Материал: Решение радиотехнических задач с помощью ЭВМ. учебное пособие. Слинчук С.А., Корчагин Ю.Э

2. История развития эвм. Поколения эвм

Электронная вычислительная машина (ЭВМ) — это устройство, которое призвано помочь человеку в выполнении рутинной работы. Это всего-навсего инструмент в руках человека, такой же, как калькулятор, станок и т.д. Но пользоваться этим инструментом необходимо уметь. Поскольку с помощью ЭВМ можно эффективно обрабатывать большие объемы информации, принципы использования ЭВМ и приемы работы с ними изучают именно в курсе информатики.

2.1. История развития вычислительной техники

Первые ЭВМ появились в середине ХХ века, хотя с древних времен человек пытался сделать устройства, помогающие ему в выполнении рутинной работы, какой является, например, арифметический счет. Считается, что к созданию первой ЭВМ привело слияние двух направлений развития человеческой мысли. Первоначально эти направления были взаимонезависимы. В дальнейшем их объединение привело к формированию принципов построения ЭВМ, а затем, при наличии надлежащей технической базы, ЭВМ стали реальностью.

Первое направление — стремление к автоматизации арифметического счета. В далекой древности в Средиземноморье существовало простейшее приспособление для счета абак. Он представлял собой дощечку, разделенную на полосы, по которым перемещались камешки. Абак использовался для ручного счета. В Древнем Риме подобные приспособления назывались calculi или abaculi. Слово calculus означает «галька», «голыш». От этого слова произошло латинское слово calculatore (вычислять), а затем слово «калькуляция». Необходимо отметить, что абак помогал только запомнить результат, а все арифметические действия должен был выполнять человек.

С амая первая механическая машина, автоматизирующая счет, была построена немецким ученым Вильгельмом Шиккардом (предположительно в 1623г.). Машина была реализована в единственном экземпляре и предназначалась для выполнения арифметических операций. Из-за недостаточной известности машины Шиккарда более 300 лет считалось, что первую суммирующую машину сконструировал Блез Паскаль.

В 1642 году Б. Паскаль изобрел механическую машину для сложение чисел. В 1673 году машина Паскаля была доработана Г. Лейбницем. Арифметическая машина Лейбница, могла складывать и перемножать, делить числа и извлекать квадратный корень. С 1820 года начался серийный выпуск механических арифмометров.

Вторым направлением развития человеческой мысли, приведшим к построению ЭВМ, был принцип программной управляемости. Устройства, работающие согласно заранее заданной программе также существовали с глубокой древности. Ярким примером такого устройства является шарманка. «Программа», несущая информацию о последовательности извлечения звуков наносилась на вращающийся диск в виде помощью шипов. В эпоху первых буржуазных революций принцип программной управляемости был применен к ткацким станкам.

Предвестником идеи построения ЭВМ был английский математик и экономист Чарлз Бэббидж (Charles Babbage) (1791 --1871) и его ученица Ада Лавлейс (Ada Lovelace). Они впервые сформулировали идею создания программируемой счетной машины и в 1834 создали проект «аналитической машины».

В проекте аналитической машины Беббиджа были упомянуты все основные узлы современной ЭВМ, в том числе и принцип управления с помощью запоминающей программы.

Ч. Бэббидж выделял в своей машине следующие составные части:

• «склад» для хранения чисел (память);

• «мельница» для производства арифметических действий (арифметико-логическое устройство);

• устройство, управляющее последовательностью выполнения операций (устройство управления);

• устройства ввода и вывода данных.

Однако этот проект остался нереализованным в силу отсутствия технической базы для его реализации.

Тем не менее, работа Ч. Бэббиджа была очень важна, поскольку впервые затрагивались вопросы программирования. Например, был разработан принцип «условной передачи управления». Идеи Бэббиджа заложили фундамент, на котором со временем были построены ЭВМ.

Для аналитической машины были разработаны также первые программы. Ада Лавлейс в качестве примера составила программу вычисления чисел Бернулли.

В 1888 г. Германом Холлеритом (Herman Hollerith) была сконструирована первая электромеханическая машина для сортировки и подсчета перфокарт. Эта машина была использована при подведении итогов переписи населения в США.

Успех вычислительных машин с перфокартами был феноменален. То, чем за десять лет до этого занимались 500 сотрудников в течение семи лет, Холлерит сделал с 43 помощниками на 43 вычислительных машинах за 4 недели.

В 1896 г. Герман Холлерит основал фирму Computing Tabulation Company. Спустя несколько лет это предприятие переименовали в известнейшую теперь фирму International Business Machine Corporation (IBM).

Немецкий инженер Конрад Цузе (Konrad Zuse) был первым, кто успешно осуществил идею создания автоматической электромеханической вычислительной машины на основе двоичной системы счисления. В 1936 г. он начал конструировать вычислительный аппарат, работающий в двоичной системе счисления, который впоследствии был назван Zuse 1 (Z1).

В 1941 г. Цузе сумел построить действующую модель Zuse3, которая состояла из 600 реле счетного устройства и 2000 реле устройства памяти.

В 1944 г. (по другим источникам, в 1943 г.) в Англии было разработано полностью автоматическое вычислительное устройство Colossus II. Основным его назначением была дешифровка перехваченных сообщений военного противника.

Еще одна полностью автоматическая вычислительная машина, изобретенная профессором Гарвардского университета Говардом Айкеном (Aiken Howard, 1900—1973), при участии группы инженеров фирмы IBM, была построена в 1944 г. Она была названа ASCC (другое название Mark 1) и была электромеханической (построена на реле), состоящей приблизительно из 750 тысяч компонентов. На умножение она тратила около 4 секунд. До знакомства с работами Цузе научная общественность считала машину ASCC первой электромеханической машиной.

В 1937 г. в США Дж. Атанасов начал работы по созданию электронной вычислительной машины. Им были созданы и запатентованы первые электронные схемы отдельных узлов ЭВМ. Совместно с К. Берри к 1942 г. была построена электронная машина ABC (Atanasoff-Berry Computer).

Электронная вычислительная машина, разработанная Эккертом и Маучли (John W. Mauchly and J. Presper Eckert, Jr.) в США в 1946 г., была названа ENIAC. При создании этой машины Эккерт и Маучли заимствовали основные идеи у Дж. Атанасова. ENIAC была примерно в 1000 раз быстрее, чем ASCC. Она состояла из 18 тысяч электронных ламп, 1,5 тысячи реле, имела вес более 30 тонн, потребляла мощность более 150 кВт.

Первоначально ENIAC программировалась путем соединения проводами соответствующих гнезд на коммутационной панели, что делало составление программы очень медленным и утомительным занятием. Американский математик и физик венгерского происхождения Джон фон Нейман (1903—1957) предложил хранить программу — последовательность команд управления ЭВМ— в памяти ЭВМ, что позволяло оперировать с программой так же, как с данными.

Последующие ЭВМ строились с большим объемом памяти, с учетом того, что там будет храниться программа.

В докладе фон Неймана, посвященном описанию ЭВМ, выделено пять базовых элементов компьютера:

• арифметико-логическое устройство (АЛУ);

• устройство управления (УУ);

• запоминающее устройство (ЗУ);

• система ввода информации;

• система вывода информации.

Описанную структуру ЭВМ принято называть архитектурой фон Неймана.

2.2. Поколения эвм

По критерию элементарной базы и состояния программного обеспечения все ЭВМ принято делить на поколения.

Элементной базой ЭВМ первого поколения являлись электронные лампы. Оперативная память была выполнена на электронно-лучевых трубках и ферритовых сердечниках, быстродействие достигало лишь 20000 операций в секунду. Использовалось водное охлаждение и однопрограммный режим работы.

Большое влияние на вычислительную технику оказало изобретение транзисторов. Появилась возможность заменить ненадежные вакуумные лампы, которые требовали большой мощности для нагревания катода, небольшими и более экономными транзисторами. Компьютеры, построенные в середине 50-х годов XX в. с использование транзисторной элементарной базы, стали называть машинами второго поколения.

Элементарная база ЭВМ второго поколения полупроводниковые транзисторы, быстродействие 10⁴–10⁵ операций в секунду. Объем памяти — до 150 слов при длине слова до 50 двоичных разрядов. Программирование производилось на алгоритмических языках Фортран, Алгол, Кобол.

Вместе с миниатюризацией радиоэлектронных компонентов происходила смена элементарной базы ЭМВ. В середине 60-х годов появилось третье поколение ЭВМ, основу элементной базы которых составляли микросхемы малой и средней степени интеграции.

Элементарная база ЭВМ третьего поколения — интегральные схемы (ИС), быстродействие 10⁶–10⁷ оп/сек. Резко снижены габариты и энергопотребление ЭВМ. Оперативная память строилась на ИС и достигала объема 10⁵–10⁶ байт. Унифицировались периферийные устройства. Появился широкий выбор языков программирования. Стали использоваться операционные системы, позволяющие резко повысить производительность и организовать многопрограммный и терминальный режимы.

Следующий рывок в технологии изготовления ЭВМ произошел в начале 70-х годов ХХ века, когда американский инженер Маршиан Эдвард Хофф (Marcian Е. Hoft) объединил основные элементы компьютера в один небольшой кремниевый кристалл, который он назвал микропроцессором. Первый микропроцессор получил маркировку Intel 4004.

ЭВМ четвертого поколения строятся на интегральных микросхемах с большой степенью интеграции. На одном кристалле размещается целая микроЭВМ. Заметим, что переход от третьего поколения ЭВМ к четвертому не был революционным. Отличия коснулись не столько принципов построения ЭВМ, сколько плотности упаковки элементов в микросхемах.

Элементарная база ЭВМ четвертого поколения — большие и сверхбольшие ИС (БИС и СБИС). Быстродействие 10⁷–10⁸ оп/сек. Формируются два направления — многопроцессорные и персональные ЭВМ. Появляются компьютерные сети. Разрабатывается специализированное программное обеспечение, позволяющее оперативно программировать решение задач определенного класса (например, в таких областях как статистика, инженерная графика, научно-технические расчеты и т.д.).

Развитие ЭВМ идет по пути непрерывного повышения быстродействия, надежности, расширения функциональных возможностей, уменьшения габаритов и потребляемой мощности, упрощения правил работы на компьютере. Среди ЭВМ четвертого поколения появились персональные компьютеры (ПК или ПЭВМ), которые позволяют индивидуально работать каждому пользователю.

Первой ПЭВМ можно считать компьютер Altair-8800, созданный в 1974 г. Э. Робертсом. Для этого компьютера П. Аллен и Б. Гейтс в 1975 г. создали транслятор с популярного языка Basic. Впоследствии П. Аллен и Б. Гейтс создали известную компанию Microsoft.

В 1976 г. Стивен П. Джобе и Стефан Г. Возниак основали в гараже Пало-Алъто (Калифорния) предприятие Apple Computer. После шести месяцев работы Возниаку удалось собрать действующий макет под названием Apple 1. В настоящее время компания с таким названием хорошо известна многим пользователям ЭВМ.

Таким образом, вычислительная техника постоянно впитывала в себя самые последние достижения науки, техники и технологии (электронные лампы, транзисторы, микроэлектроника, лазеры, средства связи), благодаря чему ее развитие идет необычайно высокими темпами.

3. Системы счисления

3.1. Классификация систем счисления

Под системой счисления понимается способ изображения чисел с помощью символов совместно с правилами выполнения действий над этими числами.

Все системы делятся на: позиционные и непозиционные.

В непозиционных системах каждая цифра имеет свой вес и ее значение не зависит от положения в числе — от позиции. Пример — римская система. Скажем, число 76 в этой системе выглядит так:

LXXVI, где L=50, X=10, V=5, I=1.

Как видно цифрами здесь служат латинские символы.

В позиционных системах значения цифр зависят от их положения (позиции) в числе.

Так, например, человек привык пользоваться десятичной позиционной системой — числа записываются с помощью 10 цифр. Самая правая цифра обозначает единицы, левее — десятки, ещё левее — сотни и т.д.

В любой позиционной системе число может быть представлено в виде многочлена.

Покажем, как представляют в виде многочлена десятичное число:

,

а теперь с дробью:

Обобщим это представление на случай использования другого набора цифр:

Основанием системы счисления называется количество цифр и символов, применяющихся для изображения числа. Например р=10.

База системы — это последовательность цифр, используемых для записи числа. Ни в одной системе нет цифры, равной основанию системы.

В настоящее время арифметические действия выполняются в десятичной системе, где р=10.

База этой системы 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9.

При обработке информации используется восьмеричная и шестнадцатеричная системы, которые применяются для сокращения длины записи при кодировании программы и плотного размещения данных в памяти машины.

Установлено, что, чем больше основание СС, тем компактнее запись числа. Так двоичное изображение числа требует примерно в 3,3 раза большего количества цифр, чем его десятичное представление. Рассмотрим два чис­ла: 97D = 1100001В. Двоичное представление числа имеет заметно большее количество цифр.

Несмотря на то, что десятичная СС имеет широкое распространение, цифровые ЭВМ строятся на двоичных (цифровых) элементах, так как реализовать элементы с десятью, четко различимыми состояниями, сложно. В другой системе счисления могут работать приборы декатрон и трохотрон. Декатрон — газоразрядная счетная лампа — многоэлектродный газоразрядный прибор тлеющего разряда для индикации числа импульсов в десятичной СС.

Указанные устройства не нашли применения для построения средств ВТ. Историческое развитие вычислительной техники сложилось таким образом, что цифровые ЭВМ строятся на базе двоичных цифровых устройств (триггеров, регистров, счетчиков, логических элементов и т. п.).

Шестнадцатеричная и восьмеричная СС используются при составлении программ на языке машинных кодов для более короткой и удобной записи двоичных кодов— команд, данных, адресов и операндов. Перевод из двоичной СС в шестнадцатеричную и восьмеричную СС (и обратно) осуществляется достаточно просто.

Задача перевода из одной системы счисления в другую часто встречается при программировании и особенно часто при программировании на языке Ассемблера. Например, при определении адреса ячейки памяти, для получения двоичного или шестнадцатеричного эквивалента десятичного числа. Отдельные стандартные процедуры языков программирования Паскаль, Бейсик, HTML и Си требуют задания параметров в шестнадцатеричной системе счисления. Для непосредственного редактирования данных, записанных на жесткий диск, также необходимо умение работать с шестнадцатеричными числами. Отыскать неисправность в ЭВМ практически невозможно без представлений о двоичной системе счисления. Без двоичной СС невозможно понять принципы криптографии и стенографии.