Абак – наиболее раннее счетное механическое устройство, первоначально представлявшее собой глиняную пластину с желобами, в которых раскладывались камни, представляющие числа. В России в XVI-XVII веках появилось более передовое изобретение, применяющееся и поныне – русские счеты. Первое в мире устройство для выполнение сложения было создано на базе механических часов. В 1623 году его разработал Вильгельм Шикард профессор кафедры восточных языков в университете Тьюбингена (Германия), это устройство сам изобретатель называл «суммирующими часами».
История развития
вычислительной техники
Абак – наиболее раннее
счетное механическое
устройство, первоначально
представлявшее собой
глиняную пластину с
желобами, в которых
раскладывались камни,
представляющие числа.
Появление абака
относят к 4
тысячелетию до
н.э. Местом
появления
считается Азия.
В средние века в Европе абак
сменился разграфленными
таблицами.
В России в XVIXVII веках
появилось более передовое
изобретение,
применяющееся и поныне –
русские счеты.
Другой прибор, способный
автоматически выполнять
вычисления, это часы.
Клепсидра — древнейшие
часы. В дне сосуда с водой
просверлена дырочка, куда
вставлена трубочка
маленького диаметра.
Вода по ней медленно стекает и падает в
другой сосуд, на стенки которого нанесены
деления. Роль часовой стрелки выполняет
уровень воды. Чем выше он поднимается,
тем больше натекло времени.
Независимо от принципа действия, все
виды часов (песочные, водяные,
механические, электронные и т.д.)
обладают способностью
генерировать через равные
промежутки времени перемещения
или сигналы и регистрировать
возникающие при этом изменения,
то есть выполнять автоматическое
суммирование сигналов или
перемещений.
Механические
первоисточники.
Первое в мире устройство для
выполнение сложения было создано
на базе механических часов. В 1623
году его разработал Вильгельм
Шикард профессор кафедры
восточных языков в университете
Тьюбингена (Германия), это
устройство сам изобретатель
называл «суммирующими часами».
Механические
первоисточники.
В 1642 году французский
механик Блез Паскаль
создал свою суммирующую
машину, представляющую
собой довольно громоздкий
ящик с шестеренками.
Однако Паскалю не
удалось приспособить
свою машину для удобного
умножения и деления.
Механические
первоисточники.
С этой задачей справился калькулятор
Лейбница, изобретенный в 1673 году. С
его помощью можно было выполнять
все 4 действия, впоследствии
механические калькуляторы
(арифмометры) нашли широкое
применение при сложных
арифметических расчетах.
Следующий важный этап
истории компьютера
относится уже к первой
половине XIX века и связан
с именем английского
математика и экономиста
Чарльза Бэббиджа. (1792 –
1871).
В 1834 году Бэббидж приходит к идее
универсальной аналитической машины –
прообразу современных компьютеров.
По его замыслу аналитическая машина
должна была выполнять вычисления без
участия человека.
Прежде всего, эта машина должна
была работать по программе, то есть
выполнять предусмотренный
заранее набор инструкций.
Программы и
исходные данные
должны были
вводиться в машину с
помощью перфокарт –
специальных карт из
плотной бумаги, информация на
которых кодируется с помощью
отверстий.
Перфокарты к тому времени уже
использовались для автоматического
управления ткацким станком
Жаккарда.
По мысли Бэббиджа, данные должны
обрабатываться по программе в
специальном устройстве
аналитической машины (по
терминологии автора – «мельница»).
Хранится данные должны в отделе,
названном «склад».
Идея независимого устройства для
вычислений – процессора полностью
осуществлена в компьютере XX
столетия. Еще одна идея Бэббиджа
осуществлена в современных ЭВМ –
разделения блока вычислений
(мельница) и блока хранения данных
и промежуточных результатов.
Неотъемлемая часть современных
компьютеров – память, прообразом
которой был «склад» аналитической
машины Бэббиджа.
В работе Бэббиджу
помогала дочь Байрона
Ада Августа Лавлейс.
Она написала работу, в которой
развила основы программирования
для аналитической машины и
справедливо считается первым
программистом мира.
Математическую основу
будущего компьютера
составила логика
Джорджа Буля.
Оказалось, что булева двоичная
логика (то есть логика с двумя
возможными состояниями «истина» –
«ложь») очень хорошо применима
для описания электротехнических
переключательных систем.
Впервые связь логики и
электротехники была отмечена
выдающимся американским
математиком Клодом Шенноном,
создателем теории информации.
Развитие этой теории связано с
именами Алана Тьюринга, Норберта
Винера, основоположника
кибернетики.
Первая ЭВМ была создана
в 1946 г. группой
специалистов под
руководством Джона
Мочли и Преспера Экерта.
Эта машина была 6 м высотой, 16 м
длиной) и работала на основе
электронных ламп.
Для того, чтобы задать ей
программу, приходилось в
течение нескольких часов (а
то и дней) подсоединять
провода.
"Калькулятор ENIAC
оснащен 8000 вакуумных
труб и весит 39 тонн,
компьютеры в будущем
возможно будут
содержать
только 1000 вакуумных
труб и будут весить
всего 1 тонну."
Популярная механика,
1949
В СССР первая ЭВМ была
создана под руководством
академика Лебедева в 1951
году, в Москве – в 1952
году.
В 1967 году в СССР была
разработана
вычислительная машина
БЭСМ6 – самая «быстрая»
в Европе.
В 1947 году был изобретен транзистор,
что позволило заменить электронную
лампу.
В 1956 – 1959 гг. Джек Килби и Роберт
Нойс изобрели интегральную схему,
или чип. Компьютеры на
интегральных схемах становятся все
более миниатюрными и
быстродействующими.
В 1971 году Эдвард Хофф
создает первый
микропроцессор Intel – 4004.
На его базе в 1974 году Эд Робертс
строит первый микрокомпьютер
«Альтаир».
В 1977 году был создан первый
персональный компьютер «Эппл».
В 1981 году был создан первый
персональный компьютер IBM PC на
базе самого мощного в то время
процессора Intel – 8088. Программное
обеспечение было поручено молодой
фирме Microsoft.
С тех пор началась эра персональных
компьютеров.
• 1946 – 1955 компьютеры первого
поколения на электронных лампах;
• 1955 – конец 60х годов – компьютеры
второго поколения на
полупроводниках и транзисторах;
• компьютеры на интегральных схемах –
третье поколение;
• основным элементом современного
компьютера 4 поколения является
микропроцессор.
ЭВМ – это программируемое
электронное устройство обработки и
накопления информации.
Общая принципиальная схема
(архитектура)
Схема была предложена в 1946 году
Джоном фон Нейманом (США).
Устройство ввода служит для ввода
исходной информации в ЭВМ
Устройство вывода служит для вывода
результатов вычислений из памяти
ЭВМ.
Процессор
АЛУ служит для выполнения
арифметических и логических
операций над числами;
УУ служит для управления работой
всего компьютера в процессе
вычислений
ОЗУ служит для приема, хранения и
выдачи чисел
Основной принцип работы ЭВМ был
предложен также Джоном фон
Нейманом и получил название
принципа программного управления.
Переработка машиной исходных
данных в конечный результат
производится в соответствии с
заранее составленной и введенной в
машину программой
Принципы фон Неймана
1. Использование двоичной системы
счисления в вычислительных
машинах. Преимущество перед
десятичной системой счисления
заключается в том, что устройства
можно делать достаточно
простыми, арифметические и
логические операции в двоичной
системе счисления также
выполняются достаточно просто.
2. Программное управление ЭВМ.
Работа ЭВМ контролируется
программой, состоящей из набора
команд. Команды выполняются
последовательно друг за другом.
Созданием машины с хранимой в
памяти программой было положено
начало тому, что мы сегодня
называем программированием.
3. Память компьютера используется
не только для хранения данных, но
и программ. При этом и команды
программы и данные кодируются в
двоичной системе счисления, т.е. их
способ записи одинаков. Поэтому в
определенных ситуациях над
командами можно выполнять те же
действия, что и над данными.
4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса,
которые последовательно
пронумерованы. В любой момент
можно обратиться к любой ячейке
памяти по ее адресу. Этот принцип
открыл возможность использовать
переменные в программировании.
5. Возможность условного перехода в
процессе выполнения программы.
Не смотря на то, что команды
выполняются последовательно, в
программах можно реализовать
возможность перехода к любому
участку кода.
Устройство процессора и его
назначение
То, что мы сегодня называем
процессором, правильно называть
микропроцессором.
Первый процессор (Intel 4004)
появился в 1971 году.
Внешне представляет собой кремневую
пластинку с миллионами и
миллиардами (на сегодняшний день)
транзисторов и каналов для
прохождения сигналов.
Назначение процессора – это
автоматическое выполнение
программы.
Процессор основной компонент
любого компьютера.
Внешний вид современного
микропроцессора
Ключевыми компонентами процессора
являются арифметикологическое
устройство (АЛУ), регистры и
устройство управления.
АЛУ выполнят основные
математические и логические
операции.
Все вычисления производятся в
двоичной системе счисления. От
устройства управления зависит
согласованность работы частей
самого процессора и его связь с
другими (внешними для него)
устройствами.
В регистрах временно хранятся текущая
команда, исходные, промежуточные
и конечные данные (результат
вычислений АЛУ). Разрядность всех
регистров одинакова.
Кэш данных и команд хранит часто
используемые данные и команды.
Обращение в кэш происходит
намного быстрее, чем в оперативную
память, поэтому, чем он больше, тем
лучше.
Работа процессора
Работает процессор под управлением
программы, находящейся в
оперативной памяти.
Работа процессора сложнее, чем это
изображено на схеме.
Данные и команды попадают в кэш не
сразу из оперативной памяти, а через
блок предварительной выборки,
который не изображен на схеме.
Также не изображен декодирующий
блок, осуществляющий
преобразование данных и команд в
двоичную форму, только после чего
с ними может работать процессор.)
Блок управления помимо прочего
отвечает за вызов очередной
команды и определение ее типа.
Арифметикологическое устройство,
получив данные и команду,
выполняет указанную операцию и
записывает результат в один из
свободных регистров.
Текущая команда находится в специально
для нее отведенном регистре команд. В
процессе работы с текущей командой
увеличивается значение так
называемого счетчика команд, который
теперь указывает на следующую
команду (если, конечно, не было
команды перехода или останова).
Часто команду представляют как
структуру, состоящую из записи
операции (которую требуется
выполнить) и адресов ячеек
исходных данных и результата.
По адресам указанным в команде
берутся данные и помещаются в
обычные регистры (в смысле не в
регистр команды), получившийся
результат тоже сначала оказывается
в регистре, а уж потом перемещается
по своему адресу, указанному в
команде.
Характеристики процессора
Тактовая частота процессора на
сегодняшний день измеряется в
гигагерцах (ГГц), Ранее измерялось в
мегагерцах (МГц). 1МГц = 1 миллиону
тактов в секунду.
Процессор «общается» с другими
устройствами (оперативной памятью)
с помощью шин данных, адреса и
управления. Разрядность шин всегда
кратна 8 (понятно почему, если мы
имеем дело с байтами), изменчива в
ходе исторического развития
компьютерной техники и различна
для разных моделей, а также не
одинакова для шины данных и
адресной шины.
Разрядность шины данных говорит о
том, какое количество информации
(сколько байт) можно передать за
раз (за такт). От разрядности шины
адреса зависит максимальный объем
оперативной памяти, с которым
процессор может работать вообще.
На мощность (производительность)
процессора влияют не только его
тактовая частота и разрядность
шины данных, также важное
значение имеет объем кэшпамяти.
Лекция 1.ppt
