ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 31.03.2021
Просмотров: 6835
Скачиваний: 51
386
17.
Довгаль
С.
И
.,
Литейное Б.Ю., Сбитнев A.
Персональные ЭВМ: Турбо-Паскаль V 7.0.
Объектное программирование. Локальные сети./Уч. пособие. - Киев:
Информсистема сервис, 1993.
18.
Зуев Е.А.
Программирование на языке TURBO PASCAL 6.0 - 7.0. - М.: Радио и
связь,1993.
19.
Зуев Е.А.
Практическое программирование на языке Турбо-Паскаль о.и, 7.0. -М.: Радио
и связь, 1994.
20.
Кетков Ю.Л.
Диалог на языке бейсик для мини- и микро-ЭВМ. - М.: Наука, 988.
21.
Кнут Д.
Искусство программирования. Т. 1, 2, 3. - М.: Мир, 1976 - 1978.
22.
Липаев В. В.
Проектирование программных средств. - М.: Высшая школа, 1990.
23.
Ляхович В. Ф.
Руководство к решению задач по основам информатики и вы-- делитель-
ной техники. - М.: Высшая школа, 1994.
24.
Майерс Г.
Искусство тестирования программ. - М.: Финансы и статистика, 1982.
25.
МалпасДж.
Реляционный язык ПРОЛОГ и его применение. - М.: Наука, 1990.
26.
Пильщиков В. Н.
Сборник упражнений по языку Паскаль. - М.: Наука, 1989.
27.
Поляков Д. Б., Круглое И. Ю.
Программирование в среде Турбо-Паскаль. - М.:
А/О Росвузнаука, 1992.
28.
Роджерс Д. Ф., Адамс Дж.А.
Математические основы машинной графики. -М: Маши-
ностроение, 1980.
29.
Рубенкинг И.
Турбо-Паскаль для Windows. Т.1,2. - М.: Мир-СК Ферлаг Ин-тернешнл,
1994.
30.
Семакин И. Г.
Лекции по программированию. - Пермь: Изд-во ПГУ, 1996.
31.
Сергиевский М. В., Шалашов А. В.
Турбо-Паскаль 7.0. - М.: Машиностроение, 1994.
32.
Уэйт М., Прата С., Мартин Д.
Язык Си. - М.: Мир, 1988.
33.
Федоров А., РогаткинД.
Borland Pascal в среде Windows. - Киев: Диалектика, 1993.
34.
ФоксДж.
Программное обеспечение и его разработка. - М.: Мир, 1985.
35.
Хендерсон.
Функциональное программирование.
36.
Хьюз Дж., Мичтом Дж.
Структурный подход к программированию. - М.:
Мир,1980.
37.
Шикин Е. В.
Начала компьютерной графики. - М.: Диалог-МИФИ, 1994.
38. Язык компьютера. SoftWare. Computer languages./Пер. с англ. Под ред. В.М.Курочкина. -
М.: Мир, 1989.
387
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
ГЛАВА 4
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
«... Ибо это недостойно совершенства Челове-
ческого - подобно рабам тратить часы на вы-
числения».
Готфрид Вильгельм Лейбниц
ВВЕДЕНИЕ
Настоящая глава посвящена принципиальным вопросам устройства и функционирования
ЭВМ.
В познании деятельности компьютера есть несколько уровней. Первый из них, необходи-
мый каждому специалисту, - уровень архитектуры. Архитектура - это наиболее общие принципы
построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействием основных
функциональных узлов. На этом уровне не требуется знание схемных решений современной ра-
диотехники и микроэлектроники. Последнее вообще выходит за пределы информатики, оно тре-
буется лишь разработчикам физических элементов компьютеров.
Уровень архитектуры достаточно глубок, он включат вопросы управления работой ЭВМ
(программирования) на языке машинных команд (ассемблера). Такой способ управления гораздо
сложнее, чем написание программ на языках высокого уровня, и тем не менее без представления о
нем невозможно понять реальную работу компьютера.
Следующий уровень, который также прослеживается в данной главе, - логические принци-
пы и схемы реализации основных операциональных узлов компьютера (триггеров, сумматоров и
т.д.). Понимание этих принципов весьма желательно и существенно расширит кругозор специали-
ста в области информатики (и ее преподавания).
Наконец, в данной главе приведен краткий обзор внешних устройств современных компью-
теров - накопителей, устройств ввода и вывода информации, - а также элементарное описание
принципов их работы, профессиональные характеристики.
§ 1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
1.1.
НАЧАЛЬНЫЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Все началось с идеи научить машину считать или хотя бы складывать многоразрядные це-
лые числа. Еще около 1500 г. великий деятель эпохи Просвещения Леонардо да Винчи разработал
эскиз 13-разрядного суммирующего устройства, что явилось первой дошедшей до нас попыткой
решить указанную задачу. Первую же действующую суммирующую машину построил в 1642 г.
Блез Паскаль - знаменитый французский физик, математик, инженер. Его 8-разрядная машина со-
хранилась до наших дней.
388
Рис. 4.1.
Блез Паскаль (1623 - 1662) и его счетная машина
От замечательного курьеза, каким восприняли современники машину Паскаля, до создания
практически полезного и широко используемого агрегата - арифмометра (механического вычисли-
тельного устройства, способного выполнять 4 арифметических действия) - прошло почти 250 лет.
Уже в начале XIX века уровень развития ряда наук и областей практической деятельности (мате-
матики, механики, астрономии, инженерных наук, навигации и др.) был столь высок, что они на-
стоятельнейшим образом требовали выполнения огромного объема вычислений, выходящих за
пределы возможностей человека, не вооруженного соответствующей техникой. Над ее созданием
и совершенствованием работали как выдающиеся ученые с мировой известностью, так и сотни
людей, имена многих из которых до нас не дошли, посвятивших свою жизнь конструированию
механических вычислительных устройств.
Еще в 70-х годах нашего века на полках магазинов стояли механические арифмометры и их
«ближайшие родственники», снабженные электрическим приводом -электромеханические кла-
вишные вычислительные машины. Как это часто бывает, они довольно долго удивительным обра-
зом соседствовали с техникой совершенно иного уровня - автоматическими цифровыми вычисли-
тельными машинами (АЦВМ), которые в просторечии чаще называют ЭВМ (хотя, строго говоря,
эти понятия не совсем совпадают). История АЦВМ восходит еще к первой половине прошлого ве-
ка и связана с именем замечательного английского математика и инженера Чарльза Бэббиджа. Им
в 1822 г. была спроектирована и почти 30 лет строилась и совершенствовалась машина, названная
вначале «разностной», а затем, после многочисленных усовершенствований проекта, «аналитиче-
ской». В «аналитическую» машину были заложены принципы, ставшие фундаментальными для
вычислительной техники.
1. Автоматическое выполнение операций.
Для выполнения расчетов большого объема существенно не только то, как-быстро выпол-
няется отдельная арифметическая операция, но и то, чтобы между операциями не было «зазоров»,
требующих непосредственного человеческого вмешательства. Например, большинство современ-
ных калькуляторов не удовлетворяют этому требованию, хотя каждое доступное им действие вы-
полняют очень быстро. Необходимо, чтобы операции следовали одна за другой безостановочно.
2. Работа по вводимой «на ходу» программе.
Для автоматического выполнения операций программа должна вводиться в исполнительное
устройство со скоростью, соизмеримой со скоростью выполнения операций. Бэббидж предложил
использовать для предварительной записи программ и ввода их в машину перфокарты, которые к
тому времени применялись для управления ткацкими станками.
3. Необходимость специального устройства - памяти - для хранения данных (Бэббидж на-
звал его «складом»).
389
Рис. 4.2.
Чарльз Бэббидж (1792 - 1871) и его «аналитическая машина»
Эти революционные идеи натолкнулись на невозможность их реализации на основе меха-
нической техники, ведь до появления первого электромотора оставалось почти полвека, а первой
электронной радиолампы - почти век! Они настолько опередили свое время, что были в значи-
тельной мере забыты и переоткрыты в следующем столетии.
Впервые автоматически действующие вычислительные устройства появились в середине
XX века. Это стало возможным благодаря использованию наряду с механическими конструкциями
электромеханических реле. Работы над релейными машинами начались в 30-е годы и продолжа-
лись с переменным успехом до тех пор, пока в 1944 г. под руководством Говарда Айкена - амери-
канского математика и физика - на фирме IBM (International Business Machines) не была запущена
машина «Марк-1», впервые реализовавшая идеи Бэббиджа (хотя разработчики, по-видимому, не
были с ними знакомы). Для представления чисел в ней были использованы механические элемен-
ты (счетные колеса), для управления - электромеханические. Одна из самых мощных релейных
машин РВМ-1 была в начале 50-х годов построена в СССР под руководством Н.И.Бессонова; она
выполняла до 20 умножений в секунду с достаточно длинными двоичными числами.
Однако, появление релейных машин безнадежно запоздало и они были очень быстро вы-
теснены электронными, гораздо более производительными и надежными.
1.2.
НАЧАЛО СОВРЕМЕННОЙ ИСТОРИИ ЭЛЕКТРОННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХ-
НИКИ
Подлинная революция в вычислительной технике произошла в связи с применением элек-
тронных устройств. Работа над ними началась в конце 30-х годов одновременно в США, Герма-
нии, Великобритании и СССР. К этому времени электронные лампы, ставшие технической осно-
вой устройств обработки и хранения цифровой информации, уже широчайшим образом применя-
лись в радиотехнических устройствах.
Первой действующей ЭВМ стал ENIAC (США, 1945 - 1946 гг.). Его название по первым
буквам соответствующих английских слов означает «электронно-числовой интегратор и вычисли-
тель». Руководили ее созданием Джон Моучли и Преспер Эккерт, продолжившие начатую в конце
30-х годов работу Джорджа Атанасова. Машина содержала порядка 18 тысяч электронных ламп,
множество электромеханических элементов. Ее энергопотребление равнялось 150 кВт, что вполне
достаточно для обеспечения небольшого завода.
Практически одновременно велись работы над созданием ЭВМ в Великобритании. С ними
связано прежде всего имя Аллана Тьюринга - математика, внесшего также большой вклад в тео-
рию алгоритмов и теорию кодирования. В 1944 г. в Великобритании была запущена машина «Ко-
лосс».
Эти и ряд других первых ЭВМ не имели важнейшего с точки зрения конструкторов после-
дующих компьютеров качества - программа не хранилась в памяти машины, а набиралась доста-
точно сложным образом с помощью внешних коммутирующих устройств.
Огромный вклад в теорию и практику создания электронной вычислительной техники на
390
начальном этапе ее развития внес один из крупнейших американских математиков Джон фон
Нейман. В историю науки навсегда вошли «принципы фон Неймана». Совокупность этих принци-
пов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ. Один из важнейших принци-
пов - принцип хранимой программы - требует, чтобы программа закладывалась в память машины
так же, как в нее закладывается исходная информация. Первая ЭВМ с хранимой программой
(EDSAC) была построена в Великобритании в 1949 г.
В нашей стране вплоть до 70-х годов создание ЭВМ велось почти полностью самостоятель-
но и независимо от внешнего мира (да и сам этот «мир» был почти полностью зависим от США).
Дело в том, что электронная вычислительная техника с самого момента своего первоначального
создания рассматривалась как сверхсекретный стратегический продукт, и СССР приходилось раз-
рабатывать и производить ее самостоятельно. Постепенно режим секретности смягчался, но и в
конце 80-х годов наша страна могла покупать за рубежом лишь устаревшие модели ЭВМ (а самые
современные и мощные компьютеры ведущие производители - США и Япония - и сегодня разра-
батывают и производят в режиме секретности).
Первая отечественная ЭВМ - МЭСМ («малая электронно-счетная машина») -была создана в
1951 г. под руководством Сергея Александровича Лебедева, крупнейшего советского конструкто-
ра вычислительной техники, впоследствии академика, лауреата государственных премий, руково-
дившего созданием многих отечественных ЭВМ. Рекордной среди них и одной из лучших в мире
для своею времени была БЭСМ-6 («большая электронно-счетная машина, 6-я модель»), созданная
в середине 60-х годов и долгое время бывшая базовой машиной в обороне, космических исследо-
ваниях, научно-технических исследованиях в СССР. Кроме машин серии БЭСМ выпускались и
ЭВМ других серий - «Минск», «Урал», М-20, «Мир» и другие, созданные под руководством
И.С.Брука и М.А.Карцева, Б.И.Рамеева, В.М.Глушкова, Ю.А.Базилевского и других отечествен-
ных конструкторов и теоретиков информатики.
С началом серийного выпуска ЭВМ начали условно делить по поколениям; соответствую-
щая классификация изложена ниже.
Рис. 4.3.
Джон фон Нейман (1903-
1957)
Рис.
4.4.
Сергей Александрович Ле-
бедев (1902- 1974)