История персонального компьютера

2014.04.05. |

Сегодня персональный компьютер составляет неотъемлемую часть нашей жизни. Трудно себе представить, как можно обойтись без ежедневного использования компьютера. Мы печатаем тесты на нем, разрабатываем программы, общаемся, смотрим фильмы и играем в игры, покупаем и продаем, зарабатываем деньги с помощью нашего верного спутника. Однако дела не всегда обстояли так.

Прежде, чем стать незаменимым инструментом и верным помощником, компьютер прошел долгий и тернистый путь развития. Первые шаги которого я описывал в цикле статей посвященных истории развития вычислительной техники, начиная с механических вычислительных устройств и заканчивая ЭВМ третьего поколения, которые начали появляться с 1964 года. Теперь давайте рассмотрим путь становления персонального компьютера.

Это был четырехразрядный процессор с тактовой частотой – 740 КГц, и быстродействием – 92000 операций в секунду, состоящий из 2250 транзисторов.

Изначально процессор предназначался для замены набора узкоспециализированных микросхем, используемых в калькуляторах и других примитивных вычислительных машинах. Так как микросхемы были узкоспециализированными, то для каждого нового устройства приходилось либо дорабатывать их, либо выпускать новые типы микросхем. В частности, для калькуляторов в среднем использовалось 12 таких микросхем. Тед Хофф предложил заменить часть микросхем универсальной микросхемой – процессором, который мог использоваться в различных устройствах без доработок.

Путь от идеи к созданию устройства занял почти два года, и в результате появился первый процессор компании Intel – Intel 4004. Однако это был не самый первый процессор. Незадолго до этого, в 1970 году, военными был разработан процессор F14 CADC, но он был долгое время засекречен. Поэтому процессор компании Intel считается первым коммерчески доступным однокристальным процессором.

Со временем процессоры совершенствовались. В 1972 году была выпущена линейка процессоров Intel 4040 с увеличенным объемом памяти и поддержкой прерываний. В этом же году, несколько месяцев спустя, была создана серия восьмиразрядных процессоров Intel 8008. Но самое главное событие произошло в 1974 году. Был выпущен процессор (линейка модификаций процессоров) Intel 8080.

Эти процессоры были разработаны Федерико Фаггини (Federico Faggin) и Масатоши Шима (Masatoshi Shima). Существовало множество клонов этой линейки от других фирм (AMD, Eastern Bloc, Mitsubishi, NEC, Texas Instruments и многих других), в том числе клоны, производимые в СССР (580VM80).

Процессоры производились по технологии – 6 мкм, содержали 6000 транзисторов, размещенных в 40-контактном керамическом корпусе. Они имели 16-разрядную шину адреса и 8-разрядную шину данных, адресуемую память – 64 Кб, количество инструкций – 80, тактовую частоту – 2 МГц, производительность – до 500 000 операций в секунду. Помимо самого процессора, компания Intel разработала целый набор микросхем (арифметический сопроцессор, тактовый генератор, формирователи шин, таймера, контроллеры периферийных устройств и т.д.), облегчающих использование процессора.

Именно на базе этого процессора в 1975 году был создан первый, коммерчески распространяемый компьютер Альтаир 8800. Если не считать тех «персональных компьютеров» которые были описаны в разделах статьи «Программируемые калькуляторы» и «Микро-ЭВМ».

2. Первые персональные компьютеры.

Первым персональным компьютером принято считать Альтаир 8800, созданный в 1975 году, хотя это утверждение и не незыблемо. Ведущим разработчиком Альтаир 8800 был американский инженер Генри Эдвард Робертс основатель фирмы MITS (Micro Instrumentation and Telemetry Systems) расположенной в городе Альбукeрк, штат Нью-Мексико.

Внешне Альтаир 8800 сильно отличался от современных персональных компьютеров. К нему не прилагалась не клавиатура, не мышка, не монитор. Да и возможности его были очень ограничены. Обладая всего 256 байтами оперативной памяти, он не мог решать мало-мальски серьезные задачи. Но все же Альтаир 8800 пользовался огромной популярностью, и, несмотря на свои ограниченные возможности, он вдохновил множество энтузиастов, которые самостоятельно, из купленных комплектующих, собирали компьютер, вооружившись отверткой и паяльником. И разрабатывали небольшие программы, которые затем скрупулезно, в двоичном виде байт за байтом водили в память компьютера с помощью переключателей и наблюдали результат выполнения работы своих программ в виде загорающихся лампочек на переднем табло компьютера.

Альтаир 8800 продавался не толков в виде набора деталей за 439 долларов, но и уже собранном виде, правда, несколько дороже – за 621 доллар.

В обоих случаях цены на Альтаир 8800 были смешные. Только один процессор Intel 8080 в розничной торговле стоил 360 долларов. Так что заказы на комплектующие и уже готовые компьютеры посыпались как из рога изобилия и во много раз превысили возможности фирмы MITS. Так за первые несколько месяцев накопилось более 4000 заявок, при том, что фирма MITS за год могла удовлетворить не более 800. Этим не замедлили воспользоваться конкурирующие компании, которые стали производить и продавать Альтаир 8800, и очень быстро появилась целая сеть магазинов, специализирующаяся на продаже Альтаир 8800 и различных запчастей и комплектующих к ним.

Популярность компьютера все время росла. Через несколько месяцев Пол Аллен и Билл Гейтс создали интерпретатор Бейсик для Альтаир 8800. Однако тут не обошлось без проблем. Для полноценного функционирования интерпретатору требовалось минимум 4 кб оперативной памяти, в то время как базовая комплектация Альтаир 8800 содержала всего 256 байт памяти. Но Альтаир 8800 содержал дополнительные слоты для плат расширения, например в выпущенной в 1976 году модификации компьютера (Альтаир 8800bt) было аж 18 портов расширения. Поэтому в экстренном порядке была разработана карта памяти на 4 кб.

Но не менее важной проблемой Альтаир 8800 – было отсутствие постоянного запоминающего устройство. С таким трудом вводимые программы и результаты их работы невозможно было сохранять. По этому следующим глобальным усовершенствованием первого персонального компьютера был ввод системы хранения данных. Опять-таки Пол Аллен и Билл Гейтс смогли оборудовать Альтаир 8800 дисководом с гибким магнитным диском. Это хоть был и дорогой способ хранения данных, но по сравнению с другими существующими методами – надежный и удобный.

Все это значительно расширило возможности Альтаир 8800 и еще больше повысило его популярность.

Однако, из-за сильной спешки при создании карт памяти они работали со сбоями и не позволяли подключать одновременно несколько карт памяти. Это дало возможность конкурирующим фирмам, таким как Processor Technology, приступить к созданию своих карт памяти и других плат расширения для Альтаир 8800 и несколько подвинуть позиции MITS на рынке персональных компьютеров.

Со временем все больше компаний стали производить комплектующие для Альтаир 8800 и разрабатывать программное обеспечение для пользователей компьютера.

Фирма MITS все больше выпускала из своих рук ситуацию и теряла прибыли из-за конкурентов. Она неоднократно предпринимала различные попытки вернуть себе лидирующие позиции на уже сложившемся рынке персональных компьютеров, но все они не имели успеха. Так, например, была выпущена новая модификация персонального компьютера Altair 680 на базе процессора Motorola / AMS 6800.

Дела компании MITS шли все хуже и хуже. Ведя сразу большое количество направлений в разработке, компания не могла должным образом контролировать качество своей продукции и несла большие издержки. Продукция MITS теряла популярность. В конце концов, Эдвард Робертс продал MITS компании Pertec, что означало конец для бренда Альтаир 8800. Через два года после продажи MITS была закрыта, а Эдвард Робертс полностью порвал все связи с миром вычислительной техники, закончил медицинскую школу и стал врачом. Но Альтаир 8800 свое дело уже сделал, ознаменовав эру персонального компьютера.

Вскоре после появления Альтаир 8800 мир увидели такие персональные компьютеры как: SWTPC 6800, KIM-1, Apple I, TRS-80, Commodore PET и многие другие.

3. Эра персонального компьютера или IBM PC.

К концу 70-х годов персональные компьютеры набрали популярность настолько, что уже стали заметно влиять на спрос на большие ЭВМ и мини ЭВМ. Это не могло не обеспокоить таких гигантов по разработке и производству больших ЭВМ, как IBM. В результате, в 1979 году, в компании IBM было принято решение попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров.

Отнеслись к этой работе как к небольшому эксперименту, все еще не веря в огромные перспективы персональных компьютеров. Таких работ, по созданию нового оборудования в IBM ежегодно проводились чуть ли не десятки, по этому руководство IBM не уделяло особого внимании разработке ПК и предоставило подразделению занимавшемуся этой работой невиданную свободу. В частности, для экономии средств, разрешила использовать в первом персональном компьютере узлы и блоки уже разработанные другими фирмами.

Воспользовавшись свободой действия, подразделение сполна использовала свой шанс. Новый компьютер, впервые в истории, решили разрабатывать на базе нового 16-ти разрядного процессора Intel 8088 и делать не единым целым, как делали все предшественники, а состоящим из отдельных легко заменяемых модулей, собираемых вместе аналогично детскому конструктору. Причем способ соединения отдельных блоков в единое целое не держались в секрете и был доступен всем желающим.

Впоследствии этот принцип лег в основу так называемой открытой архитектуре, которой сейчас следуют подавляющее большинство производители комплектующих к персональным компьютерам.

Это был гениальный шаг со стороны разработчиков IBM. Ведь какой бы современный и технологический компьютеры они не создали бы, держа в секрете его архитектуру, он бы через 1-2 года устарел и был бы забыт среди сотни схожих с ним конкурентов.

Использование открытой архитектуры сподвигло огромное число небольших фирм включиться в работы по созданию узлов для нового компьютера, получившего название IBM PC и увидевшем свет в августе 1981 года.

Очень немногие производители в одиночку смогли что-либо противопоставить компьютеру, набирающему семимильными шагами популярность, а точнее сказать принципу организации персональных компьютеров, начало которому положила компания IBM PC. Сейчас такие компьютеры ("совместимые с IBM PC") составляют около 90% всех производимых в мире персональных компьютеров (не считая рынка мобильных устройств).

Но новый принцип организации сыграл злую шутку и с самой компанией IBM. Небольшие фирмы, пользуясь наработками IBM, стали производить свои комплектующие для IBM PC и зачастую они были дешевле и появлялись раньше чем разработки от IBM, из-за того, что компании приходилось нести большие накладные расходы на содержание огромного штата и мощностей по производству.

Очень скоро другие фирмы перестали довольствоваться ролью производителей комплектующих и начали сами собирать компьютеры, совместимые с IBM PC.

Но не только аппаратный принцип построения сделал популярным компьютер IBM PC. Заметную веху в истории оставила и операционная система, разработанная для этого компьютера.

Чтобы люди охотнее покупали компьютеры, требовалось сделать управление им как можно более простым. Эта задача была поручена небольшой фирме Microsoft. Ныне Microsoft стала повсеместно известной, крупнейшей фирмой по производству программного обеспечения.

Популярнейшей операционной системой для 8-разрядных персональных компьютеров в то время была CP/M-80 (Control Program for Microcomputers) фирмы Digital Research, но 16-разрядному компьютеру требовалась новая операционная система.

Фирма Digital Research была не готова предложить IBM 16-разрядную операционную систему. А фирма Microsoft, тем временем, успела приобрести права на 16-разрядную систему 86-DOS у компании Seattle Computers Products. 86-DOS представляла собой клон CP/M от Digital Research, портированный для использования на процессоре 8086 и содержащий всего два отличия от оригинала: улучшенную логику буферизации дисковых секторов и новую файловую систему FAT12.

Microsoft переработала 86-DOS, и под маркой MS-DOS предложила фирме IBM.

В августе 1981 года MS-DOS 1.10/1.14, лицензированная корпорацией IBM под наименованием PC DOS 1.0, начала поставляться с новыми персональными компьютерами IBM PC. Для сторонних производителей Microsoft предлагала версию DOS под именем MS-DOS.

Программы, разработанные для CP/M-80 оказалось достаточно легко модифицировать для работы под MS-DOS.

В результате MS-DOS очень быстро стала популярной и на протяжении десятка лет модернизировалась и была самая используемая среди IBM PC совместимых компьютеров.

И так, новый принцип построения персонального компьютера – открытая архитектура, простая и удобная в использовании операционная система и быстро расширяющейся набор программного обеспечения, совершили настоящий прорыв в становлении персонального компьютера и ознаменовали новую эру в вычислительной технике, эру персонального компьютера.

На этом я закончу рассказ об истории развития персонального компьютера, кому будет интересно хронологию появления новых моделей компьютеров, их краткое описание и фотографии можно будет посмотреть в новом разделе «Музей».

Под словом компьютер раньше подразумевался человек, который выполнял различные математические расчеты. Для выполнения расчетов этот человек использовал специальное механическое устройство называющееся «Абак».

В конце средневековья математики и инженеры в Европе начали получать значительную поддержку, и, таким образом, наметился сильный прогресс в развитии механических вычислительных устройств. К 17 веку была разработана система часового механизма. В период с начала 19 века и до начала 20 века были разработаны очень важные технологии, которые в дальнейшем оказали сильное влияние на развитие цифрового компьютера. Например, это такие изобретения как перфокарта и электронная лампа. Чарльз Бэббидж был первым, кто разработал полностью программируемый компьютер в 1837 году.
Но, к сожалению, он так и не смог довести его создание до конца по нескольким причинам.

Аналоговые компьютеры активно использовались в первой половине 20 века в различных научных исследованиях для проведения математических расчетов. Однако сразу после появления цифровых компьютеров они неизбежно устарели.

Первым цифровым компьютером был Atanasoff Berry Computer. Для вычисления он использовал бинарную систему счисления, параллельную обработку данных, раздельную память и вычислительные функции. Бинарная система счисления и электронные схемы используются в современных компьютерах, но впервые они были применены на Atanasoff Berry Computer.

В 1930 по 1940 годы продолжалась разработка еще более совершенных и эффективных компьютеров. Понемногу у компьютеров стали появляться возможности, которыми сейчас обладают все современные компьютеры; это цифровые электронные схемы и гибкость программирования.

Среди всех компьютеров тех лет наиболее выделялся из всех American ENIAC «Electronic Numerical Integrator and Calculator» (электронный цифровой интегратор и калькулятор). Для своего времени он был функционален, но был очень громоздким. Позже была разработана более совершенная система, называющаяся сохраняемая программная структура. Эта система является основой работы всех современных компьютеров. В1950 г. в компьютерах применялись стеклянные ламповые диоды. Позже их заменили электронные транзисторы; разработанные в 1960 г. компьютеры на основе транзисторов стали меньше, быстрее и дешевле, также они стали коммерчески выгодными. В 1970 году в компьютерах стали применяться технологии интегрированных микросхем, которые позволили сделать производство компьютеров массовым. С тех пор компьютеры стали доступны всем. Это было рождение персонального компьютера в том виде, в котором мы имеем его сейчас.

Краткая история ЭВМ

Современному человеку сегодня трудно представить свою жизнь без электронно-вычислительных машин (ЭВМ). В настоящее время любой желающий, в соответствии со своими запросами, может собрать у себя на рабочем столе полноценный вычислительный центр. Так было, конечно, не всегда. Путь человечества к этому достижению был труден и тернист. Много веков назад люди хотели иметь приспособления, которые помогали бы им решать разнообразные задачи. Многие из этих задач решались последовательным выполнением некоторых рутинных действий, или, как принято говорить сейчас, выполнением алгоритма. С попытки изобрести устройство, способное реализовать простейшие из этих алгоритмов (сложение и вычитание чисел), все и началось...

Точкой отсчета можно считать начало XVII века (1623 год), когда ученый В. Шикард создал машину, умеющую складывать и вычитать числа. Но первым арифмометром, способным выполнять четыре основных арифметических действия, стал арифмометр знаменитого французского ученого и философа Блеза Паскаля. Основным элементом в нем было зубчатое колесо, изобретение которого уже само по себе стало ключевым событием в истории вычислительной техники. Хотелось бы отметить, что эволюция в области вычислительной техники носит неравномерный, скачкообразный характер: периоды накопления сил сменяются прорывами в разработках, после чего наступает период стабилизации, во время которого достигнутые результаты используются практически и одновременно накапливаются знания и силы для очередного рывка вперед. После каждого витка процесс эволюции выходит на новую, более высокую ступень.

В 1671 году немецкий философ и математик Густав Лейбниц также создает арифмометр на основе зубчатого колеса особенной конструкции - зубчатою колеса Лейбница. Арифмометр Лейбница, как и арифмометры его предшественников, выполнял четыре основных арифметических действия. На этом данный период закончился, и человечество в течение почти полутора веков копило силы и знания для следующего витка эволюции вычислительной техники. XVIII и XIX века были временем, когда бурно развивались различные науки, в том числе математика и астрономия. В них часто возникали задачи, требующие длительных и трудоемких вычислений.

Еще одним известным человеком в истории вычислительной техники стал английский математик Чарльз Бэббидж. В 1823 году Бэббидж начал работать над машиной для вычисления полиномов, но, что более интересно, эта машина должна была, кроме непосредственного производства вычислений, выдавать результаты - печатать их на негативной пластине для фотопечати. Планировалось, что машина будет приводиться в действие паровым двигателем. Из-за технических трудностей Бэббиджу до конца не удалось реализовать свой проект. Здесь впервые возникла идея использовать некоторое внешнее (периферийное) устройство для выдачи результатов вычислений. Отметим, что другой ученый, Шойц, в 1853 году все же реализовал машину, задуманную Бэббиджем (она получилась даже меньше, чем планировалась). Наверное, Бэббиджу больше нравился творческий процесс поиска новых идей, чем воплощение их в нечто материальное. В 1834 году он изложил принципы работы очередной машины, которая была названа им «Аналитической». Технические трудности вновь не позволили ему до конца реализовать свои идеи. Бэббидж смог довести машину лишь до стадии эксперимента. Но именно идея является двигателем научно-технического прогресса. Очередная машина Чарльза Бэббиджа была воплощением следующих идей:

Управление производственным процессом. Машина управляла работой ткацкого станка, изменяя узор создаваемой ткани в зависимости от сочетания отверстий на специальной бумажной ленте. Эта лента стала предшественницей таких знакомых нам всем носителей информации, как перфокарты и перфоленты.

Программируемость. Работой машины также управляла специальная бумажная лента с отверстиями. Порядок следования отверстий на ней определял команды и обрабатываемые этими командами данные. Машина имела арифметическое устройство и память. В состав команд машины входила даже команда условного перехода, изменяющая ход вычислений в зависимости от некоторых промежуточных результатов.

В разработке этой машины принимала участие графиня Ада Августа Лавлейс, которую считают первой в мире программистом.

Идеи Чарльза Бэббиджа развивались и использовались другими учеными. Так, в 1890 году, на рубеже XX века, американец Герман Холлерит разработал машину, работающую с таблицами данных (первый Excel?). Машина управлялась программой на перфокартах. Она использовалась при проведении переписи населения в США в 1890 году. В 1896 году Холлерит основал фирму, явившуюся предшественницей корпорации IBM. Со смертью Бэббиджа в эволюции вычислительной техники наступил очередной перерыв вплоть до 30-х годов XX века. В дальнейшем все развитие человечества стало немыслимым без компьютеров.

В 1938 году центр разработок ненадолго смещается из Америки в Германию, где Конрад Цузе создает машину, которая оперирует, в отличие от своих предшественниц, не десятичными числами, а двоичными. Эта машина также была все еще механической, но ее несомненным достоинством было то, что в ней была реализована идея обработки данных в двоичном коде. Продолжая свои работы, Цузе в 1941 году создал электромеханическую машину, арифметическое устройство которой было выполнено на базе реле. Машина умела выполнять операции с плавающей точкой.

За океаном, в Америке, в этот период также шли работы по созданию подобных электромеханических машин. В 1944 году Говард Эйкен спроектировал машину, которую назвали Mark-1 . Она, как и машина Цузе, работала на реле. Но из-за того, что эта машина явно была создана под влиянием работ Бэббиджа, она оперировала с данными в десятичной форме.

Естественно, из-за большого удельного веса механических частей эти машины были обречены. Нужно было искать новую, более технологичную элементную базу. И тогда вспомнили об изобретении Фореста, который в 1906 году создал трех электродную вакуумную лампу, названную триодом. В силу своих функциональных свойств она стала наиболее естественной заменой реле. В 1946 году в США, в университете города Пенсильвания, была создана первая универсальная ЭВМ - ENIAC . ЭВМ ENIAC содержала 18 тыс. ламп, весила 30 тонн, занимала площадь около 200 квадратных метров и потребляла огромную мощность. В ней все еще использовались десятичные операции, и программирование осуществлял ось путем коммутации разъемов и установки переключателей. Естественно, что такое «программирование» влекло за собой появление множества проблем, вызванных, прежде всего, неверной установкой переключателей. С проектом ENIAC связано имя еще одной ключевой фигуры в истории вычислительной техники - математика Джона фон Неймана. Именно он впервые предложил записывать программу и ее данные в память машины так, чтобы их можно было при необходимости модифицировать в процессе работы. Этот ключевой принцип, был использован в дальнейшем при создании принципиально новой ЭВМ EDVAC (1951 год). В этой машине уже при меняется двоичная арифметика и используется оперативная память, построенная на ультразвуковых ртутных линиях задержки. Память могла хранить 1024 слова. Каждое слово состояло из 44 двоичных разрядов.

После создания EDVAC человечество осознало, какие высоты науки и техники могут быть достигнуты тандемом человек-компьютер. Данная отрасль стала развиваться очень быстро и динамично, хотя здесь тоже наблюдалась некоторая периодичность, связанная с необходимостью накопления определенного багажа знаний для очередного прорыва. До середины 80-х годов процесс эволюции вычислительной техники принято делить на поколения. Для полноты изложения дадим этим поколениям краткие качественные характеристики:

Первое поколение ЭВМ (1945-1954 гг.) В этот период формируется типовой набор структурных элементов, входящих в состав ЭВМ. К этому времени у разработчиков уже сложилось примерно одинаковое представление о том, из каких элементов должна состоять типичная ЭВМ. Это - центральный процессор (ЦП), оперативная память (или оперативно запоминающее устройство - ОЗУ) и устройства ввода-вывода (УВВ). ЦП, в свою очередь, должен состоять из арифметико-логического устройства (АЛУ) и управляющею устройства (УУ). Машины этого поколения работали на ламповой элементной базе, из-за чего поглощали огромное количество энергии и были очень не ненадежны. С их помощью, в основном, решались научные задачи. Программы для этих машин уже можно было составлять не на машинном языке, а на языке ассемблера.

Второе поколение ЭВМ (1955-1964 гг.). Смену поколений определило появление новой элементной базы: вместо громоздкой лампы в ЭВМ стали применяться миниатюрные транзисторы, линии задержки как элементы оперативной памяти сменила память на магнитных сердечниках. Это в конечном итоге привело к уменьшению габаритов, повышению надежности и производительности ЭВМ. В архитектуре ЭВМ появились индексные регистры и аппаратные средства для выполнения операций с плавающей точкой. Были разработаны команды для вызова подпрограмм.

Появились языки программирования высокого уровня - Algol, FORTRAN, COBOL, - создавшие предпосылки для появления переносимого программного обеспечения, не зависящего от типа ЭВМ. С появлением языков высокого уровня возникли компиляторы для них, библиотеки стандартных подпрограмм и другие хорошо знакомые нам сейчас вещи.

Важное новшество, которое хотелось бы отметить, - это появление так называемых процессоров ввода-вывода. Эти специализированные процессоры позволили освободить центральный процессор от управления вводом-выводом и осуществлять ввод-вывод с помощью специализированного устройства одновременно с процессом вычислений. На этом этапе резко расширился круг пользователей ЭВМ и возросла номенклатура решаемых задач. Для эффективного управления ресурсами машины стали использоваться операционные системы (ОС).

Третье поколение ЭВМ (1965-1970 гг .). Смена поколений вновь была обусловлена обновлением элементной базы: вместо транзисторов в различных узлах ЭВМ стали использоваться интегральные микросхемы различной степени интеграции. Микросхемы позволили разместить десятки элементов на пластине размером в несколько сантиметров. Это, в свою очередь, не только повысило производительность ЭВМ, но и снизило их габариты и стоимость. Появились сравнительно недорогие и малогабаритные машины - Мини-ЭВМ. Они активно использовались для управления различными технологическими производственными процессами в системах сбора и обработки информации.

Увеличение мощности ЭВМ сделало возможным одновременное выполнение нескольких программ на одной ЭВМ. Для этого нужно было научиться координировать между собой одновременно выполняемые действия, для чего были расширены функции операционной системы.

Одновременно с активными разработками в области аппаратных и архитектурных решений растет удельный вес разработок в области технологий программирования. В это время активно разрабатываются теоретические основы методов программирования, компиляции, баз данных, операционных систем и т. д. Создаются пакеты прикладных программ для самых различных областей жизнедеятельности человека.

Теперь уже становится непозволительной роскошью переписывать все программы с появлением каждого нового типа ЭВМ. Наблюдается тенденция к созданию семейств ЭВМ, то есть машины становятся совместимы снизу вверх на программно-аппаратном уровне. Первая из таких семейств была серия IBM System/360 и наш отечественный аналог этого компьютера - ЕС ЭВМ.

Четвертое поколение ЭВМ (1970-1984 гг.). Очередная смена элементной базы привела к смене поколений. В 70-е годы активно ведутся работы по созданию больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС), которые позволили разместить на одном кристалле десятки тысяч элементов. Это повлекло дальнейшее существенное снижение размеров и стоимости ЭВМ. Работа с программным обеспечением стала более дружественной, что повлекло за собой рост количества пользователей.

В принципе, при такой степени интеграции элементов стало возможным попытаться создать функционально полную ЭВМ на одном кристалле. Соответствующие попытки были предприняты, хотя они и встречались, в основном, недоверчивой улыбкой. Наверное, этих улыбок стало бы меньше, если бы можно было предвидеть, что именно эта идея станет причиной вымирания больших ЭВМ через каких-нибудь полтора десятка лет.

Тем не менее в начале 70-х годов фирмой Intel был выпущен микропроцессор (МП) 4004. И если до этого в мире вычислительной техники были только три направления (супер ЭВМ, большие ЭВМ (мэйнфреймы) и мини-ЭВМ), то теперь к ним прибавилось еще одно - микропроцессорное. В общем случае под процессором понимают функциональный блок ЭВМ, предназначенный для логической и арифметической обработки информации на основе принципа микропрограммного управления. По аппаратной реализации процессоры можно разделить на микропроцессоры (полностью интегрированы все функции процессора) и процессоры с малой и средней интеграцией. Конструктивно это выражается в том, что микропроцессоры реализуют все функции процессора на одном кристалле, а процессоры других типов реализуют их путем соединения большого количества микросхем.

Итак, первый микропроцессор 4004 был создан фирмой Intel на рубеже 70-х годов. Он представлял собой 4-разрядное параллельное вычислительное устройство, и его возможности были сильно ограничены. 4004 мог производить четыре основные арифметические операции и применялся поначалу только в карманных калькуляторах. Позднее сфера его применения была расширена за счет использования в различных системах управления (например, для управления светофорами). Фирма Intel, правильно предугадав перспективность микропроцессоров, продолжила интенсивные разработки, и один из ее проектов в конечном итоге привел к крупному успеху, предопределившему будущий путь развития вычислительной техники.

Им стал проект по разработке 8-разрядного процессора 8080 (1974 г.). Этот микропроцессор имел довольно развитую систему команд и умел делить числа. Именно он был использован при создании персонального компьютера Альтаир, для которого молодой Билл Гейтс написал один из своих первых интерпретаторов языка BASIC. Наверное, именно с этого момента следует вести отсчет 5-го поколения.

Пятое поколение ЭВМ (1984 г. - наши дни) можно назвать микропроцессорным. Заметьте, что четвертое поколение закончилось только в начале 80-х, то есть родители в лице больших машин и их быстро взрослеющее и набирающее силы «чадо» В течение почти 10 лет относительно мирно существовали вместе. Для них обоих это время пошло только на пользу. Проектировщики больших компьютеров накопили огромный теоретический и практический опыт, а программисты микропроцессоров сумели найти свою, пусть поначалу очень узкую, нишу на рынке.

В 1976 году фирма Intel закончила разработку 16-разрядного процессора 8086. Он имел достаточно большую разрядность регистров (16 бит) и системной шины адреса (20 бит), за счет чего мог адресовать до 1 Мбайт оперативной памяти.

В 1982 году был создан 80286. Этот процессор представлял собой улучшенный вариант 8086. Он поддерживал уже несколько режимов работы: реальный, когда формирование адреса производилось по правилам i8086, и защищенный, который аппаратно реализовывал многозадачность и управление виртуальной памятью. 80286 имел также большую разрядность шины адреса - 24 разряда против 20 у 8086, и поэтому он мог адресовать до 16 Мбайт оперативной памяти. Первые компьютеры на базе этого процессора появились в 1984 году. По своим вычислительным возможностям этот компьютер стал сопоставим с IBM System/370. Поэтому можно считать, что на этом четвертое поколение развития ЭВМ завершилось.

В 1985 году фирма Intel представила первый 32-разрядный микропроцессор 80386, аппаратно совместимый снизу вверх со всеми предыдущими процессорами этой фирмы. Он был гораздо мощнее своих предшественников, имел 32-разрядную архитектуру и мог прямо адресовать до 4 Гбайт оперативной памяти. Процессор 386 стал поддерживать новый режим работы - режим виртуального 8086, который обеспечил не только большую эффективность работы программ, разработанных для 8086, но и позволил осуществлять параллельную работу нескольких таких программ. Еще одно важное нововведение - поддержка страничной организации оперативной памяти - позволило иметь виртуальное пространство памяти размером до 4 Тбайт.

Процессор 386 был первым микропроцессором, в котором использовалась параллельная обработка. Так, одновременно осуществлялись: доступ к памяти и устройствам ввода-вывода, размещение команд в очереди для выполнения, их декодирование, преобразование линейного адреса в физический, а также страничное преобразование адреса (информация о 32-х наиболее часто используемых страницах помещалась в специальную кэш-память).

Вскоре после процессора 386 появился 486. В его архитектуре получили дальнейшее развитие идеи параллельной обработки. Устройство декодирования и исполнения команд было организовано в виде пятиступенчатого конвейера, на втором в различной стадии исполнения могло находиться до 5 команд. На кристалл была помещена кэш-память первого уровня, которая содержала часто используемые код и данные. Кроме этого, появилась кэш-память второго уровня емкостью до 512 Кбайт. Появилась возможность строить многопроцессорные конфигурации. В систему команд процессора были добавлены новые команды. Все эти нововведения, наряду со значительным (до 133 МГц) повышением тактовой частоты микропроцессора, значительно позволили повысить скорость выполнения про грамм.

С 1993 года стали выпускаться микропроцессоры Intel Pentium. Их появление, начале омрачилось ошибкой в блоке операций с плавающей точкой. Эта ошибка была быстро устранена, но недоверие к этим микропроцессорам еще некоторое время оставалось.

Pentium продолжил развитие идей параллельной обработки. В устройство декодирования и исполнения команд был добавлен второй конвейер. Теперь два конвейера (называемых u и v) вместе могли исполнять две инструкции за такт. Внутренний кэш был увеличен вдвое - до 8 Кбайт для кода и 8 Кбайт для данных. Процессор стал более интеллектуальным. В него была добавлена возможность предсказания ветвлений, в связи с чем значительно возросла эффективность исполнения нелинейных алгоритмов. Несмотря на то что архитектура системы оставалась все еще 32-разрядной, внутри микропроцессора стали использоваться 128- и 256-разрядные шины передачи данных. Внешняя шина данных была увеличена до 64 бит. Продолжили свое развитие технологии, связанные с многопроцессорной обработкой информации.

Появление микропроцессора Pentium Pro разделило рынок на два сектора - высокопроизводительных рабочих станций и дешевых домашних компьютеров. В процессоре Pentium Pro были реализованы самые передовые технологии. В частности был добавлен еще один конвейер к имевшимся двум у процессора Pentium. Тем самым за один такт работы микропроцессор стал выполнять до трех инструкций.

Более того, процессор Pentium Pro позволил осуществлять динамическое исполнение команд (Dynamic Execution). Суть его в том, что три устройства декодирования команд, работая параллельно, делят команды на более мелкие части, называемые микрооперациями. Далее эти микрооперации могут исполняться параллельно пятью устройствами (двумя целочисленными, двумя с плавающей точкой и одним устройством интерфейса с памятью). На выходе эти инструкции опять собираются в первоначальном виде и порядке. Мощь Pentium Pro дополняется усовершенствованной организацией его кэш-памяти. Как и процессор Pentium, он имеет 8 Кбайт кэш-памяти первого уровня и 256 Кбайт кэш-памяти второго уровня. Однако за счет схемных решений (использование архитектуры двойной независимой шины) кэш-память второго уровня расположили на одном кристалле с микропроцессором, что значительно повысило производительность. В Pentium Pro реализовали 36-разрядную адресную шину, что позволило адресовать до 64 Гбайт оперативной памяти.

Процесс развития семейства обычных процессоров Pentium тоже не стоял на месте. Если в процессорах Pentium Pro параллелизм вычислений был реализован за счет архитектурных и схемотехнических решений, то при создании моделей процессора Pentium пошли по другому пути. В них включили новые команды, для поддержки которых несколько изменили программную модель микропроцессора. Эти команды, получившие название MMX-команд (MultiMedia eXtention - мультимедийное расширение системы команд), позволили одновременно обрабатывать несколько единиц однотипных данных.

Следующий выпущенный в свет процессор, названный Pentium II, объединил в себе все технологические достижения обоих направлений развития архитектуры Pentium. Кроме этого он имел новые конструктивные особенности, в частности, его корпус выполнен в соответствии с новой технологией изготовления корпусов. Не забыт и рынок портативных компьютеров, в связи с чем процессором поддерживаются несколько режимов энергосбережения.

Процессор Pentium III. Традиционно он поддерживает все достижения своих предшественников, главное (и, возможно, единственное?!) его достоинство - наличие новых 70 команд, Эти команды дополняют группу MMX-команд, но для чисел с плавающей точкой. Для поддержки этих команд в архитектуру процессора был включен специальный блок.

В 1945 г. Американский ученый Джон фон Нейман сформулировал основы организации и функционирования современных компьютеров на основе принципа программного управления работой компьютера, в соответствии с которым программа и данные хранились в оперативной памяти компьютера.

В 1946 г. В США была разработана первая электронная цифровая ЭВМ "Эниак". Машина выполняла за одну секунду только 300 умножений и 5000 сложений.

В 1948 г. в американской фирме Bell Laboratories физики У. Шокли, У. Браттейн и Дж. Бардин создали транзистор, за что они были удостоены Нобелевской премии. Транзисторы оказали революционное влияние на развитие средств вычислительной техники, заменив электронные лампы и открыв путь к созданию микросхем.

В 1951 г. в СССР под руководством С.А. Лебедева была разработана первая в континентальной Европе ЭВМ, названная «МЭСМ» (Малая Электронная Счетная Машина). СССР вошел в лидирующие страны в области проектирования и разработки средств вычислительной техники, что позволило развивать такие важные области как ядерная энергетика и космос.

В 1952 г. в нашей стране был разработан компьютер БЭСМ-1 (Большая Электронная Счетная Машина), который являлся самым быстродействующим компьютером Европе и одним из лучших в мире.

В 1964 г. американская фирма IBM разработала новое семейство ЭВМ третьего поколения с использованием микросхем - IBM/360.

В 1967 г. В СССР была создана ЭВМ БЭСМ-6 с производительностью 1 млн.операций/сек. Это был один из самых быстродействующих компьютеров в мире в то время, за которым последовала разработка компьютера нового типа «Эльбрус»- ЭВМ производительностью 10 млн. операций/с.

В 1979 г. Американская фирма Intel разработала микропроцессор Intel 8088, который фирма IBM стала использовать для разработки и производства персональных компьютеров. В 1981 г. фирма IBM выпустила первый персональный компьютер IBM PC на базе данного микропроцессора.

В 1982 г. и последующие годы фирма Intel выпустила микропроцессоры Intel286 и Intel386, а затем и микропроцессор Intel 486, который

стал первым микропроцессором со встроенным математическим сопроцессором. Данный сопроцессор значительно повысил скорость обработку данных, он выполнял тригонометрические, экспоненциальные и другие математические функции вместо центрального процессора.

В 1993 г. Фирма Intel выпустила первый микропроцессор семейства Pentium, который позволил обрабатывать компьютерам атрибуты "реального мира" : аудио, видио информацию, фотоизображения и т.п. И в течении последующих лет и до настоящего времени данное семейство является основой для разработки последующих компьютеров.

Остановимся кратко на рассмотрении классификации компьютеров по поколениям, которая достаточно часто встречается в литературе.

К первому поколению обычно относят машины, созданные в 50-х годах, в них использовались электронные лампы. Опыт использования компьютеров первого поколения показал, что необходимо разрабатывать средства автоматизации программирования, создавать программные системы, упрощающие работу на компьютерах, повышать эффективность использования компьютерной техники. Все это потребовало существенных изменений структуры компьютеров.

Второе поколение ЭВМ - это машины, которые разрабатывались в 1955-65 годах. Для них характерным явилось использование транзисторов, оперативная память использовала магнитные элементы. Начали использоваться для программирования языки высокого уровня. Специальные программы, называемые трансляторами выполняют перевод программы с языка высокого уровня на машинный язык компьютера. Появляются мониторные системы, которые управляют процессом трансляции и выполнения программ. Мониторные системы явились основой для создания современных операционных систем. Некоторые компьютеры второго поколения использовали уже операционные системы с ограниченными возможностями.

Компьютеры третьего поколения появились в мировой практике в начале 60-x годов. Компьютеры третьего поколения уже представляли собой семейство ЭВМ с единой архитектурой, они имели программную совместимость. ЭВМ данного поколения имели эффективные операционные системы, они поддерживали мультипрограммный режим, позволяющий одновременно выполнять несколько программ. Примерами ЭВМ этого поколения являются IBM/360, IBM/370, а также разработанные в СССР ЕСЭВМ, СМЭВМ и многие другие. Быстродействие ЭВМ в рамках одного семейства значительно отличается.

Компьютеры четвёртого поколения - это ЭВМ, разработанные в конце 70-х годов. В принципиальном отношении эти компьютеры отличаются от машин третьего поколения использованием современных языков высокого уровня, упрощенным процессом разработки программного обеспечения. В данных компьютерах получило широкое использование микросхем, емкость оперативной памяти возросла до десятков мегабайт. ЭВМ четвертого поколения являлись многопроцессорными и многомашинными комплексами, использующие общую оперативную память, а также общий пул периферийных устройств. Данные ЭВМ поддерживали режим телекоммуникационной обработки информации, объединялись в компьютерные сети, использовали систем управления базами данных и другие инновации того времени.

В разработках ЭВМ последующих поколений широко используются большие и сверхбольшие интегральные схемы, получили распространение оптоэлектронные принципы. Компьютеры обеспечивают ввод информации с рукописного или печатного текста, аудио ввод, идентифицировать пользователя по голосу, выполнять перевод, происходит переход к обработке знаний и т.д.

По условиям эксплуатации компьютеры подразделяются на два основных типа:

· офисные (универсальные);

· промышленные (специализированные).

Офисные компьютеры используются для работы в нормальных условиях эксплуатации.

Промышленные компьютеры должны удовлетворять специальным требованиям эксплуатации, класс решаемых задач являются проблемно- ориентированными или специализированным.

2.2. Принципы построения персонального компьютера

Персональные компьютеры получили бурное развитие, начиная с 1980 годов. Любой компьютер представляет собой совокупность аппаратного и программного обеспечения. К аппаратному обеспечению компьютеров относятся устройства и схемы, образующие аппаратную конфигурацию, необходимую для выполнения задач, их можно собирать из готовых узлов и блоков, наращивать, они имеют открытую архитектуру. Многочисленные интерфейсы в архитектуре любой вычислительной системы, можно условно разделить на две большие группы: последовательные и параллельные. Через последовательный интерфейс данные передаются последовательно, бит за битом, а через параллельный - одновременно группами битов. Количество битов, участвующих в одной передаче, определяется разрядностью интерфейса, например, восьмиразрядные параллельные интерфейсы передают один байт (8 бит) за один такт. Параллельные интерфейсы обычно имеют более сложную организацию по сравнению с последовательными, но обеспечивают принципиально более высокую скорость передачи информации. Производительность параллельных интерфейсов измеряют байтами в секунду (байт/с; Кбайт/с; Мбайт/с).

Программы - это упорядоченные последовательности команд, обеспечивающие управление аппаратными средствами компьютера. Даже если, на первый взгляд, программа не взаимодействует с оборудованием, не требует ввода или вывода данных в периферийные устройства, все равно ее работа основана на управлении аппаратными устройствами компьютера на основе принципа программного управления.

Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в непрерывном взаимодействии. Несмотря на то, что мы рассматриваем эти две категории отдельно, нельзя забывать, что между ними существует диалектическая связь, и раздельное их рассмотрение является, по меньшей мере, условным.

В основе структурной организации современных персональных компьютеров используется магистрально-модульный принцип, в соответствии с которым все модули компьютера объединяются в единую систему хранения, обработки и передачи информации (рис.2.1). Данный принцип позволяет пользователю определять необходимую конфигурацию компьютера, осуществлять при необходимости модернизацию (апгрейд) компьютера. Магистраль состоит из трех многоразрядных шин: шина данных, шина адреса и шина управления.

Шина данных . Данная шина используется для передачи данных между процессором и устройствами ПК, а также передаются команды в регистр команд процессора из оперативной памяти. Разрядность шины данных современных ПК составляет 64 бита.

Шина адреса . По шине адреса процессор передает адрес из процессора в адресуемый модуль памяти или периферийное устройство. Разрядность шины адреса определяет адресное пространство памяти, адресуемое процессором

Количество ячеек памяти, адресуемых при прямой адресации можно оценить по формуле: N = 2 R , где R - разрядность шины адреса.

Шина управления. По шине управления передаются сигналы управления, определяющие выполняемую операцию в адресуемом устройстве. Например, при чтении данных из памяти формируется сигнал чтения, а при записи – сигнал записи.

Рис.2.1. Структура персонального компьютера

2.3. Базовая конфигурация ПК

Персональный компьютер является универсальной системой обработки и хранения информации, конфигурацию которого можно гибко изменять в соответствии с классом решаемых задач. Такие компьютеры называют компьютерами с открытой архитектурой. В базовую конфигурацию ПК входят следующие модули:

· системный блок;

· монитор;

· клавиатура;

На рис.2.2 показаны основные модули базовой конфигурации и основные устройства системного блока.

2.3.1 Системный блок

Системный блок представляет собой основу компьютера, внутри которого установлены основные устройства. Устройства, подключаемые к системному блоку, называют внешними или периферийными, предназначенными для ввода, вывода и долговременного хранения информации.

Рис.2.2. Состав ПК и устройств системного блока

Основными устройствами системного блока (рис. 2.2) являются следующие:

· системная (материнская) плата-2;

· центральное процессорное устройство - 3;

· оперативная память - 4;

· платы расширений – 5;

· блок питания – 6;

· привод оптических дисков – 7;

· накопители на жестких дисках – 8;

2.3.2. Системная плата

Системная плата (systemboad), материнская плата(motherboard) или главная плата (mainboard) - это различные названия печатной платы с набором микросхем, на которой осуществляется монтаж большинства компонентов персонального компьютера посредством печатных проводников и различных разъёмов (слотов). На материнской плате также располагаются слоты для центрального процессорного устройства, графической и звуковой плат, жёстких дисков, оперативной памяти и других дополнительных компонент.

Материнская плата представляет собой многослойную печатную плату из диэлектрика, на которой электропроводящие проводники выполнены из фольги.

Также на плате находятся слоты и порты шин, например PCI Express (PCI-E), PCI, AGP(Accelerated Graphics Port), USB, контроллеров дисков SATA и IDE/ATA. Слотами называют разъемы для подключения внутренних плат, отдельные слоты предназначены для плат оперативной памяти. Разъемы крепления внешних компонентов называют портами, сейчас многие устройства подключаются через USB-порт. Пример системной платы приведен на рис 2.3.

Рис. 2.3. Системная плата

На системной плате размещаются следующие компоненты:

· процессор – основная микросхема, выполняющая обработку данных

· шины интерфейсы – системная магистраль, включающая шину данных, адреса и управляющих сигналов, по которым происходит передача данных и команд;

· оперативная память представляет набор микросхем, она используется оперативного хранения данных во время работы компьютера;

· постоянное запоминающее устройство – микросхема, предназначенная для долговременного хранения данных, в том числе и после выключения компьютера, в которой хранится BIOS;

· комплект чипсет – набор микросхем, который определяет характеристики материнской платы;

· набор разъемов (слотов) и портов - используется для подключения дополнительных внешних и внутренних устройств.

От производительности перечисленных компонентов в значительной степени зависит производительность компьютера и поэтому выбор системной платы является очень важной задачей при конфигурировании ПК.

Чипсет (Chip Set) . Это набор микросхем материнской платы, состоящий из двух основных микросхем:

· «Северный мост» (Northbridge) - обеспечивает взаимодействие ЦПУ с памятью и видеоадаптером. В новых чипсетах используется интегрированная видеокарта.

· «Южный мост» (Southbridge) - обеспечивает взаимодействие между ЦПУ и жестким диском, слотами PCI-Е, USB и другими.

Южный мост реализует взаимодействия на материнской плате между чипсетом материнской платы и её компонентами. Южный мост обычно не подключён напрямую к процессору в отличие от северного моста.

На системных платах для установки процессоров используется специальный разъем-сокет, который может быть квадратной формы с многочисленными отверстиями под выводы микросхемы. Однако можно встретить не только квадратный сокет, а и длинный разъем – слот.

Системная шина. Это компьютерная шина, которая передает данные, команды, управляющие сигналы и питание между компонентами компьютера. Каждая шина имеет свой набор соединителей (коннекторов) для физического подключения устройств, карт и кабелей. Современные компьютерные шины используют как параллельные, так и последовательные соединения.

Шины подразделяются на внутренние (local bus) и внешние (external bus). Первые используются для подключения внутренних устройств, таких как видеоадаптеры и звуковые платы, а вторые предназначаются для подключения внешних устройств, например, сканеров. IDE является внешней шиной по своему предназначению, но почти всегда используется внутри компьютера.

В последнее время используются такие шины как HyperTransport и Infiniband. Infiniband - это высокоскоростная коммутируемая последовательная шина, применяющаяся как для внутрисистемных, так и для межсистемных соединений. Данные шины позволяют обеспечивать как большие скорости, необходимые для памяти, видеокарт и межпроцессорного взаимодействия, так и небольшие скорости для работы с медленными устройствами, например, приводами дисков.

На производительность компьютера оказывают влияние следующие основные факторы:

· частота процессора - это частота, на которой работает центральный процессор, определяется исходя из частоты шины FSB (Front Side Bus - переводится как «системная шина») и коэффициента умножения. Большинство современных процессоров имеют заблокированный коэффициент умножения, так что единственным способом разгона процессора является изменение частоты FSB;

· память - до определённого момента в развитии компьютеров частота работы памяти совпадала с частотой FSB, на современных персональных компьютерах частоты FSB и шины памяти могут различаться.

· периферийные шины - в старых компьютерах частоты шин ISA, PCI, AGP задавались в соотношении с FSB, на новых компьютерах частоты для каждой шины задаются независимо.

Характеристики системной платы . Системная плата имеет следующие основные характеристики:

· форм - фактор платы - определяет форму, размер, расположение компонентов на плате и тип корпуса компьютера, в который можно ее поместить. Например, корпус типа ATX предоставляет дополнительные возможности: программное включение/выключение компьютера, более надежный разъем питания, лучшая вентиляция корпуса.

· количество и тип разъемов для плат расширения, для подключения которых (видеокарт, звуковых карт, внутренних модемов и др.) необходимо иметь на плате достаточное количество разъемов расширения соответствующего типа.

· набор микросхем - это одна или несколько микросхем, таймеры, системы управления, специально разработанные для "обвязки" процессора.

· наличие интегрированных возможностей - на некоторых материнских платах интегрируют дополнительные возможности, которые могут находится на платах расширения. При такой интеграции повышается надежность системы (меньшее количество контактов), плата стоит дешевле, но модернизировать такую плату дороже.

2.3.3. Центральное процессорное устройство

Центральное процессорное устройство (ЦПУ) является основной микросхемой компьютера, в которой выполняется обработка данных. Современные процессорные микросхемы помимо центрального процессора содержат также математический процессор, называемый сопроцессором. Начиная с процессора Intel486, сопроцессор, выполняющий операции с плавающей запятой, был интегрирован в процессорный чип и назван FPU (Floating Point Unit). Основными операциями, выполняемыми сопроцессором, являются: арифметические, сравнение, деление по модулю, квадратный корень, тригонометрические, загрузка констант, логарифмические и некоторые другие специальные операции.

В состав центрального процессора входят арифметико-логическое устройство для выполнения арифметических и логических операций, регистры процессора, образующие сверхоперативную память процессора для временного хранения данных. Кроме того, процессор содержит регистр команд, в котором хранится выполняемая команда, и программный счетчик для адресации команд программы, хранящейся в оперативной памяти компьютера. В процессорную микросхему также включают кэш-память, например двух уровней L1 и L2.

Команды также как и данные представлены в виде последовательности байтов и хранятся в оперативной памяти. Множество команд процессора образует систему команд процессора. Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют совместимые системы команд. Процессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд и являются несовместимыми.

Выполнение команд в процессоре сводится к следующим основным этапам:

· процессор выдает из программного счетчика адрес памяти для выборки команды из оперативной памяти;

· память, получив адрес и сигнал чтения, передает в регистр команд процессора код команды по шине данных;

· процессор расшифровывает полученную команду, выполняет ее, формирует адрес следующей команды и переходит к первому этапу.

Данный цикл выполняется периодически и называется циклом выборки и выполнения команд. Данную последовательность команд называют программой, разработанной в соответствии с алгоритмом решаемой задачи. Линейный порядок выборки команд из памяти может нарушаться при появлении команд условного перехода для выполнения разветвлений или организации программных циклов.

Характеристики процессоров. Основными характеристиками процессоров являются:

· Разрядность процессора - определяет количество бит данных, которое он может загрузить и обработать одновременно (параллельно). Современные процессоры, разрабатываемые фирмами Intel и AMD, являются 64-разрядными.

· Тактовая частота . В основе работы процессора положен тактовый принцип, в соответствии с которым для выполнения каждой команды требуется определенное количество тактов. В компьютере частоту тактовых импульсов, поступающих в процессор, задает генератор тактовых импульсов Чем выше частота тактовых импульсов, тем выше производительность компьютера. Современные процессоры могут работать на тактовых частотах примерно 4 ГГц.

· Кэш-память . Обмен данными внутри процессора происходит значительно быстрее, чем с оперативной памятью.

· Для уменьшения обращений оперативную память в процессор имеется буферная область памяти, называемая кэш-памятью. Процессор вначале выполняет обращение за данными в кэш-память и при их отсутствии происходит запрос в оперативную память. Получая данные из оперативной памяти, процессор загружает их и в кэш.

· Кэш-память может иметь несколько уровней. Кэш-память первого и второго уровней (L1,L2) размещается в том же кристалле, что и сам процессор и имеет объем от десятков Кбайт до нескольких мегабайт. Кэш-память третьего уровня реализуют на быстродействующих микросхемах памяти типа SRAM (статическая память с произвольным доступом) и размещают на материнской плате вблизи процессора. Емкость данной памяти составляет десятки Мбайт, работает она на частоте материнской платы.

· Напряжение питания процессора по мере развития микропроцессорной техники постепенно понижается. В настоящее время ядро процессора питается напряжением 2,2 В и 1,8 В. Такое напряжение позволяет уменьшить потребляемую мощность блока питания и является важной тенденцией в развитии микроэлектронных технологий. Кроме того, уменьшается и тепловыделение в процессоре, что позволяет увеличить его производительность и является одним из важных факторов надежной работы компьютера в целом.

· Компьютерный блок питания . Предназначен для питания узлов компьютера и обеспечивает для платформы ПК выходные напряжения +5В, +12В, −12В, +3,3В, −5В.

Мультиядерные процессоры. Эра одноядерных процессоров фирмы Intel завершается, на замену их приходят более современные процессоры с мультипроцессорной архитектурой, содержащие 2,4, 6 и более процессоров, часто называемых «ядрами». К росту быстродействия процессоров привыкли уже все пользователи, частоты достигли нескольких гигагерц и остро встала задача охлаждения кристаллов с возможным переходом на жидкостное охлаждение. Большой интерес вызывают разработки, основанные на новой архитектуре следующего поколения от основных разработчиков процессорных кристаллов фирм Intel и AMD. Рассмотрим кратко некоторые разработки многоядерных процессоров фирмы Intel.

Процессоры Core 2 Duo используют микро - архитектуру Core. На этот раз фирме Intel удалось выиграть гонку производительности и, что важнее, процессоры Core 2 Duo обеспечивают не только высокую скорость, но и отличаются прекрасным соотношением производительности на ватт потребляемой мощности. Все процессоры архитектуры Core 2 Duo работают с тактовой частотой системной шины FSB (Front Side Bus,) 266 МГц, в то время как большинство моделей Pentium 4 используют 200-МГц шину. Поскольку за такт передаётся учетверённое количество информации (QDR), то получается эквивалентная частота FSB 1066 МГц с пропускной способностью 8,5 Гбайт/с. За исключением процессоров начального уровня, все модели оснащены 4 Мбайт кэша L2, который используют оба процессорных ядра. Все процессоры поддерживают 64-битные расширения Intel (EM64T), мультимедийные и инструкции, технологию виртуализации. Кроме этих функций, все модели поддерживают последние технологии управления энергопотреблением. Основные характеристики некоторых двухъядерных процессоров Pentium D приведены в таблице:

В 2006 году корпорация Intel начала переход на четырехъядерные процессоры, которые обеспечивают новые возможности для реализации научных исследований, ведения бизнеса и развлечений. Основные характеристики четырехъядерных процессоров Intel Xeon приведены в таблице:

Фирма Intel выпускает процессоры Dunnington, объединяющие шесть ядер в одном корпусе. Данные процессоры имеют 16 Мб кэш-памяти третьего уровня, а также 9 Мб кэш-памяти второго уровня (по 3 Мб на каждую пару ядер).

2.3.4. Шинные интерфейсы и порты системной платы

Порты компьютера. Под портами понимаются разъемы на задней стенке компьютера, предназначенные для подключения таких внешних устройств, как принтер, сканер, внешние диски, флэшки, внешние модемы, мышки и другие периферийные устройства.

ISA. Интерфейс ISA (Industry Standard Architecture) являлся долгие годы промышленным стандартом, она все еще используется в промышленных компьютерах для подключения относительно медленных периферийных устройств.

PCI. Интерфейс PCI (Peripheral Component Interconnect – стандарт подключения внешних компонентов) появился в персональных компьютерах, реализованных на основе процессоров Pentium. Данный стандарт стал поддерживать режим «plug-and-play», который обеспечивает автоматическое распознавание подключаемых устройств «на лету».

FSB . PCI в настоящее время применяется только как шина для интерфейса с периферийными устройствами, а для сопряжения процессора с оперативной памятью, используют шина, которая получила название FSB (Front Side Bus).

PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association – стандарт международной ассоциации производителей плат памяти для персональных компьютеров). Данный стандарт используется для подключения «плоских» карт памяти, в портативных персональных компьютерах, его используют при изготовлении плат ввода-вывлда информации, модемов.

PCI Express. PCI Express или PCI-E - компьютерная шина, использует программную модель шины PCI. В отличие от шины PCI, используемой для передачи данных по общей шине, PCI-E является пакетной сетью с топологией типа звезда. Устройства на шине PCI-E взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором. Шина PCI Express поддерживает горячую замену карт, управление энергопотреблением и контроль передаваемых данных.

Официально первая базовая спецификация PCI Express появилась в 2002 году и ориентирована на использование в качестве локальной шины. Так как программная модель PCI Express во многом унаследована от PCI, то существующие системы и контроллеры могут быть доработаны для использования шины PCI Express заменой только аппаратного уровня без доработки программного обеспечения. Высокая пиковая производительность шины PCI Express позволяет использовать её вместо шин AGP и PCI.

Hyper-Transport. Шина HyperTransport (HT) - это двунаправленная последовательно/параллельная компьютерная шина с высокой пропускной способностью и малыми задержками, она работает на частотах до 2,6 ГГц. HyperTransport поддерживает автоматическое определение ширины шины, от 2-х битных линий до 32-х битных линий. Полноразмерная, высокоскоростная 32-х битная шина в двунаправленном режиме способна обеспечить пропускную способность до 41600 МБ/с. Шина может быть использована как с устройствами с высокими требованиями к пропускной способности (оперативная память и ЦПУ), так и с устройствами с низкими требованиями (периферийные устройства).

USB (Universal Serial Bus) - универсальная последовательная шина, предназначенная для подключения периферийных устройств. Шина USB представляет собой последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств. Для высокоскоростных устройств лучше применять FireWire. USB - кабель представляет собой две витые пары: по одной паре происходит передача данных в каждом направлении, а другая пара используется для питания периферийного устройства (+5 В).

Первые компьютеры с портами USB (USB 1.1) появились в 1996 году, скорость обмена составляла 12Мбит/сек при длине кабеля 3-5 метров.

USB 2.0 отличается от USB 1.1 большей скоростью и небольшими изменениями в протоколе передачи данных для режима Hi-speed (до 480Мбит/сек).

USB OTG (On-The-Go) - дальнейшее развитие спецификации USB 2.0, предназначенное для лёгкого соединения периферийных USB-устройств без необходимости подключения к компьютеру. Например, цифровой фотоаппарат можно подключать к фотопринтеру напрямую, если они оба поддерживают стандарт USB OTG. Этот стандарт возник из-за возросшей в последнее время необходимости надёжного соединения различных USB-устройств без использования компьютера.

USB 3.0. Находится на этапе разработки и будет передавать сигналы посредством оптоволоконного кабеля. USB 3.0 будет совместима с USB 2.0 и USB 1.1, теоретическая пропускная способность 4,8 Гбит/с.

USB wireless . Эта технология стала доступной в 2005 году и позволяет организовать беспроводную связь с высокой скоростью передачи информации (до 480 Мбит/с на расстоянии 3 метра и до 110 Мбит/с на расстоянии 10 метров).

Wi-Fi . В последние годы широкую популярность приобрелибеспроводные технологии Wi-Fi (Wireless Fidelity – беспроводная достоверность). Это семейство технологий беспроводной передачи данных, максимальная производительность канала более 50 Мбод, а радиус действия около 100 метров, что достаточно для создания беспроводных локальных сетей. Точки доступа Wi-Fi создают в общественных местах: гостиницы, кафе, вокзалы и др. Находясь в зоне действия Wi-Fi , в Интернет можно выйти с помощью ноутбука или ПКП. Мобильные устройства (КПК, ноутбуки), оснащённые клиентскими Wi-Fi приёмо-передающими устройствами, могут подключаться к локальной сети и получать доступ в Интернет.

Wi-Max . Это еще одна интенсивно развивающаяся беспроводная технология, но в России она еще практически не распространена. Производительность канала – около 75Мбод, а дальность действия измеряется уже десятками километров. Это хорошая альтернатива выделенной линии для Интернета.

GPRS (General Packet Radio Service) – это cтандарт для передачи данных всотовыхсетях. Соединение с помощью мобильного телефона может принципиально заменить обычную телефонную линию. Но обычный голосовой модем сотового телефона обеспечивает скорость передачи данных со скоростью 9.6 Кбод, что недостаточно для работы в Интернете. Поэтому для мобильной связи была создана специальная технология пакетной передачи данных GPRS, позволяющая вести обмен со скоростью около 200Кбод. Эта величина пока теоретическая, на практике большинство операторов мобильной связи обеспечивает канал со скоростью 56Кбод.

Технология BlueTooth («блютуз»). Буквально переводится как «синий зуб» и это название исторически связано с датским королем 10 века Гаральдом «Синие зубы», который собирал скандинавские земли, а данная технология как раз и предназначена для объединения мобильной электроники. Данная технология считается пригодной для беспроводной передачи данных для мобильных устройств различного назначения: мобильные телефоны, портативные компьютеры, принтеры, цифровые фотоаппараты и т.п. Необходимость в низком энергопотреблении обусловила и небольшую дальность действия – до сотни метров. Разрабатывается вариант, способный передавать данные на инфракрасные порты на расстояние до 30-40 километров. По умолчанию устройства с данной технологией соединяются друг с другом автоматически, как только они оказываются в зоне обнаружения.

IEEE 1394 (FireWire) –высокоскоростная последовательная шина, используемая для передачи данных между персональным компьютером и различными периферийными устройствами: принтерами, сканерами, жёсткими дисками, цифровыми видеокамерами. Она позволяет подключать внешние устройства и конкурирует с USB.

2.3.5. Базовая система ввода-вывода

BIOS (basic input/output system) – представляет встроенный в компьютер набор базовых программ для загрузки операционной системы, проверки устройств компьютера во время запуска, а также для поддержки обмена данными между устройствами. Eсли при загрузке возникают отказы оборудования, то на экран выдается сообщение об ошибке.

Программы базовой системы ввода-вывода, как правило, остаются недоступными для пользователей. В настоящее время материнские платы включают Flash - BIOS и программа может быть перезагружена в микросхеме.

После выполнения диагностики компьютера BIOS выводит на монитор основные параметры аппаратных средств и после этого загружается операционная система. Пользователь может предварительно нажать Del и вызвать BIOS - Setup, которая позволяет изменить различные установки в CMOS RAM.

2.3.6. Энергонезависимая память

Системная плата содержит микросхему «энергонезависимой памяти», изготовления по технологии CMOS. В отличие от оперативной памяти содержимое CMOS не стирается после выключения компьютера. В нее можно записывать данные, а также их модифицировать согласно устройствам, входящим в состав компьютера. Данная схема использует для питания автономный аккумулятор, который находится на системной плате. CMOS хранит информацию о дисках, процессоре и других устройствах системной платы.

2.4. Система памяти компьютера

Система памяти компьютера используется для хранения информации в персональных компьютерах и включает следующие устройства:

· регистры ЦПУ, представляющие самую быстродействующую память ограниченного объема (8-16 регистров) и называемую сверхоперативной памятью компьютера;

· кэш-память;

· модули оперативной памяти;

· накопители на жестких магнитных дисках;

· оптические диски (CD и DVD диски);

· внешняя память (внешние диски, флэш-память).

Ниже будут более подробно рассмотрены вопросы организации, функционирования и основные характеристики устройств памяти.

2.4.1. Кэш-память

Кэш- память (cache - дословно «заначка») - память компьютера с быстрым доступом, в которой дублируется и хранится часть данных памяти с более медленным доступом, которой является оперативная память. Кэш-память позволяет обращаться к часто требуемым данным быстрее, чем это происходит при использовании только оперативной памяти. Процесс организации доступа посредством кэш-памяти называется кэшированием.

Кэш-память в персональных компьютерах обычно разделяется на несколько уровней: L1, L2, L3, причем память младшего уровня всегда меньше по размеру и имеет более высокую скорость доступа. Самой быстрой памятью является кэш-память первого уровня (L1-cache) и она размещается на одном с ним кристалле. Память уровня L1 работает на частоте процессора и объём этой памяти обычно небольшой - примерно 128 Кб. L2 - кэш второго уровня, которая обычно расположена также на кристалле или рядом с ЦПУ, объём L2 доходит до 4 Мб. Кэш-память третьего уровня наименее быстродействующая и обычно расположена вне ЦПУ, она может иметь значительную емкость и работать быстрее оперативной памяти.

2.4.2. Оперативная память

Оперативная память предназначена для временного хранения данных и команд, при отключении питания компьютера вся информация из памяти стирается. Поэтому при работе с документами нужно периодически сохранять данные на диск, так как при случайной перезагрузке, зависании системы или скачке напряжения оперативная память очистится и все данные будут потеряны. Из оперативной памяти команды и данные передаются в процессор напрямую или через кэш-память. В компьютерах оперативная память является динамической памятью с произвольным доступом (dynamic random access memory - DRAM).

Понятие «динамической» памяти DRAM относится ко всем типам оперативной памяти, начиная с самой старой асинхронной динамической памяти и заканчивая современными модулями памяти DDR2, DDR3. Этот термин вводится в противоположность понятию «статической» памяти (SRAM) и означает, что содержимое каждой ячейки памяти периодически необходимо обновлять ввиду особенности ее конструкции, продиктованной экономическими соображениями. В то же время, статическая память, характеризующаяся более сложной и дорогой конструкцией ячейки и применяемая в качестве кэш-памяти в процессорах, свободна от циклов регенерации, так как в ее основе лежит не емкость (динамический элемент), а триггер (статический элемент).Оперативная память является памятью с произвольным доступом RAM (Random Access Memory), это означает, что при обращении к данным порядок их расположения в памяти может быть произвольным. Оперативная память состоит из ячеек определенной разрядности.

Под емкостью или объемом модуля памяти понимают максимальный объем информации, которую данный модуль может хранить. Емкость памяти обычно измеряется в байтах, а учитывая емкость современных модулей памяти - в Мегабайтах или Гигабайтах, (например 512 Мб, 1Гб). Наиболее приоритетным направлением развития технологии оперативной памяти в настоящее время является DDR SDRAM (Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory - удвоенная скорость передачи данных синхронной памяти с произвольным доступом). Данная память обеспечивает:

· дальнейшее увеличение ее пропускной способности и снижение задержек;

· уменьшение энергопотребления;

· увеличение емкости отдельных микросхем и модулей памяти в целом.

Реализация данного направления является очень важной, так как происходит постоянное развитие технологии изготовления модулей памяти.

2.4.3. Накопители на жестких магнитных дисках

Накопители на жестких магнитных дисках (HDD - Hard Disk Driver) являются энергонезависимыми, перезаписываемыми запоминающими устройствами для долговременного хранения больших объемов информации. В жестких дисках информация хранится на вращающейся металлической или стеклянной пластине, покрытой магнитным материалом. В первых накопителях на жестких магнитных дисках (НЖМД) использовалась одна пластина, а современные диски имеют несколько пластин, размещенных на одной оси или шпинделе.

Информация записывается на обеих сторонах диска. Когда диск вращается, магнитная головка считывает или записывает двоичные данные на магнитный носитель. Магнитные головки записи - чтения информации в рабочем режиме не касаются поверхности пластин, и расстояние между ними не более нескольких нанометров, что обеспечивает долгий срок службы устройства. Накопитель на жёстком магнитном диске состоит из следующих основных узлов: корпуса из прочного сплава, жестких магнитных дисков (пластин) с магнитным покрытием, магнитных головок, электропривода шпинделя и контроллера, управляющего работой жесткого диска и представляющего собой микросхему. Контроллер диска определяет используемый метод записи данных на диске. Жесткий диск устанавливается в специальные монтажные отсеки внутри системного блока и подключается к материнской плате плоским контактным кабелем. На рис 2.4 представлен накопитель на жестких дисках.

Данные на магнитных дисках хранятся на концентрических круговых участках, называемых дорожками (tracks), которых на жестком диске размером 3,5 дюйма может быть более тысячи. Дорожки представляют собой скорее логическую, чем физическую структуру и наносятся при низкоуровневом форматировании жесткого диска. Нумерация дорожек начинается с 0, которая является ближайшей к внешнему краю диска. Дорожка с самым высоким номером находится ближе всех к шпинделю. На рис.2.5 показаны нулевая дорожка, дорожка в середине жесткого диска (N) и дорожка номер 1023.

Головки чтения-записи представляют собой миниатюрные преобразователи, которые позиционируются над дорожкой диска с помощью шагового двигателя. На каждую сторону пластины диска имеется по одной головке. Как правило, все головки закреплены на едином механизме перемещения головок, и все они перемещаются синхронно. Все головки всегда располагаются над одной и той же логической дорожкой на каждой стороне каждой пластины. Головки перемещаются над поверхностью диска небольшими приращениями, которые называются шагами (steps), каждый шаг соответствует одной дорожке.

Рис. 2.4. Накопитель на жестких магнитных дисках

Рис. 2.5. Расположение дорожек на диске

Некоторые диски имеют по одной головке на каждую дорожку и, следовательно, контроллеры не тратят время на перемещение головок к нужной дорожке для считывания информации. Эти диски существенно дороже и, как правило, устанавливаются только на суперкомпьютерах.

В настоящее время разработаны твердые диски, не имеющие ни пластин, ни головок, вместо которых используется энергонезависимая память (NVRAM). Микрокод контроллера организует память, имитируя логические цилиндры, головки, дорожки и секторы, обеспечивая интерфейс с операционной сис­темой. Время доступа к таким дискам измеряется наносекундами (для сравнения - при использовании традиционных технологий оно измеряется в миллисекундах).

Секторы и кластеры. Каждая дорожка разбивается на фрагменты, называемые секторами (sectors), причем все дорожки на диске имеют одинаковое количество секторов. Сектор представляет собой минимальную физическую единицу хранения информации на диске. Размер сектора почти всегда равен 512 байт. Каждая дорожка имеет одно и то же количество секторов, поэтому на дорожках, расположенных ближе к центру диска, секторы упакованы гораздо плотнее.

Дляподготовки диска к работе необходимо на нем создать разделы и логические диски, а также выполнить форматирование диска, то есть разметить его. При этом уничтожается вся информация на жёстком диске. Под разделом диска понимается часть физического диска, которая ведет себя как отдельное устройство и для хранения данных на созданном разделе необходимо сначала отформатировать его и присвоить имя диску. Диск можно разбить на несколько разделов, например на основной и дополнительные, а в разделах можно создать, в свою очередь, логические диски, каждый из которых будет иметь собственное имя. Логические диски похожи на основные разделы за тем исключением, что на одном диске может быть не более четырех основных разделов, в то время как число логических дисков не ограничено, их можно форматировать и присваивать имена.

Разбиение диска на дорожки и сектора выполняется производителем диска. Сектор емкостью 512 байт представляет минимальный физический объем диска. При логическом разбиении диска на нем создаются более крупные фрагменты, состоящие от одного до нескольких секторов и называемые кластерами. Количество секторов в кластере зависит от используемой файловой системы и емкости диска. Ниже приведена таблица размеров кластеров для файловой системы NTFS (файловые системы обсуждаются в главе 3). В этой системе обычно форматируют жесткий диск при установке операционной системы, например при установке операционной системы Windows.

Основными характеристиками НЖМД являются следующие:

· интерфейс - существует огромное количество разных моделей жестких дисков многих фирм, для обеспечения совместимости дисков разработаны стандарты на их интерфейсы, определяющие номенклатуру соединительных проводников, их размещение в переходных разъемах, электрические параметры сигналов и т.п. Распространенными являются интерфейсы IDE (Integrated Drive Electronics) или ATA (Advanced Technology Attachment), Serial ATA, SCSI (Small Computer System Interface), EIDE (Enhanced IDE). Характеристики интерфейсов, с помощью которых винчестеры связаны с материнской платой, в значительной степени определяют производительность современных жестких дисков;

· емкость диска – максимальное количество данных, хранимых накопителем, емкость современных дисков достигает до 1000 Гб (1Тбайт). Обычно оптимальный объём определяется минимальной стоимостью одного гигабайта данных. Для её определения необходимо ёмкость HDD разделить на цену. На рис. 2.6. представлена зависимость стоимости хранения одного гигабайта для наиболее распространенных НЖМД до 500 Гбайт;

Рис. 2.6. Стоимость хранения гигабайта информации на диске

За основу бралась стоимость моделей с SATA-интерфейсом и буфером от 8 Мбайт. Цены на НЖМД от разных производителей суммировались, определялось среднее значение, которое и делилось на ёмкость диска. Наиболее выгодным по стоимости за один гигабайт оказались модели ёмкостью 250 Гбайт. С небольшим отрывом за ними следуют НЖМД ёмкостью 200 Гбайт и 300 Гбайт, именно на них и следует обратить внимание пользователям;

· физический размер (форм-фактор) - большинство современных накопителей персональных компьютеров и серверов имеют размер 3,5, или 2,5 дюйма, применяются в основном в ноутбуках. Другими популярными форматами являются диски 1,8 дюйма, 1,3 дюйма и 0,85 дюйма;

· время произвольного доступа (random access time) – среднее время доступа составляет от 3 до 15 мс, как правило, минимальным временем обладают серверные диски;

· скорость вращения шпинделя (spindle speed) – диски имеют различные стандартные скорости вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 7200 и 10 000 (ПК), 10 000 и 15 000 об./мин. (серверы и высокопроизводительные рабочие станции);

· потребляемая энергия - важный показатель для мобильных устройств;

· уровень шума - определяется шумом, порождаемым работой механических частей накопителя. Данный параметр определяется в децибелах. Бесшумными накопителями являются накопители с уровнем шума менее 25 дБ;

· скорость передачи данных (Transfer Rate) – средняя скорость лежит в диапазоне (45-500) Мбайт/с.

2.4.4. Накопители на оптических дисках

Под оптическими дисками понимают носители информации, выполненные в виде дисков, запись на которые выполняется с помощью оптического излучения. Диск изготовлен из поликарбоната толщиной 1,2 мм, на который нанесен специальный слой, служащий для хранения информации. При чтении данных луч лазера отражается к читающей лазерной головке по разному для «0» и «1», посредством которых и передается информация. Диаметр дисков может быть 12см или 8см (210 Мбайт).

Первые компакт-диски были созданы для хранения аудио информации в 1979 году компаниями Philips и Sony, однако в настоящее время широко используются как устройства хранения данных широкого назначения. CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory) означает компакт-диск с возможностью только чтения. Для штамповки существует специальная матрица (мастер-диск) будущего диска, которая выдавливает дорожки на поверхности и после штамповки на поверхность диска наносят защитную пленку из прозрачного лака. Накопитель CD-ROM содержит:

· электродвигатель, который вращает диск;

· оптическую систему, состоящую из лазерного излучателя, оптических линз и датчиков и предназначенную для считывания информации с поверхности диска;

· микропроцессор, который руководит механикой привода, оптической системой и декодирует прочитанную информацию в двоичный код.

Компакт-диск раскручивается электродвигателем. На поверхность диска с помощью привода оптической системы фокусируется луч из лазерного излучателя. Луч отражается от поверхности диска и сквозь призму подается на датчик. Световой поток превращается в электрический сигнал, который поступает в микропроцессор, где он анализируется и превращается в двоичный код.

DVD – диски. Официально DVD диск был объявлен в 1995 году и вначале под данной аббревиатурой понимался Digital Video Disk (цифровой видео диск), а затем данное сокращение стало соответствовать названию Digital Versatile Disk (Versatile – универсальный). DVD имеет более высокую плотность записи за счет использования лазера с меньшей длинной волны. Кроме того, DVD могут быть двухслойными, это позволяет записывать данные на одной стороне диска в два слоя. Данные могут записываться также на две стороны диска, что обеспечивает удвоение ёмкости.

HD DVD (High Definition DVD) - это DVD высокой чёткости, использующие такие же диски стандартного размера (12см) и синий лазер с длиной волны 405 нанометров. Однослойный HD DVD имеет ёмкость 15 GB, двухслойный - 30 GB. Фирма Toshiba также анонсировала трёхслойный диск, который будет хранить 45 GB данных. Это меньше, чем ёмкость основного конкурента Blu-ray, который поддерживает 25 GB на один слой и 100 GB на четыре слоя. Оба формата совместимы с DVD и используют одни и те же методики сжатия видео.

BD DVD (Blu-Ray Disc) - это стандарт DVD дисков - Blu-Ray Disc (Голубой луч) следующего поколения. Запись и чтение данных выполняется "сине-фиолетовым" лазером длиной волны 0,4 мкм. Это обеспечивает возможность размещать на одной стороне диска 27 Гбайт, а для двухслойного диска – порядка 50 Гбайт информации. Blu-ray Disc, сокращённо BD - это следующее поколение оптических дисков с высокой плотностью.

2.5. Периферийные устройства

Периферийными или внешними устройствами называют устройства, размещенные вне системного блока и используемые для обмена информацией с компьютером. К ним относятся устройства вывода результатов (мониторы, принтеры, плоттеры и другие) и устройства ввода данных (клавиатура, сканеры и т.п.).

2.5.1. Монитор

Это стандартное устройство вывода, предназначенное для визуального отображения текстовой и графической информации. В зависимости от принципа действия, мониторы подразделяются на:

· мониторы на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ или CRT- Cathod Ray Tube);

· жидкокристаллические мониторы.

Монитор с электронно-лучевой трубкой представляет собой электронно-вакуумное устройство в виде стеклянной колбы, в горловине которой находится электронная трубка с экраном со слоем люминофора. При нагревании электронная пушка излучает поток электронов, которые с высокой скоростью двигаются к экрану. Изображение на мониторе формируется при помощи электронного луча, очень быстро проходящего последовательно по строкам слева- направо, сверху- вниз. Если бы луч проходил всю область экрана очень медленно, то мы бы увидели точку, последовательно проходящую по всей области экрана. Но, так как луч проходит весь экран с очень большой скоростью, мы видим изображение с небольшим мерцанием. Чем быстрее луч проходит по экрану, тем менее заметно мерцание картинки. Считается, что мерцание картинки будет незаметно, если луч полностью пройдет экран 75 раз за секунду (то есть с частотой 75Гц). Естественно, чем больше этот параметр, тем лучше для глаз пользователя и рекомендуемая величина - это 85Гц и выше.

При выборе монитора следует учитывать и разрешающую способность экрана (разрешение). Как правило, производитель указывает в паспорте к монитору максимальное разрешение (например макс. - 2048x1536, 60 Гц) и оптимальное (например оптим. - 1280x1024, 85 Гц).

Следующий критерий выбора - размер экрана по диагонали в дюймах. Основными стандартными размерами экрана являются 15"; 17",19"; 20"; 21", 22”,24”.

Если вы собираетесь работать только с текстовой информацией и простой графикой, вам вполне подойдет монитор 17"", 1024x768, 85Гц. Для игр следует брать монитор с наиболее большим разрешением экрана и частотой, а для профессиональной работы с видео и графикой рекомендуется монитор с диагональю экрана не менее 19"". Достоинствами мониторов на основе ЭЛТ являются:

· отличный обзор экрана под любым углом;

· достаточно точная цветопередача;

· идеально подходит для отображения видео и анимации.

К недостаткам мониторов данного типа можно отнести:

· занимают много места на рабочем столе;

· всегда присутствует электромагнитное излучение;

· мерцание вредно для глаз, чувствуется усталость после нескольких часов работы.

Монитор этого типа подойдет, если вы занимаетесь профессиональной работой с графикой и видео, в других случаях рекомендуется обратить внимание на ЖК-мониторы.

Жидкокристаллические мониторы (ЖК или LCD - Liquid Crystal Display ) – пассивные плоские мониторы, данный тип мониторов был разработан в 1963 году. Большое значение имеют чистота и тип полимера со свойствами жидких кристаллов, примененный в мониторе. В основе мониторов этого типа лежит вещество, находящееся в жидком состоянии (жидкие кристаллы), благодаря которому и формируется изображение. Экран ЖК-монитора представляет собой массив пикселей из жидких кристаллов (матрица), которые используются для отображения информации. У ЖК-мониторов нет мерцаний, дефектов сведения, помех от магнитных полей, идеальны фокусировка, геометрия изображения и фиксированное разрешение. Энергопотребление ЖК-мониторов в несколько раз меньше, чем у ЭЛТ и плазменных экранов сравнимых размеров Энергопотребление ЖК мониторов на 95% определяется мощностью ламп подсветки или светодиодной матрицы подсветки пассивного ЖК экрана. При выборе ЖК монитора следует обратить внимание на следующие основные характеристики:

· яркость - е диницей измерения яркости является «кандела» (лат. candela- свеча) на квадратный метр (кд/м 2). В некоторых документах применяется единица измерения яркости - нит, который равен 1 кд/м 2 , стандартная яркость равна 300 кд/м 2 ;

· контрастность - определяется отношением самой яркой и самой темной точки экрана. Данная величина является безразмерной и обозначается, например так: 1600:1;

· угол обзора - он бывает как горизонтальный, так и вертикальный. Горизонтальный угол обзора позволяет вам видеть изображение на мониторе (если вам позволит угол самого обзора), если вы сидите не напротив монитора, а чуть сбоку (справа или слева – вот самые крайние боковые точки и формирует данный угол – стандартный горизонтальный угол равен 160 градусам). Вертикальный угол обзора – это угол между верхней точкой перед монитором и нижней (стандартный угол составляет 60 градусов, но чем больше, тем лучше). В отличие от ЭЛТ-мониторов, в которых картинка видима под любым углом обзора, кристаллическое содержание не позволяет ЖК-мониторам похвастать этим. Наибольший угол обзора для ЖК на сегодняшний день составляет 178 градусов и по горизонтали и по вертикали;

· максимальное разрешение - от этого показателя зависит плотность или, так сказать, наибольшая детализация изображения. Стандартное разрешение составляет 1280:1024, но чем больше, тем качественнее изображение, например хорошее качество соответствует разрешение - 1920х1200;

· частота и время отклика - время отклика характеризует суммарное время переключения пиксела LCD-матрицы из черного в светлое состояние и обратно;

· потребление энергии - важный показатель при выборе монитора, потребление эпергии примерно от 30 Вт, а в режиме экономии монитор потребляет 1-2 Вт.

ЖК-мониторы имеют не только вышеперечисленные характеристики, некоторые модели имеют возможность поворота экрана на разные углы, как по горизонтали и вертикали, так и в других плоскостях. При выборе ЖК монитора следует попросить показать тест поверхности монитора на "битые пиксели" - точки на экране, которые при прохождении через них светового луча утратили свою способность изменять цвет. Дело в том, что наличие до 5 "битых пикселей" не является гарантийной ситуацией, а это значит, что никто такой монитор вам заменять не будет. Так же следует обратить внимание на "смазывание" текста при прокрутке станицы с текстовой информацией. Если текст при прокрутке оставляет за собой на некоторый момент "шлейф", приобретать такой монитор не стоит. Достоинствами ЖК мониторов являются:

· низкая потребляемая мощность электроэнергии;

· возможность поворота экрана;

· занимают достаточно мало места;

· достаточно безопасны для зрения;

· идеально подходят для работы с текстовой информацией и простой графикой, а так же для игр.

Рынок ЖК-мониторов движется все больше в сторону широкого формата. Выход Windows Vista еще больше подстегивает этот процесс. Интерфейс Vista «настроен» под формат экрана 16:10, соответственно, и большинство новинок будет теперь выходить с таким соотношением сторон. Параметры продолжают улучшаться: у новинок выросла контрастность до 3000:1. Любители игр, как обычно, не обделены вниманием: время отклика 5 мс уже никого не удивляет, в семействе моделей основных производителей имеются разработанные специально для «геймеров» двухмиллисекундные мониторы. Для профессиональной работы с графикой имеются мониторы, например NEC LCD2690WUXi с экраном 26 дюймов по диагонали.

2.5.2. Видеоплата

Видеоплата, известная также под названием графическая карта, видеокарта или видеоадаптер, является частью видиосистемы компьютера и выполняет преобразование изображения, хранящегося в памяти компьютера, в видеосигнал монитора. Видеокарта представляет собой плату расширения, встраиваемую в специальный разъём для видеокарт на материнской плате или бывает встроенной в материнскую плату микросхемой. Современные видеокарты имеют специализированный микропроцессор, выполняющий большую часть обработки изображений, освобождая от этих задач центральный процессор компьютера.

Стандартная видеоплата плата включает:

· графический процессор (Graphic Processor Unit) - является основой графической платы и в значительной степени определяет ее быстродействие. Поэтому используется понятие «графический ускоритель» (graphics accelerator), который обеспечивает выполнение определенных графических функций аппаратными средствами. Графический процессор выполняет обработку выводимого изображения, производит обработку команд трёхмерной графики. Графические процессоры являются достаточно сложными устройствами, соответствующими центральному процессору. Архитектура современного графического процессора обычно предполагает наличие блоков обработки 2D- и 3D-графики;

· видеопамять - выполняет роль буферной памяти, в которой хранится изображение, формируемое и обрабатываемое графическим процессором и выводимое на экран монитора. Основное назначение видеопамяти - временное хранение выводимой на экран монитора информации. Каждая картинка имеет определенный объём, который измеряется в байтах, поэтому больший объем видиопамяти обеспечивает лучшее разрешение, а также глубину цвета изображения. Часть видеопамяти, используемая для хранения выводимого изображения, называют кадровым буфером (фрейм- буфером). Например, если разрешение 1024х768 точек, то на экране будет 786 432 точек и при использовании 32-битного цвета для кодирования одной точки потребуется: (1024х768х32)/8 = 3145728 байт, то есть нужно более 3 Мбайт памяти. Таким образом, емкость буфера кадра видеопамяти в байтах можно в общем случае определить следующим образом: М=(r*c*b)/8, где:

М – емкость буфера памяти видеоплаты;

r - количество точек (пикселов) по горизонтали экрана;

с - количество точек (пикселов) по вертикали экрана;

b – количество бит для кодирования цвета;

8 – количество бит в байте.

· цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) используется для формирования изображений, формируемых специальным видеоконтроллером. Он формирует изображение в видеопамяти и вырабатывает сигналы развёртки монитора.

Основными характеристиками видеоадаптера являются следующие:

· разрядность шины данных, то есть количество бит информации, передаваемых за один такт и определяемых производительность видеоадаптера;

· производительность видеопамяти, от нее зависит, как быстро видеопроцессор будет получать данные для обработки. Большинство современных видеокарт сегодня имеют быстрые видеопроцессоры;

· емкость видеопамяти на плате;

· частота работы видеокарты, определяющая скорость обработки видеоинформации и измеряемая в мегагерцах;

· тип используемого интерфейса, в качестве которого сейчас применяется PCI Express, являющийся последовательным интерфейсом, его пропускная способность может достигать 8 Гб/с. В настоящее время имеет место практически полный отказ от шины AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт) в пользу PCI Express.

2.5.3. Звуковая карта

Звуковые карты (платы) используются для записи и воспроизведения звуковых сигналов: речи, музыки, различных звуковых эффектов. Современные звуковые платы предоставляют большие возможности для обработки звуковых сигналов и превращают обычный компьютер в достойную аудиосистему. Звуковая плата (sound card), также называемая звуковой картой, музыкальной платой бывает встроенной микросхемой в материнскую плату, отдельной платой расширения или внешней звуковой картой, соединяемой с компьютером через порт USB.

Любая звуковая плата представляет собой, по сути, схему цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразователей (ЦАП и АЦП).

Упрощенная структура аудио тракта показана на рис. 2.7. Микшерный пульт - это устройство, предназначенное для суммирования звуковых сигналов от нескольких источников в один или несколько, также при помощи микшерного пульта осуществляется маршрутизация звуковых сигналов.

При цифровом представлении аналогового сигнала изменение его амплитуды происходит дискретно и как бы фиксируется в течение некоторых моментов времени, в которые осуществляются измерения. Измеренные значения определяют аналоговый (непрерывный) сигнал, представляя его состояние в дискретные моменты времени. Таким образом, звук после аналого-цифрового преобразования представляется последовательностью цифровых кодов. Очевидно, что чем короче временные промежутки между отдельными измерениями, то есть чем выше частота дискретизации (Sampling Rate), тем точнее описывается и затем воспроизводится звуковой сигнал. Необходимая частота измерений (выборки) зависит от частотного диапазона преобразуемого сигнала.

Обычно применяется частота 44.1 KHz, что соответствует стандарту Audio CD и обеспечивает воспроизведение частот приблизительно до 22.05 KHz. Напомним, что человек воспринимает звуковые колебания в диапазоне примерно от 20 до 20000 Гц. Под точностью или разрешающей способностью понимают наименьшее изменение аналогового сигнала, которое приведет к изменению цифрового кода. Это определяется разрядностью АЦП и ЦАП при воспроизведении звука, с увеличением которой увеличивается их динамический диапазон. Звуковые карты могут иметь разрядность 16, 20, а иногда и 24 бита, хотя последняя уже практически не приводит к заметному улучшению качества.

Рис. 2.7. Структура аудио тракта

В принципе вся необходимая обработка может выполнятся центральным процессором, но гораздо лучше, если обработку выполняет расположенный на плате специализированный звуковой процессор, называемый DSP (Digital Signal Processor). От его возможностей и производительности напрямую зависит качество и точность звуковы

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Информатика

Санкт петербургский государственный университет сервиса и.. кафедра информатика..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Приветствую Вас и в этом посте я попытался как возможно кратко описать тернистый и долгий путь зарождения и возникновения вычислительной техники. Надеюсь многие найдут для себя, что то интересное.

Значение слова компьютер – «вычислитель». Потребность обработки данных и вычислений возникла несколько тысяч лет назад, для этого использовались счетные камешки палочки и тому подобное, а примерно 1500 лет начали использовать счеты. В 1642 году Блез Паскаль изобрел механическую машину выполняющую сложение чисел. В1673 Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструировал первый арифмометр выполняющий уже четыре действия. Арифмометры начали широко применяться в 19-го века, на них делали довольно сложные расчеты и уже появился первый прототип человека работающего на компьютере – «счетчик» – тот кто работает с арифмометром. При своей работе счетчик точно соблюдал определенную последовательность действий и инструкций, которую в последствии начали называть программой. Так как выполняемые действия и запись результатов выполнял человек, то скорость вычислений была сильно ограничена, из-за чего расчеты производились медленно – даже несколько счетчиков могли выполнять программу неделями или месяцами.

Математик из Англии Чарльз Бэббидж в начале девятнадцатого века попытался сделать вычислительное приспособление – аналитическую машинку, которая как и современная компьютерная техника, должна была производить вычислительные операции без участия людей. Машина должна была выполнять программы, которые вводились в нее с помощью перфокарт (отрезок или лента плотной бумаги, где информация наносилась с помощь большого количества маленьких отверстий), которые на то время уже использовались в ткацкой промышленности. При этом нужен был склад для запоминания данных вычислений и фиксации промежуточных результатов (на сегодняшнем языке это – память). Но все таки этой задумке не суждено было свершиться - аналитическая машина была слишком сложная для техники того времени и к сожалению Бэббидж не смог завершить этот проект. Однако он заложил основные идеи и механизмы и создал прототип будущего компьютера. А уже в 1943 году американский ученый Говард Эйкен, используя работы того Чарлза Бэббиджа, на новых технологиях того времени, электрическом реле создал такую машину под названием «МАРК-1″ на одном из предприятий уже нам известной фирмы «IBM». Аналогичную машину построил немецкий инженер Конрад Цузе в 1941 г.

Тем времен потребность в автоматизации вычислений резко выросла и уже несколько исследовательских групп работали над этим. Группа под руководством Джона Молчи и Преспера Экерта в США разработала машину «ENIAC» на основе электронных ламп, которая в тысячу раз быстрее работала чем Марк-1, но время для задания программы тратилось очень много – от нескольких часов до нескольких дней. Чтобы решить эту проблему, ученые начали делать новую машину, которая смогла бы программу хранить в своей памяти. Вскоре в 1945 году к разработке подключился известный математик Джон фон Нейман, который в докладе просто и популярно объяснил и сформулировал принципы работы вычислительных устройств то биш компьютеров (были выделены 4-е основных устройства: арефметическо-логическое, устройство управления, запоминающее устр-во и внешнее устройство ввода-вывода информации) . В 1949 английским исследователем Морисом Уилксом был построен первый компьютер работающий по принципам фон Неймана.

Все числа в компьютере представляются в виде 0 и 1, а единицей информации является бит, который может принимать значение нуля и единицы, а команды машин работают с восемью битами сразу. Восемь битов составляют 1 байт, и в нем возможно закодировать значение одного символа из 256 возможных – то есть 2 в восьмой степени. Следующий уровень килобайт – «Кб» равный 1024 байтам (2 в десятой степени), мегабайт сокращенно обозначается «Мб» и равен 1024 «Кб» килобайтам и гигабайт «Гб» равен 1024 «Мб» мегабайтам, дальше терабайты и так далее.

Программы раньше приходилось писать на машинном языке в кодах которые непосредственно воспринимал компьютер. Так как это было очень тяжело и очень малопроизводительной работой в начале 50-х были разработаны системы позволяющие писать программы на машинном языке с использованием мнемонических обозначений этих команд и назывался он языком автокодом или ассемблер. Программы на ассемблере быстро переводятся в машинные команды и используются в тех случаях когда требуется достичь максимального быстродействия и минимального размера программ. Однако написания таких программ все еще очень трудоемко и требует знаний системы команд соответствующего компьютера. Поэтому многие исследователи пошли дальше научив компьютеры понимать удобные для человека языки составления программ, которые носили название - языки программирования высокого уровня, а языки подобные ассемблеру – языки низкого уровня (который не раз мне приходилось «грызть» в начале своей учебы:)). Первый коммерческий язык высокого уровня Фортран был разработан фирмой IBM в 1958 году под руководством Джона Бэкуса, и использовался для научной деятельности и до сих пор там применяется. Также для других целей было разработано немало разных языков высокого уровня, но применение получили лишь некоторые из них – СИ, СИ++, Паскаль, Бейсик и т.д. (сейчас этот перечень намного больше).

В 40-50-х годах компьютеры были громадными устройствами это – были залы заставленные шкафами с оборудованием стоило естественно очень больших денег и себе это позволить могло естественно только крупные компании. В 1948 г. были изобретены транзисторы, которые смогли заменить электронные лампы. И после того как были найдены дешевые способы изобретения транзисторов удалось создать компьютеры в сотни раз меньше ламповых. и в 1965 г. был выпущен первый мни-компьютер PDP-8 фирмой «Digital Equipment» размером примерно как холодильник, стоимость его составляла $ 20 000. Незадолго до этого будущим основателем фирмы «Intel» Роберт Нойс изобрел метод, благодаря которому на одной пластине размещалось несколько транзисторов и стали называться интегральными схемами. И уже в 1968 г. фирмой Burrooughs был выпущен первый компьтер на интегральных схемах, и в 1970 году фирмой все той же Intel были выпущены на рынок интегральные схемы памяти. В том же 1970 году та же фирма Intel, а частности Эдвард Хофф сконструировал первое подобие центрального процессора большой ЭВМ (Intel-4004). В 1974 г. был выпущен усовершенствоанный процессор Intel-8080, который стал стандартом для компьютерной индустрии. В 1975 года фирмой MITS был выпущен первый коммерческий компьютер Альтаир-8800 стоимостью $500 (оперативная память составляла 256 байт) . В первые месяцы было продано несколько тысяч образцов, покупатели сами снабжали его монитором клавиатурой и т.д. В 1975 Пол Аллен и Билл Гейтс (в будущем создатели Microsoft) создали интерпретатор языка Basic для компьютера Альтаир.

В середине 1981 был представлен первый персональный компьютер под названием IBM PC на базе нового 16-разрядного процессора Intel-8088, который приобрел большую популярность и через несколько лет вытеснил 8-битовые компьютеры и фактически стал стандартом персонального компьютера. Но секрет успеха компании IBM заключается в том, что фирма заложила возможность в компьютеры IBM усовершенствования его отдельных частей и устройств, она сделала компьютер состоящих из несколько отдельных блоков в отличии от своих конкурентов, которые не смогли развить свой успех. При этом всем желающим были доступны методы сопряжения устройств и это в дальнейшем называлось принципом открытой архитектуры, что обеспечило успех компьютеру IBM PC, но при этом лишив фирму единолично пользоваться плодами разных технических разработок и усовершенствований. Расчет был правильным, что позволило независимым производителям разрабатывать различные дополнительные устройства и комплектующие, которых за пару последующих лет уже насчитывалось сотни. А самый большой выигрыш от этого получил конечно же пользователь!

На этом я думаю можно остановиться так как поколение IBM PC на процессорах 80-286 и 386 многие из вас уже застали, которые к нам завозились через третьи страны Индия и другие, так как великий и могучий СССР, не смотря на потребность в машинах такого класса, не мог и не хотел признать отставание в этой области.