Файл: Современное состояние электронно вычислительных машин.pdf

Введение

Актуальность данной работы состоит в том, что в современное время роль персонального компьютера принимает ключевое значение в жизни человека. В связи с этим необходимым представляется знание эволюции компьютеров как комплекса вычислительных средств, упрощающих ведение различных видов человеческой деятельности.

Цель работы – всесторонне проанализировать и изучить устройство персонального компьютера.

Для реализации поставленной цели необходимо выполнить ряд задач, а именно:

1. Рассмотреть этапы развития ЭВМ;
2. Изучить устройства компьютера;
3. Охарактризовать указательные (координатные) устройства;
4. Рассмотреть устройства ввода графической информации;
5. Обрисовать устройства вывода информации.

Глава 1. Современное состояние электронно вычислительных машин

Развитие ЭВМ определено несколькими этапами. Поколения ЭВМ на всякой стадии имеют различные базовые составляющие и разное математическое обеспечение.

Первое поколение ЭВМ

На данном этапе (1945-1958 гг.) ЭВМ базируются на диодах и триодах. Преимущественное число устройств первого поколения носили исследовательский характер и создавались для проверки определенных теоретических тезисов. Использование вакуумно-ламповой технологии, эксплуатация систем памяти на ртутных линиях задержки, магнитных барабанах, ЭЛТ (трубках Вильямса), лишало их функционирование стабильности. Помимо всего прочего, данные машины были тяжелыми и громоздкими. Для ввода-вывода информации применялись перфоленты и перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства [4, 78].

Была осуществлена концепция хранимой программы. ПО компьютеров 1-го поколения включало преимущественно стандартные подпрограммы, быстродействие составляло 10000-20000 операций в секунду.

Машины этого поколения: ENIAC (США), МЭСМ (СССР), БЭСМ-1, М-1, М-2, М-З, «Стрела», «Минск-1», «Урал-1», «Урал-2», «Урал-3», M-20, «Сетунь», БЭСМ-2, «Раздан», IBM - 701, тратили немало электроэнергии и включали много электронных ламп. Так, «Стрела» имела 6400 электронных ламп и 60000 полупроводниковых диодов. Их быстродействие было не более 2000-3000 операций в секунду, оперативная память была менее 2 Кб. Лишь у «М-2» оперативная память составляла 4 Кб, а быстродействие 20000 операций в секунду.

Второе поколение ЭВМ

ЭВМ на этом этапе были созданы в 1959-1967 гг. В роли ключевого компонента применялись уже не электронные лампы, а полупроводниковые диоды и транзисторы, а в роли средств памяти использовались магнитные сердечники и барабаны - прототипы нынешних жестких дисков. Компьютеры стали более стабильными, оперативность выполнений действий ускорилась, трата энергии и размеры ЭВМ снизились.

С созданием памяти на магнитных сердечниках период ее деятельности снизился до десятков микросекунд. Ключевой принцип структуры - централизация. Возникли эффективные средства для деятельности с магнитными лентами, устройства памяти на магнитных дисках. Помимо всего прочего, осуществлялся процесс программирования на алгоритмических языках. Появились первые языки высокого уровня - Фортран, Алгол, Кобол. Оперативность машин составляла 100-5000 тыс. операций в секунду [34].

Представители устройств на данном этапе: БЭСМ-6, БЭСМ-4, Минск-22 – созданы для реализации научно-технических и планово-экономических задач; Минск-32 (СССР), ЭВМ М-40, - 50 - для систем противоракетной обороны; Урал - 11, - 14, - 16 - ЭВМ общего назначения, направленные на реализацию инженерно-технических задач.

Третье поколение ЭВМ

В машинах этой стадии (1968-1973 гг.) применялись интегральные схемы. Создание в 60-х годах интегральных схем - устройств и узлов из множества транзисторов, реализованных на одном кристалле полупроводника позволило разработать ЭВМ 3-го поколения. Также возникает полупроводниковая память, применяющаяся и сейчас в ПК в роли оперативной. Использование вышеуказанных схем расширило способности ЭВМ.

Центральный процессор мог теперь синхронно функционировать и управлять различными периферийными устройствами. ЭВМ были способны в одно время анализировать несколько программ (принцип мультипрограммирования). По итогам осуществления данного принципа стала возможна деятельность в режиме разделения времени в диалоговом окне. Находящиеся на расстоянии от ЭВМ пользователи могли теперь, независимо друг от друга, быстро работать с машиной [7, 87].

Компьютеры разрабатывались на базе интегральных схем малой (МИС - 10-100 компонентов на кристалл) и средней степени интеграции (СИС - 10-1000 компонентов на кристалл). Был претворена в жизни идея проектирования семейства компьютеров с аналогичной архитектурой, в фундамент которой было заложено преимущественно ПО. В конце 60-х возникли мини-компьютеры. В 1971 году был разработан первый микропроцессор. Оперативность действий компьютеров на данном этапе составляла около миллиона операций в секунду.

Производство компьютеров на этом этапе носит промышленный масштаб. Начиная с ЭВМ 3-го поколения, обычным делом стало производство серийных ЭВМ. И пусть представители одной серии резко различались по функциям и производительности, они были информационно, программно и аппаратно совместимы. Самым популярным было семейство System/360 компании IBM. Странами СЭВ созданы ЭВМ общей серии «ЕС ЭВМ»: ЕС-1022, ЕС-1030, ЕС-1033, ЕС-1046, ЕС-1061, ЕС-1066 и пр. К ЭВМ данного поколения принадлежат и «IВМ-370», «Электроника-100/25», «Электроника-79», «СМ-3», «СМ-4» и др.

Для серий ЭВМ было увеличено ПО (ОС, языки программирования высокого уровня, прикладные программы и пр.). В 1969 году одновременно появились ОС Unix и язык программирования «С», оказавшие мощное действие на программный мир и до сих пор являясь лидерами в своей отрасли.

Четвертое поколение ЭВМ

В компьютерах данного этапа (1974-1982 гг.), применение больших интегральных схем (БИС - 1000-100000 компонентов на кристалл) и сверхбольших интегральных схем (СБИС - 100000-10000000 компонентов на кристалл), ускорило их оперативность до десятков и сотен миллионов операций в секунду.

Стартом этого этапа является 1975 год - компания Amdahl Corp. Создала 6 компьютеров AMDAHL 470 V/6, где были использованы БИС в роли основных компонентов. Применялись также быстродействующие системы памяти на интегральных схемах - МОП ЗУПВ емкостью в несколько мегабайт. В ситуации отказа работы машины информация в МОП ЗУПВ, сохраняются с помощью автоматического переноса на диск. При включении устройства запуск системы проводится благодаря располагаемой в ПЗУ программы самозагрузки, дающей выгрузку ОС и резидентного ПО в МОП ЗУПВ [9, 100].

Прогресс ЭВМ 4-го поколения идет по двум направлениям.

1-ое направление - образование суперЭВМ - систем многопроцессорных устройств. Оперативность данных устройств доходит до нескольких миллиардов операций в секунду. Они могут анализировать мощный объем данных. Сюда включены устройства ILLIAS-4, CRAY, CYBER, «Эльбрус-1», «Эльбрус-2» и пр. Многопроцессорные вычислительные комплексы (МВК) «Эльбрус-2» интенсивно применялись в СССР в сферах, где необходимые массовые расчеты, главным образом, в оборонной отрасли.

2-ое направление – последующий прогресс на основе БИС и СБИС микро-ЭВМ и персональных ЭВМ (ПЭВМ). Начальные устройства такого типа - компьютеры компании Apple, IBM - PC (XT, AT, PS /2), советские «Искра», «Электроника», «Мазовия», «Агат», «ЕС-1840», «ЕС-1841» и пр. С этого этапа ЭВМ именуются компьютерами. ПО подкрепляется базами и банками.

Пятое поколение ЭВМ

ЭВМ этой стадии - это ЭВМ будущего. Программа разработки данных ЭВМ установлена в Японии в 1982 г. Подразумевалось, что к 1991 г. будут разработаны новейшие компьютеры, направленные на реализацию задач искусственного интеллекта. Благодаря языку Prolog и нововведениям в структуре компьютеров подразумевалось постепенно приблизиться к реализации ключевого вопроса этого направления компьютерной науки - задачи хранения и обработки знаний. Другими словами, для компьютеров данной стадии не нужно было бы разрабатывать программ, а хватило было бы обосновать на доступном языке, что от них необходимо [11, 143].

Подразумевается, что их ключевыми компонентами будут являться не СБИС, а образованные на их основе средства с компонента искусственного интеллекта. Для роста памяти и оперативности действий будут применяться результаты оптоэлектроники и биопроцессоры.

Для ЭВМ данного этапа выработаны принципиально иные задачи, чем при формировании предыдущих ЭВМ. Если раньше были такие задачи, как рост производительности в сфере вычислений, получение хорошей ёмкости памяти, то ключевым вопросом при создании ЭВМ V поколения становится возникновение искусственного интеллекта машины (способность осуществлять логические выводы из текущих фактов), прогресс «интеллектуализации» компьютеров – ликвидации границ между человеком и компьютером.

К несчастью, японский проект ЭВМ пятого поколения так и не реализовался. Огромное количество денег было потрачено просто так, проект был остановлен, а созданные машины по производительности оказались не такими уж прогрессивными. Но осуществленный анализ и приобретенный опыт в ходе деятельности ускорили прогресс в разработке систем искусственного интеллекта.

На данный момент компьютеры могут считывать данные с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, распознавать пользователя по голосу, переводить языки. Это дает возможность вести диалог с компьютерами любым пользователям, включая тех, у кого нет специальных знаний в данной сфере.

Большинство функций, осуществляемых искусственным интеллектом, применяют в промышленности и деловом мире. Экспертные системы и нейронные сети постоянно применяются для задач классификации (отбор спама, разбиение текста и пр.). Также повсеместно используются генетические алгоритмы, например, при формировании портфелей в инвестиционном менеджменте. Помимо этого, эффективно функционируют остальные сферы применения искусственного интеллекта, например, автоматизированная алгоритмизация знаний и реализация разнообразных задач в Интернете: с их помощью в ближайшее время наверняка произойдут революции во многих сферах людской деятельности.

Современный этап

Из-за нужды в оперативных, недорогих и универсальных процессорах производители все время увеличивает количество транзисторов в них. Но данное действие имеет определенные границы. Стабилизировать экспоненциальный рост данной характеристики, предсказанный Гордоном Муром в 1973 году, с каждым годом все сложнее [14, 66]. Исследователи говорят о том, что этот закон утратит силу, когда затворы транзисторов, контролирующие перемещение данных в чипе, будут эквивалентны длине волны электрона (в кремнии, который является основой производства, это около 10 нм). Случится это в промежутке между 2015 и 2025 годами. По мере достижения физических границ архитектура компьютеров приобретает все более сложную структуру, увеличиваются затраты проектирования, разработка и опытной эксплуатации чипов. Так или иначе этап эволюционного прогресса когда-либо сменится революционными изменениями.

В результате гонки интенсивности производительности создается немало проблем. Ключевая из них - перегрев в сверхплотной упаковке ввиду небольшой зоны теплоотдачи. Концентрация энергии в нынешних микропроцессорах крайне высока. Текущие стратегии рассеяния создающегося тепла, такие как уменьшение питающего напряжения или избирательная активация лишь необходимых компонентов в микроцепях не достаточно эффективны, если не использовать интенсивного охлаждения.

С уменьшением размеров транзисторов также стала меньше толщина изолирующих слоев, а, следовательно, снизилась и их надежность, потому что электроны способны проходить сквозь тонкие изоляторы (туннельный эффект). Такую проблему реально устранить уменьшением управляющего напряжения, но только до установленных значений.

Сейчас ключевое условие роста производительности процессоров - способы параллелизма. Микропроцессор анализирует перечень команд, формирующих определенную программу. Если осуществить синхронную реализацию инструкций, итоговая производительность значительно увеличится. Устраняется проблема параллелизма способами конвейеризации расчетов, использованием суперскалярной архитектуры и предсказанием ветвлений. Многоядерная архитектура предполагает включение некоторых простых микропроцессорных ядер на одном чипе. Каждое ядро реализует свой поток инструкций. Каждое микропроцессорное ядро намного проще, чем ядро многопотокового процессора, что облегчает проектирование и тестирование чипа. Однако вместе с тем усложняется доступ к памяти, нужна замена компиляторов [22, 45].