История создания вычислительной техники уходит в глубь веков. В своем развитии она прошла три основных этапа: • механический (до 90х гг. XIX в.); • электромеханический (до 40х гг. XX в.); • электронный (с 40х гг. XX в.). Рассмотрим основные моменты каждого этапа. Более трех тысяч лет в Средиземноморье было распространено простое приспособление для счета (абак): доска, разделенная на полосы, где перемещались камешки или кости. Российский вариант абака представлял собой счеты с костяшками. В Древнем Риме абак назывался calculi. Абак позволял лишь запоминать результат, а все арифметические действия должен был выполнять человек. Первая механическая машина, выполняющая арифметические операции, была построена немецким ученым Вильгельмом Шиккардом в 1623 г. Одной из наиболее известных суммирующих машин до середины XVII в. была «Паскалина», созданная в 1642 г. французом Блезом Паскалем (1623–1662). Известны шести и восьмиразрядные машины Паскаля, которые могли суммировать и вычитать десятичные числа. Позже, в 1673 г., другой немецкий ученыйматематик Вильгельм Лейбниц (1646–1716) расширил возможности машины Паскаля, добавив операции умножения, деления и извлечения квадратного корня и впервые использовав двоичную систему счисления. Завершающий шаг в эволюции цифровых вычислительных устройств (механического типа) сделал английский ученый Чарльз Беббидж (1791–1871). Аналитическая машина (так назвал ее Беббидж), проект которой он разработал в 1834 г., явилась механическим прототипом появившихся спустя столетие электронных вычислительных машин (ЭВМ). В ней предполагалось иметь те же, что и в ЭВМ, пять основных устройств: арифметическое, памяти, управления, ввода, вывода. Программа выполнения вычислений записывалась на перфокартах (пробивками), на них же записывались исходные данные и результаты вычислений. Автоматическое выполнение программы вычислений обеспечивалось устройством управления. Время сложения двух 50-разрядных десятичных чисел составляло, по расчетам ученого, 1 секунду, умножения — 1 минуту. Однако Беббидж и его аналитическая машина остались не понятыми современниками. Следует отметить, что в это время параллельно с развитием технических устройств для вычислений начинает развиваться и программирование вычислений. Дочь Байрона Ада Августа Лавлейс (1815–1852) по праву считается первым программистом. Она разрабатывала программы для машины Беббиджа, которые во многом оказались схожими с программами, составленными впоследствии для первых ЭВМ. В истории развития вычислительной техники трудно переоценить заслугу выдающегося англичанина Джорджа Буля (1815–1864), разработавшего еще в XIX в. алгебру логики (алгебру Буля), ставшую через сто лет математической основой для проектирования схем ЭВМ, использующих двоичную систему счисления. Венцом механических вычислительных машин была машина Z1, разработанная в 1937 г. немецким студентом Конрадом Цузе (1910–1995), работу над которой он начал за год до получения диплома инженера. Машина Z1 была, подобно машине Беббиджа, чисто механической, но в ней была реализована двоичная система и логика, подобная булевой, представление чисел с плавающей запятой и трех-адресная система программирования. На этом заканчивается интересная эпоха механических вычислительных машин, которая заложила основы бурного развития электромеханических и электронных вычислительных машин. В 1941 г. Конрад Цузе создал первую в мире релейную вычислительную машину с программным управлением Z3, содержащую 2000 реле устройства памяти и 600 реле счетного устройства. Машина считывала программу механически шаг за шагом и осуществляла 15–20 вычислительных операций в секунду. Период сложения у Z3 составлял 0,3 секунды. В 40-х гг. XX в. наступило время, когда объем расчетных работ в развитых странах стал нарастать, как снежный ком, в первую очередь в области военной техники, чему способствовала Вторая мировая война. Это послужило мощным толчком к развитию ЭВМ. В 1942 г. сотрудник технической школы при Пенсильванском университете (США) физик Джон Мочли (1907–1986) отправил в военное ведомство США предложение о создании мощного, по тем временам, компьютера на электронных лампах (ЭНИАК). К работе было привлечено около 200 человек, в том числе несколько десятков математиков и инженеров. Руководителями работы стали Джон Мочли и талантливый инженер-электронщик Проспер Эккерт (1919–1995). Напряженная работа завершилась в конце 1945 г. успешными испытаниями ЭНИАК. Впечатляющими были размеры ЭНИАК: 26 м в длину, 6 м в высоту, вес 35 тонн. В 1945 г. для разработки ЭВМ в качестве консультанта был направлен выдающийся математик Джон фон Нейман (1903–1957). В 1946 г. фон Нейманом и другими учеными Принстонского института перспективных исследований был представлен отчет «Предварительное обсуждение логического конструирования устройства», который содержал развернутое и детальное описание принципов построения цифровых электронных вычислительных машин (ЭВМ). Изложенные в отчете принципы были реализованы во всех последующих ЭВМ и носили название «неймановские». Работы по созданию ЭВМ после Второй мировой войны велись и в СССР. В 1948 г. Сергеем Алексеевичем Лебедевым (1902–1974) был предложен первый проект отечественной цифровой ЭВМ, а первые образцы ЭВМ, известные под названием МЭСМ (малая электронная счетная машина), появились через несколько лет. В начале 1960_х годов под руководством С. А. Лебедева создается первая большая электронная счетная машина БЭСМ_1, которая тогда была самой производительной машиной в Европе и одной из лучших в мире. Начиная со второй половины XX в. развитие технических средств пошло значительно быстрее. Это время принято делить на четыре этапа, которые имеют свои характерные особенности. Первый этап — до 1955 г. За точку отсчета эры ЭВМ принимается 1946 г., когда началась эксплуатация первых опытных образцов ЭВМ. Ключевым моментом этого этапа было применение электронных ламп. Ламповые ЭВМ имели большие габариты и массу, потребляли много энергии и были очень дорогостоящими, что резко сужало круг пользователей ЭВМ, а следовательно, объем производства этих машин. Числа в ЭВМ вводились с помощью перфокарт и набора переключателей, а программа задавалась соединением гнезд на специальных наборных платах. Наиболее яркими представителями ЭВМ первого этапа были в СССР МЭСМ (малая электронно-счетная машина) и ЭНИАК в США. Также в этот период в США разрабатывается и патентуется память на магнитных сердечниках (1951), а в СССР выпускается первая серийная ЭВМ «Стрела». Второй этап — до 1965 г. Развитие электроники привело к изобретению нового полупроводникового устройства — транзистора, который заменил лампы. Появление ЭВМ, построенных на транзисторах, привело к уменьшению их габаритов, массы, энергозатрат и стоимости, а также к увеличению их надежности и производительности. Первым транзисторным компьютером стал компьютер «Традис» фирмы «Белл телефон лабораторис», построенный на 800 транзисторах. В этот же период стали создавать алгоритмические языки для инженерно-технических и экономических задач. Так, в 1955 г. появился «переводчик формул» FORTRAN (FORmula TRANslator). Для экономии машинных ресурсов (машинного времени и памяти) стали создавать операционные системы (комплексы служебных программ, обеспечивающих лучшее распределение ресурсов ЭВМ при выполнении пользовательских задач). Первые операционные системы просто автоматизировали работу оператора ЭВМ, связанную с выполнением задания пользователя: ввод в ЭВМ программы, вызов нужного транслятора, вызов необходимых библиотечных программ и т. д. В 1957 г. фирмой IBM были разработаны дисковые запоминающие устройства. Первый жесткий диск имел размер 24 дюйма, вмещал 5 Мбайт данных и стоил более миллиона долларов. Начало третьего этапа (до 1979 г.) связано с созданием технологии производства интегральных схем (ИС), где в одном кристалле размещалось несколько десятков тысяч электронных элементов. ИС позволили увеличить быстродействие и надежность полупроводниковых схем, а также уменьшить их габариты, потребляемую мощность и, следовательно, стоимость. В этот период появляются простые, дешевые и надежные машины — мини-ЭВМ (IBM 360 в США и ЕС 1030 в СССР). Четвертый этап — с 1980 г. по настоящее время. За счет улучшения технологии ИС повсеместно приступают к изготовлению схем сверхбольшой степени интеграции-СБИС. С 1982 г. фирма IBM приступила к изготовлению профессиональных персональных компьютеров IBM PC с операционной системой MS-DOS. В 1984 г. компании Apple и IBM выпускают ЭВМ четвертого поколения — персональные компьютеры Macintosh и PC/AT соответственно. Развитие ЭВМ четвертого поколения продолжается до сегодняшнего дня. Стремительно возрастающие объемы информации предопределяют такое же стремительное развитие аппаратных средств. Сейчас персональный компьютер с процессором Intel четвертого поколения имеет тактовую частоту до 3000 МГц. До середины 1990-х годов фирма Intel не имела конкурентов на рынке процессоров, пока другая американская фирма AMD не приступила к выпуску процессоров для IBM-совместимых компьютеров. В следующих разделах будут рассмотрены аппаратные и программные средства современных персональных компьютеров (ПК) — ЭВМ четвертого поколения. § 2.2. Архитектура, состав и назначение основных элементов персонального компьютера По определению, архитектура — это описание сложной системы, состоящей из множества элементов, как единого целого. Архитектура современного персонального компьютера является обобщением принципов построения ЭВМ, предложенным группой ученых во главе с Джоном фон Нейманом. В классической архитектуре неймановской ЭВМ можно выделить 5 основных блоков, показанных на рис. 2.1. С помощью устройств ввода (УВв) данные и программы, представленные в двоичной форме, попадают в оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ), или память, машины. Для реализации команд, образующих программу, используется арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические операции, операции сравнения, алгебры логики и др. Взаимодействие ОЗУ и АЛУ осуществляет устройство управления (УУ). С его помощью программа из ОЗУ передается в АЛУ, отыскиваются нужные данные, выполняются вычисления, происходит запись в память и организуется выдача результата посредством устройства вывода (УВыв). Реальная структура современного компьютера значительно сложнее, что обусловлено стремлением к повышению его производительности и функциональных возможностей (рис. 2.2). Так, в структуре персональной ЭВМ появилась кэш-память, введены каналы прямого доступа к оперативной памяти, используемые для обмена данными с устройствами ввода/вывода, минуя микропроцессор. Периферийные устройства подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры (К) или адаптеры (А) — устройства управления, освобождая процессор от непосредственного управления данным оборудованием. В архитектуре персонального компьютера появился сопроцессор — устройство, функционирующее параллельно с главным процессором и выполняющее специфические операции: например, математический сопроцессор предназначен для сложных математических вычислений. Системный блок является центральной частью ПК. В корпусе системного блока размещены внутренние устройства ПК. В состав системного блока входят следующие устройства: • системная (материнская) плата с микропроцессором; • оперативная память; • накопитель на жестком магнитном диске; • контроллеры или адаптеры для подключения и управления внешними устройствами ПК (монитором, звуковыми колонками и др.); • порты для подключения внешних устройств (принтер, мышь и др.); • внешние запоминающие устройства (ВЗУ) для гибких магнитных дисков и лазерных дисков типа CD-ROM и DVD-ROM. Системная плата является интегрирующим (объединяющим) узлом ПК. Системная плата во многом определяет конфигурацию ПК, поскольку от ее параметров зависит тип используемого микропроцессора, максимальный объем оперативной памяти, количество и способы подключения внешних устройств ПК и другие характеристики. Микропроцессор (или процессор) — это главная микросхема компьютера. Он запускает программный код, находящийся в памяти, и управляет всеми устройствами компьютера либо напрямую, либо через соответствующие контроллеры. Основой любого микропроцессора является ядро, которое состоит из миллионов транзисторов, расположенных на кристалле кремния. Микропроцессор имеет специальные ячейки, которые называются регистрами общего назначения (РОН). Работа процессора состоит в выборе из памяти в определенной последовательности команд и данных и их выполнении. Для повышения быстродействия ПК микропроцессор снабжен внутренней кэш-памятью. Процессоры Intel, используемые в IBM-совместимых ПК, насчитывают более тысячи команд и относятся к процессорам с расширенной системой команд — CISC-процессорам (CISC — Complex Instruction Set Computing). Обмен данными и командами между внутренними устройствами ПК происходит по проводникам многожильного кабеля — системной шине. Основной задачей системной шины является передача данных между процессором и остальными электронными узлами компьютера. Различают три вида шин: • шина данных; • шина адреса; • шина команд. Шина данных. По этой шине происходит передача данных из оперативной памяти в РОН процессора и наоборот. В ПК на базе процессоров Intel Pentium шина данных 64-разрядная, т. е. за один такт на обработку поступает сразу 8 байт данных. Шина адреса. По этой шине передаются адреса ячеек оперативной памяти, где находятся команды, которые необходимо выполнить процессору. Кроме этого, по этой шине передаются данные, с которыми оперируют команды. В современных процессорах адресная шина 32-разрядная, то есть она состоит из 32 параллельных проводников. Шина команд. По этой шине из оперативной памяти поступают команды, выполняемые процессором. Команды представлены в виде байтов. Простые команды занимают один байт, а более сложные — два, три и больше байтов. Большинство современных процессоров имеют 32-разрядную командную шину, хотя существуют 64-разрядные процессоры с 64-разрядной командной шиной. Рассмотрим основные шинные интерфейсы системных плат, но более подробно остановимся на шине USB. USB (Universal Serial Bus). Универсальная последовательная шина USB является обязательным элементом современного ПК, она пришла на смену устаревшим параллельным и последовательным портам. Шина USB представляет собой последовательный интерфейс передачи данных для средне- и низкоскоростных периферийных устройств. Она позволяет подключить до 256 разных устройств с последовательным интерфейсом. Шина USB поддерживает автоопределение (Plug and play) новых устройств, а также так называемое «горячее» подключение, то есть подключение к работающему компьютеру без его перезагрузки. Скорость передачи данных по USB составляет 1,5 Мбит/с. Приведем без пояснения другие типы шин: ISA (Industry Standard Architecture), PCI (Peripheral Component Interconnect), FSB (Front Side Bus), AGP (Advanced Graphic Port). Все виды запоминающих устройств, расположенные на системной плате, образуют внутреннюю память ПК, к которой относятся: • оперативная память; • сверхоперативная память (кэш-память); • постоянная память. Оперативная память RAM (Random Access Memory) используется для хранения исполняемых в данный момент программ и необходимых для этого данных. Через оперативную память происходит обмен командами и данными между микропроцессором, внешней памятью и периферийными устройствами. Высокое быстродействие определяет название (оперативная) данного вида памяти. Ключевой особенностью оперативной памяти является ее энергозависимость, т. е. данные хранятся в ней только при включенном компьютере. По физическому принципу действия различают динамическую память DRAM и статическую память SRAM. Динамическая память при всей простоте и низкой стоимости обладает существенным недостатком, заключающимся в необходимости периодической регенерации (обновлении) содержимого памяти. Микросхемы динамической памяти используются как основное оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), а микросхемы статической — для кэш-памяти. Кэш-память (Cache memory) используется для повышения быстродействия ПК. Принцип «кэширования» заключается в использовании быстродействующей памяти для хранения наиболее часто используемых данных или команд, при этом сокращается количество обращений к более медленной оперативной памяти. Постоянная память ROM (Read Only Memory) предназначена для хранения неизменяемой информации и размещается в микросхеме постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна продолжительное время сохранять информацию даже при отключенном компьютере, поэтому постоянную память также называют энергонезависимой памятью. Комплект программ, находящийся в ПЗУ, составляет базовую систему ввода/вывода BIOS (Basic Input/Output System). BIOS содержит программы управления клавиатурой, видеокартой, дисками, портами и другими устройствами. Основное назначение этих программ состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность системы и обеспечить взаимодействие основных узлов ПК до загрузки какой-либо операционной системы. Кроме этого, в BIOS входит программа тестирования, которая выполняется при включении компьютера. § 2.3. Устройства хранения данных Память является составной частью аппаратных средств ПК. В памяти хранятся как программы, так и данные. Память персонального компьютера подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя память предназначена для временного хранения программ и обрабатываемых в текущий момент данных (оперативная память, кэшпамять), а также для долговременного хранения информации о конфигурации ПК (энергонезависимая память). Внешняя память используется для длительного хранения большого объема данных и программ. Физической основой внутренней памяти, как было показано ранее, являются электронные схемы (ПЗУ, ОЗУ), отличающиеся высоким быстродействием, но не позволяющие хранить большие объемы данных. Кроме этого, оперативная память является энергозависимой, т. е. при отключении ПК ее содержимое стирается. В персональных компьютерах функция длительного хранения больших объемов данных возложена на внешнюю память, которая является медленной, энергонезависимой и практически неограниченной. Внешняя память — это память, реализованная в виде внешних относительно материнской платы устройств с разными принципами хранения информации и типами носителей, предназначенных для долговременного хранения данных. В современных компьютерах используются три вида носителей: электрические, магнитные, оптические. Накопитель представляет собой совокупность носителя данных и соответствующего привода. Различают накопители со сменными и постоянными носителями. Привод — это объединение механизма чтения/записи с соответствующими электронными схемами управления. Его конструкция определяется принципом действия и видом носителя. Носитель — это физическая среда хранения информации. По внешнему виду может быть дисковым или ленточным. По способу запоминания различают магнитные, оптические и магнитооптические. В ленточных носителях используют магнитные, а в дисковых — магнитные, магнитооптические и оптические методы записи/считывания информации. Накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД, FDD — Floppy Disk Drive) представляет собой устройство (дисковод) для чтения и записи гибких магнитных дисков (дискет). Магнитный диск вращается с помощью привода, для записи и считывания информации используются магнитные головки. Магнитные диски являются съемными носителями, т. е. один дисковод может последовательно работать с множеством дискет. Стандартная емкость дискет (3,5 дюйма), используемых в современных ПК, составляет 1,44 Мб. Маркировка дискеты «2HD 1,44 Mb» указывает на двухстороннюю высокую плотность записи и общую емкость диска 1,44 Мб. Информация на дискету записывается по дорожкам-окружностям (трекам). Каждая дорожка разбивается на сектора размером в 256, 512 или 1024 байт, но чаще 512 байт, образующие кластеры. Кластер — это минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из одного или нескольких секторов и равная обычно 512 байт. Каждому файлу выделяется участок памяти, кратный определенному количеству кластеров. Накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД, винчестер, HDD — Hard Disk Drive) — устройство для чтения/записи с жестких магнитных дисков, установленных внутри накопителя. Накопители на жестких магнитных дисках получили такое наименование из-за жесткости дисковых пластин — носителей данных. В НЖМД несколько пластин, нанизанных на стержень. Дисковые пластины вращаются с постоянной скоростью, которая составляет для современных НЖМД до 10000 оборотов в минуту. Чтение и запись данных осуществляются блоком магнитных головок, которые расположены над рабочей поверхностью диска на расстоянии 0,5–0,13 мкм. Запись проводится на обе поверхности каждой пластины (кроме крайних). Работой НЖМД управляет специальное аппаратно-логическое устройство — контроллер НЖМД. В накопителе может быть до десяти дисков. Здесь информация также размещается на дорожках, секторах и кластерах, которые образуются во время форматирования диска. Форматирование выполняет пользователь с помощью специальных программ. Отметим наиболее важные характеристики НЖМД: • скорость (частота) обращения дисков: для накопителей IDE — 4500–7200 об/мин, а для накопителей SCSI—7500–10000 об/мин; • емкость кэш-памяти в устройствах может изменяться от 64 Кб до 8 Мб. Накопитель на магнитной ленте, именуемый стримером, — это устройство для быстрой перезаписи данных с жесткого диска на магнитную ленту. Стримеры работают со съемными носителями — кассетами. Недостатки стримеров: большое время доступа к данным и недостаточная надежность, связанная с повышенными механическими нагрузками. Магнитооптические накопители (НМОД) во многом аналогичны НГМД, но отличаются более высокой емкостью. В магнитооптических дисках информация также хранится на магнитном носителе-дискете, но чтение и запись осуществляются оптическим (лазерным) лучом, что значительно повышает сохранность носителя. Оптическими устройствами хранения данных являются оптические накопители CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory — постоянное запоминающее устройство на основе компакт-дисков), унаследовавшие свое название от первых оптических носителей. В качестве носителя информации первые оптические накопители использовали компакт-диски (CD), которые записывались («прожигались») однократно, не допускали перезаписи и фактически являлись постоянными запоминающими устройствами, на что и указывает приставка ROM. Накопители на оптических дисках получили широкое распространение благодаря большой емкости компакт-диска (свыше 650 Мб), поэтому они являются превосходными носителями для больших программных продуктов и мультимедийных данных. Компакт-диски изготовляют из прозрачного пластика диаметром 120 мм и толщиной 1,2 мм. На пластиковую поверхность напыляется слой алюминия или золота. Запись на диск происходит путем выдавливания на поверхности дорожки углубления. 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. В настоящее время широко используются 4 вида оптических накопителей. Накопитель CD-ROM (CD Read Only Memory) используется для чтения оптических компакт-дисков. Накопитель CD-R (CD-Recordable) — внешне похожий на накопитель CD-ROM и совместимый с ним по размерам дисков и формату записи, позволяет выполнить одноразовую запись и неограниченное количество считываний. Накопитель CD-RW (CD-ReWritable) используется для многоразовой записи данных, причем можно как дописать новую информацию на свободное пространство, так и полностью перезаписать диск (предыдущие данные уничтожаются). Накопитель DVD (Digital Video Disk) — устройство для записи и чтения цифровых видеозаписей. Внешне DVD-диск похож на обычный CD-диск (диаметр — 120 мм, толщина — 1,2 мм), однако отличается более высокой плотностью записи (на одной стороне DVD-диска может быть записано до 4,7 Гбайт). Запись на DVD-диск производится на обе поверхности. Основной характеристикой оптических накопителей является скорость передачи данных, которая измеряется в кратных долях скорости проигрывателя аудио-компакт-дисков (150 Кб/с) и характеризует максимальную скорость, с которой накопитель передает данные в оперативную память компьютера. Например, 2-скоростной CD-ROM (2×) будет считывать данные со скоростью 300 Кб/с, 50-скоростной (50×) — 7500 Кб/с. Перспективными носителями данных являются электронные схемы, использующие Flash- (флэш-) память. Flash-память относится к статической энергонезависимой памяти. По устройству чип flash-памяти напоминает микросхему динамической энергозависимой памяти, только вместо конденсаторов ячейками памяти являются полупроводниковые приборы (транзисторы), принимающие одно из фиксированных положений — закрытое или открытое, тем самым моделируя логические ноль и единицу. Отличительные особенности носителей с flash-памятью: компактность, энергонезависимость, высокая емкость, бесшумная работа. Эти устройства подключаются к компьютеру, как правило, через интерфейс USB. Кратко