использовать машинные команды и распределять области памяти. Модель Неймана состоит из 3 основных частей: арифметическо-логическое устройство, оперативная память и блок управления памятью.
В конструкции машины фон Неймана используется RISC архитектура, позволяющая использовать набор 21 команд для выполнения всех задач. В отличие от RISC, архитектура CISC имеет больше инструкций, из которых можно выбирать. Набор команд составлял адреса, операции и типы данных. В архитектуре фон Неймана оперативная память вместе с аккумулятором являются двумя адресуемыми блоками памяти.
Операции могут быть выполнены в качестве простых арифметических выражений, включающих вычитание, сложение, деление и умножение, условных переходов и логических ходов между различными компонентами машины. Архитектура фон Неймана принимает фракции и инструкции как типы данных. Наконец, как архитектура фон Неймана является простой, так и ее регистры управляются также просто. Архитектура использует набор из семи регистров, чтобы манипулировать и интерпретировать полученные данные и инструкции. Эти регистры включают: регистр команд, буфер инструкций, регистр множителя/частного, регистр адреса ЗУ и память данных регистра. Архитектура также использует программный счетчик для отслеживания стадии нахождения программы [6].
5. Поколения компьютеров
Первое поколение. Компьютеры на электронных лампах
Первое поколение компьютеров зародилось в 40-х годах XX века, В соответствии с общепринятой методикой к компьютерам первого поколения относят ламповые компьютеры, быстродействие которых исчислялось несколькими десятками тысяч операций в секунду.
Первым в мире электронным компьютером считается Колоссус – секретная разработка британского правительства, в разработке которого принимал участие Алан Тьюринг. Колоссус из-за своей секретности не оказал влияния на развитие компьютерной техники, но помог победить во Второй мировой войне.
Первой работающей машиной с архитектурой фон Неймана, в которой данные и программа хранятся в единой универсальной памяти, стала Манчестерская малая экспериментальная машина, созданная в Манчестерском университете в 1948 году. Следующим компьютером первого поколения был Манчестерский Марк I, спроектированный в 1949 году. Марк I был уже полной системой с трубками Уильямса, магнитным барабаном в качестве памяти и индексными регистрами. Другим претендентом на звание «первый цифровой компьютер с хранимой программой» стал EDSAC, который был разработан и сконструирован в Кембриджском университете. На самом деле, EDSAC был создан на основе архитектуры компьютера EDVAC, наследника ENIAC. В отличие от ENIAC, который использовал параллельную обработку, EDVAC располагал единственным обрабатывающим блоком. Такое решение было надежнее и проще, поэтому такой вариант становился первым реализованным после каждой очередной волны миниатюризации. Многие считают, что Манчестерский Марк I, EDSAC и EDVAC стали «Евами», от которых ведут свою архитектуру почти все современные компьютеры.
Внешний вид первого электронного цифрового компьютера ENIAC представлен на рисунке 3.
Отличительными особенностями ламповых компьютеров являются большое количество ламп большого размера, что приводило к огромным размерам самого компьютера; длительные простои при поиске перегоревшей лампы; мощные охладительные системы.
В качестве другим примеров компьютеров первого поколения можно привести Whirlwind I, работающий в реальном времени со словами малой длины, и Компьютер 701 фирмы IBM с последующими моделями, лидирующими на рынке в течение 10 лет [7, 8].
Рисунок 3 – Внешний вид первого электронного цифрового компьютера ENIAC
Второе поколение. Компьютеры на транзисторах
Компьютеры второго поколения появились в 1955 году, их характерной особенностью стало использование транзисторов вместо ламп, что позволило повысить быстродействие до сотен тысяч операций в секунду.
По сравнению с электронными лампами использование транзисторов позволило уменьшить размеры вычислительной техники, увеличить скорость работы, повысить надежность и почти свести на нет теплоотдачу. Во втором поколении компьютеров стали развиваться способы хранения информации: стала широко использоваться магнитная лента, а позже появились диски. В этот период была замечена первая компьютерная игра.
Первый компьютер на транзисторах TX стал прототипом для компьютеров ветки PDP фирмы DEC, которые можно считать родоначальниками компьютерной промышленности, так как появилось явление массовой продажи машин. В 1960 году DEC выпускает свой первый миникомпьютер — PDP-1, предназначенный для использования техническим персоналом в лабораториях и для исследований. В семействе данных компьютеров зафиксировано появление дисплея.
Внешний вид миникомпьютера PDP-1 представлен на рисунке 4.
Фирма IBM также активно трудится, производя уже транзисторные версии своих компьютеров.
Над другими компьютерами того времени имел преимущество Компьютер 6600 фирмы CDC, разработанный Сеймуром Креем. Его отличительными особенностями являлось быстродействие, достигающееся за счет параллельного выполнения команд.
Для компьютеров второго поколения характерно использование первых языков программирования высокого уровня, которые получили свое развитие в компьютерах следующего поколения [7, 8].
Рисунок 4 – Внешний вид миникомпьютера PDP-1
Третье поколение. Компьютеры на интегральных схемах
Компьютеры третьего поколения появились в 1964 году и проектировались на основе интегральных схем малой степени интеграции. Интегральная схема представляет собой электронную схему, которая была вытравлена на кремниевом кристалле и на которой могут умещаться тысячи транзисторов. Следовательно, компьютеры этого поколения были вынуждены стать еще мельче, быстрее и дешевле, что позволяло им проникать в различные сферы деятельности человека и становиться более специализированными.
Быстродействие компьютеров третьего поколения исчислялось миллионами операций в секунду.
Появились операционные системы, которые стали брать на себя задачи управления устройствами ввода-вывода, памятью и другими ресурсами. Вместе с операционными системами появилась и проблема совместимости программного обеспечения под выпускаемые модели. Впервые большое внимание совместимости уделила компания IBM.
В компьютерах третьего поколения было реализовано мультипрограммирование, при котором в памяти находится несколько выполняемых программ, что дает эффект экономии ресурсов процессора.
Пример компьютера на интегральных схемах представлен на рисунке 5.
Рисунок 5 – Внешний вид компьютера на интегральных схемах PDP-11
Параллельно с компьютерами третьего поколения продолжали выпускаться компьютеры второго поколения. Так компьютеры «UNIVAC 494» выпускались до середины 1970-х годов.
В начале 60-х годов группой разработчиков фирмы IBM был введен термин «архитектура компьютера», также появились мини-компьютеры. Экономичность мини-компьютеров быстро расширила сферу их применения: автоматизация научных экспериментов, передача данных, управление и подобное. В рамках третьего поколения в 1971 году появился первый микропроцессор, как неожиданный результат работы фирмы Intel над схемами калькуляторов, что положило начало развитию компьютеров четвертого поколения [7, 9].
Четвертое поколение. Компьютеры на больших (и сверхбольших) интегральных схемах
Компьютеры четвертого поколения появились в 1975 году с изобретением больших и сверхбольших интегральных схем. Сверхбольшая интегральная схема называется микропроцессором и способна выполнять функции основного блока компьютера — процессора
В компьютерах четвертого поколения стали использоваться быстродействующие системы памяти на интегральных схемах емкостью несколько мегабайт. Первоначально микропроцессоры встраивались в различные технические устройства: самолеты, автомобили, станки. Такие микропроцессоры осуществляют автоматическое управление работой этой техники.
Быстродействие компьютеров четвертого поколения исчислялось сотнями миллионов операций в секунду. Значительное увеличение быстродействия компьютеров стало доступно в связи с возможностью размещения на одном кристалле не одной интегральной схемы, а тысяч. Количество элементов в кристалле больших интегральных схем доходило до 10 тысяч, а в кристалле сверхбольших интегральных схем измерялось миллионами элементов.
Компьютеры продолжали дешеветь и теперь их покупали даже частные лица, что ознаменовало эру персональных компьютеров. Но частное лицо чаще всего не было профессиональным программистом, для чего потребовалось развитие программного обеспечения.
В конце 70-х – начале 80-х годов XX века популярностью пользовался компьютер Apple, который был разработан Стивом Возняком и Стивом Джобсом. Позднее в массовое производство был запущен персональный компьютер IBM PC на процессоре Intel. Внешний вид IBM PC представлен на рисунке 6.
Рисунок 6 – Внешний вид IBM PC
Позднее появились суперскалярные процессоры, которые были способны выполнять множество команд одновременно, а также 64-разрядные компьютеры [7 ,10].
Пятое поколение
В соответствии с идеологией развития компьютерных технологий, после четвертого поколения, построенного на сверхбольших интегральных схемах, ожидалось создание следующего поколения, ориентированного на распределенные вычисления. Одновременно считалось, что пятое поколение станет базой для создания устройств, способных к имитации мышления.
К компьютерам пятого поколения относят Широкомасштабную правительственную программу в Японии по развитию компьютерной индустрии и искусственного интеллекта, предпринятую в 1980-е годы. Целью программы было создание «эпохального компьютера» с производительностью суперкомпьютера и мощными функциями искусственного интеллекта. Разработки начались в 1982 году и закончились в 1992, стоимость разработок составляла порядка 500 миллионов долларов. Программа закончилась провалом, так как не опиралась на четкие научные методики, более того, даже ее промежуточные цели оказались недостижимы в технологическом плане.
Другие источники относят к пятому поколению вычислительных машин так называемые невидимые компьютеры (микроконтроллеры, встраиваемые в бытовую технику, машины и подобные устройства) или карманные компьютеры.
Также существует мнение, что к пятому поколению следует относить компьютеры с двухъядерными процессорами. С этой точки зрения пятое поколение началось примерно с 2005 года.