Принципы фон Неймана, положенные в основу работы компьютера
Классификация ЭВМ
Кодирование звуковой информации
Звук представляет собой звуковую волну с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой.
Чем больше амплитуда, тем он громче для человека, чем больше частота сигнала, тем выше тон.
Программное обеспечение компьютера в настоящее время позволяет непрерывный звуковой сигнал преобразовывать в последовательность электрических импульсов, которые можно представить в двоичной форме.
Аудиоадаптер (звуковая плата) – специальное устройство, подключаемое к компьютеру, предназначенное для преобразования электрических колебаний звуковой частоты в числовой двоичный код при вводе звука и для обратного преобразования (из числового кода в электрические колебания) при воспроизведении звука.
В процессе записи звука аудиоадаптер с определенным периодом измеряет амплитуду электрического тока и заносит в регистр двоичный код полученной величины.
Затем полученный код из регистра переписывается в оперативную память компьютера.
Качество компьютерного звука определяется характеристиками аудиоадаптера: частотой дискретизации и разрядностью.
Электронная вычислительная машина (ЭВМ) – комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.
ЭВМ различают, например:
- по этапам создания и используемой элементной базе ЭВМ условно делятся на поколения;
- по назначению;
- по мощности;
- по размерам и т.д.
Рассмотрим классы ЭВМ по функциональным возможностям и по габаритным характеристикам. С развитием всех этих классов, часто границы между ними размываются.
Например, современные микро-ЭВМ не уступают по некоторым своим характеристикам мини-ЭВМ выпуска прошлых лет, а стоимость портативного персонального компьютера значительно превышает стоимость настольного компьютера, имеющего такие же основные параметры.
Функциональные возможности ЭВМ обуславливают важнейшие технико-эксплуатационные характеристики:
- быстродействие, измеряемое усредненным количеством операций, выполняемых машиной за единицу;
- разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует ЭВМ;
- номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих устройств;
- номенклатура и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;
- система и структура машинных команд и т.д.
Рис. Классификация ЭВМ по размерам и вычислительной мощности.
1. СуперЭВМ – вычислительная система, относящаяся к классу самых мощных систем. Такие ЭВМ требуют специальных помещений, т.к. имеют большие габариты, сложны в обслуживании. Число параллельно работающих процессоров - более 100.
Назначение – сложные научные расчеты, решение исследовательских и инженерных задач в областях «высоких технологий», метеорологическое прогнозирование, управление крупными банками.
2. Большие ЭВМ (мейнфреймы) – универсальные компьютеры общего назначения. Исторически эти ЭВМ появились первыми. Большие ЭВМ используют, как правило, в режиме разделения времени, обслуживают одновременно многих пользователей (до 1000 рабочих мест). На компьютерах этого класса сейчас находится около 70% “компьютерной” информации.
Назначение – поддерживают работу по управлению крупными фирмами, предприятиями, средними и малыми банками. Используются для обработки больших массивов информации больших баз данных, а также в качестве серверов вычислительных сетей.
3. Супер мини-ЭВМ – вычислительные машины, относящиеся по архитектуре, размерам и стоимости к классу мини-ЭВМ, а по производительности сопоставимы с большой ЭВМ.
Назначение – системы управления предприятиями, многопользовательские вычислительные системы.
4. Мини-ЭВМ – используются, когда есть избыточность ресурсов больших ЭВМ. Эти компьютеры не требуют специальных помещений, работают в режиме разделения времени.
Назначение - используются в системах управления предприятиями среднего уровня, многопользовательских вычислительных системах.
5. Микро-ЭВМ –появление этих ЭВМ обусловлено появлением микропроцессоров.
Назначение – индивидуальное обслуживание пользователей, работа в локальных автоматизированных системах управления.
a) многопользовательские микро-ЭВМ – микроЭВМ, оборудованные несколькими видеотерминалами и работающие в режиме разделения времени;
b) АРМ или рабочая станция – ЭВМ со специальным программным обеспечением, оборудованная всеми средствами, необходимыми для выполнения работ определенного типа. Например, технические или инженерные АРМ, АРМ для автоматизированного проектирования, АРМ для издательской деятельности, так называемые настольные издательские системы, и др.;
c) встроенные ЭВМ представляют собой вычислители (используемые, например, станком или боевым средством), бортовой компьютер для обработки измерений. Конструктивно они выполняются в виде одной или нескольких плат и не обеспечивают реализацию широкого спектра вычислительных функций;
d) персональные ЭВМ – универсальные однопользовательские микро-ЭВМ. Последние 15-20 лет характеризуются широким распространением персональных ЭВМ во всех сферах человеческой деятельности. Мощные ПЭВМ способны обеспечить работу нескольких пользователей одновременно. Технические характеристики ПЭВМ приближаются к техническим характеристикам АРМ, поэтому на базе ПЭВМ можно построить АРМ, снабдив ее специальным оборудованием и соответствующим программным обеспечением.
Вторая мировая война повлияла на развитие компьютерной техники в США. В 1944 году при поддержке фирмы IBM был сконструирован компьютер, названный «Марк I» (по площади он занимал примерно половину футбольного поля и включал более 600 километров кабеля.). «Марк I» управлялся с помощью программы, которая вводилась с перфоленты. Это дало возможность, меняя вводимую программу, решать широкий круг математических задач. Для выполнения одного вычисления требовалось 3-5 секунд. Эта ЭВМ использовалась, прежде всего, для выполнения баллистических расчетов.
В 1943 году американский ученый Джон Моушли со своим студентом Дж. Преспером Экертом начали конструировать электронный компьютер ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), в котором электромеханические реле были заменены на электронные вакуумные лампы. Это увеличило скорость работы ENIAC по сравнению с «Марк I» в 1000 раз. ENIAC стал прообразом современного компьютера:
- был основан на полностью цифровом принципе обработки информации;
- стал, действительно, универсальной вычислительной машиной, он использовался для расчета баллистических таблиц, для предсказания погоды, для расчетов в области атомной энергетики, аэродинамики и др.
- Важный шаг в развитии вычислительной техники связан с именем американского математика Джона фон Неймана. Ранние вычислительные машины могли выполнять поочередно только команды, поступающие извне. Хотя использование перфокарт позволяло упростить процесс ввода команд, тем не менее, часто процесс настройки вычислительной машины и ввода команд занимал больше времени, чем собственно решение поставленной задачи.
В 1945 году Джон фон Нейман подготовил отчет, в котором определил следующие основные принципы работы и элементы архитектуры компьютера
1. Компьютер состоит из процессора (центрального обрабатывающего устройства), памяти и внешних устройств.
2. Единственным источником активности (не считая стартового или аварийного вмешательства человека) в компьютере является процессор, который, в свою очередь, управляется программой, находящейся в памяти.
3. Память компьютера состоит из ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный адрес. Каждая ячейка хранит команду программы или единицу обрабатываемой информации. Причем и команда, и информация имеют одинаковое представление.
4. В любой момент процессор выполняет одну команду программы, адрес которой находится в специальном регистре процессора – счетчике команд.
5. Обработка информации происходит только в регистрах процессора. Информация в процессор поступает из памяти или от внешнего устройства.
6. В каждой команде программы зашифрованы следующие предписания: из каких ячеек взять обрабатываемую информацию; какие операции совершить с этой информацией; в какие ячейки памяти направить результат; как изменить содержимое счетчика команд, чтобы знать, откуда взять следующую команду для выполнения.
7. Процессор исполняет программу команда за командой в соответствии с изменением содержимого счетчика команд до тех пор, пока не получит команду остановиться.
В дальнейшем архитектура фон Неймана незначительно изменялась и дополнялась, но исходные принципы управления работой компьютера с помощью хранящихся в памяти программ остались нетронутыми.
В 1951 году был создан первый компьютер, предназначенный для коммерческого использования, – ENIAC1 (универсальный автоматический компьютер), в котором были реализованы все принципы архитектуры фон Неймана.