Файл: История развития средств вычислительной техники (Принципы Джона фон Неймана).pdf

Введение

Персональные компьютеры все прочнее с каждым днем входят в нашу жизнь, а также занимают в ней не последнее место.

Каких-то 20 лет тому назад их можно было увидеть лишь в солидных организациях, а сегодня ПК стоит чуть ли не в каждом магазине, кафе, офисе, библиотеке.

На сегодняшний день персональные компьютеры в человеческой жизнедеятельности применяются во многих сферах – для создания научных сложных моделей, ведения бухгалтерского учета, разработки дизайна или создания музыки, поиска и хранения информации в специальных базах данных, обучения, прослушивания музыки.

Каждому человеку нужно знать сам компьютер, уметь пользоваться им. Далеко не каждый, который работает на персональном компьютере, представляет себе точный его состав.

Профессионалы, работающие вне IT-сферы, считают обязательной составляющей своей компетентности хорошие знание аппаратной части для персонального компьютера, или хотя бы его главных технических характеристик.

Также особенно велик интерес к персональным компьютерам среди молодежи, которая широко применяет их для своих личных целей.

Актуальность выбранной темы повязана с тем, что нынешний рынок компьютерной техники очень разнообразен и довольно не просто определять конфигурацию компьютера с требуемыми характеристиками. Поэтому без специальных знаний об истории развития вычислительной техники пользователям не обойтись.

Объектом исследования является аппаратная часть современных ПК.

Предмет исследования – устройство компьютера.

Целью реферата является изучение истории развития главных устройств современного персонального компьютера.

В соответствии с рассмотренной целью поставлены следующие задачи:

– рассмотреть историю создания компьютера;

– изучить предназначение главных этапов развития современного ПК;

– описать методы работы микропроцессора;

– рассмотреть вычислительные компоненты периферийных устройств ввода информации;

– дать характеристику вычислительным компонентам периферийных устройств вывода информации.

В разное время проблему аппаратной части ПК исследовали Н.Виннер, В.С. Королюк, Р.В. Малькович. Стоит отметить, что в нынешнее время составные части ПК постоянно усовершенствуются и ученые постоянно ищут новые подходы к оптимизации функционирования компонентов.

1.Основы теории архитектуры ПК

1.1. Эволюция средств вычислительной техники

История вычислительной техники началась тогда, когда и сформировались понятия чисел. Почти во всех современных языках слово "цифра" начало использоваться от слова "палец". [1]

Именно пальцы стали первой "вычислительной машиной". На них складывали, вычитали, умножали довольно большие числа. Знаменитый ученный Л. Фибоначчи в 1275 г. рекомендовал всем неграмотным учить счет на пальцах. [7]

Одним из первых творений был абак (рис.1).

Рис. . Абак

Задача считалась решенной в случае, если указано, какие именно необходимые вычисления можно выполнять на абаке.

Алгоритмы решения на абаке разрабатывался подробно французским ученым П.Гербертом, который был избран впоследствии папой римским Сильвестром I.

В начале XVII столетия появились первые созданные механические устройства и счетные машины:

– 20-е годы: известный математик В. Оутред создал логарифмическую линейку (рис.2);

Рис. . Логарифмическая линейка

– 1632 г.: ученый В. Шиккард спроектировал первый счетный механизм;

Современным компьютерам предшествовали электромеханические и механические устройства. Еще в 1642 году французский философ и математик Блез Паскаль в 18 лет сконструировал первую суммирующую машину. Машина Б. Паскаля состояла из 8 движущихся дисков с несколькими прорезями и могла выполнять суммирование числа до 8 знаков.

Для своей машины ученый применял десятичную систему исчисления. Если первый диск смещался, например, на десять прорезей – это составляло его полный оборот, он следующий диск перемещал на одну позицию, то есть увеличивал на один количество десятков.

Когда диск, что представлял десятки, делал новый полный оборот, он сместил уже следующий диск, увеличивая при этом количество сотен, и т. п.

Известны также более ранние попытки проектирования механических суммирующих машин.

Полное описание суммирующей машины, которая по характеристикам напоминала машину Паскаля, в 1964 году было обнаружено в мемуарах, принадлежащих Л. да Винчи.

Подобное устройство было описано и в 1624 году В. Шикардом. До нашего времени дошли лишь чертежи Шикарда, которые обнаружены в 1956 г.

В 1684 г. немецкий математик, философ Вильгельм Готфрид Лейбниц, используя рисунки и чертежи Паскаля, улучшил Паскалину, добавив возможность умножать числа.

Вместо шестеренок Лейбниц использовал специальный пошаговый барабан.

Но широкое распространение вычислительные устройства получили лишь в 1821 году, когда француз Ч. Калмар создал машину, которая могла выполнять четыре арифметических действия. Машину Ч.Калмара назвали арифмометр.

Арифмометры, благодаря своей универсальности, применялись довольно длительное время.

Разные изобретатели и ученые совершенствовали эти устройства.

Вильгодт Однер в 1881 году создал арифмометр, где использовалось переменное количество зубцов. Позднее на базе арифмометра Однера создан арифмометр "Феликс", который производился в СССР до 70-х годов (рис. 3).

Рис. . Арифмометр Феликс

Начало в том виде эры компьютеров, в котором они и существуют сейчас, повязано с именем английского ученого Ч. Бэббиджа, который в 30-х годах выдвинул идею создания вычислительных машин, осуществленную лишь в середине XX в. [5]

Бэббидж обратил внимание тот факт, что машина может выполнять без ошибок вычисление больших математических формул посредством простого итерационного повторения шагов.

Работая с этой проблемой, он в 1823 г. предложил проект машины по решению дифференциальных уравнений больших порядков. Для повторения операций должна была использоваться в машине Бэббиджа энергия пара. Процесс вычислений действительно получилось автоматизировать. В дальнейшем Бэббидж создал модель универсальной вычислительной машины, которая способна выполнять широкий круг других задач.

В 1889 г. немец Герман Холлерит сконструировал первое перфокарточное устройство для вычисления статистических задач и, при этом, основал фирму по выпуску вычислительных машин, которая в 1915 г. стала называться IBM.

Рис. . Перфокарта

Кроме механических вычислительных машин появились и аналоговые вычислительные машины, для которых обработка информации выполнялась с помощью специального физического процесса, моделирующего некоторую вычисляемую закономерность. [10]

Простейшей аналоговой машиной являются часы.

А первыми аналоговыми машинами созданы устройства, в которых основными элементами были дифференцирующие и интегрирующие устройства, позволяющие вычислять мгновенно интеграл и производную для заданной функции.

Полезным свойством аналоговой машины является мгновенное получение решения сразу после задания нужных параметров задачи установления физического процесса.

Но круг задач, которые решаются аналоговой машиной, ограничен теми процессами, которые она может моделировать (рис. 5).

Рис. . Аналоговая машина

Далее в первой половине 20 века англичанин Ч. Бэббидж разработал свою собственную конструкцию машины, которую также можно было назвать одним из первых компьютеров. Но он не был построен, ведь машина должна быть только механической, а нужная точность при изготовлении деталей для нее в то время была недостижимой.

Устройство персонального компьютера по чертежам Бэббиджа было описано Августой Адой Лавлейс. При этом она разработала теорию программирования, написала несколько первых программ для не существующей пока вычислительной машины. [11]

Основные части первого ПК были такими же, что и для современной ЭВМ:

– устройство для ввода-вывода;

– запоминающее устройство; [8]

– арифметико-логическое устройство, что выполняет арифметические и логические операции;

– устройство управления, что руководит перемещениями данных и работой центрального процессора и обеспечивающее разные нужные действия программы.

В 1936 году математик Алан Тьюринг написал работу "О вычислимых числах", при этом заложив теоретические основы для теории алгоритмов. Концепция А. Тьюринга возникла при проведенном им анализе действий человека, который выполняет в соответствии с разработанным заранее планом разные вычисления, то есть какие-то последовательные преобразования комплексов.

Анализ этот был осуществлен с целью решения проблем поиска точного эквивалента для общего представления об алгоритме. [4]

Сама работа Тьюринга стимулировала появление абстрактной теории автоматов, а также во многом определила особенности.

1.2. Принципы Джона фон Неймана

Рассмотрим принципы американского ученного Джона фон Неймана, которые определили актуальные направления для развития компьютерной техники (рис. 6).

Рис. . Принципы фон Неймана

В начале 40-х годов прошлого века американец Дж. фон Нейман включился в разработку по проектированию ЭВМ, которая предназначалась для управления специальной секретной береговой ПВО. В этой разработке создавалась машина "ЭНИАК", которая расшифровывалась как электронный численный интегратор для автоматических вычислений (рисунок 7). Однако, проектируемая машина имела слишком большой недостаток: она не имела устройств для хранения команд. [5]

Рис. . ЭВМ «ЭНИАК»

В середине 1944 г. Дж. фон Нейман выступил с докладом на конференции в США, в котором он определил основные принципы работы новейшего вычислительного устройства. Эти принципы получили название "принципы архитектуры фон Неймана" (рис. 8). [10]

Рис. 8. Архитектура ЭВМ по Дж. фон Нейману

В состав ЭВМ, по мнению ученого, должны были входить составные части: [9]

– арифметико-логическое устройство для выполнения разных логических и арифметических действий с данными;

– оперативная память – устройство, которое предназначено для хранения кода выполняемых программ;

– внешние устройства (периферийные вспомогательные средства). Обычно они делятся на такие классы: [5]

1) внешняя память (накопители на жестких и магнитных дисках, магнитооптические диски);

2) устройства для выполнения ввода и вывода данных (клавиатура, сканер, микрофон, мышь, дисплей, колонки и т.д.);

– управляющее устройство, что выполняет организацию работы персонального компьютера:

• помещает в оперативную память (ОП) код программы с внешнего устройства (ВУ);
• считывает из ячеек оперативной памяти (ОП) и организует реализацию самой первой выполняемой команды программы;
• выполняет определение следующей команды и ее реализацию;

4) постоянно синхронизирует функционирование всех устройств, имеющих различную скорость для выполнения операций, с помощью приостановки некоторых программ.

Рассмотрим принципы фон Неймана: [1]

• Принцип однородности памяти.

Это самое принципиальное отличие принстонской от гарвардской архитектуры. Все имеющиеся команды и данные хранятся в одной памяти, и они в памяти внешне не различаются.

Распознавать можно их по способу применения; а именно одно и то же значение может применятся в памяти и в виде данных, и как команды, и как адреса.

Полезным является следующее практическое следствие для принципов однородности, когда все имеющиеся команды одной программы выполняются как результат работы иной программы.

• Принцип адресности [8]

Основная память состоит из множества специальным способом пронумерованных ячеек, причём процессору в обычный момент времени доступна практически любая ячейка. Двоичные коды имеющихся команд и данных можно разделить на единицы информации, что называются словами. Они хранятся с помощью имеющихся ячеек памяти, для их доступа можно применить номера соответствующих ячеек – адресов.