Лекция "Технические средства информатизации"


Автоматизация работ с данными, информацией, знаниями имеет свои особенности и отличия от автоматизации других типов работ. Для этого класса задач используют особые виды устройств, большинство из которых являются электронными приборами. Рассмотрим основные понятия и определения, с которыми мы будем сталкиваться дальше при изложении данного материала.




Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных, называют вычислительной техникой.



Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка, называют вычислительной системой. Центральным устройством большинства вычислительных систем является компьютер.




Компьютер — это электронной прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки данных. Наиболее распространенным синонимом слова “компьютер” является термин “электронная вычислительная машина” (ЭВМ).






ЭВМ - комплекс аппаратных (технических) средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач, посредством выполнения задаваемой соответствующей программой последовательности операций.






Архитектура ЭВМ - это многоуровневая иерархия аппаратурно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ.
Простейшие устройства для облегчения счета появились в глубокой древности, несколько тысячелетий назад. По мере развития человеческой цивилизации они медленно эволюционировали, непрерывно совершенствуясь.

Первая демонстрация электронной вычислительной машины ENIAC состоялась в 1946 г. Это первый ламповый компьютер разрабатывался первоначально для проведения расчетов атомной бомбы.

Она содержала около 18000 радиоламп, имела быстродействие 5000 операций сложения в сек., основную память на 20 чисел и работала под управлением программы, набранной штеккерами на коммутационной доске. Долгое время считалось, что ее создатели - американские инженеры Эккерт и Моучли - являлись изобретателями первой в мире ЭВМ.

Но 19 октября 1973г. федеральный судья США Ларсен объявил патент Эккерт-Моучли недействительным. Решение было вынесено в результате шестилетнего судебного разбирательства (1967 - 1973 г.г.), начатого по инициативе компании - патентовладельца «Сперри - Ренд», предъявившей претензии фирме «Ханауэлл» за нарушение патентных прав.

Суд установил, что подлинным изобретателем электронной вычислительной машины является Джон Винсент Атанасов, 1903г. рождения, профессор государственного университета в Айове. В 1937г. он вместе с молодым специалистом Клиффордом Берри начал разработку электронной вычислительной машины «АВС» (Atanasov and Berri Computer). Предполагалось, что эта ЭВМ будет способна решать системы алгебраических уравнений до 30 порядка. Для ввода и вывода десятичных чисел использовались перфокарты фирмы IBM. После ввода число переводилось в двоичную систему счисления. ЭВМ должна была обрабатывать числа длиной 50 бит, имела арифметический блок, регенеративное электростатическое запоминающее устройство в виде барабана и содержала около 300 электронных ламп.



Электронная вычислительная машина ENIAC


В 1939г. макет ЭВМ был построен. Дж.В.Атанасов сделал доклад о своей разработке с изложением основных принципов в Ассоциации по развитию науки (Флорида). В 1940г. появилась первая газетная публикация о его работе над электронной вычислительной машиной.

В 1942г. машина «АВС» была построена. Но ведущие специалисты различных фирм считали, что спроса на такие машины не будет. Университет штата Айова отказался от уплаты патентной пошлины. Атанасов обращался в «IBM» и «Rend corporation», но они так же не восприняли новую разработку.

После вступления США в 1942г. во Вторую мировую войну, Берри был мобилизован, Атанасов перешел в морскую артиллеристскую лабораторию и оставил работу над ЭВМ.

Профессор физики из штата Пенсильвания Джон Моучли слышал сообщение Атанасова во Флориде, позднее в письмах уточнял принципы построения «АВС». Его эта проблема заинтересовала, т.к. ранее он занимался аналоговыми машинами и не мог получить на них необходимой точности вычислений. Результатом работы Дж.Моучли и его коллеги Эккерта явилась ЭВМ «Eniac», которую им удалось реализовать в 1942-1944г.г. под покровительством Пентагона.

Дальнейшее развитие электронных вычислительных машин принято делить на поколения.


1 поколение ЭВМ

Основным активным элементом первого поколения являлась электронная лампа. Остальные компоненты электронной аппаратуры - это обычные резисторы, конденсаторы, трансформаторы.
Резисторы
Конденсаторы
Трансформаторы







Электронная лампа


 


Рис. 3. Сердечник

Для построения основной памяти (ОП) ЭВМ уже с середины 50-х г.г. начали использоваться специально разработанные для этой цели элементы - ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса (рис.3). В качестве устройств ввода-вывода сначала использовалась стандартная телеграфная аппаратура (телетайпы, ленточные перфораторы, трансмиттеры, аппаратура счетно-перфорационных машин), а затем специально для ЭВМ были разработаны электромеханические запоминающие устройства на магнитных лентах, барабанах и дисках (рис.4).









Рис.4. Техническим носителям соответствовали устройства подготовки данных - перфоратор ленточный и фото считывaющee устройство ввода данных в ЭВМ с перфоленты


Рис. 5. Устройство подготовки данных на магнитных лентах и на гибких магнитных дисках ЕС 9004.01.
К первому поколению относятся отечественные машины БЭСМ-2, Стрела, М-3, Минск-1, Урал-1, Урал-2, М-20, и др. Они имели значительные размеры, потребляли большую мощность, имели сравнительно малое быстродействие, малую емкость оперативной памяти, невысокую надежность работы и недостаточное программное обеспечение.

В 1947г. в ЭВМ "Edvac" Дж. фон-Нейман разместил программу в памяти ЭВМ и сформулировал принципы построения электронных вычислительных машин, которые сохранили свое значение до настоящего времени.


Рис. 6. Пример ЭВМ первого поколения

2 поколение ЭВМ

На смену электронным лампам в машинах второго поколения (с 1953г.) пришли транзисторы. В отличии от ламповых машин, транзисторные машины обладали большим быстродействием, емкостью оперативной памяти, надежностью. Существенно уменьшены размеры, масса и потребляемая мощность.





Транзистор. Физик-теоретик Джон Бардин и ведущий экспериментатор фирмы Уолтер Брайттен создали первый действующий транзистор.
Большим достижением являлось применение печатного монтажа. Повысилась надежность электромеханических устройств ввода/вывода, удельный вес которых в аппаратном комплексе увеличился. Машины II поколения обладали большими вычислительными и логическими возможностями. Особенностью машин II поколения являлась их классификация по применению. Появились машины для решения научно-технических задач, экономических задач, для управления производственными процессами и различными объектами (управляющие машины). Наряду с техническим совершенствованием ЭВМ развивались методы и приемы программирования вычислений, высшей ступенью которых является автоматическое программирование. Появились алгоритмические языки, существенно упрощающие процесс подготовки задач к решению на ЭВМ. Появились многопрограммные ЭВМ, в которых реализовано выполнение одновременно нескольких программ за счет организации параллельной работы основных устройств машины. Расширилась сфера применения ЭВМ - они стали использоваться в качестве управляющего органа в автоматизированных и автоматических системах управления, а так же - в системах передачи информации.


Рис. 7. Пример ЭВМ второго поколения

К ЭВМ второго поколения относились машины отечественного производства Минск-2, Раздан-2, Раздан-3, М-220, БЭСМ-4, БЭСМ-6, Мир, Наири, Минск-22, Минск-32, Урал-14, Урал-16, и т.д.

3 поколение ЭВМ

Третье поколение ЭВМ (с 1962г.) характеризовалось широким применением интегральных схем, заменивших большинство транзисторов и различных деталей. Интегральная схема представляла собой законченный логический функциональный блок, соответствующий достаточно сложной транзисторной схеме.

Благодаря интегральным схемам удалось существенно улучшить технические и эксплуатационные характеристики машины. Этому способствовало так же применение многослойного печатного монтажа.

Интегральная схема, которую также называют кристаллом, представляет собой миниатюрную электронную схему, вытравленную на поверхности кремниевого кристалла площадью около 10 мм2.

Первые интегральные схемы появились в 1964 году. Сначала они использовались только в космической и военной технике. Сейчас же их можно обнаружить где угодно, включая автомобили и бытовые приборы. Что же касается компьютеров, то без интегральных схем они просто немыслимы.

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

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


Рис. 8. Пример ЭВМ третьего поколения

Отчетливо появилась тенденция к унификации ЭВМ, к созданию машин, представляющих собой единую систему. Ярким выражением этой тенденции является создание ЕС ЭВМ.

4 поколение ЭВМ

Четвертое поколение машин начало развиваться с 1970г. Для них характерно применение больших интегральных схем (БИС). Высокая степень интеграции способствовала увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности и быстродействия, снижению стоимости. Это оказывало существенное влияние на логическую структуру (архитектуру) ЭВМ и на ее программное обеспечение.

Развитие микроэлектроники привело к созданию возможности размещать на одном-единственном кристалле тысячи интегральных схем. Так, уже в 1980 году, центральный процессор небольшого компьютера оказался возможным разместить на кристалле, площадью всего в четверть квадратного дюйма (1,61 см2). Началась эпоха микрокомпьютеров.

Размеры машины и их стоимость настолько уменьшились, что появились их новые типы - от мини - ЭВМ до персональных, предназначенных для индивидуального использования (как стационарных, "настольных" ПЭВМ, так и мобильных, переносных: Lop-Top, Notebook, вплоть до микро - калькуляторов различных типов).

Стоимость ЭВМ настолько снизилась, что час их работы стал стоить в десять раз меньше часа работы среднеоплачиваемого клерка. Стал расширяться рынок сбыта - за счет вовлечения в него "непрограммирующих пользователей", т.е. людей, не являющихся профессионалами в области компьютерной науки. Это наложило отпечаток на архитектуру программного обеспечения - появилось стремление упростить общение с ЭВМ, сделать его более дружественным для пользователя. В программном обеспечении ЭВМ появился новый стандарт - "дружественность к пользователю среды общения".

Использование больших интегральных схем настолько уменьшило размеры ЭВМ, что появилась возможность в том же (а часто и значительно сокращенном) объеме разместить дополнительные блоки - например, блоки контроля хода вычислительного процесса и автоматического обеспечения его надежности. Впервые принципы построения ЭВМ, сформулированные фон-Нейманом, стали нарушаться - появились новые типы ЭВМ: векторные, конвейерные, матричные.

Микроминиатюризация сделала возможным встраивание специализированных микроЭВМ в различную аппаратуру - что позволяло получать от этой аппаратуры дополнительные функциональные возможности.

Большие интегральные схемы встраиваются в настоящее время практически везде – и в уличном светофоре, и в стиральной машине, и в иллюминационном шаре, и в микроволновой печи и т.д.

Пользователи ЭВМ, которые обычно не являются профессионалами в области вычислительной техники, рассматривают архитектуру через более высокоуровневые аспекты, касающиеся взаимодействия с ЭВМ (человеко-машинного интерфейса), начиная со следующих групп характеристик ЭВМ, определяющих ее структуру:
  • технические и эксплутационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, показатели надежности, достоверности, точности, емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и программных средств, особенности эксплуатации и др.);
  • характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; возможность расширения состава технических и программных средств; возможность изменения структуры;
  • состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).

Сравнение разных поколений компьютеров


5 поколение ЭВМ

Программа разработки 5 поколения ЭВМ была принята в Японии в 1982 г. Предполагалось, что к 1991 г. будут созданы принципиально новые компьютеры, ориентированные на решение задач искусственного интеллекта. С помощью языка программирования Пролог и новшеств в конструкции компьютеров планировалось вплотную подойти к решению одной из основных задач этой ветви компьютерной науки - задачи хранения и обработки знаний. Для компьютеров "пятого поколения" не планировалось писать программ, а достаточно было бы объяснить на "почти естественном" языке, что от них требуется.

В составе вычислительных систем 5-го поколения появились новые виды ЭВМ и программного обеспечения (ПО): машины баз знаний, машины логического вывода, естественно языковый интерфейс общения пользователей с компьютером. В конструкцию ЭВМ и программного обеспечения стали активно внедряться элементы самообучения, самонастройки, адаптации.

В настоящее время работа над 5-ым поколением ЭВМ не завершена - трудности интеллектуализации ЭВМ оказались слишком большими, выяснилась недостаточная проработанность основных положений "искусственного интеллекта", ограниченность наших знаний о природе и закономерностях мышления.
Comments