محاضرة 1

الخصائص الرئيسية ومجالات تطبيق أجهزة الكمبيوتر من مختلف الفئات

تعريف الكمبيوتر

تعريف. الكمبيوتر (الكمبيوتر الإلكتروني) عبارة عن مجموعة من الأجهزة والبرامج المصممة لأتمتة إعداد وحل مشاكل المستخدم.

يُفهم المستخدم على أنه الشخص الذي تتم معالجة بياناته على جهاز الكمبيوتر لمصلحته.

تعريف. هندسة الكمبيوتر هي تسلسل هرمي متعدد المستويات للأجهزة والبرامج التي يتم بناء الكمبيوتر منها. يسمح كل مستوى بالبناء والتطبيق المتعدد.

الهيكل العام للكمبيوتر

في التين. يوضح الشكل 1 رسمًا تخطيطيًا معممًا لجهاز الكمبيوتر.

أرز. 1. رسم تخطيطي معمم لجهاز الكمبيوتر.

خطوات الحساب:

1. تحديد وتحديد ترتيب العمليات الحسابية.

2. ضبط البيانات الأولية.

3. إجراء الحسابات (للحصول على نتائج وسيطة).

4. الحصول على النتيجة النهائية.

يعتمد عمل أي جهاز كمبيوتر على اثنين مفاهيم اساسيةفي الحوسبة:

1. مفهوم الخوارزمية.

2. المبدأ التحكم في البرنامج.

تعريف. الخوارزمية هي تسلسل فريد معين من الإجراءات، يتكون من عمليات محددة رسميًا على البيانات الأولية، مما يؤدي إلى اتخاذ القرار عدد معينخطوات.

خصائص الخوارزميات:

1. خصوصية الخوارزمية (يتم تنفيذ الإجراءات في خطوات، وتكون المعلومات نفسها منفصلة).

2. الحتمية (بغض النظر عن عدد المرات التي يتم فيها تنفيذ نفس الخوارزمية لنفس البيانات، فإن النتيجة هي نفسها).

3. النطاق الشامل (الخوارزمية "تحل المشكلة" لمختلف البيانات الأولية من مجموعة مقبولة وتعطي دائمًا النتيجة الصحيحة).

برنامج. وصف الخوارزمية بأي لغة.

تمت صياغة مبدأ التحكم في البرنامج لأول مرة من قبل عالم الرياضيات والفيزياء المجري جون فون نيومان في عام 1946.

يتضمن مبدأ التحكم في البرنامج عدة مبادئ معمارية ووظيفية:

1. يتم تمثيل أي خوارزمية على أنها تسلسل معين من كلمات التحكم - الأوامر. يحدد كل أمر فردي خطوة بسيطة (مفردة) لتحويل المعلومات.

2. مبدأ الانتقال المشروط. أثناء عملية الحساب، اعتمادا على النتائج المتوسطة التي تم الحصول عليها، من الممكن الانتقال التلقائي إلى قسم معين من البرنامج.

3. مبدأ الأمر المخزن. يتم تقديم الأوامر في الكمبيوتر بنفس الشكل المشفر كأي بيانات ويتم تخزينها في نفس ذاكرة الوصول العشوائي. وهذا يعني أنه عند النظر إلى محتويات الذاكرة، دون أي نوع من التعليمات، فإنه من المستحيل التمييز بين البيانات والتعليمات. وبالتالي، يمكن، من حيث المبدأ، معالجة أي أوامر كبيانات (المعلومات الموجودة في الكمبيوتر لا تختلف في عرضها، ولكن في طريقة استخدامها).

4. مبدأ الترميز الثنائي.

5. مبدأ التسلسل الهرمي لأجهزة التخزين.

أجيال الكمبيوتر

طوال فترة تطور أنظمة الكمبيوتر، كان هناك ميل نحو زيادة سرعة معالجة المعلومات بواسطة المعالج، وانخفاض الحجم الفعلي للمكونات، وزيادة سعة الذاكرة وزيادة إنتاجية المدخلات -قنوات الإخراج.

وبدون إنكار حقيقة أن أحد أسباب زيادة أداء المعالج هو التقدم في مجال الإلكترونيات الدقيقة، وخاصة تصغير المكونات الإلكترونية، إلا أننا نلاحظ مع ذلك أن الأفكار الجديدة فيما يتعلق بالتنظيم الهيكلي للمعالج، ولا سيما الانتشار الواسع النطاق استخدام مبادئ خطوط الأنابيب والمعالجة المتوازية وإدخال التكنولوجيا للاختيار التفضيلي لاتجاه تفرع البرنامج، أي. تنفيذ التحولات الشرطية بناءً على التقديرات المتوقعة حتى قبل تكوين شروط الانتقال. كل هذه الأفكار لها هدف واحد - تقليل وقت خمول المعالج قدر الإمكان.

إن أهم مشكلة تواجه أي مصمم نظام حاسوبي هي تحقيق التوازن بين خصائص أداء مكونات النظام الفردية، أي: مثل هذا الاختيار من المكونات التي لا يوجد فيها مكون واحد خاملاً، في انتظار الآخرين "لمواكبته". وعلى وجه الخصوص، يزيد أداء المعالج بشكل أسرع من أداء ذاكرة الوصول العشوائي (RAM). يمتلك المصمم في ترسانته العديد من الأساليب لإبطال التأثير السلبي لمثل هذا التناقض، بما في ذلك استخدام ذاكرة التخزين المؤقت المتوسطة، وتوسيع عرض النطاق الترددي للطريق السريع بين المعالج والذاكرة، واستخدام عناصر الذاكرة مع تنظيم منطقي أكثر تعقيدًا .

نبدأ عرضنا للمادة برحلة قصيرة إلى تاريخ تطور تكنولوجيا الكمبيوتر. بالإضافة إلى الاهتمام التعليمي، هناك أيضًا اهتمام عملي بالتاريخ. سنحاول، مع الأخذ في الاعتبار عملية تطور أنظمة الكمبيوتر، تتبع كيف تغيرت وجهات النظر حول التنظيم الهيكلي وهندسة الكمبيوتر مع تحسن القاعدة العنصرية.

ظهرت أجهزة الكمبيوتر الأولى منذ ما يزيد قليلاً عن 50 عامًا. وفقا للقاعدة الأولية ومستوى تطوير البرمجيات، يتم تمييز أربعة أجيال من أجهزة الكمبيوتر، ويرد وصف موجز لها في الجدول:

خيارات المقارنة	أجيال الكمبيوتر
				الرابع
فترة من الزمن
قاعدة العنصر (لوحدة التحكم، ALU)	المصابيح الإلكترونية (أو الكهربائية).	أشباه الموصلات (الترانزستورات)	دوائر متكاملة	كبير دوائر متكاملة(مكررا)
النوع الرئيسي للكمبيوتر			صغير (ميني)
أجهزة الإدخال الأساسية	جهاز التحكم عن بعد، بطاقة مثقوبة، إدخال الشريط المثقوب		عرض أبجدي رقمي، لوحة المفاتيح	لون عرض الرسوم البيانية، الماسح الضوئي، لوحة المفاتيح
أجهزة الإخراج الرئيسية	جهاز طباعة أبجدية رقمية (ADP)، إخراج شريط مثقوب		الراسمة، الطابعة
ذاكرة خارجية	الأشرطة المغناطيسية، والطبول، والأشرطة المثقوبة، والبطاقات المثقوبة		الأشرطة المثقوبة, قرص مغناطيسي	المغناطيسي و الأقراص الضوئية
الحلول البرمجية الرئيسية	لغات البرمجة العالمية، مترجمون	حزمة نظام التشغيلتحسين المترجمين	أنظمة التشغيل التفاعلية، لغات البرمجة المهيكلة	برامج ودية، وأنظمة تشغيل الشبكة
وضع تشغيل الكمبيوتر	برنامج واحد	حزمة	وقت المشاركة	العمل الشخصي ومعالجة الشبكات
الغرض من استخدام الكمبيوتر	الحسابات العلمية والتقنية	الحسابات الفنية والاقتصادية	الحسابات الإدارية والاقتصادية	الاتصالات السلكية واللاسلكية، خدمات المعلومات

كمبيوتر الجيل الأول

كانت أجهزة كمبيوتر الجيل الأول ذات سرعة منخفضة تصل إلى عشرات الآلاف من العمليات في الثانية. لقد كانت كبيرة الحجم، وتستهلك قدرًا كبيرًا من الطاقة، وكانت موثوقيتها منخفضة وبرامجها ضعيفة.

لم تكن هناك لغات برمجة على هذا النحو حتى الآن، واستخدم المبرمجون تعليمات الآلة أو المجمعات لترميز خوارزمياتهم. أدى هذا إلى تعقيد عملية البرمجة وتأخيرها. بحلول نهاية الخمسينيات، كانت أدوات البرمجة تخضع لتغييرات أساسية: تم الانتقال إلى أتمتة البرمجة باستخدام اللغات العالميةومكتبات البرامج القياسية.

كمبيوتر الجيل الثاني

الجيل الثاني من أجهزة الكمبيوتر هو الانتقال إلى قاعدة عنصر الترانزستور، وظهور أول أجهزة الكمبيوتر الصغيرة. الترانزستور الواحد قادر بالفعل على العمل لـ 40 أنبوبًا مفرغًا وفي نفس الوقت يعمل بسرعة أعلى، ويولد حرارة قليلة جدًا ولا يستهلك أي كهرباء تقريبًا. بالتزامن مع عملية استبدال الأنابيب المفرغة بالترانزستورات، تم تحسين طرق تخزين المعلومات. زادت سعة الذاكرة، وبدأ استخدام الشريط المغناطيسي لإدخال المعلومات وإخراجها. في منتصف الستينيات، انتشر تخزين المعلومات على الأقراص على نطاق واسع.

يستقبل مزيد من التطويرمبدأ الاستقلالية - يتم تنفيذه بالفعل على مستوى الأجهزة الفردية، والذي يتم التعبير عنه في بنيتها المعيارية. تم تجهيز أجهزة الإدخال/الإخراج بأجهزة التحكم الخاصة بها (CUs) (وتسمى وحدات التحكم)، والتي تحرر وحدة التحكم المركزية من إدارة عمليات الإدخال/الإخراج. تمت إضافة شاشة أبجدية رقمية إلى كمبيوتر الجيل الثاني وظهرت لوحة المفاتيح.

كان التغيير الأساسي في بنية الكمبيوتر هو إضافة وحدة أجهزة لمعالجة الأرقام بتنسيق الفاصلة العائمة.

يبدأ تطوير البرمجيات بالاعتماد على مكتبات البرامج القياسية التي تتمتع بخاصية النقل، أي. العمل على جهاز الكمبيوتر ماركات مختلفة. يتم حزم الأدوات البرمجية الأكثر استخدامًا برامج التطبيقاتلحل مشاكل فئة معينة. يتم إنشاء أدوات برمجية خاصة - برامج النظام، المصممة في البداية لتسريع وتبسيط انتقال المعالج من مهمة إلى أخرى.

كمبيوتر الجيل الثالث

وفي السبعينيات، ظهر وتطور أجهزة الكمبيوتر من الجيل الثالث. هذه المرحلة- الانتقال إلى قاعدة العناصر المتكاملة. يمكن لدائرة متكاملة واحدة أن تحل محل آلاف الترانزستورات. ونتيجة لذلك، زاد أداء أجهزة الكمبيوتر من الجيل الثالث 100 مرة، وانخفضت الأبعاد بشكل ملحوظ.

تم إنشاء أجهزة الكمبيوتر في هذا الجيل على أساس مبدأ التوحيد، مما جعل من الممكن استخدام أنظمة الكمبيوتر في مجالات متنوعةأنشطة.

أدى التوسع في وظائف أجهزة الكمبيوتر إلى زيادة نطاق تطبيقها، مما أدى إلى زيادة حجم المعلومات المعالجة ووضع مهمة تخزين البيانات في قواعد بيانات خاصة وصيانتها. هكذا ظهرت أنظمة إدارة قواعد البيانات الأولى - DBMS.

لقد تغيرت أشكال استخدام الكمبيوتر: المقدمة المحطات البعيدة(شاشات العرض) أتاحت إمكانية تنفيذ وضع مشاركة الوقت على نطاق واسع وفعال وبالتالي تقريب الكمبيوتر من المستخدم وتوسيع نطاق المهام التي يتعين حلها.

ضمان نظام تقاسم الوقت المسموح به النوع الجديدأنظمة التشغيل التي تدعم تعدد المهام - طريقة لتنظيم عملية حوسبة يتم فيها تنفيذ عدة برامج بالتناوب على معالج واحد. أثناء قيام أحد البرامج بإجراء عملية إدخال/إخراج، لا يكون المعالج خاملاً، كما كان الحال عند تنفيذ البرامج بشكل تسلسلي (وضع البرنامج الفردي)، ولكنه ينفذ برنامجًا آخر (وضع البرامج المتعددة).

تحتل آلة BESM-6 مكانة خاصة في تطوير تكنولوجيا الكمبيوتر المحلية. دخلت الآلة حيز التشغيل عام 1967. وتبلغ سرعتها حوالي مليون عملية/ثانية. هنا، لأول مرة في الممارسة المحلية وبغض النظر عن التطورات الخارجية، تم تطبيق مبدأ تنفيذ الأوامر عبر الأنابيب. على BESM-6

أرز. 2. الكمبيوتر BESM-6

كمبيوتر الجيل الرابع

في أواخر السبعينيات، أدى تطور الإلكترونيات الدقيقة إلى خلق القدرة على وضع آلاف الدوائر المتكاملة على شريحة واحدة. وهكذا ظهرت الدوائر المتكاملة الكبيرة والجيل الرابع من أجهزة الكمبيوتر، والذي تميز بإنشاء سلسلة من أجهزة الكمبيوتر الصغيرة غير المكلفة وتطوير أجهزة الكمبيوتر الفائقة للحوسبة عالية الأداء.

وكان أهمها ظهور أجهزة الكمبيوتر الشخصية، مما جعل من الممكن تقريب أجهزة الكمبيوتر من مستخدمها النهائي. وأصبح استخدام أجهزة الكمبيوتر على نطاق واسع من قبل غير المتخصصين، الأمر الذي يتطلب تطوير برامج "سهلة الاستخدام". تظهر أنظمة التشغيل التي تدعم الواجهات الرسومية وحزم برامج التطبيقات الذكية. نظرا للطلب المتزايد على البرمجيات، يتم تحسين تقنيات تطوير البرمجيات - تظهر أنظمة البرمجة المتقدمة وبيئات أدوات المستخدم.

في منتصف الثمانينات، بدأت شبكات أجهزة الكمبيوتر الشخصية التي تعمل ضمن الشبكة أو أنظمة التشغيل الموزعة في التطور بسرعة.

الخصائص الرئيسية للكمبيوتر

يتمتع كل كمبيوتر بخصائصه التقنية والتشغيلية الخاصة به: السرعة والأداء والموثوقية والدقة وذاكرة الوصول العشوائي (RAM) وسعة الذاكرة الخارجية، أبعادوتكلفة الأجهزة والبرامج وميزات التشغيل وما إلى ذلك.

أداء- من أهم خصائص الكمبيوتر والتي تتميز بعدد الأوامر التي ينفذها الكمبيوتر في الثانية الواحدة. نظرًا لأن أوامر الكمبيوتر تتضمن عمليات تختلف في مدة التنفيذ وفي احتمالية استخدامها، فمن المنطقي وصفها إما بمتوسط ​​سرعة الكمبيوتر، أو بالسرعة القصوى (بالنسبة للعمليات "الأقصر" لـ "التسجيل" "للتسجيل" نوع). تتمتع أجهزة الكمبيوتر الحديثة بخصائص أداء عالية جدًا، تُقاس بمليارات العمليات في الثانية.

أداء- مقدار العمل الذي يؤديه الكمبيوتر لكل وحدة زمنية. السرعة الحقيقية أو الفعالة التي يوفرها الكمبيوتر أقل بكثير، ويمكن أن تختلف بشكل كبير اعتمادًا على فئة المشكلات التي يتم حلها. مقارنة الأداء أنواع مختلفةأجهزة الكمبيوتر التي تختلف بشكل حاد عن بعضها البعض في خصائصها لا تقدم تقديرات موثوقة. لذلك، في كثير من الأحيان، بدلاً من خاصية الأداء، يتم استخدام خاصية الأداء المرتبطة. على سبيل المثال، يمكنك تحديد هذه المعلمة من خلال عدد المهام المنجزة في وقت معين. ومع ذلك، فإن المقارنة بين أنواع مختلفة من أجهزة الكمبيوتر بناءً على هذه الخاصية يمكن أن تسبب صعوبات. نظرًا لأن تقييم أداء أجهزة الكمبيوتر المختلفة يعد مهمة عملية مهمة، فقد تم اقتراح خصائص الأداء النسبية للاستخدام، والتي تم حسابها على أساس الاختبارات: مجموعات من المهام النموذجية للعمل مع الأعداد الصحيحة والفاصلة العائمة والرسومات والفيديو. تظهر نتائج أحد هذه الاختبارات في الشكل. 1.

أرز. 1. مقارنة المعالجات بناء على اختبار SiSoftSandra

سعة التخزين- يتم قياسه بعدد الوحدات الهيكلية للمعلومات التي يمكن أن تكون في الذاكرة في وقت واحد. يتيح لك هذا المؤشر تحديد مجموعة البرامج والبيانات التي يمكن وضعها في الذاكرة في نفس الوقت. أصغر وحدة هيكلية للمعلومات هي بت - واحد رقم ثنائي. عادةً، يتم قياس سعة الذاكرة بوحدات أكبر من البايتات (ثمانية بتات). وحدات القياس التالية هي 1 كيلو بايت = 1024 بايت، 1 ميجا بايت = 1024 كيلو بايت، إلخ. 1 ميجا بايت، 1 جيجا بايت. في هذه الحالة، يتم تحديد سعة الذاكرة الخاصة بالمعالج (ذاكرة التخزين المؤقت) بشكل منفصل. ذاكرة الوصول العشوائيوسعة الذاكرة الخارجية.

مصداقية- هي قدرة الكمبيوتر، في ظل ظروف معينة، على أداء الوظائف المطلوبة لفترة زمنية معينة. تم تضمين الموثوقية العالية للكمبيوتر في عملية إنتاجه. يؤدي الانتقال إلى قاعدة عناصر جديدة - الدوائر المتكاملة واسعة النطاق (VLSI) إلى تقليل عدد الدوائر المتكاملة المستخدمة بشكل حاد، وبالتالي عدد اتصالاتها مع بعضها البعض. في أجهزة الكمبيوتر الحديثة، يتم التفكير جيدًا في تخطيط الكمبيوتر وتوفير أوضاع التشغيل المطلوبة (التبريد والحماية من الغبار)؛ ويسهل مبدأ التصميم المعياري فحص ومراقبة تشغيل جميع الأجهزة وتشخيص المشكلات وإصلاحها.

دقة- القدرة على التمييز بين القيم المتساوية تقريبا. يتم تحديد دقة الحصول على نتائج المعالجة بشكل أساسي من خلال سعة البت للكمبيوتر، بالإضافة إلى الوحدات الهيكلية المستخدمة لتمثيل المعلومات (البايت، الكلمة (2 بايت)، الكلمة المزدوجة، وما إلى ذلك). في العديد من تطبيقات الكمبيوتر، لا يتطلب الأمر دقة كبيرة، على سبيل المثال، عند معالجة النصوص والمستندات، أو عند التحكم في العمليات التكنولوجية. في هذه الحالة، يكفي استخدام 8، 16 بت الرموز الثنائية. عند إجراء حسابات معقدة، من الضروري استخدام عمق بت أعلى (32، 64، أو حتى أكثر). ولذلك، فإن كافة أجهزة الكمبيوتر الحديثة لديها القدرة على العمل مع الكلمات الآلية 16 و 32 بت. وبمساعدة أدوات البرمجة اللغوية عالية المستوى، يمكن زيادة هذا النطاق عدة مرات، مما يجعل من الممكن تحقيق دقة أكبر.

المجالات الرئيسية لتطبيق أجهزة الكمبيوتر من مختلف الفئات

وفقا لقانون مور، فإن الخصائص الأساسية لأجهزة الكمبيوتر تتحسن مرتين تقريبا كل عامين. في ظل هذه الظروف، فإن أي تصنيف مقترح لأجهزة الكمبيوتر سرعان ما يصبح قديمًا ويحتاج إلى تعديل. على سبيل المثال، في التصنيفات قبل عشر سنوات، تم استخدام أسماء الحواسيب الصغيرة والمتوسطة والصغيرة على نطاق واسع، والتي اختفت تقريبًا من الاستخدام.

هناك ثلاثة مجالات عالمية للنشاط البشري تتطلب استخدام أنواع مختلفة من أجهزة الكمبيوتر:

1. استخدام أجهزة الكمبيوتر لأتمتة العمليات الحسابية.إن الثورة العلمية والتكنولوجية في جميع مجالات العلوم والتكنولوجيا تطرح باستمرار مشاكل علمية وهندسية واقتصادية جديدة تتطلب حسابات واسعة النطاق (مهام تصميم أنواع جديدة من المعدات، ونمذجة العمليات المعقدة، والتكنولوجيا النووية والفضائية، وما إلى ذلك). . ومن السمات المميزة لهذا الاتجاه وجود أساس رياضي جيد أرساه تطور العلوم الرياضية وتطبيقاتها. تم إنشاء أجهزة الكمبيوتر الأولى ثم اللاحقة ذات البنية الكلاسيكية في المقام الأول لأتمتة العمليات الحسابية.

بالتزامن مع التغيرات الهيكلية في الكمبيوتر، كان هناك أيضًا تغيير نوعي في طبيعة الحوسبة. تتناقص باستمرار حصة الحسابات الرياضية البحتة، وهي تمثل حاليا حوالي 10٪ من جميع الأعمال الحسابية. بدأ استخدام الآلات بشكل متزايد لأنواع جديدة من المعالجة: النصوص والرسومات والصوت وما إلى ذلك.

2. تطبيقات الحاسب الآلي في أنظمة التحكم.وُلد هذا الاتجاه في الستينيات تقريبًا، عندما بدأ إدخال أجهزة الكمبيوتر بشكل مكثف في حلقات التحكم في الأنظمة الآلية والآلية. يتطلب الاستخدام الجديد لأجهزة الكمبيوتر تعديل هيكلها. كان على أجهزة الكمبيوتر المستخدمة في الإدارة ليس فقط توفير الحسابات، ولكن أيضًا أتمتة جمع البيانات وتوزيع نتائج المعالجة. يتطلب التفاعل مع قنوات الاتصال تعقيد أوضاع تشغيل الكمبيوتر، مما يجعلها متعددة البرامج ومتعددة المستخدمين.

3. تطبيقات الحاسب الآلي في حل مشاكل الذكاء الاصطناعي.دعونا نتذكر أن مهام الذكاء الاصطناعي لا تنطوي على الحصول على نتيجة دقيقة، بل في أغلب الأحيان نتيجة متوسطة بالمعنى الإحصائي والاحتمالي. أمثلة مهام مماثلةالعديد: مسائل الروبوتات، وإثبات النظريات، والترجمة الآلية للنصوص، والتخطيط مع مراعاة المعلومات غير الكاملة، والتنبؤات، ونمذجة العمليات والظواهر المعقدة، وما إلى ذلك. هذا الاتجاه يكتسب قوة بشكل متزايد. في العديد من مجالات العلوم والتكنولوجيا، يتم إنشاء وتحسين قواعد البيانات وقواعد المعرفة، النظم الخبيرة. لدعم هذا الاتجاه تقنيًا، هناك حاجة إلى هياكل كمبيوتر جديدة نوعيًا مع عدد كبير من أجهزة الكمبيوتر (أجهزة الكمبيوتر أو عناصر المعالج) التي توفر التوازي في العمليات الحسابية. في الأساس، تفسح أجهزة الكمبيوتر المجال لأنظمة حوسبة معقدة للغاية.

بالفعل هذا التعداد الصغير لمجالات تطبيقات الكمبيوتر يوضح أنه من أجل حلها المهام المختلفةوفقا لذلك، هناك حاجة إلى معدات الكمبيوتر المختلفة. ولذلك، فإن سوق الكمبيوتر لديه باستمرار تدرج واسع من فئات ونماذج أجهزة الكمبيوتر.

تصنيف أنظمة الحوسبة

كمبيوتر خارق

مع تطور العلوم والتكنولوجيا، يتم طرح مشكلات جديدة واسعة النطاق باستمرار وتتطلب كميات كبيرة من الحسابات. يعد استخدام أجهزة الكمبيوتر العملاقة فعالاً بشكل خاص في حل مشكلات التصميم التي يتبين فيها أن التجارب واسعة النطاق باهظة الثمن أو لا يمكن الوصول إليها أو غير عملية من الناحية العملية. وفي هذه الحالة يسمح الحاسوب بطرق النمذجة العددية للحصول على نتائج التجارب الحسابية، مما يوفر وقتا ودقة مقبولة للحل، أي. والشرط الحاسم لضرورة تطوير واستخدام مثل هذه الحواسيب هو المؤشر الاقتصادي "الأداء/التكلفة". يرتبط التطوير الإضافي لأجهزة الكمبيوتر العملاقة باستخدام التوازي الهائل، حيث يمكن لمئات بل وآلاف المعالجات العمل في وقت واحد.

حاسب مركزي (حاسب مركزي)

أجهزة الكمبيوتر هذه عبارة عن أجهزة متعددة المستخدمين تتمتع بمعالجة مركزية، وتتمتع بإمكانيات كبيرة للعمل مع قواعد البيانات أشكال مختلفةالوصول عن بعد. ويبدو أن ذلك مع ظهور أجهزة الكمبيوتر الشخصية التي تتقدم بسرعة أجهزة الكمبيوتر المركزيةمحكوم عليها بالانقراض. ومع ذلك، فإنها تستمر في التطور وبدأ إنتاجها في الزيادة مرة أخرى، على الرغم من أن حصتها في إجمالي الأسطول تتناقص باستمرار. ووفقا لتقديرات شركة IBM، ينبغي تخزين حوالي نصف الحجم الإجمالي للبيانات في أنظمة المعلومات في العالم سيارات كبيرة. جيلهم الجديد مخصص للاستخدام في الشبكات كخوادم كبيرة. تم تجهيز مراكز الكمبيوتر على مستوى الإدارات والإقليمية والإقليمية بأجهزة كمبيوتر كبيرة. في روسيا، المستهلكون الرئيسيون هم المؤسسات الحكومية والشركات الكبيرة على المستوى الفيدرالي، مثل السكك الحديدية الروسية (نظام حجز المقاعد وبيع التذاكر) أو AvtoVAZ. في وقت ما، كانت الحواسيب المركزية هي منصة الحوسبة الوحيدة القادرة على خدمة مؤسسات بهذا الحجم، وقد تم تطوير هذه المنصة بنشاط. في الخارج، يعتبر الحاسوب المركزي حلا كلاسيكيا لمجموعة معينة من المهام، على سبيل المثال، في القطاع المالي.

أجهزة كمبيوتر متوسطة

تُستخدم أجهزة الكمبيوتر متوسطة الحجم للتحكم في عمليات الإنتاج التكنولوجية المعقدة، ويمكن أيضًا استخدام أجهزة الكمبيوتر من هذا النوع للتحكم في معالجة المعلومات الموزعة خوادم الشبكةمحطات العمل للعمل مع الرسومات. توجد أجهزة كمبيوتر خاصة مصممة أساسًا للعمل في المؤسسات المالية. تولي هذه الآلات اهتمامًا خاصًا لسلامة البيانات وأمنها.

حواسيب شخصية

تتيح لك أجهزة الكمبيوتر الشخصية والمهنية تلبية الاحتياجات الفردية للمستخدمين. وعلى أساس هذه الفئة من أجهزة الكمبيوتر، يتم أيضًا إنشاء محطات العمل الآلية (AWS) للمتخصصين على مختلف المستويات.

المعالجات الدقيقة المدمجة

يمكن دمج هذه الأجهزة، ذات الطبيعة العالمية للتطبيق، في آلات وأشياء وأنظمة فردية. يتم استخدامها بشكل متزايد في الأجهزة المنزلية (الهواتف المحمولة، أجهزة التلفزيون، أنظمة الاستريو، أفران الميكروويف، إلخ)، في الخدمات الحضرية (الطاقة، التدفئة، إمدادات المياه، التحكم في حركة المرور، إلخ)، في الإنتاج (الروبوتات، التحكم في العمليات).

تاريخ المنشأ والتطور تكنولوجيا الكمبيوترقصير جدا. وقد جرت العادة على حسابه منذ عام 1833، عندما طرح عالم الرياضيات الإنجليزي تشارلز باباج لأول مرة فكرة إنشاء "مساعد حاسوبي" ميكانيكي يستخدم مبدأ التحكم في البرنامج. لقد استغرقت هذه الفكرة أكثر من 100 عام، والتي أثراها عالم الرياضيات الأمريكي ج. فافون فان نيومان في 1945-1947، لتمثل بداية عصر أجهزة الكمبيوتر المعتمدة على الأنابيب المفرغة التي ظهرت بحلول ذلك الوقت.

أول حاسوب عالي السرعة ENIAC، ابتكره متخصصون أمريكيون في جامعة بنسلفانيا، يتكون من 18 واط. المصابيح الإلكترونية، تستهلك أكثر من 100 كيلوواط من الكهرباء، وتزن 30 طناً وتشغل غرفة بطول 30 متراً، وكانت الآلة متخصصة ومصممة للحل المعادلات التفاضليةفي مشاكل حساب المسارات. منذ إنشائها في عام 1947، Vag. أول البرمجيات التي تسيطر عليها حاسوب رقميبدأ التقدم السريع في تكنولوجيا الحوسبة. تم إنشاء جهاز الكمبيوتر التالي حرفيًا في المرآب بواسطة اثنين من الأمريكيين S. Wozniak و S. Jobson في عام 1976. وكان يطلق عليه اسم Apple-I. وفي ربيع عام 1977، قاموا أيضًا بإنتاج جهاز كمبيوتر شخصي رخيص نسبيًا وفي نفس الوقت كامل تمامًا، وهو جهاز Apple-II. ونتيجة لذلك، أصبحت ورشة العمل المنزلية مزدهرة تفاحةالكمبيوتر الذي منذ وقت طويلاحتلت مكانًا جيدًا في سوق أجهزة الكمبيوتر الشخصية.

في أوائل الثمانينات. وشملت صفوف الشركات المصنعة لأجهزة الكمبيوتر عمالقة الكمبيوتر International Business Machine Corp (IBM)، وDEC، وHewlett-Packard.

الجدول 1.1 معلومات حول تغير أجيال الكمبيوتر

جيل	وقت	قاعدة العنصر	صفة مميزة
الأول	أوائل الخمسينيات	الأنابيب الإلكترونية	وكانت أجهزة الكمبيوتر كبيرة الحجم، استهلاك عاليالطاقة، السرعة المنخفضة، الموثوقية المنخفضة، البرمجة بالرموز
الثاني	منذ أواخر الخمسينيات.	عناصر أشباه الموصلات	لقد تحسن الجميع تحديد. تستخدم للبرمجة اللغات الخوارزمية
الثالث	أوائل الستينيات	الدوائر المتكاملة، الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات	انخفاض حاد في أبعاد أجهزة الكمبيوتر، وزيادة موثوقيتها، وزيادة الإنتاجية
الرابع	منذ منتصف السبعينيات.	المعالجات الدقيقة والدوائر المتكاملة الكبيرة (LSI)	تم تحسين الخصائص التقنية. الإنتاج الضخم لأجهزة الكمبيوتر الشخصية. اتجاه التطوير: معالجات متعددة قوية أنظمة الحوسبةمع أداء عالي، إنشاء حواسيب صغيرة رخيصة الثمن
الخامس	منذ منتصف الثمانينات.	تطوير أجهزة كمبيوتر ذكية	التنفيذ في كافة المجالات شبكات الحاسبوالجمع بينهما، واستخدام معالجة البيانات الموزعة، والاستخدام الواسع النطاق لتكنولوجيا الكمبيوتر

بناء كمبيوتر شخصي. خصائص الجهاز وحدة النظامحاسوب.

بناء الكمبيوتر هو مجمل ذلك العناصر الوظيفيةوالروابط بينهما. يمكن أن تكون العناصر أكثر أجهزة مختلفة- من أهمها العقد المنطقيةالكمبيوتر وصولا إلى أبسط الدوائر. يتم تمثيل هيكل الكمبيوتر بيانيا على النحو التالي المخططات الكتلية، والتي يمكنك من خلالها وصف جهاز كمبيوتر بأي مستوى من التفاصيل.

أجهزة وحدة النظام:

لوحة النظام (اللوحة الأم).

على اللوحة الأمتقع عادة الأجهزة التالية:

· المعالج - الشريحة الرئيسية التي تقوم بالعمليات الحسابية والمنطقية.

· ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) - مجموعة من الرقائق المصممة لتخزين البيانات مؤقتًا أثناء تشغيل الكمبيوتر.

ذاكرة القراءة فقط (ROM) - عبارة عن دائرة كهربائية صغيرة مصممة لـ تخزين طويل المدىالبيانات، حتى عند إيقاف تشغيل الكمبيوتر؛

حافلة - طريق سريع يتم من خلاله تبادل الإشارات بين الأجهزة الداخليةحاسوب؛

· موصلات للاتصال أجهزة إضافية(فتحات)، الخ.

وحدة المعالجة المركزية

شريحة الكمبيوتر الرئيسية التي يتم فيها إجراء كافة العمليات الحسابية.

النائب يشمل:

1. جهاز التحكم (CU) - يقوم بالتوليد والإمداد لجميع كتل الآلة اللحظات المناسبةإشارات التحكم المحددة بالوقت (نبضات التحكم؛

2. وحدة المنطق الحسابي (ALU) – مصممة لإجراء جميع العمليات الحسابية والحسابية العمليات المنطقيةعلى المعلومات الرقمية والرمزية؛

3. تسجيل الذاكرة(MPP) - يعمل على تخزين وتسجيل وإخراج المعلومات على المدى القصير المستخدمة مباشرة في العمليات الحسابية في الدورات التالية لتشغيل الماكينة. تتكون هذه الذاكرة من خلايا تسمى السجلات. السجلات عبارة عن خلايا ذاكرة عالية السرعة بأطوال مختلفة. تتم معالجة المعلومات فقط في سجلات المعالج.

الخصائص الرئيسية للمعالجاتهي: عمق بت، تردد الساعة، نوع النموذج).

توضح سعة المعالج عدد بتات البيانات التي يمكنه تلقيها ومعالجتها في سجلاته في المرة الواحدة (في دورة ساعة واحدة). كلما زاد هذا العدد معلومات اكثرلكل وحدة من الوقت يمكن معالجتها. يعتمد عرض المعالج على عرض سجلات الذاكرة الخاصة به، والتي تحتوي على البيانات المعالجة الواردة من الذاكرة الداخلية (المعلومات بين المعالج و الذاكرة الداخليةتنتقل بكلمات آلية كاملة).

كانت معالجات عائلة x86 الأولى 16 بت. المعالجات الحديثةالعائلات إنتل بنتيومهي 32 و 64 بت.

ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)

هذا جهاز مصمم لتخزين البيانات قيد التشغيل. هذه اللحظةوقت البرنامج، وكذلك البيانات المطلوبة لتنفيذها. هذه مجموعة من الشرائح المصممة لتخزين البيانات مؤقتًا عند تشغيل الكمبيوتر. مخزنة في ذاكرة الوصول العشوائي المعلومات الحالية(أي البرنامج والبيانات) للمشكلة التي يتم حلها، ويمكن قراءتها وكتابتها. اعتمادًا على مصدر الطاقة، تختفي المحتويات عند إيقاف تشغيل مصدر الطاقة. تؤثر كمية ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) على أداء جهاز الكمبيوتر الخاص بك. البرامج الحديثةتتطلب مئات ميغابايت من ذاكرة الوصول العشوائي.

ذاكرة القراءة فقط (ROM)

تم تصميم ROM لتخزين المعلومات المطلوبة الوصول السريع، ولكن لا توجد طريقة لتحميله في ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) مع كل بداية جديدة. تتم كتابة هذه المعلومات على ذاكرة القراءة فقط (ROM) في المصنع ولا يمكن قراءتها إلا لاحقًا.

الذاكرة المؤقتة

ذاكرة خاصة فائقة السرعة ذات حجم صغير (128-512 كيلو بايت)، والتي تقع "بين" المعالج الدقيق وذاكرة الوصول العشوائي (RAM) وتقوم بتخزين نسخ من الأقسام الأكثر استخدامًا من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM). عندما يصل المعالج الدقيق إلى الذاكرة، فإنه يبحث أولاً عن البيانات المطلوبة في ذاكرة التخزين المؤقت. نظرًا لأن وقت الوصول إلى ذاكرة التخزين المؤقت أقل بعدة مرات من وقت الوصول الذاكرة العاديةوفي معظم الحالات، تكون البيانات التي يحتاجها المعالج الدقيق موجودة بالفعل في ذاكرة التخزين المؤقت، مما يؤدي إلى تقليل متوسط ​​وقت الوصول إلى الذاكرة.

ذاكرة سيموس

هذه شريحة ذاكرة لتخزين معلمات تكوين الكمبيوتر. يتم إنشاء هذه الذاكرة وفقا ل تكنولوجيا خاصة"CMOS" مع استهلاك منخفض للطاقة. لا تتغير محتويات ذاكرة CMOS عند إيقاف تشغيل الكمبيوتر. يتم تشغيل شريحة ذاكرة CMOS باستمرار بواسطة بطارية صغيرة موجودة على اللوحة الأم.