Эволюция архитектуры персонального компьютера

1. Эволюция архитектуры персонального компьютера

2. Содержание История докомпьютерной эпохи: абак и счеты; на пути к счетной машине (машины Блез Паскаля и Готфрида Вильгельма Лейбница); СМ Чарльза Беббиджа, Германа Холлерита; Автоматизация и перфокарты; «Научные калькуляторы»; пионер современной ВТ на европейском континенте (Конрад Цузе) аналоговые машины.

3. Содержание Эволюция компьютера в XX веке: • первое поколение компьютеров (Д. Атанасов); • второе поколение компьютеров; • третье поколение компьютеров; • мини – компьютеры; • параллельные вычисления (А.А. Ляпунов); • троичная система счисления; • отечественные ЭВМ.

4. Содержание Современный компьютер: • четвертое поколение компьютеров; • производство микропроцессоров; • эволюция памяти ЭВМ; • проектирование интегральных схем; • магнитная запись; • внешние запоминающие устройства; • другие нововведения (нейросети, нанотехнологии) ; • квантовые компьютеры; • компьютеры 2010 года. Компьютер и здоровье.

5. Докомпьютерная эпоха Абак ( 4 век до н.э.)– первое счетное приспособление, которое стал применять человек. Его устройство заключалось в наличии «вычислительного» поля, где перемещаются счетные элементы. В XVI век возник дощаной счет в России. Кто был первым? Римский абак Китайские счеты

6. В машинах XVII века каждый разряд имел собственный механизм, связанный с механизмом соседних разрядов. Шаговый барабан – цилиндр с девятью зубцами , увеличивающимися по возрастанию. Данный метод «сдвига» использовался во всех механических калькуляторах СМ Паскаля (1642/3), позволяю-щая складывать в десятичной СС. СМ и шаговый барабан СМ Лейбница (1673) выполнял умножение чисел в десятичной СС.

7. Машины Чарльза Беббиджа В начале XIX века французские ученые предложили задачи на сложные вычисления разбить на малые части, для чего строилась таблица. Машину для автоматизации процесса составления таблиц предложил Беббидж. Важным элементом машины являлся регистр- устройство для хранения десятичных чисел и вывод результатов на печать. В 1834 году появились чертежи аналитической машины, которую при жизни создателя построить не удалось.

8. Германа Холлерита в 1879 году пригласили на работу в национальное бюро по переписи населения. Его предложение механизировать труд счетчиков, использовать в качестве устройства вывода табулятор, а носителя информа-ции перфокарты, принесло ему успех. Выигрыш во времени был десятикратным (1890). В XVIII веке во Франции конструкторы ткацких станков пытались при использовании перфокарт сделать работу челнока автоматической – по программе. В 1801 году Жозеф Мари Жаккар создал станок.

9. «Научные калькуляторы» В 1820 году во Франции Карл Ксавье Томас Колмер , используя механизм машины Лейбница, построил первый механический калькулятор – арифмометр. Арифмометр имел экономический успех и Колмер получает патент на свое изобретение. Более полутора тысяч машин было создано в Германии, производство которых наладил Артур Бургхард. Арифмометр Колмера

10. «Научные калькуляторы» В России над созданием арифмометра с 1874 года работал швед Вильгод Однер, а в 1890 году настольные СМ (основная деталь – зубчатое «колесо Однера») стали произво-диться на заводах России (к 1914 году более 20 тыс, а их модификация «Феликс» выпускалась до 80-х годов XX века). Арифмометр «Феликс»

11. «Научные калькуляторы» Термин «арифмометр» подразумевает механическое устройство, выполняющее четыре арифметических действия. С усовершенствованием были добавлены: запоминание промежуточных результатов и действия над ними, печать результатов и др.В XIX веке прогресс требовал развития математической физики. В 1880 году Томас Алва Эдисон начал выпуск безопасных электрических лампочек. В 1896 году компания General Electric (Германия) разработала новый стандарт в электричестве: использование переменного тока для питания электрических приборов. Калькуляторы оснащаются электрическими моторами. В 1904 году английский физик Джон Амброз Флеминг создал диод, пропускающий ток в одном направлении, через 2 года Ли де Форест (амер) – триод. Благодаря созданию алгебры логики (Джордж Буль) стало возможным конструирование логической схемы, которое было использовано русским ученым Михаилом Александровичем Бонч-Бруевичем и английскими В.Икклз и Ф.Джордан. Они создали электронное реле, сохраняющее один импульс (0 или 1), известный как триггер, основной элемент памяти.

12. Пионер современной ВТ Цузе отличался научным, аналитическим складом мышления. Он самостоятельно воспро- изводит идеи аналити-ческой машины Беббиджа, только не применяет команды условного перехода. Первая полностью механическая машина была построена в 1938 году. Замена механических элементов на электро-механические реле позволило полностью устранить вмешательство человека в процессы считывания, записи и передачи информации. Таким образом, Цузе удалось выстроить замкнутый процесс. Идеи Цузе могли бы быть востребованы, если бы не сложившиеся обстоятельства (Вторая мировая война).

13. Аналоговые машины В отличии от машин Беббиджа в аналоговых машинах числа заданы какими-либо физическими процессами (свет солнца, положение солнца и луны, емкости с водой, напряжение тока, чертежи и др.). Считается, что около 80 г. до н.э. греки, используя геоцентрическую модель Солнечной системы, построили планетарий. Но первым аналоговым ВУ принято считать логарифмическую линейку, изготовленную в 1654 году во Франции (Ребер Биссакер). Аналоговые машины могли давать только частные решения. Установка новой задачи вручную.

14. Эволюция компьютера в XX веке I поколение ЭВМ В 30-х годах перфокарты в качестве носителей информации стали достаточно надежными. Машины «программировались» с перфоленты, в качестве устройства ввода/вывода использовались перфоратор или электрическая печатная машинка. Одна из таких машин - Машина Mark 1 сделана фирмой IBM в 30-х годах. Она размещался вдоль 20 м стены и весила 5 т. В 1942 году Д.Экерт и Д.Моучли (США) создают ENIAC, которая хранила впамяти результаты таблицы умножения.

15. Вычислитель ENIAC состоял из нескольких блоков, имел регистры счетчиков для сложения и хранения результатов, но программа задавалась вручную, что требовало много усилий, в том числе и физических. ENIAC заинтересовался фон Нейман, принявший участие в её создании и модернизации, сформулировав принципы работы ЭВМ. ENIAC можно назвать первым удачным быстродействующим цифровым компьютером, который успешно работал с 1946 по 1955 г.

16. После Второй мировой войны Джон фон Нейман приступил к разработке собственного компьютера – IAS, что означало «Институт передовых исследований» (1952 г.). Машинные слова (команды и данные) стали измеряться в битах, при сложении одно слагаемое помещалось в аккумулятор (буфер), а другое в память. Процессор при выполнении команды в качестве аргумента получал тот регистр, который требовался, т.е. «адрес» регистра определялся самой командой. Для синхронизации работы применялись электронные часы, подающие сигналы через равные промежутки времени- машинные такты. FORTRAN -алгоритмический язык программирования.

17. В 1973 году в Федеральном суде США было оспорено дело о первой цифровой машине в пользу Джона Атанасова, построившего вычислитель в 30 -е годы, работающий на переключателях из электронных вакуумных ламп. Оригинальные идей Атанасова предвосхитили инженерные решения, положенные в основу универсальных ЭВМ. Его попытки запатентовать изобретение - машину АВС, оказались безрезультатными, т.к. вершившись к её созданию в 1948 году после войны, обнаружил, что его компьютер демонтирован.

18. II поколение ПК Компьютеры второго поколения производились примерно с 1955 по 1964 гг. В 1948 году был изобретен транзистор, вытеснившие вакуумные лампы из конст рукции ЭВМ (ТХ-О). Особенностью машин этих поколений является: замена вакуумных ламп на транзисторы; вычисления с плавающей запятой;появление языков программирования высокого уровня;стало возможным не только читать и писать по адресам в памяти, указанным в команде, но и вычислять их; увеличился набор команд;разработан процессор IO (input,output) для управления тольковводом и выводом;началась разработка систем пакетной обработки и ПО.

19. Усовершенствовалась память машин. Электронно-лучевые трубки и ультразвуковые линии задержки со временем были заменены ферритовыми сердечниками и магнитными барабанами. Двоичные цифры записываются на вращающийся барабан путем намагничивания маленьких участков, когда те проходят мимо головки записи-чтения. Пушка электронно- лучевой трубки при записи «зажигала» небольшую область экрана в форме тире, установив значение в бита в 1 или в форме точки в 0. На вспомогательном электроде сигналы считывалисьв память (объем всего в 1024 или 2048 бит в 50-60 гг).

20. Модель IBM 7094 – построен на транзисторах в середине 60-х годов, выполнял 350 тыс. операций в секунду, стоимость его 3,5 млн. долларов, 32768 битовых слов в памяти на ферритовых сердечниках, обладал канальными процессорами.В качестве внешней памяти использовался накопитель на жестких магнитных дисках. Было предусмотрено специальное управляющее устройство, переключающее доступ к памяти между процессорами центральным и канальными. Индексация и косвенная адресация использовалась при работе с массивами, применялись подпрограммы.

21. Процесс ввода-вывода происходил следующим образом: • Центральный процессор встречает инструкцию ввода-вывода. По ней он определяет, где находится программа ввода-вывода. • Центральный процессор передает имя устройства ввода-вывода и запускает программу. • Канальный процессор выполняет программу и по окончанию (правильных или с ошибкой) действий сохраняет код завершения в статусном регистре. Затем посылает прерывание центральному процессору, сообщая о выполнении ввода-вывода. Команды ввода-вывода делятся на три группы: • Инструкции управляющие устройствами ввода-вывода. • Инструкции передачи данных. • Управляющие инструкции или инструкции условного и безусловного перехода.

22. III поколение ПК 1965 год считается годом появления компьютеров третьего поколения, различия которых с компьютерами II поколения кажутся не так значительными. Огромное количество транзисторов, бесчисленное множество проводов надо было собрать воедино. Революцию в технологии производства ЭВМ вызвало создание интегральных схем. Джек Килби собрал транзисторы, конденсаторы и резисторы в куске полупроводника. Джин Херни, Курт Лиховец изолировали элементы пленкой из оксида кремния, технологию Роберта Нойса назвали планарной (плоской), т.к. обрабатывалась целая кремниевая пластина. Изготовление транзисторов из кремния предложил в 1954 г. Гордон Тил.

23. Микропрограммирование Техника микропрограммирования (конструирование сложных команд процессора из простых - микрокоманд) стала использоваться при проектирова-нии процессоров, что обеспечило гиб-кость программ процессоров, но не программ работы внешних устройств. Принципы Морис Вилкеса: 1) каждая инструкция состоит из микро-инструкций, содержащихся в управляющей памяти; 2) микроинструкция пишется для микродействия; 3) каждое выполнение инст- рукции приводит к выполне- нию следующей микро- инструкции из управляющей памяти.

24. Операционные системы предназначались для выполнения одновременно нескольких параллельных процессов, управления и распределения ресурсов ПК, установки очередности команд, взаимодействия. Они назвались мастер-программой. Компьютер Atlas (1961 г.) имел одну из первых таких систем. Мультипрограммирование предполагало параллельное выполнение программ, разделяющих память ПК, автоматически подгрузки программ с дисков.

25. Мини – компьютеры характеризовались «коротким» машинным словом (8-32), ограниченными аппаратными и программными средствами, но невысокая цена и небольшие размеры обусловили их широкое применение как машины для управления станками, цехами, небольшими заводами. Представитель – PDP1 и 11. Он имел стек – место временного хранения регистров адресов подпрограмм, дисковод сменного магнитного диска.

26. Алексей Андреевич Ляпунов один из первых отечественных ученых, кто оценил значение кибернетики, боролся за ее существование на Родине. В 1953 г. Организует семинар по программированию, награжден медалью «Компьютерного общества». Он основатель советской кибернетики и программирования. Им создан операторный метод, по существу первый язык программирования, отличный от машинного.

27. Троичная система счисления была предложена в 1840 году французом Леоном Лалланом и была успешно применена С.Л. Соболевым при создании ЭВМ «Сетунь». Устройства оказались не только более простыми и быстрыми, но и надежными. «Сетунь» превосходила другие малые машины по производительности. И хотя, проект «Сетунь» единствен-ный пример применения троичной системы счисления, возможно время троичных машин еще придет.

28. Отечественные ЭВМСССР являлся одним из немногих участников гонки в компьютеростроении. В 1948 году Сергей Алексеевич Лебедев создает первую отечественную ЭВМ МЭСМ, а затем и БЭСМ, положивших начало созданию целой серии цифровых машин. В 1958 году начался серийный выпуск ламповых машин БЭСМ-2, потребляемая мощность которых составляла 75кВт.

29. В 1964-66 годах появились ПК БЭСМ-4,6. они собирались на полупроводниках, имели 4-16 магнитных барабана памяти, с быстродействием 1 млн. операций, а потребляемая мощность – всего 8 кВт. Имели мультипрограммный режим работы, схему защиты памяти, автоматического присвоения адресов. Для программирования применялись языки FORTRAN и ALGOL. Лебедев и Мельников у БЭСМ 6 К отечественным суперЭВМ относятся «Минск 22», «Эльбрус 1» и др. В МВТ много неординарных решений: снабжение триггером, но и многое копировалось с зарубежных аналогов из-за отсутствия высоких технологий в электронике.

30. Машины академика В.М. Глушкова ЭВМ МИР – ПК, первый компьютер, использующий алгоритмический язык. Программист работал за столом с электрической пишущей машинкой, с которой вводилась и выводилась информация. В 1969 году выпущена машина МИР 2, работающая с перфолентами, которая была куплена американ-ской фирмой IBM. В машине предусматривалось микропрограммирование.

31. IV поколение ПК - поколение сверхбольших интегральных схем С 60-х годов ХХ столетия , когда главными элементами компьютера становятся чипы, достигшие в 1986 году объема память в 1 Мб, началось массовое производство персональных компьютеров. Основным элементом схемы остаются транзисторы, которых на схеме более миллиона. Интегральные схемы соединяют с помощью пучка проводов или много проще: на листе изолятора «рисуют» соединения из меди и крепят микросхемы.

32. Джек Килби, отец интегральной схемы, только в 2000 году удостоил Нобелевской премии за свое гениальное изобретение.

33. МикропроцессорыС возникновением интегральных схем появилась возможность изготовить процессор на в одном чипе, т.е. создать микропроцессор. В 1974 году фирма Intel выпускает 8 битный микропроцессор и перехо-дит к разработке 16-, …, 64 - битных совместимых с другими. Быстродей-ствие определялось особенностями интегральной схемы и задавалась кварцевым генератором. Первый имел тактовую частоту в 2,5 МГц.

34. Транзистор, изобретенный в 1948 году, принес его авторам Уильяму Шоки, Уолтеру Браттейн, Джону Бардин Нобелевскую премию. Полупроводники, из которых изготавливают транзисторы и диоды делятся на полупроводники с электронной и дырочной проводимостью. Из транзисторов составляют вентиль или триггер. Причем современные транзисторы не на кристалле кремния, а на арсениде галлия, увеличивающие скорость более чем в 5 раз.

35. Микрокомпьютеры – компьютеры с одним чипом, маленькой памятью и неболь-шим количеством портов ввода/вывода начали производить с 70-х годов и применялись для станков с ЧПУ, бытовой техники и др. Часто машина размещалась в одном корпусе с клавиатурой, в качестве монитора использовали телевизор.Появился новый класс ЭВМ широкого применения – ПК.

36. Знамениты ПК – Macintosh. 1 апреля 1976 г. основана фирма Apple, первая машина которой имела память 8 Кб. Lisa В 1983 году фирмой создан компьютер Lisa со странным устройством-манипулятором для ввода графической информации, которое назвали мышь.

37. Производство микропроцессоров - это сложный дорогостоящий процесс. Кремниевая пластина, состоящая из заготовок – кристаллов, образованных миллионами транзисторов обрабатывается за одну операцию. В производственных помещениях должна быть абсолютная чистота. Рисунок на носится электронным лучом.

38. Проектирование интегральных схемКристалл в несколько миллионов элементов нельзя разработать вручную. Для этого применяются программы автоматизированного проектирования в 3 этапа: 1. Задание интегральнойсхемы;2. Верификация интегральной схемы;3. Подготовка производства интегральной схемы.

39. Эволюция памяти ЭВМ: - повышение производи-тельности и объема; - уменьшение стоимости.Применяемые технологии: - электронно-лучевые трубки и ультразвуковые линии задержки; - ферритовые сердечники; - полупроводники и интегральные схемы. Потребителям приходится искать компромисс между объемом памяти, скоростью доступа и стоимостью. Новый метод металлизации (дамас-ский, схожий с гравировкой металла) позволяет увеличить выход годных микросхем.

40. Магнитная записью существует более 100 лет. Первый прибор в 1898 г. создан В. Пуольсоном, работавшем в телефонной компании. Он применил магнитопровод, магнитное поле вырабатывало ток, который преобразовывался в звуковые колебания. Поульсен первым создал универсальную стержневую магнитную головку для магнитной записи. Магнитная лента разработана в 30-х годах на фирме BASE.

41. Внешние запоминающие устройства Винчестер CR-ROM ВЗУ: с последователь -ным доступом - (магнитные ленты) и произвольным - (диски).Характеристики:скорость доступа;объем;способ чтения/записи. Дискеты 8,5 и 3 дюйма Flash-карты памяти

42. Искусственные нейронные сети состоят из узлов (аналоги нейронов) и соединений (синоптические связи). Работа сети трактуется импульсами для имитации и управления проходящим возбуждением. Чтобы «научить» систему, необходимо добиться возбуждения нейрона по определенному алгоритму, путем последова-тельного предъявления множества эталонов. Сеть фактически имитирует ассоциативное мышление.

43. Нанотехнология – это применение дольных единиц физических величин, но означает не размер, а тип.В переводе с греческого «нанос» означает «карлик». Нанотехнологии связаны с информатикой, т.к. это компактное хранение информации, методы обработки с помощью ПК и др. «Любой материальный объект – это скопление атомов …» Станислав Лемм. Сканирующий туннельный микроскоп

44. Квантовые компьютерыВТ бывают аналоговые, они решают задачи определенного класса, цифровые же более универсальны. Но есть задачи «универсальные», к решению которых сводятся другие с применением заданных квантовых частиц. Идея квантовых вычислений уже дает результаты. Американский ученый Питер Шор описал воображаемую машину, которую можно применить для одной из «универсальных » задач.

45. Компьютеры 2010 годавозможно будет отличаться высокими показателями тактовой частоты, объемами памяти, компоновкой, средствами связи и др. (upgrade через 3 года), но и созданием систем искус-ственного интеллекта. Портативность, надежность – показатели новых машин. Пока не получается ПК научить мыслить как человека, но они займут ведущее место в здраво-охранении, заменяя поврежденные органы. Купленный прибор должен быть приспособлен к решению конкретных задач на высоком уровне.

46. Компьютер и здоровьеПК стали настолько обыденными, что невольно забываются связанные с ним опасности, как и с любым достижение прогресса. Исследуя эту проблему наука эргономика стремится найти пути снижения нагрузки на организм человека, связанной с работой на ПК, в том числе вредные воздействия на организм человека.Электростатическое поле регулируют обычным проветриванием помещения, применением кондиционеров. монитор с ТСО защитный экран эргономичная клавиатура