История возникновения персональных компьютеров

Варианты представления информации в ПК

Как уже упоминалось, вся информация (данные) представлена в виде двоичных кодов. Для удобства работы введены следующие термины, обозначающие совокупности двоичных разрядов (табл. 3). Эти единицы обычно используются в качестве единиц измерения объемов информации, хранимой или обрабатываемой в ЭВМ.

Двоичные совокупности

Таблица 3

Количество двоичных разрядов в группе				8*1024	8*1024²	8*1024³	8*1024⁴
Наименование единицы измерения	Бит	Байт	Параграф	Килобайт (Кбайт)	Мегабайт (Мбайт)	Гигабайт (Гбайт)	Терабайт (Тбайт)

Восемь последовательных битов составляют байт. Как правило, код символа хранится в одном байте. Такие кодировки называются однобайтными. В одном байте можно закодировать значение одного символа из 256 возможных (2⁸ = 256). Примером такой кодировки может служить код ASCII (American Code for Information Interchange –американский код обмена информацией). В настоящее время все большее применение приобретает двухбайтная кодировка Unicode, в ней коды символов могут иметь значение от 0 до 65535. В этой кодировке имеются коды для практически всех применяемых символов (букв алфавитов разных языков, математических, декоративных символов и т.д.).

Последовательность нескольких битов или байтов часто называют полем данных. Биты в числе (в слове, в поле и т.п.) нумеруются справа налево, начиная с 0-го разряда.

В ПК могут обрабатываться поля постоянной и переменной длины.

Поля постоянной длины:

· слово – 2 байта;

полуслово – 1 байт;
двойное слово – 4 байта;
расширенное слово –8 байт.

Числа с фиксированной запятой чаще всего имеют формат слова и полуслова, числа с плавающей точкой – формат двойного и расширенного слова.

Поля переменной длины могут иметь любой размер от 0 до 256 байт, но обязательно равный целому числу байтов.

Пример 3.15

Структурно запись числа –193₁₀ = -11000001₂в разрядной сетке ПК выглядит следующим образом.

Число с фиксированной запятой формата слово со знаком:

Знак

Абсолютная величина числа

N разряда

Число

4. АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СОВРЕМЕННОГО
ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

Более трех тысяч лет назад в Средиземноморье было распространено простейшее приспособление для счета: доска, разделенная на полосы, где перемещались камешки или кости. Такая счетная дощечка называлась абак и использовалась для ручного счета.

В Древнем Риме подобное изобретение называли calculi или abaculi и изготавливали из бронзы, камня, слоновой кости и цветного стекла. Слово calculus означает «галька», «голыш». От этого слова произошло латинское слово calculatore (вычислять), а затем — русское слово «калькуляция». Абак позволял лишь запоминать результат, а все арифметические действия должен был выполнять человек.

Для простоты понимания основные этапы развития вычислительной техники представлены в виде таблицы.

Этап	Период развития
Ручной	до XVII века
Механический	с середины XVII века
Электромеханический	с 90-х годов XIX века
Электронный	с 40-х годов XX века

Первая механическая машина была построена немецким ученым Вильгельмом Шиккардом предположительно в 1623 году. Машина была реализована в единственном экземпляре и предназначалась для выполнения арифметических операций, но была недостаточно известна, потому долгие годы считалось, что первую суммирующую машину сконструировал Блез Паскаль (французский математик, физик, религиозный философ и писатель) в 1642 году.

В 1674 году Готфрид Лейбниц расширил возможности машины Паскаля, добавив операции умножения, деления и извлечения квадратного корня. Специально для своей машины Лейбниц применил систему счисления, использующую вместо привычных для человека десяти цифр две: 1 и 0. Двоичная система счислений широко используется в современных ЭВМ.

Ни одна из этих машин не была автоматической, они требовали непрерывного вмешательства человека. Но в 1834 году Чарльз Бэббидж первым разработал подробный проект автоматической вычислительной машины, однако, ему так и не удалось воплотить свой проект, так как в то время невозможно было достичь требуемой точности изготовления узлов.

Ч. Бэббидж выделял в своей машине следующие составные части:

«склад» для хранения чисел (по современной терминологии — память);
«мельницу» для производства арифметических действий (арифметическое устройство);
устройство, управляющее последовательностью выполнения операций (устройство управления);
устройства ввода и вывода данных.

В качестве источника энергии для приведения в действие механизмов машины Ч. Бэббидж рассматривал паровой двигатель. Бэббидж предложил управлять своей машиной с помощью перфорированных карт, содержащих коды команд. На этих картах было представлено то, что сегодня мы назвали бы программой. Вообще, Ч. Бэббидж довольно подробно рассматривал вопросы, связанные, как мы сейчас говорим, с программированием. В частности, им была разработана весьма важная для программирования идея «условной передачи управления». Идеи Бэббиджа заложили фундамент, на котором со временем были построены ЭВМ.

Первые программы для вычислительной машины Бэббиджа создавала Ада Лавлейс (Ada Lovelace) — дочь известного поэта Джорджа Байрона, в честь которой впоследствии был назван один из языков программирования. Ада Лавлейс разработала основные принципы программирования, которые остаются актуальными до настоящего момента времени. Ряд терминов, введенных ею, используется и сейчас, например, «цикл», «рабочие ячейки».

Теоретические основы современных цифровых вычислительных машин заложил английский математик Джордж Буль (1815-1864 гг.). Он разработал алгебру логики, ввел в обиход логические операторы И, ИЛИ и НЕ.

В 1888 году Германом Холлеритом была сконструирована первая электромеханическая машина для сортировки и подсчета перфокарт. Эта машина, названная табулятором, содержала реле, счетчики, сортировочный ящик. Изобретение Холлерита было использовано при подведении итогов переписи населения в США. Успех вычислительных машин с перфокартами был феноменален. То, чем за десять лет до этого занимались 500 сотрудников в течение семи лет, Холлерит сделал с 43 помощниками на 43 вычислительных машинах за 4 недели.

В 1896 году Герман Холлерит основал фирму Computing Tabulation Company. Спустя несколько лет это предприятие переименовали в известнейшую теперь фирму International Business Machine Corporation (IBM).

Немецкий инженер Конрад Цузе (Konrad Zuse) был первым, кто успешно осуществил идею создания автоматической электромеханической вычислительной машины на основе двоичной системы счисления. В 1936 году он начал конструировать вычислительный аппарат, работающий в двоичной системе счисления, который впоследствии был назван Zuse 1 (Z1).

В 1941 году Цузе сумел построить действующую модель Zuse 3, которая состояла из 600 реле счетного устройства и 2000 реле устройства памяти.

Еще одна полностью автоматическая вычислительная машина, изобретенная профессором Гарвардского университета Говардом Айкеном (Aiken Howard, 1900-1973 гг.), при участии группы инженеров фирмы IBM, была построена в 1944 г. Она была названа ASCC (другое название Mark 1) и была электромеханической (построена на реле), состоящей приблизительно из 750 тысяч компонентов. На умножение она тратила около 4 секунд.

До знакомства с работами Цузе научная общественность считала машину ASCC первой электромеханической машиной.

В 1937 г. в США Дж. Атанасов начал работы по созданию электронной вычислительной машины. Им были созданы и запатентованы первые электронные схемы отдельных узлов ЭВМ. Совместно с К. Берри к 1942 году была построена электронная машина АВС (Atanasoff-Berry Computer).

В 1943 году в Англии была разработана специализированная ЭВМ Colossus, предназначенная для дешифрации секретных сообщений.

Электронная вычислительная машина, разработанная Эккертом и Маучли (John W. Mauchly and J. Prosper Eckert, Jr.) в США в 1946 г., была названа ENIAC. При создании этой машины Эккерт и Маучли заимствовали основные идеи у Дж. Атанасова. ENIAC была примерно в 1000 раз быстрее, чем ASCC. Она состояла из 18 тысяч электронных ламп, 1,5 тысяч реле, имела вес более 30 тонн, потребляла мощность более 150 кВт.

Первоначально ENIAC программировалась путем соединения проводами соответствующих гнезд на коммутационной панели, что делало составление программы очень медленным и утомительным занятием. Американский математик и физик венгерского происхождения Джон фон Нейман (1903-1957 гг.) предложил хранить программу — последовательность команд управления ЭВМ — в памяти ЭВМ, что позволяло оперировать с программой так же, как с данными. Последующие ЭВМ строились с большим объемом памяти с учетом того, что там будет храниться программа.

В докладе фон Неймана, посвященном описанию ЭВМ, выделено пять базовых элементов компьютера:

арифметико-логическое устройство (АЛУ);
устройство управления (УУ);
запоминающее устройство (ЗУ);
система ввода информации;
система вывода информации.

Описанную структуру ЭВМ принято называть архитектурой фон Неймана.

Принципы фон Неймана были воплощены полностью в проекте EDVAC в 1951 г. В этой машине уже применялась двоичная арифметика и использовалась оперативная память. С этого момента начинается современная история развития вычислительной техники.

Далее процесс развития вычислительной техники делится на поколения. Поколения зависят от элементной базы, смена элементной базы приводит к смене поколения.

1 поколение (1945-1954 гг.) - время становления машин с фон-неймановской структурой. Создавались машины этого поколения на ламповой элементной базе. Определились с основными элементами ЭВМ: центральный процессор (состоит из арифметико-логического устройства и устройства управления), оперативно-запоминающее устройство, устройства ввода-вывода (внешние, или периферийные устройства).

2 поколение (1955-1964 гг.). Замена ламповой элементной базы на миниатюрные устройства – транзисторы привела к уменьшению габаритов и повышению надежности и производительности ЭВМ. Появились языки высокого уровня. Появились операционные системы.

3 поколение (1965-1970 гг.). Вместо транзисторов стали использовать интегральные микросхемы. Микросхемы позволяли разместить десятки элементов на одной пластине размером в несколько сантиметров. Снизились габариты и стоимость. Появились мини-ЭВМ. Получила развитие наука технологий программирования. Появилась тенденция к созданию семейства ЭВМ, например, IBM System 360 и наш отечественный аналог - ЕС ЭВМ.

4 поколение (1970 - 1984 гг.). Переход на большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС), которые позволили разместить на одном кристалле десятки тысяч элементов. Программное обеспечение стало более «дружественным», что повлекло увеличение количества пользователей. Стало возможным создать на одном кристалле (чипе) функционально полную ЭВМ. В начале 1970-х годов фирмой Intel был выпущен первый микропроцессор (все в одном чипе) i4004. Это 4-разрядное параллельное устройство выполняло четыре основных арифметических действия и применялось в карманных калькуляторах.

Фирма Intel, правильно предугадав перспективность микропроцессоров, продолжила интенсивные разработки, и один из ее проектов в конечном итоге привел к крупному успеху, предопределившему будущий путь развития вычислительной техники. Им стал проект по разработке 8 разрядного процессора i8008 (1972 г.). Этот микропроцессор имел довольно развитую систему команд. Именно он был использован при создании персонального компьютера «Альтаир», для которого молодой Билл Гейтс написал один из своих первых интерпретаторов языка Basic. Именно с этого момента следует вести отсчет 5-го поколения.

5 поколение можно назвать микропроцессорным. В 1976 году фирма Intel закончила разработку 16-разрядного процессора i8086. На его основе и был построен первый персональный компьютер. Далее следовали поколения этих процессоров: i80286, i80386, i80486 и, наконец, появились современные процессоры Pentium (1993 г.). Различались эти процессоры разрядностью (количеством одновременно обрабатываемых единичных данных), производительностью и т.д. Название Pentium (а не i80586) для последнего из ряда этих процессоров говорит о том, что значительно была изменена его структура (архитектура) и система команд. Сейчас уже знакомы нам Pentium III, IV…

Итак, датой рождения первого ПК можно считать август 1981 г, именно тогда публике был представлен первый IBM PC (персональный компьютер фирмы IBM). Вычислительная техника постоянно впитывает в себя самые последние достижения науки и технологий (микроэлектроника, лазеры, средства связи), благодаря чему ее развитие идет необычайно высокими темпами.

В настоящее время ведется разработка ЭВМ следующих поколений, характерными особенностями которых будут способность к самообучению, речевой ввод и вывод информации. Развитие ЭВМ идет по пути непрерывного повышения быстродействия, надежности, расширения функциональных возможностей, уменьшения габаритов и потребляемой мощности, упрощения правил работы. Скоро на смену электронным приборам придут оптические или биоэлектронные приборы, а современные нам ЭВМ будут казаться будущим пользователям такими же монстрами, какими нам кажутся вычислительные машины 40-х годов двадцатого века.