Каждый из нас слышал такой термин, как ЭВМ. Однако что это такое, точно сказать может не каждый. Также не все представляют, какую историю прошла данная техника, чтобы стать привычной для сегодняшнего пользователя.

Определение

Итак, что такое ЭВМ? Электронная вычислительная машина - набор электронных устройств, выполняющий различного рода информационные операции. Человек, управляющий подомными машинами - оператор ЭВМ. Вообще, электронная вычислительная машина является одним из видов реализации компьютера. Сегодня практический каждый знает, что такое ЭВМ, но данная аббревиатура используется достаточно редко. В основном ее применяют в юридической документации и в обозначении компьютеров, которые разрабатывались в период с 1940 по 1980 год.

Первое поколение

Ламповые ЭВМ стали первыми вычислительными машинами, выпуск которых начался в начале 50-х годов прошлого столетия. Примерно в то время люди начале массово узнавать, что такое ЭВМ.

В Советском Союзе представителем таких машин стал МЭСМ. Руководил разработкой данного компьютера Лебедев. Вскоре на его основе был разработан новый представитель того поколения ЭВМ - БЭСМ. Для серийного производства данная машина получила некоторые улучшения. Она была названа БЭСМ-2.

В Соединенных Штатах о том, что такое ЭВМ, знали также многие. Представителем первого поколения электронных вычислительных машин стал "Эдвак". Однако он значительно уступал по параметрам отечественному компьютеру. Связано это было с тем, что БЭСМ-2 применял новые принципы построения. Советская машина могла совершать около десяти тысяч операций в секунду.

Структурно первое поколения ЭВМ было очень схожим с машиной фон Неймана. Конечно, параметры были во много раз хуже, чем у современных самых малофункциональных представителей компьютерной техники. Программы для ЭВМ первого поколения составлялись при помощи машинного кода.

Представители таких машин отличались огромными габаритами и высоким потреблением энергии. Цена машины являлась неподъемной для простых пользователей. Кроме этого, управлять ими мог только специально обученный оператор ЭВМ, так как все программы были сложны для понимания. Поэтому использовались они лишь учеными для каких-либо научно-технических задач.

Вскоре появились первые языки программирования: символическое кодирование и автокоды.

Второе поколение

В 1948 году был создан первый транзистор. Разработкой занимались физики Джон Бардин и Уильям Шокли, а также экспериментатор Уолтер Браттейн. Первые представители данного поколения ЭВМ, которые были созданы на основе транзисторов в конце 50-х годов, а к середине 60-х стали появляться компьютеры, имеющие значительно меньшие габариты.

Главной отличительной чертой транзистора является то, что он способен работать как сорок ламп, но при этом скорость у него выше. Кроме того, эти устройства требовали гораздо меньше энергии и практически не грелись. Параллельно с этим увеличивался и объем памяти для хранения информации. Благодаря стараниям ученых компьютеры получили быстродействие, равное миллиону операций в секунду.

Американским представителем является устройство ЭВМ "Атлас". Советский Союз может быть представлен машиной БЭСМ-6.

Все улучшения, произошедшие с появлением транзисторов, позволили значительно расширить сферы применения ЭВМ. Активно стали создаваться языки программирования для различных целей. Примером могут выступать фортран и кобол.

Однако по-прежнему машины страдали от нехватки памяти. Для экономии пространства стали разрабатывать операционные системы, которые позволяли более рационально распределять ресурсы.

Третье поколение

Данное поколение представлено, прежде всего, ЭВМ, которые были основаны на интегральных микросхемах. При помощи ИС удалось добиться еще большего быстродействия, уменьшить размер, увеличить надежность, а также сократить стоимость устройства.

Вскоре начали появляться первые так называемые мини-ЭВМ. Это были простые, небольшие, надежные и недорогие машинки. Первоначально они предназначались для создания контроллеров, но вскоре потребители поняли, что их можно использовать как обычные вычислительные машины. Благодаря низкой цене и простоте мини-ЭВМ появлялись практически у каждой компании разработчиков, исследователей, инженеров и так далее.

Четвертое поколение

Значительные успехи в разработках ЭВМ привели к появлению больших интегральных схем. Представляли они собой кристалл, который включал в себя тысячи электронных элементов. Благодаря низкой стоимости и неплохим параметрам ЭВМ на БИС получили огромную популярность.

В апреле 1976 года два друга разработали первый в мире персональный компьютер. Известные многим Стив Джобс и Стив Возняк трудились вечерами в гараже над созданием ПК, который впоследствии получил название Appl и обрел огромную популярность. Уже через год была создана одноименная компания, которая занялась выпуском персональных компьютеров.

Пятое поколение

Переход к пятому поколению ЭВМ произошел в конце 80-х годов с появлением микропроцессоров. Именно тогда состоялся переход к работе в оболочках и программных средах. Производительность машин выросла до 10 9 операций в секунду. Разрабатывались ЭВМ, направленные на языки высокого уровня.

Благодаря операционным системам, которые обеспечили простое управление устройством, компьютер стал незаменим практически для каждой сферы человеческой жизни.

Для такого огромного прорыва в области ЭВМ потребовался столь малый отрезок времени. Сегодня уже мало кто помнит те громоздкие машины, которые занимали целые комнаты, но при этом не могли похвастаться производительностью. Применение их ограничивалось определенными сферами. Сегодня же компьютер - незаменимое устройство в жизни каждого человека. При этом нынешние ПК очень маленькие и мощные.

Вопросы к контрольной работе.

1. Классическая структура ЭВМ 1-го поколения, ее характерные черты и недостатки.

2. Развитие структуры ЭВМ в машинах 2-го поколения. Характерные черты ЭВМ 2-го поколения.

3. Структура ЭВМ 3-го поколения, ее основные черты и режимы работы.

__________________________________________________________________

ВВЕДЕНИЕ

Первая страница в истории создания вычислительных машин связана с именем французского философа, писателя, математика и физика Блеза Паскаля. В 1641 г. он сконструировал механический вычислитель, который позволял складывать и вычитать числа. В 1673 г. выдающийся немецкий ученый Готфрид Лейбниц построил первую счетную машину, способную механически выполнять все четыре действия арифметики. Ряд важнейших ее механизмов применяли вплоть до середины XX в. в некоторых типах машин. К типу машины Лейбница могут быть отнесены все машины, в частности и первые ЭВМ, производившие умножение как многократное сложение, а деление - как многократное вычитание. Главным достоинством всех этих машин являлись более высокие, чем у человека, скорость и точность вычислений. Их создание продемонстрировало принципиальную возможность механизации интеллектуальной деятельности человека.

Появление ЭВМ или компьютеров – одна из существенных примет современной научно-технической революции. Широкое распространение компьютеров привело к тому, что все большее число людей стало знакомиться с основами вычислительной техники, а программирование постепенно превратилось в элемент культуры. Первые электронные компьютеры появились в первой половине XX века. Они могли делать значительно больше механических калькуляторов, которые лишь складывали, вычитали и умножали. Это были электронные машины, способные решать сложные задачи.

В вычислительной технике существует своеобразная периодизация развития электронных вычислительных машин. ЭВМ относят к тому или иному поколению в зависимости от типа основных используемых в ней элементов или от технологии их изготовления. Ясно, что границы поколений в смысле времени сильно размыты, так как в одно и то же время фактически выпускались ЭВМ различных типов.

С каждым новым поколением увеличивалось быстродействие, уменьшались потребляемая мощность и масса ЭВМ, повышалась их надежность. При этом возрастали их "интеллектуальные" возможности - способность "понимать" человека и обеспечивать ему эффективные средства для обращения к ЭВМ. В настоящее время принято говорить о пяти поколениях ЭВМ:

1 – эл.вак.лампы, 50-е г.

2 – транзисторы, 60-е г.

3 – интегральные схемы (ИС), 70-е г.

4 – большие ИС (БИС) и сверхбольшие ИС, 80-е г.

5 – многопроцессорные системы с параллельной обработкой, 90-е г.

В этой контрольной работе мы сосредоточим свое внимание на рассмотрении ЭВМ первых трех поколений.

Кроме всего прочего хотелось бы также отметить и замечательные разработки ЭВМ первых поколений, которые существовали на территории тогдашнего СССР. А начиналось все параллельно и независимо от США, в характерной для холодной войны обстановке глубочайшей секретности. В США главным заказчиком зарождающейся вычислительной техники было Министерство обороны. У нас в конце 40-х – начале 50-х годов появляются первые идеи, первые проекты и, наконец, первые цифровые вычислительные машины – совершенно оригинальные, не скопированные с западных образцов. Собственно, никаких образцов и быть не могло. Формируются основные научные школы, создававшие машины первого и второго поколений. Это прежде всего школа выдающегося ученого, основоположника ЦВМ в нашей стране, академика С.А.Лебедева. Это школа И.С. Брука, под руководством которого создавались малые и управляющие ЭВМ. Это Пензенская научная школа, которую возглавлял Б.И. Рамеев и которая до конца 60-х годов успешно занималась универсальной вычислительной техникой общего назначения. Далее по ходу рассмотрения ЭВМ первых трех поколений мы будем упоминать работы вышеописанных советских научных школ.

ЭВМ первого поколения

ЭВМ первого поколения - это машины, основными деталями которых были электронные лампы. Компьютеры на их основе появились в 40-х годах XX века. Первая электронная лампа - вакуумный диод - была построена Флемингом лишь в 1904 году, хотя эффект прохождения электрического тока через вакуум был открыт Эдисоном в 1883 году. Вскоре Ли де Форрест изобретает вакуумный триод - лампу с тремя электродами, затем появляется газонаполненная электронная лампа - тиратрон, пятиэлектродная лампа - пентод и т. д. До 30-х годов электронные вакуумные и газонаполненные лампы использовались главным образом в радиотехнике. Но в 1931 году англичанин Винни-Вильямс построил (для нужд экспериментальной физики) тиратронный счетчик электрических импульсов, открыв тем самым новую область применения электронных ламп. Электронный счетчик состоит из ряда триггеров. Триггер, изобретенный М. А. Бонч-Бруевичем (1918) и - независимо - американцами У. Икклзом и Ф. Джорданом (1919), содержит 2 лампы и в каждый момент может находиться в одном из двух устойчивых состояний; он представляет собой электронное реле. Подобно электромеханическому, оно может быть использовано для хранения одной двоичной цифры.

Электронная лампа.

Электронная лампа - электровакуумный прибор (электровакуумные приборы - приборы для генерации, усиления и преобразования магнитной энергии, в которых рабочее пространство освобождено от воздуха и защищено от окружающей атмосферы жёской газонепроницаемой оболочкой), действие которого основано на изменении потока электронов (отбираемых от катода и движушихся в вакууме) электрическим полем, формируемым с помощью электродов. в зависимости от значеня выходной мощности электронные лампы делятся на приемно-усилительные лампы (выходная мощность - не свыше 10 Вт) и генераторные лампы (свыше 10 Вт).

Использование электронной лампы в качестве основного элемента ЭВМ создавало множество проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы - 7см, машины были огромных размеров. Каждые 7-8 мин. одна из ламп выходила из строя, а так как в компьютере их было 15 - 20 тысяч, то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось очень много времени. Кроме того, они выделяли огромное количество тепла, и для эксплуатации "современного" компьютера того времени требовались специальные системы охлаждения.

Чтобы разобраться в запутанных схемах огромного компьютера, нужны были целые бригады инженеров. Устройств ввода в этих компьютерах не было, поэтому данные заносились в память при помощи соединения нужного штеккера с нужным гнездом.

Примерами машин I-го поколения могут служить Mark 1, ENIAC, EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator), - первая машина с хранимой программой. UNIVAC (Universal Automatic Computer). Первый экземпляр Юнивака был передан в Бюро переписи населения США. Позднее было создано много разных моделей Юнивака, которые нашли применение в различных сферах деятельности. Таким образом, Юнивак стал первым серийным компьютером. Кроме того, это был первый компьютер, где вместо перфокарт использовалась магнитная лента.

Когда в СССР стало известно о создании в США машины ENIAC в АН Украины и в АН СССР была начата разработка первой, отечественной, действующей ЭВМ. Сведения о разработках на Западе поступали отрывочные, и, естественно, документация по первым ЭВМ была недоступна нашим специалистам. Руководителем разработки был назначен Сергей Александрович Лебедев. Разработка велась под Киевом, в секретной лаборатории в местечке Феофания. Малая электронная счетная машина (МЭСМ) – так называлось детище Лебедева и сотрудников его лаборатории – занимала целое крыло двухэтажного здания и состояла из 6 тысяч электронных ламп. Ее проектирование, монтаж и отладка были выполнены в рекордно быстрый срок – за 2 года, силами всего лишь 12 научных сотрудников и 15 техников. Несмотря на то, что МЭСМ по существу была лишь макетом действующей машины, она сразу нашла своих пользователей: к первой ЭВМ выстраивалась очередь киевских и московских математиков, задачи которых требовали использования быстродействующего вычислителя. В своей первой машине Лебедев реализовал основополагающие принципы построения компьютеров, такие как:

Наличие арифметических устройств, памяти, устройств ввода/вывода и управления;

Кодирование и хранение программы в памяти, подобно числам;

Двоичная система счисления для кодирования чисел и команд;

Автоматическое выполнение вычислений на основе хранимой программы;

Наличие как арифметических, так и логических операций;

Иерархический принцип построения памяти;

Использование численных методов для реализации вычислений.

После Малой электронной машины была создана и первая Большая – БЭСМ-1, над которой С.И. Лебедев работал уже в Москве, в ИТМ и ВТ АН СССР. Одновременно с ИТМ и ВТ и конкурируя с ним, разработкой ЭВМ занималось недавно сформированное СКБ-245 со своей ЭВМ "Стрела".

БЭСМ и "Стрела" составили парк созданного в 1955 году Вычислительного центра АН СССР, на который сразу легла очень большая нагрузка. Потребность в сверхбыстрых (по тем временам) расчетах испытывали математики, ученые-термоядерщики, первые разработчики ракетной техники и многие другие. Когда в 1954 году оперативная память БЭСМ была укомплектована усовершенствованной элементной базой, быстродействие машины (до 8 тысяч операций в секунду) оказалось на уровне лучших американских ЭВМ и самым высоким в Европе. Доклад Лебедева о БЭСМ в 1956 году на конференции в западногерманском городе Дармштадте произвел настоящий фурор, поскольку малоизвестная советская машина оказалась лучшей европейской ЭВМ. В 1958 году БЭСМ, теперь уже БЭСМ-2, в которой память на потенциалоскопах была заменена ЗУ на ферритовых сердечниках и расширен набор команд, была подготовлена к серийному производству на одном из заводов в Казани. Так начиналась история промышленного выпуска ЭВМ в Советском Союзе!

Элементная база первых вычислительных машин – электронные лампы – определяла их большие габариты, значительное энергопотребление, низкую надежность и, как следствие, небольшие объемы производства и узкий круг пользователей, главным образом, из мира науки. В таких машинах практически не было средств совмещения операций выполняемой программы и распараллеливания работы различных устройств; команды выполнялись одна за другой, АЛУ простаивало в процессе обмена данными с внешними устройствами, набор которых был очень ограниченным. Объем оперативной памяти БЭСМ-2, например, составлял 2048 39-разрядных слов, в качестве внешней памяти использовались магнитные барабаны и накопители на магнитной ленте. Очень трудоемким и малоэффективным был процесс общения человека с машиной первого поколения. Как правило, сам разработчик, написавший программу в машинных кодах, вводил ее в память ЭВМ с помощью перфокарт и затем вручную управлял ее выполнением. Электронный монстр на определенное время отдавался в безраздельное пользование программисту, и от уровня его мастерства, способности быстро находить и исправлять ошибки и умения ориентироваться за пультом ЭВМ во многом зависела эффективность решения вычислительной задачи. Ориентация на ручное управление определяла отсутствие каких бы то ни было возможностей буферизации программ.

ЭВМ второго поколения

Применение полупроводниковых приборов позволило резко повысить надежность ЭВМ, сократить ее массу, габариты и потребляемую мощность. Полупроводниковые элементы - транзисторы - составляли основу ЭВМ второго поколения. Эти ЭВМ по сравнению с ЭВМ первого поколения обладали большими возможностями и быстродействием.

А начиналось все так: 1 июля 1948 года на одной из страниц "Нью-Йорк Таймс", посвященной радио и телевидению, было помещено скромное сообщение о том, что фирма "Белл телефон лабораториз" разработала электронный прибор, способный заменить электронную лампу. Физик-теоретик Джон Бардин и ведущий экспериментатор фирмы Уолтер Брайттен создали первый действующий транзистор. Это был точечно-контактный прибор, в котором три металлических "усика" контактировали с бруском из поликристаллического германия.

Первые компьютеры на основе транзисторов появились в конце 50-х годов, а к середине 60-х годов были созданы более компактные внешние устройства, что позволило фирме Digital Equipment выпустить в 1965 г. первый мини-компьютер PDP-8 размером с холодильник и стоимостью всего 20 тыс. долларов.

Созданию транзистора предшествовала упорная, почти 10-летняя работа, которую еще в 1938 году начал физик теоретик Уильям Шокли. Применение транзисторов в качестве основного элемента в ЭВМ привело к уменьшению размеров компьютеров в сотни раз и к повышению их надежности.

Транзистор

Электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий три (или боллее) вывода, предназначенный для генериррования и преобразования электрических колебаний. Изобретен в 1948 году У. Шокли, Дж. Бардином и Уолт. Брайтенном. Транзисторы составляют два основных крупных класса: униполярные и биполярные транзисторы.

В униполярных транзисторах протекание тока через кристалл обусловлено носителями заряда только одного знака - электронами или дырками.В биполярных транзисторах (которые обычно называют просто "Транзисторами") ток через кристалл обусловлен движением носителей заряда обоих знаков. Такой транзистор представляет собой монокристаллическую полупроводниковую пластину, в которой с помощью особых технологических приемов созданы 3 области с разной проводимостью: дырочной (p ) и электронной (n ). В зависимости от порядка их чередования различают транзисторы p-n-p типа и n-p-n типа. Средняя область (её обычно делают очень тонкой) - порядка нескольких мкм, называют базой, две другие - эмиттером и коллектором. База отделена от эмиттера и коллектора электронно-дырочными переходами (p-n переходами): эмиттерными и коллекторными. От базы, эмиттера и коллектора сделаны металлические выводы.

И все-таки самой удивительной способностью транзистора является то, что он один способен трудиться за 40 электронных ламп и при этом работать с большей скоростью, выделять очень мало тепла и почти не потреблять электроэнергию. Одновременно с процессом замены электронных ламп транзисторами совершенствовались методы хранения информации. Увеличился объем памяти, а магнитную ленту, впервые примененную в ЭВМ Юнивак, начали использовать как для ввода, так и для вывода информации. А в середине 60-х годов получило распространение хранение информации на дисках.

Если говорить в общих чертах о структурных изменениях машин второго поколения, то это, прежде всего, появление возможности совмещения операций ввода/вывода с вычислениями в центральном процессоре, увеличение объема оперативной и внешней памяти, использование алфавитно-цифровых устройств для ввода и вывода данных. "Открытый" режим использования машин первого поколения сменился "закрытым", при котором программист уже не допускался в машинный зал, а сдавал свою программу на алгоритмическом языке оператору ЭВМ, который и занимался ее дальнейшим пропуском на машине.

Большие достижения в архитектуре компьютеров позволило достичь быстродействия в миллион операций в секунду! Примерами транзисторных компьютеров могут послужить "Стретч" (Англия), "Атлас" (США). В то время СССР шел в ногу со временем и выпускал ЭВМ мирового уровня (например "БЭСМ-6").

БЭСМ-6 стала первой отечественной вычислительной машиной, которая была принята Государственной комиссией с полным математическим обеспечением. В ее создании принимали участие многие ведущие специалисты страны. Лебедев одним из первых понял огромное значение совместной работы математиков и инженеров в создании вычислительных систем. Значение этого становится очевидным, когда разработка эффективной вычислительной техники перерастает из проблемы инженерно-технологической в проблему математическую, которую можно решить только совместными усилиями инженеров и математиков.
Наконец - и это тоже важно, - все схемы БЭСМ-6 по инициативе С.А.Лебедева были записаны формулами булевой алгебры. Это открыло широкие возможности для автоматизации проектирования и подготовки монтажной и производственной документации. Она выдавалась на завод в виде таблиц, полученных на БЭСМ-2, где проводилось и моделирование структурных схем. В дальнейшем система проектирования была существенно усовершенствована, благодаря работам Г.Г. Рябова (система "Пульс").

Основные принципиальные особенности БЭСМ-6: магистральный, или, как в 1964 г. назвал его С.А. Лебедев, водопроводный принцип организации управления; с его помощью потоки команд и операндов обрабатываются параллельно (до восьми машинных команд на различных стадиях); использование ассоциативной памяти на сверхбыстрых регистрах, что сократило количество обращений к ферритной памяти, позволило осуществить локальную оптимизацию вычислений в динамике счета; расслоение оперативной памяти на автономные модули, что дало возможность одновременно обращаться к блокам памяти по нескольким направлениям; многопрограммный режим работы для одновременного решения нескольких задач с заданными приоритетами; аппаратный механизм преобразования математического адреса в физический, что дало возможность динамически распределять оперативную память в процессе вычислений средствами операционной системы; принцип полистовой организации памяти и разработанные на его основе механизмы защиты по числам и командам; развитая система прерывания, необходимая для автоматического перехода с решения одной задачи на другую, обращения к внешним устройствам, контроля их работы.

В электронных схемах БЭСМ-6 использовано 60 тыс. транзисторов и 180 тыс. полупроводников-диодов. Элементная база БЭСМ-6 по тем временам была совершенно новой, в ней были заложены основы схемотехники ЭВМ третьего и четвертого поколений. Принцип разделения сложной машинной логики, построенной на диодных блоках, от однотипной усилительной части на транзисторах обеспечили простоту изготовления и надежность работы. Среднее быстродействие машины достигло 1 млн. операций в секунду.

Основные характеристики различных отечественных

ЭВМ второго поколения

Характеристики:
Адресность
Форма представления данных	С плавающей запятой	С плавающей запятой		С фиксированной запятой, символьная		С плавающей и фиксированной запятой, символьная		С плавающей запятой, символьная
Длина машинного слова (дв.разр.)
Быстродействие (оп/с)
ОЗУ, тип, емкость (слов)	Ферритовый сердечник 8192	Ферритовый сердечник 4096-16384	Ферритовый сердечник 4096-16384	Ферритовый сердечник 8192	Ферритовый сердечник 8192-65536	Ферритовый сердечник 16384-65636	Ферритовый сердечник 16384-32768	Ферритовый сердечник 32768-131071
ВЗУ, тип, емкость (слов)	НМЛ 8 млн.	НМЛ 16 млн.	НМЛ 8 млн.	НМЛ до 5 млн.	НМЛ 12 млн. НМБ 130 тыс.	НМЛ до 16 млн.	НМЛ до 32 млн. НМБ до 192 тыс.	НМЛ 32 млн. НМБ 512 тыс.

ЭВМ третьего поколения

Требование надежности, компактности, технологичности привели к созданию новой элементной базы ЭВМ - интегральных микросхем. Интегральная схема, которую также называют кристаллом, представляет собой миниатюрную электронную схему, вытравленную на поверхности кремниевого кристалла площадью около 10 мм 2 . С появления интегральных схем начались разработки ЭВМ третьего поколения. Машины этого поколения характеризуются расширенным набором всевозможного оборудования для ввода - вывода и хранения информации. Примером ЭВМ третьего поколения может служить единая система электронно-вычислительных машин (ЕС ЭВМ).

Первые и нтегральные с хемы (ИС ) появились в 1964 году. Сначала они использовались только в космической и военной технике. Сейчас же их можно обнаружить где угодно, включая автомобили и бытовые приборы. Что же качается компьютеров, то без интегральных схем они просто немыслимы!

Появление ИС означало подлинную революцию в вычислительной технике. Ведь она одна способна заменить тысячи транзисторов, каждый из которых в свою очередь уже заменил 40 электронных ламп. Другими словами, один крошечный кристалл обладает такими же вычислительными возможностями, как и 30-тонный Эниак! Быстродействие ЭВМ третьего поколения возросло в 100 раз, а габариты значительно уменьшились.

Интегральная схема.

Интегральная микросхема - микроминиатюрное электронное устройство, все или часть элементов которого нераздельно связаны конструктивно и соединены между собой электрически.

Интегральные схемы изготавливают из особо чистых полупроводниковых материалов (обычно кремний, германий), в которых перестраивают саму решетку кристаллов так, что отдельные области кристалла становятся элементами сложной схемы. Маленькая пластинка из кристаллического материала размерами примерно 1 мм 2 превращается в сложнейший электронный прибор, эквивалентный радиотехническому блоку из 50-100 и более обычных деталей. Он способен усиливать или генерировать сигналы и выполнять многие другие радиотехнические функции.

В целях защиты от внешних воздействий интегральные схемы выпускают в защитных корпусах. По количеству элементов различают интегральные схемы: 1-й степени интеграции (до 10 элементов), 2-й степени интеграции (от 10 до 100) и т. д. Размеры отдельных элементов интегральных схем очень малы (порядка 0,5-10 мкм) и подчас соизмеримы с размерами пылинок (1-100 мкм). Поэтом производство интегральных схем осуществляется в особ чистых условиях.

Ко всем достоинствам ЭВМ третьего поколения добавилось еще и то, что их производство оказалось дешевле, чем производство машин второго поколения. Благодаря этому, многие организации смогли приобрести и освоить такие машины. А это, в свою очередь, привело к росту спроса на универсальные ЭВМ, предназначенные для решения самых различных задач. Большинство созданных до этого ЭВМ являлись специализированными машинами, на которых можно было решать задачи какого-то одного типа.

Собственно, именно в эти годы с появлением семейства машин IBM 360 и возникло понятие компьютерной архитектуры, которое символизировало весь комплекс аппаратных и программных средств для решения пользовательских задач. Говоря об архитектуре, мы, как правило, не имеем в виду способы выполнения тех или иных функций или параметры и техническую организацию определенных устройств, входящих в состав вычислительной системы. У машин одного семейства они могут быть совершенно различны, однако общими будут системы команд, способы организации взаимосвязи между модулями и с внешними устройствами, а также матобеспечение.

К середине 60-х, на территории тогдашнего СССР, помимо основных научных школ по созданию вычислительных машин в Москве и Пензе выпуском ЭВМ занимались в Минске (серия машин средней производительности «Минск»), Ереване (минимашины и ЭВМ средней производительности «Наири», «Раздан»). Институт кибернетики АН Украины, возглавляемый Виктором Михайловичем Глушковым, проводил разнообразные теоретические исследования в области проектирования ЭВМ и воплощал теорию в реальных машинах – малых управляющих ЭВМ «Днепр», миникомпьютерах для инженерных применений «Промiнь» и «Мир». Академик Глушков стал страстным проповедником внедрения АСУ в народное хозяйство. Разработку аналогичных систем оборонного назначения вел и академик В.С.Семенихин.

30 декабря 1967 года ЦК и Совмин выпустили совместное постановление о разработке Единой Серии Электронных Вычислительных Машин. В своем роде это было уникальное постановление – впервые на таком уровне решалась судьба дальнейшего развития вычислительной техники в стране. Был создан Научно-исследовательский центр электронной вычислительной техники (НИЦЭВТ), под его началом объединились и другие организации. Открытым оставался вопрос: каким будет новый ряд машин. Проблема эта обсуждалась в течение нескольких лет, но в 1968 году Минрадиопром начал работы по воспроизведению архитектуры программно совместимого семейства IBM 360. В декабре 1969 года этот вариант был утвержден окончательно.

Напомним, что в 1964 году корпорации IBM в серии 360 впервые удалось воплотить идею создания семейства вычислительных машин различной производительности, обладающих общей архитектурой и полной программной совместимостью. Это событие произвело большое впечатление на научный и промышленный мир и ознаменовало переход к третьему поколению вычислительной техники. Системы IBM 360 обладали богатым матобеспечением, как системного, так и прикладного уровня.

Для производства отечественных машин серии ЕС и комплектующих строилось и расширялось более десяти заводов, географически разбросанных по всей стране. Сами ЭВМ выпускались на Заводе счетно-аналитических машин (САМ) в Москве, в Минске, Пензе, Казани и Ереване. За 20 лет было выпущено три поколения ЕС ЭВМ, близкие по архитектуре семействам IBM-360 и 370. Как уже говорилось, машины одного семейства различались по производительности. Быстродействие ЕС ЭВМ первой очереди, например, варьировалось от 20 тыс. оп/с в самой младшей модели ЕС-1020 до 500 тыс.оп/с в наиболее мощной ЕС-1050.

В машинах третьего поколения разрабатывалась более гибкая система прерываний, позволяющая синхронизировать работу центрального процессора, процессоров ввода/вывода и должным образом реагировать на аварийные ситуации в программах пользователя. Мультипрограммный режим работы компьютера требовал создания мощных средств защиты памяти. Создавались механизмы динамического распределения памяти, совершенствовались операционные системы.

Такое преобразование плюс развитая система прерываний и механизмы защиты памяти позволили реализовать в разрабатываемой системе для ЭВМ мультипрограммный режим и режим разделения времени, которые позволяли совместить на одной машине выполнение нескольких управляющих задач, а также разработку управляющих программ.

Использование новой элементной базы позволило существенно повысить быстродействие и объем оперативной памяти нового поколения машин. Значительно расширилась номенклатура внешних устройств – появились накопители на сменных магнитных дисках, алфавитно-цифровые и графические дисплеи, графопостроители и т.д.

Но к сожалению, Основным сдерживающим моментом в дальнейшем совершенствовании ЕС ЭВМ была, безусловно, элементная база. До 1990 года, когда с началом экономической реформы производство машин фактически прекратилось, ЕС так и не перешли на сверхбольшие интегральные схемы. Технологии Министерства электронной промышленности не позволяли создавать элементы на микросхемах меньше 2 микрон, поэтому последние разработки серии оснащались микросхемами памяти емкостью лишь 64 Кбит (!).

Широкая автоматизация процессов в сферах производства, научных исследований, проектирования, эксплуатации оборудования с использовани­ем средств вычислительной техники является основным направлением ин­тенсификации физического и интеллектуального труда человека.

Решение этой задачи требует от учащихся и студентов общих знаний по основам микропроцессорной техники.

В настоящем учебном пособии рассмотрены этапы развития ЭВМ и микропроцессоров, история развития интегральных микросхем, физические основы работы ЭВМ, основы программирования на языке Ассемблер. Рас­смотрены технические средства обработки информации и способы ее переда­чи, получение и запоминание информации. Большое внимание уделено одно­кристальному микропроцессору К 580 − широко распространенному средст­ву автоматизации.

Рассмотрен однокристальный микроконтроллер К 1816, предназначен­ный для решения задач управления и регулирования в объектах, приборах и технологических процессах. Значительное внимание уделено интерфейсам микропроцессорных систем с объектами управления, рассмотрены цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, локальные сети.

Приведены основные приемы построения микропроцессорной системы диагностики глав­ных электроприводов карьерных экскаваторов-драглайнов.

В приложении приведена методическая разработка по решению задач в двоично-десятичной системе счисления.

Большое внимание уделено цифровым системам связи, локальным вы­числительным сетям.

Учебное пособие предназначено для учащихся электротехнических и не электротехнических специальностей училищ, лицеев, колледжей.

ВВЕДЕНИЕ

Во все времена человек стремился расширить свои возможности, создавая разнообразные орудия труда познавания мира, средства существования. Так, например, недостаточность зрения компенсируют микроскопы, телескоп, радиолокатор. Ограниченные возможности передавать информацию друг другу расширяются телефоном, радио, телевидением. Вычислительные машины “дополняют” возможности человеческого мозга, расширяют его возможности по обработке информации, позволяют увеличить скорость принятия решения в ходе выполнения какой-либо работы

В конце 40-х годов XX века работы в области ядерной физики, баллистике управляемых снарядов, аэродинамики и т.д. потребовали такой вычислительной работы, которую уже было невозможно выполнить с помощью арифмометров, основного вычислительного инструмента тех лет. Наука и техника были поставлены перед диалеммой: или всем сесть за арифмометры, или найти новый инструмент вычислений. Аналогичные проблемы уже не раз ставили перед учеными и инженерами – повышение скорости обработки необходимо увеличить в ЭВМ нового поколения.

Проблема была решена созданием универсальной вычислительной машины. Термин “универсальный” использован не случайно. Специализированные машины (например, для обработки банковских счетов, инвентаризации складских запчастей и т.д.) существовали и раньше, но не было машины, команды для которой, записанные в память можно было бы быстро заменить новыми.

Краткая характеристика различных поколений ЭВМ

Под термином ЭВМ понимают все типы и модели ЭВМ, разработанные различными конструкторскими коллективами, но построенные на одних и тех же научных и технических принципах.

Появление каждого нового поколения определялось тем, что появлялись новые электронные элементы, технологии, изготовление которых принципиально отличалось от предыдущего поколения.

Изобретателем первой вычислительной машины, предложившим в 1823 г. структуру автовычислителя, считается английский математик Чарльз Бэббидж. Структуру вычислителя составляли те же основные устройства, что и структура современных компьютеров. Кажется удивительным, что, несмотря на существенное отличие техники середины XIX века, неизменными оказались идеи, заложенные в основу работы, самого совершенного электронного устройства − ЭВМ. Это обстоятельство можно объяснить тем, что компьютер создается без ориентации на решение Конкретной задачи.

Бэббидж не смог довести до конца работу по созданию аналитической машины (так Чарльз Бэббидж ее и назвал) − она оказалась слишком сложной для техники того времени.

Однако, он разрабатывал все новые идеи, и в 1943 г. американец Говард Эйкен с помощью работ Чарльза Бэббиджа на основе техники XX в. – электромеханических реле − смог построить на одном из предприятии IBM такую машину под названием «Марк- 1».

Появление Электронно-вакуумной лампы позволило претворить в реальную идею создание вычислительной машины, которая появилась в США и получила название ЭНИАК (ENIAC − англ.) − Electronic Numerical Integrator and Calculator, в переводе − «Электронный численный интегратор и калькулятор».

Основоположником был математик Фон Нейман, он опубликовал свой доклад «Принстонская машина». В своем докладе Джон Фон Нейман описал, как должен быть устроен компьютер для того, чтобы он был универсальным и эффективным устройством для обработки информации.

Можно выделить 4 основные поколения ЭВМ.

Поколения:

ЭВМ на эл. лампах, быстродействие порядка 20000 операций в секунду, для каждой машины существует свой язык программирования ("БЭСМ", "Стрела").

В 1960г. в ЭВМ были применены транзисторы, изобретенные в 1948г., они были более надежны, долговечны, обладали большой оперативной памятью. 1 транзистор способен заменить примерно 40 эл. ламп и работает с большей скоростью. В качестве носитетелй информации использовались магнитные ленты ("Минск-2", "Урал-14").

В 1964г. появились первые интегральные схемы (ИС), которые получили широкое распространение. ИС - это кристалл, площадь которого 10 мм 2 . 1 ИС способна заменить 1000 транзисторов. 1 кристалл - 30-ти тонный "Эниак". Появилась возможность обрабатывать параллельно несколько программ.

Впервые стали применяться большие интегральные схемы (БИС), которые по мощности примерно соответствовали 1000 ИС. Это привело к снижению стоимости производства компьютеров. В 1980г. центральный процессор небольшой ЭВМ оказалось возможным разместить на кристалле площадью 1/4 дюйма ("Иллиак", "Эльбрус").

Синтезатор, звуки, способности вести диалог, выполнять команды, подаваемые голосом или прикосновением.

Отличия ЭВМ III поколения от прежних

В ЭВМ III поколения заметно значительное улучшение аппаратуры, благодаря использованию интегральных схем (ИС), что способствовало уменьшению размеров, потребляемой энергии, увеличению быстродействия, надежности и т.д.

Главным отличием таких ЭВМ от ЭВМ I и II поколений является совершенно новая организация вычислительного процесса.

ЭВМ III поколения способны обрабатывать как цифровую, так и алфавитно-цифровую информацию. Возможность оперировать над текстами открывает большие возможности для обмена информацией между человеком и компьютером.

Так же создание различных средств ввода-вывода информации. Ярким примером этому является способ ввода информации по средствам обычной телефонной связи, телетайпа, светового карандаша. А вывод осуществляется не только на перфокарты, как это было раньше, но и непосредственно на экран монитора, каналы телефонной связи, принтеры (для получения твердых копий).

В связи с использованием текста возможность приблизить вводной язык к человеческому, сделать его более доступным широкому круги пользователей. Возможность параллельно решать на ЭВМ несколько задач. ЭВМ III поколения имеет внешнюю память на магнитных дисках. Широкий круг применения.

Типичными представителями машин III поколения является ЕС ЭВМ, IBM-360. Они имеют следующие особенности: использование интегральных схем, агрегатность, байтное представление информации, использование двоичной и десятичной арифметики, представление чисел в форме с плавающей и фиксированной точкой, программная совместимость, надежность, мультисистемность.

Особенности машин ЕС ЭВМ.

ЕС ЭВМ - это целое семейство машин, которые построены на единой элементной базе, единой конструктивной основе, с единой системой программного обеспечения, одинаковым набором периферийного оборудования. Их разработка началась в 1970 году, а промышленный выпуск таких машин начался в 1972г.

Все машины ЕС ЭВМ программно-совместимы между собой и предназначены для решения наиболее сложных и объемных задач. Эти машины можно отнести к типу машин универсальных, мультипрограммных, с возможностью параллельно обрабатывать несколько задач.

Многие модели имеют единую логическую структуру и принцип работы. Однако различные модели отличаются друг от друга быстродействием, конфигурацией, размером памяти и т.д.

Так как система ЕС ЭВМ постоянно развивается, постоянно улучшаются все характеристики, то эти машины можно подразделить на 2 семейства. К первому семейству моделей (Ряд-1) можно отнести такие машины, как ЕС-1010, ЕС-1020, ЕС-1021, ЕС-1030, ЕС-1040, ЕС-1050, ЕС-1060. К этому семейству относятся так же модифицированные образцы (Ряд-1М): ЕС-1012, ЕС-1022, ЕС-1033, ЕС-1052. Более совершенные машины: ЕС-1015, ЕС-1025, ЕС-1035, ЕС-1045, ЕС-1055, можно объединить в ряд-2, а модернизированные (Ряд-2М): ЕС-1036, ЕС-1066 и др. Устройства ЕС ЭВМ также разделяются на центральные и периферийные. Центральные - это устройства, которые определяют основные технические характеристики машины, это центральный процессор, оперативная память, мультиплексный и селекторный каналы. К периферийным относятся внешние устройства (ВУ), устройства подготовки данных (УПД), сервисные устройства.

Для хранения больших объемов информации используются накопители на магнитных лентах и магнитных дисках. Устройства ввода предназначены для восприятия вводимой извне информации, ее преобразования в электрические кодовые сигналы и передачи к мультиплексовому каналу по средствам интерфейса ввода-вывода.

Устройства выводы переводят выводимый из машины сигнал обратно и выводят его на перфокарты (перфоленты), либо на другие внешние устройства.

Дисплей - устройство ввода-вывода алфавитно-цифровой и графической информации на электронно-лучевую трубку. Он очень удобен для оперативного изменения данных непосредственно во время решения задачи.

Выносимые пульты предназначены для обобщения пользователя с ЭВМ, когда их разделяют сотни метров.

Существуют 3 группы устройств подготовки данных ЕС ЭВМ: перфокарточные, перфоленточные и использующие магнитные ленты. На контрольниках в ЭВМ производится контроль за правильностью записи информации на перфокарты.

Существует два режима работы УПД на магнитной ленте: запись данных и печать считываемых данных.

Сервисные устройства нужны для контроля над техническими средствами, их наладки, испытания и ремонта.

Показатели технических средств ЕС ЭВМ постоянно улучшаются: увеличивается быстродействие, объемы памяти и т.д. Это происходит в частности за счет перехода на микросхемы с более высоким уровнем интеграции (БИС). Но это уже относится к машинам IV поколения.

Поколения ЭВМ: от ламповых "монстров" к интегрированным микросхемам

Немногим более 50 лет прошло с тех пор, как появилась первая электронная вычислительная машина. За этот короткий для развития общества период сменилось несколько поколений вычислительных машин, а первые ЭВМ сегодня являются музейной редкостью. Сама история развития вычислительной техники представляет немалый интерес, показывая тесную взаимосвязь математики с физикой (прежде всего с физикой твердого тела, полупроводников, электроникой) и современной технологией, уровнем развития которой во многом определяется прогресс в производстве средств вычислительной техники.

Электронно-вычислительные машины у нас в стране принято делить на поколения. Для компьютерной техники характерна прежде всего быстрота смены поколений - за ее короткую историю развития уже успели смениться четыре поколения и сейчас мы работаем на компьютерах пятого поколения. Что же является определяющим признаком при отнесении ЭВМ к тому или иному поколению? Это прежде всего их элементная база (из каких в основном элементов они построены), и такие важные характеристики, как быстродействие, емкость памяти, способы управления и переработки информации. Конечно же, деление ЭВМ на поколения в определенной мере условно. Существует немало моделей, которые по одним признакам относятся к одному, а по другим - к другому поколению. И все же, несмотря на эту условность поколения ЭВМ можно считать качественными скачками в развитии электронно-вычислительной техники.

Можно выделить 4 поколения ЭВМ

Первое поколение ЭВМ (1948-1958гг.)

Элементной базой машин этого поколения были электронные лампы - диоды и триоды. Машины предназначались для решения сравнительно несложных научно-технических задач. К этому поколению ЭВМ можно отнести: МЭСМ, БЭСМ-1, М-1, М-2, М-3, "Стрела", "Миниск-1", "Урал-1", "Урал-2", М-20, "Сетунь", БЭСМ-2, "Раздан". Они были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели не высокую надежность работы и слабое программное обеспечение. Быстродействие их не превышало 2-3 тысяч операций в секунду, емкость оперативной памяти - 2К или 2048 машинных слов (1К-1024) длиной 48 двоичных знаков. В 1958г. появилась машина М-20 с памятью 4К и быстродействием около 20 тысяч операций в секунду. В машинах первого поколения были реализованы основные логические принципы построения электронно-вычислительных машин и концепции Джона фон Неймана, касающиеся работы ЭВм по вводимой в память программе и исходным данным (числам).

Этот период явился началом коммерческого применения электронных вычислительных машин для обработки данных.

В вычислительных машинах этого времени использовались электровакуумные лампы и внешняя память на барабане.

Они были опутаны проводами и имели время доступа 1 х 10 с. Производственные системы и компиляторы пока не появились. В конце этого периода стали выпускаться устройства памяти на магнитных сердечках. В конце этого периода стали выпускаться устройства памяти на магнитных сердечках. Надежность ЭВМ этого поколения была крайне низкой.

Второе поколение ЭВМ (1959- 1967 гг.)

Элементной базой машин этого поколения были полупроводниковые приборы. Машины предназначались для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве. Появление полупроводниковых элементов в электронных схемах существенно увеличило емкость оперативной памяти, надежность и быстродействие ЭВМ. Уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность.

С появлением машин второго поколения значительно расширилась сфера использования электронной вычислительной техники, главным образом за счет развития программного обеспечения. Появились также специализированные машины, например ЭВМ для решения экономических задач, для управления производственными процессами, системами передачи информации и т. д. К ЭВМ второго поколения относятся:

ЭВМ М-40 ,-50 для систем противоракетной обороны;

Урал -11,-14,-16-ЭВМ общего назначения, ориентированные на решение инженерно-технических и планово-экономических задач;

Минск-2,-12,-14 для решения инженерных, научных и конструкторских задач математического и логического характера;

Минск-22 предназначена для решения научно-технических и планово-экономических задач;

БЭСМ-3-4,-6 машин общего назначения, ориентированных на решение сложных задач науки и техники;

М-20,-220,-222 машина общего назначения, ориентированная на решение сложных математических задач;

МИР-1 малая электронная цифровая вычислительная машина, предназначенная для решения широкого круга инженерно-конструкторских математических задач,

-"Наири" машина общего назначения, предназначенная для решения широкого круга инженерных, научно-технических,

а также некоторых типов планово-экономических и учетно-статистических задач;

Рута-110 мини ЭВМ общего назначения;

и ряд других ЭВМ.

ЭВМ БЭСМ-4,М-220,М-222 имели быстродействие порядка 20-30 тысяч операций в секунду и оперативную память - соответственно 8К,16К и 32К. Среди машин второго поколения особо выделяется БЭСМ-6, обладающая быстродействием около миллиона операций в секунду и оперативной памятью от 32К до 128К (в большинстве машин Поколения ЭВМ: от ламповых "монстров" к интегральным микро-схемам используется два сегмента памяти по 32К каждый).

Данный период характеризуется широким применением транзисторов и усовершенствованных схем памяти на сердечках. Большое внимание начали уделять созданию системного программного обеспечения, капилляров и средств ввода-вывода. В конце указанного периода появились универсальные и достаточно эффективные капилляры для Кобола, Фортана и других языков.

Была достигнута уже величина времени доступа 1х10-6 с, хотя большая часть элементов вычислительной машины еще была связана проводами.

Вычислительные машины этого периода успешно применялись в областях, связанных с обработкой множеств данных и решением задач, обычно требующих выполнения рутинных операций на заводах, в учреждениях и банках.

Эти вычислительные машины работали по принципу пакетной обработки данных. По существу, при этом копировались ручные методы обработки данных. Новые возможности, предоставляемые вычислительными машинами, практически не использовались.

Именно в этот период возникла профессия специалиста по информатике, и многие университеты стали предоставлять возможность получения образования в этой области.

Третье поколение ЭВМ (1968-1973гг.)

Элементная база ЭВМ-малые интегральные схемы (МИС). Машины предназначались для широкого использования в различных областях науки и техники (проведение расчетов, управление производством, подвижными объектами и др.)

Благодаря интегральным схемам удалось существенно улучшить технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ.

Например, машины третьего поколения по сравнению с машинами второго поколения имеют больший объем оперативной памяти, увеличилось быстродействие, повысилась надежность, а потребляемая мощность, занимаемая площадь и масса уменьшились.

В СССР в 70е годы получают дальнейшее развитие АСУ. Закладываются основы государственной и межгосударственной, охватывающей страны-члены СЭВ (Совет Экономической Взаимопомощи) системы обработки данных. Разрабатываются универсальные ЭВМ третьего поколения ЕС, совместимые как между собой (машины средней и высокой производительности ЕС ЭВМ), так и с зарубежными ЭВМ третьего поколения (IВМ-360 и др.-США) В разработке машин ЕС ЭВМ принимают участие специалисты СССР, Народной Республики Болгария (НРБ),

Венгерской Народной Республики (ВНР), Польской Народной Республики (ПНР), Чехословацкой советской Социалистической Республики (ЧССР) и Германской Демократической Республики (ГДР). В то же время в СССР создаются многопроцессорные и квазианалоговые ЭВМ, выпускаются мини-ЭВМ "Мир-31", "Мир-32", "Наири-34".

Для управления технологическими процессами создаются ЭВМ серии АСВТ М-6000 и М-7000 (разработчики В.П.Рязанов и др.) Разрабатываются и выпускаются настольные мини-ЭВМ на интегральных микросхемах М-180, "Электроника-79,-100,-125,-200","Электроника ДЗ-28","Электроника НЦ-60" и др.

К машинам третьего поколения относились "Днепр-2", ЭВМ Единой Системы (ЕС-1010, ЕС-1020, ЕС-1030, ЕС-1040, ЕС-1050, ЕС-1060 и несколько их промежуточных модификаций - ЕС-1021 и др.), МИР-2,"Наири-2" и ряд других.

Характерной чертой данного периода явилось резкое снижение цен на аппаратное обеспечение. Этого удалось добиться главным образом за счет использования интегральных схем. Обычные электрические соединения с помощью проводов при этом встраивались в микросхему. Это позволило получить значение времени доступна до 2х10-9с. В этот период на рынке появились удобные для пользователя рабочие станции, которые за счет объединения в сеть значительно упростили возможность получения малого времени доступа, обычно присущего большим машинам.

Дальнейший прогресс в развитии вычислительной техники был связан с разработкой полупроводниковой памяти, жидкокристаллических экранов и электронной памяти. В конце этого периода произошел коммерческий прорыв в области микроэлектронной технологии.

Возросшая производительность вычислительных машин и только появившиеся многомашинные системы дали принципиальную возможность реализации таких новых задач, которые были достаточно сложны и часто приводили к неразрешимым проблемам при их программной реализации. Начали говорить о "кризисе программного обеспечения".

Тогда появились эффективные методы разработки программного обеспечения. Создание новых программных продуктов теперь все чаще основывалось на методах планирования и специальных методах программирования.

Этот период связан с бурным развитием вычислительных машин реального времени. Появилась тенденция, в соответствии с которой в задачах управления наряду с большими вычислительными машинами находится место и для использования малых машин. Так, оказалось, что мини ЭВМ исключительно хорошо справляется с функциями управления сложными промышленными установками, где большая вычислительная машина часто отказывает.

Сложные системы управления разбиваются при этом на подсистемы, в каждой из которых используется своя мини ЭВМ. На большую вычислительную машину реального времени возлагаются задачи планирования (наблюдения) в иерархической системе с целью координации управления подсистемами и обработки центральных данных об объекте.

Программное обеспечение для малых вычислительных машин вначале было совсем элементарным, однако уже к 1968 г. появились первые коммерческие операционные системы реального времени, специально разработанные для них языки программирования высокого уровня и кросс-системы. Все это обеспечило доступность малых машин для широкого круга приложений. Сегодня едва ли можно найти такую отрасль промышленности, в которой бы эти машины в той или иной форме успешно не применялись. Их функции на производстве очень многообразны; так, можно указать простые системы управления процессами. Следует подчеркнуть, что управляющая вычислительная машина теперь все чаще вторгается в область данных, где применяется для решения коммерческих задач.

Мини ЭВМ начали применяться и для решения инженерных задач, связанных с проектированием. Проведены первые эксперименты, показавшие эффективность использования вычислительных машин в качестве средств проектирования.

Четвертое поколение ЭВМ (1974-1982гг.)

Элементная база ЭВМ - большие интегральные схемы (БИС). Машины предназначались для резкого повышения производительности труда в науке, производстве, управлении, здравоохранении, обслуживании и быту. Высокая степень интеграции способствует увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности, что ведет к увеличению быстродействия ЭВМ и снижению ее стоимости. Все это оказывает существенное воздействие на логическую структуру (архитектуру) ЭВМ и на ее программное обеспечение.

Более тесной становится связь структуры машины и ее программного обеспечения, особенно операционной системы (или монитора) - набора программ, которые организуют непрерывную работу машины без вмешательства человека.

К этому поколению можно отнести ЭВМ ЕС: ЕС-1015,-1025,-1035,-1045,-1055,-1065("Ряд 2"), -1036,-1046,-1066,СМ-1420, -1600,-1700, все персональные ЭВМ ("Электроника МС0501","Электроника-85","Искра-226", ЕС-1840,-1841,-1842 и др.), а также другие типы и модификации. К ЭВМ четвертого поколения относится также многопроцессорный вычислительный комплекс "Эльбрус". "Эльбрус-1КБ" имел быстродействие до 5,5 млн. операций с плавающей точкой в секунду, а объем оперативной памяти до 64 Мб. У "Эльбрус-2" производительность до 120 млн. операций в секунду, емкость оперативной памяти до 144 Мб или 16 Мслов (слово 72 разряда), максимальная пропускная способность каналов ввода-вывода-120Мб/с.

Урок № 3: Тема: Структурная схема ЭВМ. Архитектура ЭВМ внешняя и внутренняя

Ознакомить учащихся с основными устройствами ПК их назначения и функции.

Архитектура компьютера является его представлением на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей. Архитектура определяет принципы, действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативно-запоминающего устройства (ОЗУ, ОП), внешних ЗУ и периферийных устройств. Структура компьютера - совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементы могут быть самых различных устройств - от основных логических узлов компьютера до простых схем.

Принципы (архитектура) фон Неймана

В основу построения большого компьютерного положения следует общий принцип, сформулированный в 1945г. американским ученым Джоном он Нейманом.

1. Принцип программного управления . Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды, так как команды программы располагаются в памяти друг за другом, тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательного расположения ячеек памяти.

Если после заполнения команды следует перейти не к следующей, а к какой-то другой, используем команды условного и безусловного переходов (ветвление), которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду.

2. Принцип однородной памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в одной ячейке памяти: число, текст или команда.

3. Принцип адресности. Структура - основная память состоит из перенумерованных ячеек.

Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы в заполненных в них значениями можно было в последующем обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

Логические ряды (агрегаты) ЭВМ, простейший тип архитектуры

Центральное устройство (ЦУ) представляет основную компоненту ЭВМ и, в свою очередь, включает центральный процессор (ЦП) и оперативную память.

Процессор непосредственно реализует операции обработки информации и управления вычислительным процессом, осуществляющим выборку машинных команд и данных из операционной памяти и запись в операционную память, включение и выключение внутренних устройств.

Основными блоками процессора является:

Устройство управления с интерфейсного процессора (система сопряжения и связи процессора с другими узлами машины);

Арифметико-логические устройства;

Процессорная память (внутренняя, КЭШ);

Оперативная память предназначена для временного хранения данных и программ в процессе выполнения вычислительных и логических операций.

Центральное устройство описывает следующие характеристики:

Длина машинного слова (разрядность, адресность);

Система команд, объемы оперативной памяти;

Быстродействие (тактовая частота процессора, цикл записи/считывания оперативной памяти).

Внешние устройства - обеспечивают эффективность взаимодействия компьютера с окружающей средой: пользователями, объектами управления, другими объектами. Внешние устройства подразделяются на следующие группы:

Интерактивные устройства ввода/вывода;

Устройства хранения (массового накопления);

Устройства массового ввода информации;

Устройства массового вывода информации

Внешние универсальные ЭВМ. В качестве внешних устройств выступают терминалы принтера и другие устройства.

На каналах связи.

Устройство компьютера

Обычно персональные компьютеры IBM PC состоят из трех частей (блоков):

Системного блока;

Клавиатуры, позволяющей вводить символы в компьютер;

Монитора (или дисплея) - для изображения текстовой и графической информации.

Компьютеры выпускаются и в портативном варианте - обычно в "блокнотном" (ноутбук) исполнении.

Здесь системный блок, монитор и клавиатура заключены в один корпус: системный блок спрятан под клавиатурой, а монитор сделан как крышка к клавиатуре.

Системный блок. Он является в компьютере "главным ". В нем располагаются все основные узлы компьютера:

Электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройств и т. д.);

Блок питания, который преобразует электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;

Накопители (или дисководы) для гибких магнитных дисков, и пользуемые для чтения и записи на гибкие магнитные диски (дискеты);

Накопитель на жестком магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на несъемный жесткий магнитный диск (винчестер);

Другие устройства.

Дополнительные устройства . К системному блоку компьютера IBM PC можно подключать различные устройства ввода- вывода информации, расширяя тем самым его функциональные возможности.

Внешние устройства. Многие устройства располагаются вне системного блока компьютера и подсоединяются к нему через специальные гнезда (разъемы), находящиеся обычно на задней стенке системного блока. Такие устройства обычно называются внешними. Кроя монитора и клавиатуры, такими устройствами являются:

Принтер - для вывода на печать текстовой и графической информации;

Мышь - устройство, облегчающее ввод информации в компьютер;

Джойстик- манипулятор в виде укрепленной на шарнире ручки с кнопкой, употребляется в основном для компьютерных игр;

А также другие устройства.

Внутренние устройства . Некоторые устройства могут вставляться внутрь системного блока компьютера (поэтому они часто называются внутренними), например:

Модем или факс-модем - для обмена информацией с другими компьютерами через телефонную сеть (факс- модем может также получать и принимать факсы);

Дисковод для компакт - дисков, он обеспечивает возможность чтения данных с компьютерных компакт-дисков и проигрывания аудиокомпакт-дисков;

Стример - для хранения данных на магнитной ленте;

Звуковая карта - для воспроизведения и записи звуков (музыки, голоса и т.д.).

Впрочем, модемы, факс-модемы, стримеры, дисководы для компакт-дисков и другие устройства могут выпускаться и во внешнем исполнении. Как правило, устройства во внутреннем исполнении стоят дешевле для них не надо изготавливать корпус и их не надо снабжать своим блоком питания.

Контроллеры и устройства. Для управления работой устройств в IBM PC -совместных компьютерах используются электронные схемы - контроллеры. Различные устройства используют разные способы подключения к контролерам:

Некоторые устройства (дисковод для дискет, клавиатура и т. д.) подключаются к имеющимся в составе компьютера стандартным контролерам;

Некоторые устройства (звуковые карты, многие факс-модемы и т. д.) выполнены как электронные платы, то есть смонтированы на одной плате со своим контроллером;

Остальные устройства используют следующий способ подключения: в системный блок компьютера вставляется электронная плата (контролер), управляющая работой устройства, а само устройство подсоединяется

к этой плате кабелем.

Практическая работа №1

Клавиатура IBM PC. Техника безопасности

Техника безопасности:

Студенты, работающие на компьютерах обязаны:

1. выполнять только ту работу, которая поручена преподавателем;

2. работать только с тем оборудованием, которое необходимо для выполнения задач;

3. работать на расстоянии не менее 50см. от экрана;

5. бережно обращаться с техникой;

6. немедленно прекращать работу, при появлении необычного звука или самопроизвольного отключения аппаратуры.

Студентам, работающим на компьютере запрещается:

1. находиться в помещении в верхней одежде;

2. работать во влажной одежде и влажными руками;

3. пользоваться клавиатурой, если не подключено напряжение;

4. включать и выключать электропитание и оборудование;

5. перемещать оборудование и устройства компьютера;

6. прикасаться к тыльной стороне клавиатуры и монитора;

7. класть книги и тетради на клавиатуру и монитор;

8. самостоятельно устранять неисправности;

9. вставать с рабочего места, когда в кабинет входят посетители.