История появления первых компьютеров

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ

УЧЕБНЫЕ МАТЕРИАЛЫ К ДИСЦИПЛИНЕ

«ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ, СЕТИ И ТЕЛЕКОМУНИКАЦИИ»
Оглавление

Введение

1. Этапы развития вычислительной техники

1.1.История появления первых компьютеров

1.2.Поколения ЭВМ

1.3.Основные типы ЭВМ

2. Принципы работы компьютера

2.1.Общее устройство компьютера

2.2.Производительность компьютера

2.3.Архитектура персонального компьютера

2.4. Стандарт (конструктив) системного блока персонального компьютера

3. Микропроцессор

3.1.Общее устройство микропроцессора

3.2.Тактовая частота микропроцессора

3.3.Разрядность микропроцессора

3.4.Архитектура микропроцессора

3.5.RISC-процессоры

3.6.Современные микропроцессоры семейства х86

4. Оперативная память

4.1. Понятие об оперативной памяти и её основные характеристики

4.2. Требуемый объём памяти

4.3. Основные способы реализации оперативной памяти

4.4. Разновидности интерфейса динамической памяти

4.5. Числовые характеристики оперативной памяти

4.6. Двухканальные контроллеры памяти

4.7. Память DDR2

4.8. Память DDR3

4.9. Скорость работы памяти

5. Шины

5.1. Общие сведения о шине

5.2. Процессорная шина

5.3. Шина Hyper Transport

5.4. Шина памяти

5.5. Шина PCI

5.6. Шина AGP

5.7. Последовательная шина PCI-Express

5.8. Последовательная шина USB

5.9. Последовательная шина FireWire

5.10. Внешняя шина eSATA (External Serial ATA)

6. Жёсткие диски

6.1. Устройство жёсткого диска

6.2. Характеристики жёстких дисков

6.2.1. Габариты жёстких дисков (Form Factor)

6.2.2. Ёмкость жёсткого диска

6.2.3. Скорость вращения пластин

6.2.4. Система адресации на жёстких дисках

6.2.5. Быстродействие жёстких дисков

6.2.6. Объём буферной памяти (кэша)

6.2.7. Шум

6.2.8. Надежность

6.3. Интерфейсы жёстких дисков

6.4. RAID- массивы

6.5. Физическая и логическая структура жёстких дисков

6.6. Файловые системы

7. Видеоподсистема

7.1. Разновидности дисплеев

7.2. Основные принципы работы дисплеев на базе электронно-лучевой трубки

7.3. Жидкокристаллические дисплеи

7.4. Другие виды дисплеев

7.5. Видеоадаптеры

8. Микросхемы системной логики

Этапы развития вычислительной техники

История появления первых компьютеров

Рассматривая основные этапы развития вычислительной техники, можно наметить следующие временные рамки:

1.Домеханический этап - с 30-40-го тысячелетия до н.э.

2.Механический - с середины ХVII в.

3.Электромеханический – с 90-х годов XIX в.

4.Электронный - со второй половины 40-х годов XX в.

На домеханическом этапе счет велся на пальцах, с помощью перекладывания предметов, а также нанесением зарубок на бирках, в качестве которых использовались кости или деревянные бруски. Память о тех временах сохранилась в некоторых словах, например слово " карбованец" происходит от слова " карб", что означает " зарубки на палке". Параллельно с использованием бирок использовался счет с помощью узелков на веревках.

Развитие торговли, промышленности и мореплавания еще в древности потребовало совершенствования процессов обработки числовых данных. Приблизительно в V в. до н.э. в Древней Греции и Египте появилась счетная доска - " абак". Абак представляет собой счетный прибор, на котором имеются строчки для хранения отдельных разрядов чисел - единиц, десятков, сотен и т.д. Носителями разрядов в абаке были камешки, косточки, металлические жетоны и т.п.. Итогом эволюции абака стали конторские счеты, просуществовавшие до наших дней.

Механический этап вычислительной техники отсчитывается от 1642 г., когда была изобретена суммирующая машина Паскаля. Механическое вычислительное устройство использует механические конструкции (например, зубчатые передачи), обеспечивающие передачу десятков из низшего разряда в высший. Суммирующая машина, созданная французским учёным Блезом Паскалем, могла выполнять только два действия - сложение и вычитание. Первый арифмометр, т.е. устройство, предназначенное для выполнения не только сложения и вычитания, но и умножения и деления, был создан немецким философом и математиком Готфридом Лейбницем в 1673 году. За несколько столетий арифмометры претерпели многочисленные усовершенствования и изменения. Наиболее совершенный арифмометр был изобретен в России в 1873 г. Его автор - Вильгодт Теофил Однер - шведский инженер, переселившийся в нашу страну. Арифмометр Однера стал самым массовым вычислительным устройством, которое изготавливалось во многих странах: В нашей стране этот арифмометр выпускался под названием " Феликс" до начала 70-х годов в количестве несколько сот тысяч экземпляров ежегодно. Только распространение электронных калькуляторов вытеснило арифмометры Однера из всеобщего употребления.

Скорость и точность вычислений, выполняемых на арифмометре, во многом зависят от работающего на нём человека, держащего последовательность расчета (т.е. программу) в своей памяти. Идея создания полностью автоматической вычислительной машины принадлежит английскому ученому Чарльзу Бэббиджу, который много лет, начиная с 1834 года, разрабатывал проект и пытался построить " Аналитическую машину" (Analytical Engine).

Рис. 1.1. Чарльз Бэббидж

По своей архитектуре эта машина была механическим прототипом современного компьютера, она имела свыше 50000 деталей и состояла из двух основных частей: mill (" мельницы", процессора в современной терминологии), где выполнялись четыре основных действия арифметики над поступающими данными, и store (" амбара", оперативной памяти), в котором хранились исходные данные и промежуточные результаты. Числа можно было передавать на " мельницу", обрабатывать там и возвращать в тот или иной регистр " амбара". Ввод-вывод данных и хранение программы осуществлялось с помощью перфокарт, к тому времени хорошо известным и широко использовавшихся с 1801 г. на ткацких станках Жаккара. Устройство ввода предусматривало тасование колоды перфокарт вперёд-назад на определенное число позиций, что обеспечивало условные переходы в программах. К сожалению, Аналитическую машину не удалось создать из-за финансовых трудностей и низкого уровня развития техники тех лет.

Идеи Чарльза Бэббиджа впервые были реализованы в 1941г. в Германии, где инженер Конрад Цузе (Konrad Zuse) построил вычислительную машину " Z-3" с программным управлением и хранением программы в запоминающем устройстве. Z-3 была построена на 2000 телефонных электромеханических реле, управление вычислениями осуществлялось по программе, записанной на перфоленту, в качестве которой использовалась обычная кинолента. Исходные данные вводились с помощью клавиш, результаты выводились на световое табло. Рабочая частота машины составляла 5- 10 Гц, операции умножения и деления выполнялись за 3 секунды, сложение- за 0, 7 секунды. В машине Z-3, однако, не были реализованы условные переходы, поэтому машина не могла решать сложные задачи с разветвлёнными алгоритмами. Примерно в то же время, в 1944 году, в США в Гарвардском университете под руководством американского ученого Говарда Айкена (Howard H. Aiken) и при поддержке фирмы IBM была построена электромеханическая програмно-управляемая вычислительная машина МАРК-1 (Harvard Mark 1). Управление ею осуществлялось с помощью бумажной перфоленты, исходные данные вводились с перфокарт. Машина МАРК-1 имела высоту 2.5 м, длину- 17м, 760 000 деталей (таких, как зубчатые счетные колеса, реле и т.п.), общая длина проводов составляла 800 км, вес всей машины достигал 5 т. В отличие от Z-3, Марк-1 могла использовать условные переходы.

Электромеханическая вычислительная машина была примерно в 100 раз производительнее самых быстрых арифмометров, снабженных электроприводом, и все же применявшиеся в ней механические и электромеханические элементы не могли конкурировать по скорости работы с электронными вакуумными лампами, ставшими основой первых Электронных Вычислительных Машин.

Электронная вакуумная трубка была изобретена в 1906 году американским инженером-электротехником Ли де Форестом, который обнаружил, что потоком электронов можно управлять, если разместить на пути электронов заряженную сетку. В частности, таким обрезом может быть усилен электрической ток. На основе электронных ламп были созданы первые радиоприемники, телевизоры, электронно-вычислительные машины.

В 1945 году в высшем техническом училище Пенсильванского университета (США), физик Джон Моучли и инженер Проспер Эккерт построили первую полностью электронную вычислительную машину ENIAC, так же, как и МАРК-1 предназначенную для расчета артиллерийских таблиц.

Благодаря переходу от электромеханических реле к электронно-вакуумным лампам, ENIAC работала а 1000 раз быстрее, чем МАРК-1. ENIAC была громоздким сооружением - весила более 30 тонн, занимала площадь в 150 м², состояла из 18000 электронных ламп, 1500 электромеханических реле. Другим недостатком этой машины было то, что она не хранила программу в электронной памяти, как это обычно принято на ЭВМ. Для создания и хранения программы надо было на широкой длинной панели вручную устанавливать тысячи переключателей и втыкать сотни штекеров в гнезда. Таким образом, программа набиралась несколько часов и даже дней. Первая в мире программа, полностью хранимая в электронной памяти машины, была выполнена в июне 1948 года в Манчестерском университете (Великобритания) на компьютере SSEM (Small-Scale Experimental Machine). Этот небольшой экспериментальный компьютер (получивший прозвище " The Baby") стал прототипом полномасштабной модели " Manchester Mark 1" (1949), а затем первого в мире коммерческого компьютера " Ferranti Mark 1", поставки которого начались в феврале 1951 года.

В СССР первая ЭВМ была создана в 1951-м году в Киеве в Институте Математики АН УССР, под руководством академика Сергея Алексеевича Лебедева (в конце XX в. Лебедев был посмертно награжден медалью " Компьютерный пионер", которую вручают только тем, кто внес исключительно важный вклад в мировое развитие вычислительной техники). Первая советская ЭВМ называлась " МЭСМ" - Малая Электронная Счетная Машина. МЭСМ размещалась на площади 60 м², имела 6 тыс. электронных ламп. Её быстродействие составляло 3 000 операций в секунду, внешняя память отсутствовала.

В 1952-54 годах была создана Быстродействующая Электронная Счетная Машина " БЭСМ", выполнявшая 8000 оп/сек. и являвшаяся в то время одной из самых производительных в мире.