Файл: УСТРОЙСТВО ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА.pdf

Введение

В сегодняшнее время компьютер в жизни человека занимает чуть ли не лидирующее место.

В данный момент компьютеры в человеческой деятельности используются во многих сферах – для работы в бухгалтерских организациях, создания сложных научных моделей, разработки различных программ, создания новых сайтов, хранения и поиска информации в базах данных, банально даже для того, чтобы поиграть в игры. Каждый пользователь должен знать компьютер, и, соответственно, уметь им пользоваться. Не каждый человек, который работает на компьютере, представляет себе его полностью точный состав.

В связи с этим, в своей работе я хочу ознакомиться с историей создания компьютеров, изучить основные компонентные ПК, освоить их свойства и характеристики.

1. История создания и совершенствования компьютера

Компьютер (англ. computer, МФА: [kəmˈpjuː.tə(ɹ)][1] — «вычислитель»)-устройство или система, способная выполнять заданную, чётко определённую, изменяемую последовательность операций. Это чаще всего операции численных расчётов и манипулирования данными, однако сюда относятся и операции ввода-вывода. Описание последовательности операций называется программой.^[1] Другими словами – слово «компьютер» означает «вычислитель», то есть устройство для вычислений, а потребность в автоматизации вычислений возникла ещё очень давно. Именно поэтому люди ещё тогда стремились создать приспособление, которое считало бы всё автоматически. Издавна люди пользовались такими банальными вещами как камни, счётные палочки и тому подобное. Тем самым более полторы тысяч лет тому назад были изобретены счётные доски, а их потомком являются счёты.

Француз Блез Паскаль начал создавать суммирующую машину «Паскалину» в 1642 году в возрасте 19 лет, наблюдая за работой своего отца, который был сборщиком налогов и часто выполнял долгие и утомительные расчёты.

Рисунок 1.

Суммирующая машина «Паскалина»

Машина Паскаля представляла собой механическое устройство в виде ящичка с многочисленными связанными одна с другой шестерёнками. Складываемые числа вводились в машину при помощи соответствующего поворота наборных колёсиков. На каждое из этих колёсиков, соответствовавших одному десятичному разряду числа, были нанесены деления от 0 до 9. При вводе числа колесики прокручивались до соответствующей цифры. Совершив полный оборот, избыток над цифрой 9 колёсико переносило на соседний разряд, сдвигая соседнее колесо на 1 позицию. Совершив полный оборот, избыток над цифрой 9 колёсико переносило на соседний разряд, сдвигая соседнее колесо на 1 позицию. Первые варианты «Паскалины» имели пять зубчатых колёс, позднее их число увеличилось до шести или даже восьми, что позволяло работать с большими числами, вплоть до 9999999. Ответ появлялся в верхней части металлического корпуса. Вращение колёс было возможно лишь в одном направлении, исключая возможность непосредственного оперирования отрицательными числами. Тем не менее машина Паскаля позволяла выполнять не только сложение, но и другие операции, но требовала при этом применения довольно неудобной процедуры повторных сложений. Вычитание выполнялось при помощи дополнений до девятки, которые для помощи считавшему появлялись в окошке, размещённом над выставленным оригинальным значением.^[2] Работа над этим приспособлением длилась примерно пят лет, за это время было изготовлено около пятидесяти различных моделей. А в 1649 году Паскаль получил патент, который давал право на изготовление и продажу машины.

В 1673 году математик, инженер, физик, а также изобретатель Готфрид Вильгельм Лейбниц создал механическое счетное устройство под названием арифмометр Лейбница, которое умело не только складывать и вычитать, а еще умножать, делить, но и в добавок к этому - вычислять квадратный корень.

Машина была продемонстрирована Лейбницем во Французской академии наук и Лондонском королевском обществе. Также экземпляр арифмометра попал к Петру Первому, который в дальнейшем подарил её китайскому императору, желая удивить того европейскими достижениями в области техники. И, к слову, император был приятно удивлён.

Рисунок 2

Арифмометр Лейбница

Английский математик Чарльз Бэббидж смог разработать устройство, которое могло выполнять арифметические действия, но и в добавок к этому оно сразу же печатало полученные результаты. В 1832 г. была построена более уменьшенная модель, вес которой составлял целых три тонны, зато данная конструкция была способна выполнять арифметические операции с точностью до шестого знака после запятой, а также вычислять производные второго порядка. Эта устройство называется дифференциальной машиной, и именно она стала основой образа настоящих компьютеров.

п

Рисунок 3

Дифференциальная машина

\

Суммирующий аппарат с непрерывной передачей десятков создал российский математик и механик Пафнутий Львович Чебышев. В этом аппарате достигнута такая цель, как автоматизация выполнения всех арифметических действий. В 1881 году была создана специальная приставка к суммирующему аппарату для умножения и деления. Принцип непрерывной передачи десятков широко использовался в различных счетчиках и вычислительных машинах.

Рисунок 4

Суммирующий аппарат Пафнутия

Первое поколение компьютеров создавалось на лампах в период с 1944 по 1954 гг. В этих компьютерах выполняемая программа уже хранилась в памяти, и обработка данных производилась не последовательно по одному двоичному разряду, а параллельно во всех разрядах машинного слова. Применение электронных ламп позволило повысить скорость вычислений уже в первых несовершенных моделях на три прядка по сравнению с автоматическими релейными машинами, а в более совершенных на четыре порядка. Программа составлялась уже не на машинном языке, а на языке Ассемблера. Применялась память на магнитных сердечниках, вытеснившая в дальнейшем запоминающие устройства на электронно-лучевых трубках и ртутных ультразвуковых линиях задержки. Наиболее характерным типом компьютеров первого поколения являются компьютеры на электронных лампах и электронно-лучевых трубках. Компьютеры первого поколения создавались как универсальные и применялись, в основном для решения научно-технических задач, но не имели еще системного программного обеспечения. В компьютерах первого поколения вручную выполнялись операции ввода программы и вывода результатов.

Второе поколение компьютеров создавалось в период с 1955 по 1964гг. Успехи полупроводниковой технологии привели к смене элементной базы. Запоминающие устройства на магнитных сердечниках, магнитных барабанах и магнитных лентах вытеснили полностью запоминающие устройства на электронно-лучевых трубках и ртутных ультразвуковых линиях задержки, применяемых в компьютерах первого поколения, используется оперативная память на феррит-диодных ячейках. Во втором поколении применение запоминающих устройств на магнитных лентах позволяло записывать на магнитной ленте несколько программ, которые автоматически выполнялись в компьютере одна за другой и в той же последовательности результаты автоматически записывались на другую ленту. Этот вид обработки получил название пакетной обработки, при которой пользователь не имел прямого доступа к компьютеру. В связи с переходом на ферриты в схемах оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) произошло удешевление ОЗУ и системы управления памятью, увеличился объем оперативной памяти. В арифметическое устройство стали встраиваться сверхбыстрые запоминающие устройства — регистры на транзисторах. Кроме устройств считывания и записи на перфоленты появляются устройства вывода на алфавитно-цифровые печатающие устройства, вывод на телетайп, прием и передача данных по телеграфу. Развиваются языки высокого уровня (Алгол60, Кобол, Фортран2) и трансляторы к ним. Компьютеры стали широко использоваться для экономических расчетов. Общее устройство управления становилось слишком большим, поэтому появляются дополнительно местные устройства управления. Появились компьютеры со стеком, выполняющие безадресные команды, в стек последовательно заносились данные, которые извлекались при выполнении операции, результат операции заносился в верхнюю ячейку стека. Машины такой конфигурации получили название стековых. Среди компьютеров второго поколения появились и первые суперкомпьютеры, предназначенные для решения сложных задач, требовавших высокой скорости вычислений. В них были применены методы параллельной обработки (увеличивающие число операций, выполняемых в единицу времени), конвейеризация команд (когда во время выполнения одной команды вторая считывается из памяти и готовится к выполнению) и параллельная обработка нескольких программ. Компьютеры, выполняющие параллельно несколько программ при помощи нескольких микропроцессоров, получили название мультипроцессорных систем.

Третье поколение компьютеров разрабатывалось с 1964 по 1974 год на новой элементной базе, осуществился переход от дискретных полупроводниковых элементов к интегральным схемам. Снова уменьшились габариты и потребляемая мощность компьютеров, возросла надежность. В компьютерах третьего поколения был расширен набор внешних устройств. В начале 60-х годов появились первые устройства внешней памяти на магнитных дисках. Емкость магнитных дисков была на порядок больше, чем емкость магнитных барабанов, применявшихся ранее. Была введена параллельная и конвейерная обработка данных в операционном блоке. В центральный процессор вводится система прерываний. Все управление компьютером автоматизировано. Управление осуществляет комплекс программ, объединенный в операционную систему (ОС). Пользователь общается с компьютером через ОС, которая синхронизирует работу аппаратной части, используя систему прерывания и таймер - электронные часы. Широко используется многопрограммный режим работы и виртуальная память (особая организация управления памятью, которая позволяет рассматривать всю память компьютера, как основную). Развивается иерархия памяти. Оперативная память делится на блоки с независимыми системами управления. Эти блоки могут работать одновременно. Структура оперативной памяти делится на страницы и сегменты. Используется КЭШ память (буферная память, позволяющая согласовать скорости обмена данными быстрых и медленных устройств памяти). Широко разрабатывается класс универсальных компьютеров (мэйнфреймов), повышается эффективность использования компьютеров, используется мультипрограммный режим работы. Мейнфреймы долгое время оставались наиболее мощными (не считая суперкомпьютеров) вычислительными системами общего назначения, обеспечивающими непрерывный круглосуточный режим эксплуатации. Они строились на одном или нескольких процессорах, каждый из которых мог оснащаться векторными сопроцессорами (ускорителями операций для получения сверхвысокой производительности). На базе универсальных компьютеров стало возможно создание вычислительных систем, обслуживающих удаленных пользователей. Идет унификация технических и программных средств, создаются семейства (ряды) ЭВМ единой системы. Появился новый класс машин - малых или мини-компьютеров. Они имели сокращенный набор команд, высокую скорость их выполнения и были предназначены для управления технологическими процессами, но постепенно стали использоваться для инженерных расчетов и для обработки экспериментальных данных. Производительность некоторых мини-компьютеров достигала нескольких миллионов операций в секунду, что превышало скорость работы многих универсальных компьютеров. Появились терминальные устройства с клавиатурой, дисплеем, встроенным миникомпьютером, осуществлявшие связь с универсальным компьютером большой мощности и дополнительную обработку информации. Появились устройства ввода графической информации с чертежа, оптические читающие устройства, графопостроители.

Четвертое поколение компьютеров создавалось на БИС средней интеграции и СБИС. Высокая степень интеграции БИС, повышенное быстродействие, высокая степень надежности, снижение стоимости, все это позволило значительно уменьшить размеры компьютеров, достигнуть быстродействия порядка сотен миллионов операций в секунду, объем основной памяти достиг десятков Мбайт. Появился новый класс ЭВМ - микрокомпьютеры. Процессор микрокомпьютера собирался теперь из одной или нескольких микропроцессорных БИС. Развивается производство заказных БИС, выполняющих определенные функции, разрабатываются процессоры ассоциативного типа, в которых основной операцией является операция сравнения. Используются векторноконвейерные принципы обработки данных. Разрабатываются конвейерные устройства управления с опережающим выполнением команд. Для построения микрокомпьютера стала использоваться открытая архитектура, позволяющая наращивать вычислительную мощность компьютера простым подключением дополнительных модулей. Дополнительно вводятся микросхемы памяти в процессор и микросхемы памяти, обеспечивающие обмен информацией между процессором и внешними устройствами (кэш первого и второго уровней). Компьютеры стали доступны по цене отдельным пользователям. Это привело к широкому производству персональных компьютеров. Тенденция к использованию масштабных приложений дает новую жизнь и суперкомпьютерам. Появляются суперминикомпьютеры, которые довольно скоро вытесняются в управлении производственными процессами промышленными компьютерами с легко наращиваемой структурой и функциями. В это время две тенденции- распределение вычислительных ресурсов, оснащение персональными компьютерами рабочих мест и необходимость объединения вычислительных ресурсов для решения общих задач большого объема - привели к сетевому буму. Для организации компьютерных сетей используется оптоволоконная связь. Разрабатываются принципы построения оптических компьютеров.^[3]

Компьютер на данный момент по всем своим возможностям может выполнять достаточное количество операций, нужной для повседневной работы, однако есть и такие области деятельности, где даже их мощности всё равно не хватает. Это касается обработки гигантских объемов информации, используемых в научных исследованиях, в каких-либо расчетах и создании видеофильмов. Но наука не стоит на месте, и со временем специалисты создают всё более мощные составляющие для компьютера, кстати о которых дальше и пойдёт речь.