1 История развития компьютерной техники, поколения ЭВМ и их классификация Развитие электронной базы, влияющее на усовершенствование ЭВМ. Поколения ЭВМ эвм

Вид материала

Документы

Содержание 2. История развития ПК 3. Основные характеристики ЭВМ 1. Применение ЭВМ в научных исследованиях Модель – система, обеспечивающая требуемую имитацию определенного процесса. Информационная модель Информационная система 2. Применение ЭВМ в медицине 3. Применение ЭВМ в образовании 4. Применение ЭВМ в других областях 1. Основные понятия Процессор – блок компьютера, выполняющий арифметические и логические операции, управляющий работой всех его составных частей. Intel, которая контролирует около 80% рынка микропроцессоров для PC. Наиболее известны еще две фирмы: AMD и Cyrix. Генератор тактовых импульсов – устройство, генерирующее последовательность электрических импульсов. Степень интеграции Внутренняя разрядность данных. Внешняя разрядность данных. Тактовая частота. Адресация памяти. Реальный режим Защищенный режим Виртуальный режим. ... Полное содержание

Подобный материал:

• Лекция Развитие компьютерной техники, 430.69kb.
• Вопросы к контрольной работе, 212.09kb.
• Лекция Программное обеспечение ЭВМ. Классификация и развитие, 218.8kb.
• Программа для поступающих на Направления подготовки бакалавров 231000 «Программная, 191.41kb.
• Малых ЭВМ (СМ эвм), 153.2kb.
• Программа дисциплины по кафедре Вычислительной техники Cхемотехника ЭВМ, 731.86kb.
• Программа по кафедре Вычислительной техники основы Cхемотехники ЭВМ, 492.8kb.
• Программы общего назначения в решении медицинских задач. История развития средств вычислительной, 59.78kb.
• Исследования по компьютерной технике и информатике в узбекистане: история и перспективы, 94.89kb.
• По ЭВМ перечень примерных контрольных вопросов и заданий для текущей работы, 40.23kb.

1 История развития компьютерной техники, поколения ЭВМ и их классификация


1. Развитие электронной базы, влияющее на усовершенствование ЭВМ. Поколения ЭВМ


ЭВМ – электронно-вычислительная машина, которая осуществляет действия с данными, представленными в той или иной форме.

Развитие радиоэлектроники и новейшей технологии произ­водства радиоаппаратуры обусловило смену поколений ЭВМ. Строго говоря, характеристикой поколения ЭВМ является конструктивно-технологическая составляющая элементной базы – вакуумные лампы, полупроводниковые приборы, интегральные микросхемы (ИМС), большие интегральные микросхемы (БИС). Разница между поколениями ЭВМ постепенно становилась все менее от­четливой по мере дальнейшего развития внешних устройств машин, систем связи, программ, дистанционных пультов, архитектуры машин и т.д.

К первому поколению относились ЭВМ, построенные в ос­новном на электровакуумных приборах.

Первая быстродействующая ЭВМ “ЭНИАК” (построена в 1946 г. в США) содержала около 18 тысяч ламп и потребляла более 100 кВт мощности электроэнергии. Машина работала в десятичной системе счисления. Сложение и вычитание произ­водились за 200 мкс, умножение – за 2800 мкс. Она пред­назначалась для решения дифференциальных уравнений в частных производных, а также некоторых других расчетов. В СССР в 1950 г. под руководством академика С. А. Лебедева в АН УССР была создана первая в Европе малая электронная счетная машина МЭСМ, которую можно отнести к классу машин общего назначения (в отличие от “ЭНИАК”, являю­щейся специализированной). Машина МЭСМ содержала около 2000 электронных ламп, работала по параллельно-по­следовательному принципу выполнения операций, имела быст­родействующую память на ламповых регистрах и внешнюю память на магнитном барабане. Структура и основные схемы этой машины являлись классическими, они положены в основу серии отечественных быстродействующих машин БЭСМ (1952 г.), БЭСМ-2, БЭСМ-4 и БЭСМ-6, созданных также под руководством академика С. А. Лебедева. Первые модели серии БЭСМ имели быстродействие до 10 тысяч арифметических дей­ствий в секунду. К первым ЭВМ широкого назначения в СССР относятся и машины М-1 (1952 г.), “Стрела” (1954 г.), “Урал-1” (1957 г.) и др.

Производство и внедрение машин первого поколения име­ло большое значение для создания отрасли электронного ма­шиностроения, для развития методов применения вычисли­тельной техники в различных областях. Так, ЭВМ первого поколения использовались для решения чисто вычислительных задач научного и делового характера. Машины просто ускоряли счет в рамках существующих мето­дов ручных вычислений. Машины первого поколения заложи­ли основу логического построения ЭВМ.

Однако применение электронных ламп сдерживало разви­тие логических и вычислительных возможностей цифровых вычислительных машин. Ламповые ЭВМ имели большие габа­ритные размеры, потребляли большую мощность, имели малое быстродействие, малую емкость оперативной памяти, недоста­точное математическое обеспечение и, что особенно важно, имели невысокую надежность.

Ко второму поколению относились ЭВМ, построенные в основном на полупроводниковых приборах. К ним относятся серийные машины М-20 и М-220, семейства серийных машин “Урал”, “Минск”, “Раздан” с быстродействием до 10–20 тысяч арифметических действий в секунду. В этот же период в Советском Союзе развиваются работы по созданию и применению цифровых управляющих вычислительных машин.

В вычислительных машинах и системах второго поколе­ния транзисторы полностью заменили в качестве активных элементов электронные лампы. Это существенно повысило надежность, снизило потребление мощности и уменьшило раз­меры ЭВМ. Было достигнуто улучшение всех основных харак­теристик, которое сопровождалось снижением их стоимости. Важным достижением явилось также применение в машинах второго поколения печатного монтажа, при котором нужная схема электрических соединений вытравливается на тонкой медной фольге, наклеенной на поверхности плоского листа изоляционного материала, и в некоторых машинах – монта­жа накруткой, при котором зачищенный конец одножильного провода накручивается на вывод, имеющий острые грани (обеспечивается получение высоконадежных соединений без нагрева и применения припоя).

Повысилась надежность периферийных электромеханиче­ских устройств, количество которых в машинах и системах второго поколения увеличилось.

Характерной особенностью ЭВМ второго поколения яви­лась их дифференциация по применению. Появились машины для научных расчетов, для решения экономических задач и, наконец, ЭВМ для управления производственными процесса­ми (управляющие машины). При создании ЭВМ второго поколения возникла необходимость обработки крупных массивов данных – решения большого количества отдельных задач. Этот период (60-е годы XX в.) характеризовался также появлением и развитием АСУ, в которых применялся только позадачный метод обра­ботки информации.

Электронные вычислительные машины второго поколения насчитывали сотни тысяч транзисторов и диодов, до миллиона резисторов и конденсаторов. Все эти компоненты связываются с помощью миллионов витых, сварных, паяных и разъемных соединений в общую систему. Разрабатывать, изготовлять и эксплуатировать такие сложные системы было достаточно трудно, дальнейшее усложнение их уже было почти невозможно. Выход из создав­шегося положения был найден при создании третьего поко­ления ЭВМ и систем на интегральных микросхемах, кото­рые появились в середине 60-х годов.

В машинах третьего поколения большинство транзисторов и дискретных деталей заменяется интегральными микросхе­мами, каждая из которых выполнена в виде отдельного при­бора. Такой прибор в корпусе, примерно равном по размерам транзистору, содержит несколько десятков компонентов, соот­ветствующих дискретным транзисторам, резисторам и конден­саторам. Эти компоненты интегрально, неразборно, соединены между собой и образуют законченный логический функцио­нальный блок, который соответствует сложной транзисторной электронной схеме, но имеет надежность и стоимость (при массовом производстве), приближающиеся к надежности и стоимости отдельного транзистора. При этом общее количест­во разъемных компонентов в ЭВМ значительно уменьшается, повышается ее надежность, а стоимость снижается. Конструк­ции современных ЭВМ третьего поколения весьма разнооб­разны, а комплект устройств, входящих в состав ЭВМ, изме­няется в очень широких пределах.

К машинам этого поколения относятся ЭВМ Единой систе­мы (ЕС) и Системы малых (СМ) ЭВМ.

Середина 70-х годов ознаменовалась появлением первых персональных компьютеров (ПК). Следующие поколения ЭВМ связаны с развитием ПК. Персональные компьютеры являются наиболее широко используемым видом ЭВМ, их мощность постоянно увеличивается, а область применения растет.


2. История развития ПК


В США первый ПК появился в продаже в 1975 г. как набор готовых плат и узлов. Он был выпущен фирмой MITS и имел поэтическое название “Альтаир-8800”. Сейчас этот ПК уже больше не выпускается. Интересно отметить, что вследствие конкурентной борьбы и хода развития технической мысли фирмы (которые были пионерами в области производства ПК) – MITS, IMSAI, РТС и другие к настоящему времени либо утратили свое лидирующее положение, либо перестали существовать вообще. Первые персональные микроЭВМ были дешевыми, но еще не очень надежными устройст­вами; для них не было создано программное обеспечение, пред­назначались они главным образом для ограниченного круга людей, любящих конструировать самостоятельно. Поскольку в самых разнообразных областях человеческой деятельности су­ществовала настоятельная необходимость автоматизации пере­работки информации, а достигнутый уровень технологического развития сделал экономически целесообразным массовое произ­водство инструментального средства автоматизации – персональных компьютеров, последние начали уверенно входить в нашу жизнь.

Второе поколение ПК появилось к концу 70-х годов в виде готовых систем. ПК этого поколения были намного надежнее, и для них было создано пусть примитивное, но намного облегчаю­щее работу программное обеспечение. В это время в лидеры производителей ПК вышли компании Radio Shack, Commodore и Apple. Наиболее популярные модели этих фирм TRS-80, Apple II и PET еще доживают свой век, но по сегодняшним меркам они уже безвозвратно устарели.

В начале 80-х годов появились ПК третьего поколения, харак­теристики которых настолько улучшились, что ПК стали повсе­местно использоваться в деловых приложениях. Успех небольших компаний серьезно встревожил таких гигантов компьютерной ин­дустрии, как IBM, DEC, Hewlett-Packard. Они интенсивно вклю­чились в разработку и производство ПК. В 1981 г. фирма IBM вы­пустила свою первую удачную модель IBM PC. Можно считать, что с этого момента производство ПК прочно встало на индустриальные рельсы и начал формироваться рынок персо­нальных компьютеров.

Наконец, к середине 80-х годов количественные и качествен­ные улучшения характеристик ПК привели к появлению нового поколения ПК – супермикроЭВМ. Основной отличительной чертой этих ПК является использование “полного” 32-разрядного микропроцессора (Motorola 68020, Intel 80386, Texas Instru­ments 32032 и др.), что в конечном счете и определяет все осталь­ные параметры вычислительной машины. Например, 32-раз­рядный микропроцессор 68020 фирмы Motorola имеет следующие основные характеристики: адресуемое пространство – 4 Гбайта, средняя производительность – 6–7 млн. oп./с (типа регистр-регистр, при тактовой час­тоте 25 МГц).

Иногда смену поколений ПК связывают с изменением микро­электронной базы: ПК с 8-разрядными микропроцессорами – I поколение; ПК с 16-разрядными микропроцессорами – II поко­ление; ПК с 32-разрядными микропроцессорами – III поколение. Такая классификация не вполне точно соответствует реальной картине. Дело в том, что стремление максимально “выжать” возможности 16-разрядных микропроцес­соров привело к тому, что стали разрабатываться усовершенство­ванные варианты этих микропроцессоров. Например, использова­ние микропроцессора Intel 8086 с 20-разрядной адресной шиной позволило в модели IBM PC XT поднять верхнюю границу объема оперативной памяти до 1 Мбайта. А завоевавший большую попу­лярность среди широкого круга пользователей ПК IBM PC AT фирмы IBM реализован на базе 16-разрядного микропроцессора Intel 80286 с 24-разрядной адресной шиной, что позволяет нара­щивать оперативную память до 16 Мбайт (максимальный объем полупроводниковой памяти – 24 Мбайта, дополнительно 8 Мбайт подсоединяются как внешние периферийные устройства и исполь­зуются для создания виртуальных дисков и вспомогательных буферов). ПК IBM PC AT обеспечивает среднюю производитель­ность – 3–4 млн. оп./с (типа регистр-регистр, при тактовой частоте 12 МГц). В опера­ционной системе MS DOS пользователю программно доступны 640 Кбайт, остальная память может использоваться в качестве электронных дисков, буферов для печати и т.п. В операционной системе UNIX (точнее, в ее версиях для ПК) программно доступно все адресное пространство в 16 Мбайт. Возможности модели IBM PC AT значительно превосходят возможности других серийно выпускаемых ПК на 16-разрядных микропроцессорах. Фирме IBM удалось создать действительно массовую модель с высокими эксплуатационными характеристиками. Можно с уверенностью констатировать, что фирма IBM стала несомненным лидером в об­ласти производства ПК, а модель IBM PC AT – стандартом для многих других фирм.

Просмотр Фильма. История развития ЭВМ.


3. Основные характеристики ЭВМ


Основные характеристики ЭВМ определяются характеристиками его компонентов. Каждый компонент представляет собой отдельное устрой­ство (device, unit), которое само по себе и во взаимодействии с другими устройствами и определяет характеристики ЭВМ.

Основными компонентами ЭВМ являются:

• центральный процессор (ЦП);

• системная плата;

• основная память;

• жесткий диск;

• монитор;

• графическая карта;

• дисковод для компакт-дисков (CD или DVD).

В литературе и в прайс-листах торговых фирм можно встретить обозначения составляющих компьютера, включающие в себя перечисления основных характеристик.


Процессор Pentium III 600 MHz Intel 256 Kb 133 MHz.

Это обозначает следующее: процессор модели Pentium III, с максимальной частотой работы – 600 MHz, производства Intel, объем вторичного кэша 256 Kb, частота системной шины 133 MHz.


Монитор Sony CPD-G200 0.25 17" 1280x1024 75 Hz ТСО’99.

Это обозначает следующее: монитор производства Sony, марки CPD-G200, с величиной “зерна” 0,25 мм, диагональю экрана 17 дюймов, максимальным разрешением 1280х1024 точек и частотой регенерации 75 Гц, удовлетворяет стандарту ТСО’99.


HDD IBM 13.7 GB IDE 5400 rpm.

Это обозначает следующее: жесткий диск производства IBM, емкостью 13,7 Гбайт, с интерфейсом IDE, скоростью вращения 5400 оборотов в минуту.


Области применения ЭВМ


1. Применение ЭВМ в научных исследованиях


В настоящее время для повышения эффективности научных исследований важное значение приобретает их автоматизация, позволяющая осуществлять моделирование исследуемых объектов, явлений и процессов, изучение которых традиционными способами затруднено или невозможно. Решению этой задачи призваны служить автоматизированные системы научных исследований (АСНИ).

ЭВМ в АСНИ могут использоваться для решения следующих основных задач:

1) управление экспериментом;

2) подготовка отчетов и документации;

3) поддержание базы экспериментальных данных;

4) построение информационных и экспертных систем.

Эффективность применения ЭВМ в автоматизации научных исследований заключается в следующем:

• в несколько раз сокращается цикл исследования за счет ускорения подготовки и проведения эксперимента, уменьшения времени обработки и систематизации данных, уменьшения числа ошибок при измерении и обработке;

• увеличивается точность результатов и их достоверность;

• повышается качество и информативность эксперимента за счет

числа контролируемых параметров и более тщательной обработки данных;

• в ходе интерактивного взаимодействия с АСНИ достигается усиление контроля за ходом эксперимента и возможность его оптимизации;

• сокращается штат участников эксперимента.

Еще одно направление использования ЭВМ связано с решением задач моделирования, часто встречающихся в практической деятельности исследователей.

Модель – система, обеспечивающая требуемую имитацию определенного процесса.

Информационная модель – набор параметров, содержащий всю необходимую информацию об исследуемых объектах и процессах.

Здесь допустимо не только математическое моделирование какого-либо процесса или явления, но и визуально-натурное моделирование, которое обеспечивается за счет виртуального отображения этих процессов и явлений средствами машинной графики (а не табличными данными или графиками, как это принято) в реальном масштабе времени. Рассмотрение различных имитационных вариантов позволяет исследователю выбрать оптимальный.

На высших уровнях иерархии в АСНИ находятся информационная и экспертная системы.

Информационная система – автоматизированная система для хранения большого объема информации, быстрого поиска требуемой информации и вывода ее в удобном для человека виде. Информационная система предназначена для хранения и просмотра базы экспериментальных и других данных. Большие объемы информации часто встречаются при цифровой обработке изображений, например в аэрокосмической съемке, астрофизике, ядерной физике и других подобных областях.

Особое место в АСНИ отводится экспертной системе, которая представляет собой мостик между теорией и практикой. Так, методы анализа данных, берущие свое начало в математической статистике, все усложняются и включают логические структуры, которые обеспечивают более высокий уровень обобщения информации.

АСНИ выпускаются в виде как специализированных компьютерных систем, так и прикладных пакетов общего назначения.

Большой популярностью среди научных работников пользуются интегрированные пакеты АСНИ. Примером такого пакета является система MathCAD фирмы MathSoft, которая позволяет в интерактивном режиме создавать, редактировать и отображать на экране монитора широкий класс функций, решать уравнения, заданные в аналитической или графической форме. Система MathCAD имеет встроенные тригонометрические и гиперболические функции, позволяет оперировать как действительными, так и комплексными числами,

использовать различные системы единиц. Кроме того, встроенный синтаксический анализатор выполняет проверку синтаксической правильности вводимых формул.

Пакет STATISTICA фирмы StatSoft – один из самых мощных пакетов по математической статистике. Он включает очень широкий набор возможностей, в том числе и таких сложных, как кластерный анализ, непараметрическая статистика, нелинейная регрессия, корреляционный анализ. Система имеет удобный интерфейс, управление которым основано на полиэкранных меню.


2. Применение ЭВМ в медицине


За последние 20 лет уровень применения компьютеров в медицине чрезвычайно возрос. Практическая медицина становится все более и более автоматизированной.

Сложные современные исследования в медицине не мыслимы без применения вычислительной техники. К таким исследованиям можно отнести компьютерную томографию, томографию с использованием явления ядерно-магнитного резонанса, ультрасонографию, исследования с применением изотопов. Количество информации, которое получается при таких исследованиях, так огромно, что без компьютера человек был бы неспособен ее воспринять и обработать.

Компьютерная томография представляет собой метод рентгенографического исследования, позволяющий при помощи специальной технологии получать рентгенограммы человеческого тела по слоям и удерживать эти снимки в памяти компьютера после специальной обработки; она дает возможность установить локализацию патологического процесса, оценить результаты лечения, в том числе лучевой терапии, выбрать подходы и объем оперативного вмешательства. Для этой цели используются специальные аппараты с вращающейся рентгеновской трубкой, которая перемещается вокруг неподвижного объекта, “построчно” обследуя все тело или его часть. Так как органы и ткани человека поглощают рентгеновское излучение в неравной степени, изображения их выглядят в виде “штрихов” – установленного ЭВМ коэффициента поглощения для каждой точки сканируемого слоя. Компьютерные томографы позволяют выделить слои от 2 до 10 мм при скорости сканирования одного слоя 2–5 секунд с моментальным воспроизведением изображения в черно-белом или цветном варианте.

Очень важным в последнее время становится использование в медицине компьютеров, объединенных в компьютерные сети при помощи специальных кабелей или телефонных каналов. Такие компьютерные сети позволяют очень эффективно производить обмен данными между удаленными друг от друга компьютерами. В рамках российскогоМинистерства здравоохранения и медицинской промышленности функционирует компьютерная сеть MEDNET, которая позволяет упростить сбор статистических медицинских данных по регионам, делать соответствующую обработку, агрегирование данных и составление отчетности. Кроме того, эта сеть может передавать все данные в любые медицинские учреждения, имеющие компьютеры.

В последнее время также получили распространение компьютерные гипертекстовые системы, которые позволяют таким образом организовать информацию, что она становится легко доступной для людей, не являющихся специалистами в компьютерном деле. Такие гипертекстовые системы могут включать в себя как текстовую информацию, так и звуковую и графическую, в том числе движущиеся видеоизображения. Это делает возможным создание информационных систем, осуществляющих информационную поддержку медиков в тех случаях, когда их квалификации или опыта недостаточно для принятия решений о комплексе лечебных мероприятий. Эти же системы, оснащенные подсистемой вопросов и оценки ответов, могут использоваться для целей обучения.

В медицине широко применяются экспертные системы, основное назначение которых – медицинская диагностика. Диагностические системы используются для установления связи между нарушениями деятельности организма и их возможными причинами. Наиболее известна экспертная диагностическая система MYCIN, которая предназначена для диагностики и наблюдения. Ее первая версия была разработана в Станфордском университете в середине 70-х годов. В настоящее время эта система ставит диагноз на уровне врача-специалиста. Она имеет расширенную базу знаний, благодаря чему может применяться и в других областях медицины.


3. Применение ЭВМ в образовании


Применение вычислительной техники в процессе обучения позволяет уменьшить нагрузку на преподавателя и увеличить качество преподавания в масштабах всей страны. Применение ЭВМ в обучении является продолжением и развитием многолетнего процесса внедрения технических средств в учебный процесс. Существуют следующие формы применения компьютеров в обучении:

• в качестве лабораторных установок, в том числе для моделирования процессов;

• для решения задач и упражнений, курсового и дипломного проектирования;

• для планирования и организации учебного процесса, разработки учебных планов и программ (АСУ учебным заведением);

• как средство автоматизации исследований в области обучения (педагогические и психолого-педагогические исследования, математические модели учебного процесса);

• в качестве управляющего элемента процесса обучения (контроль знаний, предъявление учебного материала, упра­вление ходом обучения);

• для сбора и анализа статистических данных об учебном процессе.

Кроме того, помимо формирования умственных навыков ЭВМ применяется для формирования различного рода двига­тельных навыков в составе тренажеров при обучении некоторым про­фессиям (летчиков, машинистов, водителей).

В настоящее время широкое распространение получили автома­тизированные обучающие системы (АОС) на базе вычислительных сис­тем общего назначения и специализированных устройств. Типичная АОС имеет в своем составе центральную ЭВМ и от 10 до 30 термина­лов, один из которых служит рабочим местом преподавателя, а остальные – рабочими местами обучающихся. Кроме того, получают рас­пространение АОС на базе класса персональных компьютеров, объединенных в локальную сеть, в которой один компьютер явля­ется главным (за ним работает преподаватель).

АОС представляет собой основанный на ЭВМ взаимосвязанный комплекс учебно-методического, информационно-лингвистического и программно-технического обеспечения, ориентированный на управле­ние обучением. В основу АОС заложены идеи программирования обуче­ния. АОС позволяет управлять учебным процессом по гибкой програ­мме, учитывающей некоторые индивидуальные особенности студентов, разгружает преподавателя от целого ряда трудоемких действий и изменяет характер его труда. Индивидуализация в условиях группо­вого обучения достигается за счет дифференцированного режима ра­боты обучаемых, при котором каждый получает информацию независи­мо от других. АОС может обрабатывать и обобщать статистический материал по многочисленным аспектам учебной деятельности с целью дальнейшего совершенствования учебного процесса. Система позволяет в случае необходимости быстро вносить соответствующие изме­нения и дополнения в учебный материал.

В типичной АОС элементарной частью учебной процедуры является шаг обучения, направленный на усвоение логически закончен­ных понятий или действий. Каждый шаг состоит из четырех кадров (элементов): информационного, операционного, контрольного и дополнительного. Информационный кадр выдает обучаемому сведения об изучаемом объекте и способах решения задач. Операционные кадры представляют собой наборы задач, ориентированных на формирование заданных действий и понятий. Контрольный кадр – это набор задач, по результатам решения которых делается вывод о достижении целей обучения, поставленных в данном шаге. Дополнительный кадр служит для коррекции деятельности обучаемого в случае ее отклонения отзаданного образца.

Если на вопрос АОС обучаемый дает неправильный ответ, то система выбирает одну из многочисленных ветвей программы, по прохождению которой человек вновь повторяет соответствующий шаг курса; если же ответ правильный, то ему предлагается следующий шаг. Естественно, что разные обучаемые тратят на усвоение фрагмента разное время. Наиболее способные и приспособленные к данной методике обучения могут получить больше информации, раньше закончить обучение.

АОС автоматически фиксирует все действия обучаемых (количество шагов, время решения задачи, количество ошибок и т.д.) и производит общую оценку обучения как в индивидуальном порядке, так и в группе в целом. Частичное освобождение преподавателя от трудоемких операций контроля и предъявления обучаемым информации позволяет ему, например, уделять больше внимания отстающим, а также давать наиболее успевающим дополнительные виды самостоятельной работы.

В качестве основного средства взаимодействия обучаемого и АОС выступает диалог. Характерными видами обучающего диалога является совместное – обучаемого и АОС – решение задач, выполнение упражнений, моделирование какого-либо процесса, учебные игры и т.д.

Огромным достоинством АОС является возможность использования машинной графики для создания как статических, так и динамических образов – анимации с целью изучения различных процессов природы на основе имитационного моделирования. Анимация – результат работы программы, которая заставляет двигаться объект на экране.

Одним из самых ответственных моментов при создании АОС является анализ и переработка учебного курса, разделение учебно­го материала на отдельные шаги в соответствии с требованиями программированного обучения. Следует указать, что от преподава­теля не требуется знания программирования для ЭВМ, современные АОС предоставляют преподавателю специализированный, понятный ему язык, предназначенный для описания учебного материала и ввода его в ЭВМ. От преподавателя требуется формализация учебного курса, все остальное выполняет ЭВМ.

Перспективным направлением использования АОС является при­менение ее для проведения консультаций, например, абитуриентам при поступлении в вуз. Другим важным направлением использования АОС является контролирование уровня знаний при экзаменах и зачетах.

ЭВМ позволяют не только изменить характер обучения, но и формы образования. В настоящее время развивается новая форма обучения – заочное обучение на базе телекоммуникационных методов связи. Такая форма обучения обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционной. Многие люди получают возможность повышать образование на дому, а преподаватели – индивидуальноконтролировать работу каждого студента и вместе с тем давать общие указания всей аудитории. Студенты могут думать над ответом столько, сколько им требуется.


4. Применение ЭВМ в других областях


Мощными системными применениями вы­числительной техники являются автоматизированные системы управления экономико-организационного типа (АСУ, АСУП и т.п.), системы автоматизации проектирования и конструиро­вания (САПР), информационно-поисковые системы и системы управления сложными технологическими процессами (АСУ ТП).

Появившаяся более чем 30 лет назад система автоматизированного проектирования непрерывно эволюционировала, изменяя свое содержание. Вначале она ассоциировалась со структурным анализом метода конечных элементов. Впоследствии основной упор был сделан на автоматизированное черчение, и сегодня большинство имеющихся САПР в основном ориентировано на выполнение функций черчения. В настоящее время функции САПР расширяются вследствие распространения системы на решение задач интеллектуального плана.

Процесс проектирования представляет собой не только процедуру создания разработчиком некоторой новой информации, в него входит анализ данной проблемы, включающий изучение целей проектирования, имеющихся данных, объектов-аналогов и т.п., выяснение критических параметров и учет существующих факторов, выбор предположительных путей достижения поставленных целей, собственно проектирование, расчет и оптимизация узлов и компонентов, моделирование отдельных процессов, представление результатов в той или иной форме. Все эти стадии составляют содержание автоматизированного проектирования.

Одним из наиболее популярных пакетов САПР является пакет универсального назначения AutoCAD, разработанный фирмой Auto Desk и предоставляющий разработчикам широкие возможности проектирования разнообразных технических систем. Чертежи, рисунки и схемы создаются в интерактивном режиме. В набор функций входит панорамирование, увеличение, масштабирование, поворот, секционирование, штриховка и другие операции преобразования изображений. Одним из важных достоинств системы является возможность работы с трехмерной графикой, позволяющей строить реальные объекты, которые можно обозревать в различных ракурсах. Для создания сложных кривых применяется специальный метод полилиний, представляющих собой соединенные отрезки прямых линий и дуг.

Применение ЭВМ для целей управления началось достаточно давно. Традиционно области управления делятся на административноеи технологическое управление.

В середине 70-х годов сформировался сегодняшний облик автоматизированных систем управления (АСУ). Были автоматизированы регламентированные массовые рутинные операции, обычно возлагаемые на младший управленческий персонал, функции сбора и первичной обработки данных.

В области административного управления значительное место занимает конторская деятельность, связанная с формированием новых документов, справок, отчетов по текущему и предполагаемому состоянию объектов управления. Автоматизация этой деятельности привела к появлению концепции электронного офиса, в котором обработка, передача, хранение и поиск данных осуществляются на основе ЭВМ. Концепция электронного офиса оказалась чрезвычайно плодотворной, ибо она позволяет значительно сократить управленческий штат, улучшить коммуникацию между подразделениями учреждения, повысить оперативность управления.

Поскольку основу деловой деятельности управленческих кадров среднего уровня составляют обработка текстов, хранение и выдача документов, существенными компонентами электронного офиса стали такие программные системы, как текстовые редакторы, электронные таблицы, СУБД.

В деятельности учреждений большую роль играет внутриорганизационное распределение потоков данных, обеспечиваемое средствами передачи данных. Развитие систем автоматизации учрежденческого труда привело к появлению таких средств электронной связи, как электронная почта и компьютеризированные телеконференции. Под электронной почтой понимается передача или распределение информационных сообщений с помощью электронных средств связи. Системы компьютеризированных телеконференций представляют собой технические средства, соединенные линиями связи и предназначенные для одновременного обмена информацией внутри группы людей.

Рассматривая использование ЭВМ в технологическом управлении, можно выделить целую группу применений, связанных с измерениями и отображениями измеренного состояния. ЭВМ оказались информационным ядром принципиально новых средств производства; гибких производственных систем (ГПС) и измерительных комплексов.

Создание на основе ПК контрольно-измерительной аппаратуры, с помощью которой можно проверять изделия прямо на производственной линии, является одной из новых областей применения ЭВМ на предприятиях. Использование ЭВМ в качестве контрольно-измерительных приборов экономически более эффективно, чем выпуск в ограниченных количествах специализированных сложных приборов с вычислительными блоками.

Большой эффект в машиностроении дают ГПС, состоящие изстанков с число­вым программным управлением, автоматизированных складс­ких и транспортных систем, управляемых при помощи ЭВМ.

В АСУ ТП за работой технологического комплекса следят многочисленные датчики-приборы, измеря­ющие параметры технологического процесса (например, тем­пературу и толщину прокатываемого металлического листа), контролирующие состояние оборудования (например, температуру под­шипников турбины) или определяющие состав исходных мате­риалов и готового продукта. Таких приборов в одной сис­теме может быть от нескольких десятков до нескольких ты­сяч.

Датчики постоянно выдают сигналы, меняющиеся в со­ответствии с измеряемым параметром (аналоговые сигналы), в устройство связи с объектом (УСО) ЭВМ. В УСО сигналы преобразуются в цифровую форму и затем по определенной программе обрабатываются вычислительной машиной. ЭВМ сравнивает полученную от датчиков информацию с заданными результатами работы агрегата и вырабатывает управляющие сигналы, которые через другую часть УСО пос­тупают на регулирующие органы агрегата. Например, если датчики подали сигнал, что лист прокатного стана выходит толще, чем предписано, то ЭВМ вычислит, на какое рассто­яние нужно сдвинуть валки прокатного стана и подаст со­ответствующий сигнал на исполнительный механизм, который переместит валки на требуемое расстояние.

Одним из важнейших свойств АСУ ТП является обеспе­чение безаварийной работы сложного технологического комплекса. Для этого в АСУ ТП предусматривается возмож­ность диагностирования технологического оборудования. На основе показаний датчиков система определяет текущее состояние агрегатов и тенденции к аварийным ситуациям и может дать команду на ведение облегченного режима работы или остановку вообще. При этом оператору представляют данные о характере и местоположении аварийных участков.

Таким образом, АСУ ТП обеспечивают лучшее использо­вание ресурсов производства, повышение производительнос­ти труда, экономию сырья, материалов и энергоресурсов, исключение тяжелых аварийных ситуаций, увеличение межре­монтных периодов работы оборудования.

В связи с широким применением ЭВМ в различных областях деятельности человека все большее значение приобретает компьютерная грамотность – умение пользоваться компьютером для выполнения определенных задач.


Модели процессоров и их характеристики

1. Основные понятия

Основной компонент компьютера – процессор, точнее центральный процессор (Central Processing Unit, CPU). Подобные процессоры находятся не только в PC (Personal Computer) – в принципе процессором оборудована каждая современная стиральная машина или микроволновая печь. CPU регулирует, управляет и контролирует рабочий процесс. Он находится в постоянном взаимодействии с другими элемента­ми материнской платы до тех пор, пока PC включен.

Процессор – блок компьютера, выполняющий арифметические и логические операции, управляющий работой всех его составных частей.

В области PC имеется однозначный лидер на рынке – фирма Intel, которая контролирует около 80% рынка микропроцессоров для PC. Наиболее известны еще две фирмы: AMD и Cyrix.

Микропроцессоры отличаются друг от друга двумя основными характеристиками – типом (моделью) и тактовой частотой.

Процессоры, как и все электрические схемы, получили обозначение типов. Для PC обозначение CPU младших поколений начинается с 80, затем следуют две или три цифры, которые при необходимости дополняются буквами или дальнейшими цифра­ми, указывающими тактовую частоту процессора. Тактовая частота задается генератором тактовых импульсов.

Генератор тактовых импульсов – устройство, генерирующее последовательность электрических импульсов.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик ПК и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция машины выполняется за определенное количество тактов. Разные процессоры выполняют одну и ту же операцию за разное количество тактов.

Определение типа процессора чаще всего начинается с сокращения, идентифицирую­щего изготовителя. Например: i80486DX-50 обозначает процессор типа 80486, изготовленный фирмой Intel и работающий с тактовой скоростью 50 МГц. (Герц – единица частоты. Частота в 1 Герц означает, что производится одно действие в секунду.) Микросхемы фирмы Advanced Micro Devices обозначаются префиксом AMD, a процессоры Cyrix маркируются как СХ. При запуске PC эти буквы появляют­ся на экране монитора перед номером типа процессора.

Производительность – относительная эффективность работы компьютера или устройства, определяемая с помощью тестов.

Производительность CPU характеризуется следующими основными пара­метрами:

• степенью интеграции;

• внутренней и внешней разрядностью обрабатываемых данных;

• тактовой частотой;

• памятью, к которой может адресовываться CPU.

Степень интеграции микросхемы (чипа) показывает, сколько транзисторов может в нем уместиться. Для процессора Pentium (80586) Intel – это прибли­зительно 3 млн. транзисторов на 3,5 см².

Внутренняя разрядность данных. Существенной характеристикой процессора является количество бит, которое он может обрабатывать одновременно внутри CPU. Для ариф­метических команд, выполняющихся CPU, важно, сколько бит могут обрабатываться одновременно: 16, 32 или 64.

Внешняя разрядность данных. Увеличение производительности системы вследствие увеличения количе­ства бит, обрабатываемых внутри процессора, ощущалось бы, если бы другие элементы материнской платы смогли справиться с таким обменом данными с CPU.

По этой причине материнская плата с процессором 386SX (32-битная внут­ренняя разрядность и 16-битная внешняя) может работать порой так же, как и плата с процессором 386DX (32-битная разрядность, как внутренняя, так и внешняя).

Тактовая частота. Конструктивные эле­менты, расположенные на материнской плате, работают строго с указанным тактом, чтобы координировать друг с другом отдельные шаги работы. Также в процессе работы CPU выполняет определенные операции (запись, чтение, обработка данных и т.д.) за точно отведенные единицы времени, что необходимо для синхронизации процесса. Очевидно, что обработка информа­ции тем быстрее, чем выше тактовая частота CPU. Но при этом следует обра­тить внимание и на другие микросхемы. Они должны продуцировать в CPU данные с такой тактовой частотой, чтобы, как говорят, не затопить его в потоке дан­ных или не заставить ждать новой информации. Конечно, имеются процессоры, кото­рые могут работать с более высокой частотой. Однако только заменой кварцевого генератора опасно заставлять работать всю материнскую плату с более высокой тактовой частотой, потому что, если даже CPU и “выживет”, то этого, возможно, не вынесут другие составные элементы платы.

Адресация памяти. CPU находится в прямом контакте с оперативной памятью PC. Данные, кото­рые обрабатывает CPU, должны временно располагаться в RAM и для даль­нейшей обработки снова могут быть востребованы из памяти. Для CPU 8086/88 область адресации располагается максимум до 1 Мбайт. Процессор 80486 может обеспечить доступ уже к 4 Гбайт памяти.

Реальный режим (Real Mode) соответствует возможностям CPU 8086/8088, позволяя адресовать не более 1 Мбайт памяти.

Чтобы поддержать совместимость с ранее разработанными программами, про­цессоры 286 и даже Pentium работают под управлением операционной систе­мы MS DOS в реальном режиме и используют при этом, конечно же, мини­мальные возможности процессора.

Защищенный режим (Protected Mode) появился впервые в CPU 80286. В этом режиме CPU может адресовать до 16 Мбайт физической и до 1 Гбайта вирту­альной памяти. Если физическая память полностью загружена, то “непомес­тившиеся” данные располагаются на винчестере. Таким образом, CPU рабо­тает не с реальными, а с виртуальными адресами, которые управляются через специальные таблицы, с тем чтобы информацию можно было найти (или сно­ва записать). Эту память называют еще виртуальной памятью, потому что фак­тически она не существует.

Кроме того, в защищенном режиме возможна поддержка мультизадачного режима (Multitasking). При этом CPU может выполнять различные программы в выделенные кванты времени, выпадающие на каждую из программ (пользо­вателю же кажется, что программы выполняются одновременно).

Виртуальный режим. Впервые, начиная с процессора 386, CPU способны эмулировать работу несколь­ких процессоров 8086 (максимум 256) и тем самым обеспечить многопользо­вательский режим таким образом, что на одном PC могут быть запущены одновременно даже различные операционные системы. Естественно, увели­чивается и возможное количество выполняемых приложений.


2. Развитие моделей процессоров и их характеристик


Первый 16-разрядный процессор i8086 фирма Intel выпустила в 1978 году. Часто­та – 5 Мгц, позже появились процессоры с частотой 8 и 10 МГц. Технология 3 мкм, 29 000 тран­зисторов. Адресуемая память 1 Мбайт. Через год появился i8088 – тот же процессор, но с 8-разрядной шиной данных. С него началась исто­рия IBM PC, неразрывно связанная со всем дальнейшим развитием процессоров Intel. Массовое распространение и открытость архитектуры IBM PC привели к лавинообразным темпам появления нового программного обеспечения, разраба­тываемого крупными, средними и мелкими фирмами, а также энтузиастами-оди­ночками. Технический прогресс тогда и сейчас был бы немыслим без развития процессоров, но, с учетом огромного объема уже существующего программного обеспечения для PC, уже тогда возник принцип обратной программной совмести­мости – старые программы должны работать на новых процессорах. Таким обра­зом, все нововведения в архитектуре последующих процессоров должны были пристраиваться к существующему ядру.

Процессор i80286, знаменующий следующий этап архитектуры, появился только в 1982 году. Он уже имел 134 000 транзисторов (технология 1,5 мкм) и адресовал до 16 Мбайт физической памяти. Его принципиальные новшества – защищенный режим и виртуальная память размером до 1 Гбайт – не нашли массового приме­нения; процессор большей частью использовался как очень быстрый 8088.


Рождение 32-разрядных процессоров (архитектура IA-32) ознаменовалось в 1985 году моделью i80386 (275 000 транзисторов, 1,5 мкм). Разрядность шины данных (как и внутренних регистров) достигла 32 бит, адресуемая физическая память – 4 Гбайт. Появились новые регистры, новые 32-битные операции, существенно доработан защищенный режим, были введены виртуальный режим и страничное управле­ние памятью. Процессор нашел широкое применение в PC; на его “благодатной почве” стал разрастаться Microsoft Windows с прило­жениями. С этого времени стала заметна тенденция “положительной обратной связи”: на появление нового процессора производители ПО реагируют выпуском новых привлекательных продуктов, последующим версиям которых становится тесно на новом процессоре. Появляется более производительный процессор, но и его ресурсы быстро признаются недоста­точными.

История процессора 80386 повторила судьбу 8086/8088: первую модель с 32-раз­рядной шиной данных (впоследствии названной 386DX) сменил 386SX с 16-раз­рядной шиной. Он довольно легко вписывался в архитектуру PC AT, ранее бази­ровавшуюся на процессоре 80286.

Процессор Intel 486DX создан в 1989 году. Транзисторов – 1,2 миллиона, техноло­гия 1 мкм. От процессора 80386 существенно отличается размещением на крис­талле первичного кэша и встроенного математического сопроцессора – FPU (предыдущие процессоры использовали внешние сопроцессоры х87). Далее появились его разновидности, отличающиеся наличием или отсутствием сопроцессора, применением внутреннего умножения частоты, политикой кэширования и другим. Тогда же Intel занялась энергосбере­жением, что отразилось и в линии 386 – появился процессор Intel386SL.

В 1993 году были созданы первые процессоры Pentium с частотой 60 и 66 МГц – 32-разрядные процессоры с 64-разрядной шиной данных, транзисторов – 3,1 миллиона, технология 0,8 мкм, питание 5 В. От 486 процессор Pentium принципиально от­личается суперскалярной архитектурой – способностью за один такт выпускать с конвейеров до двух инструкций.

Процессоры Pentium с частотой 75, 90 и 100 МГц, появившиеся в 1994 году, пред­ставляли второе поколение этих процессоров. При почти том же числе тран­зисторов они выполнялись по технологии 0,6 мкм, что позволило снизить потреб­ляемую мощность. От первого поколения они отличались внутренним умножением частоты, поддержкой мультипроцессорных конфигураций и другим типом кор­пуса. Появились версии (75 МГц в миниатюрном корпусе) для мобильных при­менений (блокнотных PC). Процессоры Pentium второго поколения стали весьма популярными в PC. В 1995 году были выпущены процессоры на 120 и 133 МГц, выполненные уже по технологии 0,35 мкм (первые процессоры на 120 МГц делались по технологии 0,6 мкм). 1996 год называют годом Pentium – появились процессо­ры на 150, 166 и 200 МГц, и Pentium стал рядовым процессором в массовых PC.

Параллельно с Pentium развивался и процессор Pentium Pro, который отличался “динамическим исполнением”, направленным на увеличение числа параллельно исполняемых инструкций. Кроме того, в его корпусе разместили вторичный кэш, работающий на частоте ядра, – для начала объемом 256 Кбайт. Однако на 16-раз­рядных приложениях, а также в среде Windows 95 он был ничуть не быстрее Pentium. Процессор содержит 5,5 миллионов транзисторов ядра и 15,5 миллионов транзисто­ров для вторичного кэша объемом 256 Кбайт. Первый процессор с частотой 150 МГц появился в начале 1995 года (технология 0,6 мкм), а уже в конце года были достигнуты частоты 166, 180 и 200 МГц (технология 0,35 мкм), а кэш увели­чен до 512 Кбайт.

После долгих обещаний в начале 1997 года фирма Intel выпустила процессоры Pentium ММХ. Технология ММХ (MultiMedia extensions, мультимедийные рас­ширения) предполагает параллельную обработку группы операндов одной инст­рукцией. Технология ММХ призвана ускорить выполнение мультимедийных приложений, в частности операций с изображениями и обработки сигналов. Ее эффективность вызывает споры в среде разработчиков, поскольку выигрыш в самих операциях обработки компенсируется проигрышем на дополнительных операциях упаковки-распаковки. Кроме того, ограниченная разрядность ставит под сомнение применение ММХ в декодерах MPEG-2, в которых требуется обра­ботка 80-битных операндов. Кроме ММХ, эти процессоры, по сравнению с обыч­ным Pentium, имеют удвоенный объем первичного кэша и некоторые элементы архитектуры, позаимствованные у Pentium Pro, что повышает производитель­ность Pentium ММХ на обычных приложениях. Процессоры Pentium ММХ имеют 4,5 миллиона транзисторов и выполнены по технологии 0,35 мкм. Развитие линейки моделей Pentium ММХ сейчас остановилось. Последние достигнутые тактовые частоты – 166, 200 и 233 МГц. Для мобильных применений (блокнотных ПК) процессоры под кодовым названием Tillamook выпускались по технологии 0,25 мкм, тактовая частота достигла 266 МГц при уменьшенной потребляемой мощности.

В мае 1997 года появился процессор Pentium II. Он представляет собой слегка урезанный вариант ядра Pentium Pro с более высокой внутренней тактовой частотой, в которое ввели поддержку ММХ. Трудности размещения вторичного кэша и процессорного ядра в корпусе одной микросхемы преодолели простым спосо­бом – кристалл с ядром (processor core) и набор кристаллов статической памяти и дополнительных схем, реализующих вторичный кэш, разместили на небольшой печатной плате-картридже. Первые процессоры имели частоту ядра 233, 266 и 300 МГц (технология 0,35 мкм), летом 1998 года была достигнута частота 450 МГц (технология 0,25 мкм), причем внешняя тактовая частота с 66 МГц повысилась до 100 МГц. Вторичный кэш этих процессоров работает на половине частоты ядра.

В 1999 году появились процессоры Pentium III. Частота ядра подбира­ется к 1 ГГц, частота системной шины – 100 и 133 МГц. На базе Pentium II появилось семейство “облегченных” процессоров Celeron, сначала без вторичного кэша, а потом и с интегрированным вторичным кэшем размером 128 Кбайт. Для мощных компьютеров имеется семейство процессоров Хеоn, которое охватывает и Pentium II, и Pentium III. Для этих процессоров характерен больший объем вторичного кэша, поддержка более чем двухпроцессорных конфигураций и более крупный картридж. Есть процессоры Pentium II/III и для мобильных при­менений.

Конечно, перечисленными моделями не исчерпывается весь мировой ассорти­мент микропроцессоров. Это только представители семейства процессоров, име­ющих обобщенное название х86. Ряд фирм (например, AMD, Cyrix, IBM) выпуска­ет процессоры, совместимые с перечисленными процессорами Intel и имеющие свои характерные особенности. Обычно они слегка отставали от изделий Intel, выпускаемых в то же время. Однако процессор К7 от AMD изменил ситуацию. Ряд фирм (DEC, Motorola, Texas Instruments, IBM) имеет разработки процессоров, существенно отличающиеся от семейства х86; есть другие классы процессоров и у Intel. Среди них присутствуют и гораздо более мощные процессоры, относящиеся как к RISC, так и к CISC архитектуре.