Вопросы для самопроверки

1. Какие таблицы используют для выполнения логических вычислений при проектировании (синтезе) логических устройств ЭВМ?

2. Составьте таблицы истинности следующих высказываний:

а) А  В; б) А  В; в) А  В; г) (А  В)  ( А  В).

3. Составьте таблицы истинности высказываний:

а) А (В  С); б) (А  В)  С; в) А  (В  С);

г) (А В)  (А  С).

4 . Доказать свойства 16: X  Y  X  Y и 17: X  Y  X  Y.

5. Используя свойства логических операций 1 – 17, упростить формулы:

F (X, Y) = (X  Y)  X,

F (X, Y) = ((X  Y)  Y )(X Y).

2. Технические средства реализации информационных процессов

2.1. История развития эвм. Понятие и основные виды архитектуры эвм

Появление электронных вычислительных машин произвело научно-техническую революцию во всех областях человеческой деятельности, связанных с информационными процессами. Электронная вычислительная машина (ЭВМ) или компьютер (вычислитель, от латинского слова compute – считать, вычислять) в простейшем представлении воспринимается как набор технических устройств, позволяющих решать задачи вычислительного характера. В широком смысле, применительно к такой области науки и техники, как информатика, ЭВМ – это комплекс технических (аппаратных) и программных средств, обеспечивающих автоматизированную переработку информации при решении любых задач информационного характера. Под переработкой информации понимается ввод, обработка, передача, хранение и использование информации с применением ЭВМ.

В зависимости от физического представления информации в ЭВМ их разделяют на аналоговые вычислительные машины (АВМ), цифровые вычислительные машины (ЦВМ) и комбинированные или гибридные вычислительные машины (ГВМ).

В АВМ информация представляется в виде непрерывного электрического сигнала, а в ЦВМ - в виде дискретного (цифрового) электрического сигнала. Основную массу выпускаемых в мире ЭВМ составляют ЦВМ, которые являются рабочим инструментом многих пользователей при решении ими своих профессиональных задач. В связи с этим дальнейшее изложение материала будет связано с ЦВМ, которые будем определять как ЭВМ.

История создания ЭВМ связана с поисками человеком возможностей облегчения и автоматизации математических вычислений. Для этих целей еще в глубокой древности были придуманы различные счетные устройства, такие, например, как счетная доска абак, а впоследствии дошедшие до нашего времени счеты. Идею создания первой счетной машины, которая выполняла суммирование чисел, впервые в начале XVI века предложил Леонардо да Винчи – знаменитый итальянский ученый и инженер, живописец, скульптор, архитектор эпохи Возрождения. Действующую модель восьмиразрядной механической суммирующей машины построил в 1642 году французский математик и физик Блез Паскаль. В 1673 году немецкий математик Лейбниц создал счетную машину, выполняющую четыре арифметических действия, которая была прототипом арифмометра.

С развитием промышленности требовалось создание машин, обеспечивающих не только большую скорость вычислений, но и возможность выполнений их в автоматическом режиме. Английский математик Чарльз Беббидж выдвинул идею создания программно-управляемой счетной машины, которая включала в себя устройства для выполнения арифметических действий, управления, ввода информации и печати. Однако эта идея не была реализована по причине отсутствия технических возможностей. И только в 40-х годах XX столетия появились первые программируемые счетные машины на базе электромеханических реле, а затем и ЭВМ, построенные на электронных лампах. Появление электронных ламп стало мощным стимулом к созданию средств вычислительной техники в США, Германии, Англии и СССР. Опытные ЭВМ ENIAC, «Марк - 1», EDVAC, проекты которых реализованы в США и Англии, МЭСМ (малая электронно-счетная машина), выпущенная в СССР, послужили основой для создания серийных ЭВМ. Первые работы по созданию серийных ЭВМ на электронных лампах были начаты в 1947 году разработкой машины UNIVAC (Universal Automatic Computer). Первая ЭВМ этой серии UNIVAC-1 была принята в эксплуатацию и начала функционировать в 1951 году. Она была громоздкой, насчитывала около 5000 электронных ламп, обладала невысокой памятью и малым быстродействием.

С развитием электронной техники и созданием полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, интегральных схем (ИС), больших интегральных схем (БИС) - бурно развивается компьютерная техника. Существенную роль в ее развитии и создании ЭВМ стали играть многие зарубежные фирмы, например, такая фирма, как IBM (International Business Machines Corporation). Это крупнейшая в мире фирма по производству ЭВМ, созданная в 1911 году , заводы которой расположены более чем в ста странах. Первую промышленную ЭВМ IBM – 701 она выпустила в 1952 году. В настоящее же время ее основная продукция в виде IBM PC (PC – personal computer) является рабочим инструментом миллионов пользователей ЭВМ как в их профессиональной деятельности, так и в быту. Эти ЭВМ относятся к семейству персональных компьютеров (ПК). Кроме ПК типа IBM PC широкое применение находят также ЭВМ Macintosh, производимые американской фирмой Apple Computer. Фирмы IBM и Apple занимают ведущее место в мире по производству и продаже ПК на мировом рынке.

Отечественные научные и промышленные разработки ЭВМ носили длительное время закрытый характер. Начиная с 1948 года проблема создания средств вычислительной техники, тогда еще в СССР, стала носить общегосударственное значение. Первой ЭВМ , которая появилась в СССР, стала МЭСМ, созданная в1951 году коллективом под руководством ставшего впоследствии академиком С.А. Лебедева. В 1952 году началась опытная эксплуатация более мощной машины БЭСМ (большая электронно-счетная машина), которая была создана также под руководством С.А. Лебедева в Институте точной механики и вычислительной техники Академии наук. Машины семейства БЭСМ для того времени были одними из самых лучших в мире по своим производственным характеристикам. Кроме указанных ЭВМ шло создание и внедрение серий машин семейств «Урал» - главный конструктор Б.И. Рамеев, «Минск» - главные конструкторы Г.П. Лопато и В.В. Пржиялковский, «Киев», «М», «Мир» - главные конструкторы В.М. Глушков, Ю.А. Базилевский. В работе по созданию отечественных ЭВМ также принимали участие многие научные коллективы под руководством и других талантливых конструкторов. Свидетельством успешной работы по созданию отечественных ЭВМ явились наши выдающиеся достижения, такие как первый запуск искусственного спутника Земли, первый полет Ю.А. Гагарина в космос, развитие атомной энергетики, укрепление оборонной мощи страны и многое другое. История создания и развития ЭВМ очень молода. К настоящему времени она составляет не более 70-и лет. За это время элементная электронная база, на которой строились ЭВМ, претерпела существенные изменения. В соответствии с этими изменениями в развитии ЭВМ выделяют определенные этапы, каждому из которых соответствует определенное поколение ЭВМ.

Деление ЭВМ на поколения условное, поскольку критериев деления существует несколько. Основным критерием считается элементная электронная база, на которой построены ЭВМ. Поколение ЭВМ – это группа выпущенных либо выпускаемых машин, построенных на единой элементной электронной базе. Выделяют четыре поколения ЭВМ. В некоторых источниках указывают и на пятое поколение, хотя нет единого мнения в определении признаков этого поколения.

Первое поколение ЭВМ, которые выпускались в период 1945 – 1954 годы, были построены на электронных лампах диодах, триодах. Это были громоздкие устройства, требовавшие большие площади для размещения, вплоть до отдельных зданий. Так, например, отечественная ЭВМ «Стрела» имела 6400 электронных ламп и 60 тысяч полупроводниковых диодов. К первому поколению относятся выпускавшиеся в то время нашей промышленностью ЭВМ МЭСМ, БЭСМ, «М - 3», «Урал - 2», «Минск - 12», «М - 20» и др.

Второе поколение (50- 60-е годы прошлого столетия) уже создавалось на полупроводниковых диодах и транзисторах. Для ЭВМ этого поколения были разработаны специальные языки программирования высокого уровня. В нашей стране производилось большое количество ЭВМ этого поколения: «БЭСМ – 3, 4, 6», «М – 220, 222», «Мир – 2, 3», «Минск – 22, 32», «Урал – 14 - 16», «Раздан - 2», «СМ – 1 - 2», «Наири», «Проминь» и целый ряд ЭВМ других семейств.

Следующее, третье поколение ЭВМ (60-70-е годы), в качестве основной элементной базы использовало интегральные схемы (ИС). ИС – это полупроводниковое устройство, на кристалле которого площадью 1 см² размещены десятки и сотни транзисторов. Производство ЭВМ в указанные годы приобретает промышленный размах. Производятся серийно машины от маленьких размеров, типа шкаф, до мощных, габаритных и дорогих моделей. Так, в СССР совместно со странами Совета экономической взаимопомощи (СЭВ) был налажен выпуск ЭВМ единой серии «ЕС - ЭВМ». ЭВМ этой серии с увеличением номера модели от «ЕС- 1020» до «ЕС – 1066» имели возрастающие как вычислительные мощности, так и габаритные размеры. Для размещения, например, только процессора, центральной части ЭВМ «ЕС – 1061», необходима площадь в 150 м² . Эта ЭВМ потребляла 75 кВт мощности, а штат ее обслуживания составлял более 100 человек. «ЕС - ЭВМ» относились к семейству больших ЭВМ.

Среди ЭВМ третьего поколения можно выделить мини-ЭВМ, к которым относились такие отечественные машины, как «Электроника – 100/25», «Электроника - 79», выпускаемые в г. Воронеже, «СМ - 3», «СМ - 4», производимые в г. Киеве и целый ряд других ЭВМ. Подобные ЭВМ выпускались вплоть до 1990 года.

Четвертое поколение ЭВМ – это ЭВМ, построенные на больших интегральных схемах (БИС) и сверхбольших интегральных схемах (СБИС). БИС и СБИС представляют собой полупроводниковые устройства, на кристалле которых размещается до 10 миллионов элементов типа транзистор. ЭВМ этого поколения, которые чаще стали называть компьютерами, в мире начали выпускать с середины 70-х годов прошлого века и выпускают до настоящего времени.

Развитие ЭВМ этого поколения шло по пути создания супер ЭВМ с большими производственными мощностями (например, GRAY в США и «Эльбрус» в СССР), используемых для решения объемных вычислительных задач и задач оборонного характера. Вторым направлением являлась разработка и создание микро-ЭВМ и персональных компьютеров (ПК). Появление подобных ЭВМ было возможно благодаря созданию в 1971 году американской фирмой Intel микропроцессора. Первый ПК был выпущен фирмой IBM в 1981 году. В дальнейшем фирмой был налажен серийный выпуск моделей IBM XТ, IBM AT и т.д. Отечественной промышленностью также выпускались ПК различных моделей «ДВК – 3», «Искра - 1030», «Электроника - 85», «ЕС - 1840» и т.п. С появлением ПК началась эпоха массового использования средств вычислительной техники в качестве инструмента в профессиональной и других сферах деятельности человека.

В создании микропроцессорной элементной базы для ЭВМ 4-го поколения в 90-е годы наша страна не смогла составить конкуренцию США, Японии и другим странам. Поэтому отечественные ПК гражданского назначения по своим характеристикам уступали зарубежным аналогам. В связи с этим мировой рынок продаж ПК, так же как и рынок России, был в основном завоеван компьютерными фирмами США, крупнейшей из которых является фирма IBM.

Технически ЭВМ представляет собой набор связанных между собой устройств или модулей, которые называются аппаратными средствами ЭВМ. Аппаратные средства ЭВМ включают в себя основные устройства, без которых невозможна работа ЭВМ, и вспомогательные (периферийные) устройства. Вспомогательные устройства расширяют функциональные возможности ЭВМ, например, устройства для ввода, вывода информации, устройства внешней памяти и т.п.

Кроме структуры аппаратных средств различают структуры программных и аппаратно – программных средств ЭВМ. В информатике используется термин «архитектура ЭВМ».

Архитектура ЭВМ – это взаимосвязь аппаратно-программных средств ЭВМ, определяющих организацию ее работы. Стандартом для архитектуры практически всех ЭВМ является архитектура, предложенная американским ученым Джоном фон Нейманом в 1945 году. В основу стандартной архитектуры положен принцип хранимой программы, в соответствии с которым управление работой ЭВМ осуществляется по программе, находящейся в памяти ЭВМ. Функциональная схема ЭВМ, соответствующая архитектуре фон Неймана, имеет вид, представленный на рис. 1.

Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили название «фоннеймановской архитектуры». Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день – фоннеймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых имеются существенно принципиальные отличия от классической модели (например, потоковая и редукционная вычислительная машина).

Устройство вывода (УВыВ)

Процессор

Внешняя память (ВЗУ)

Оперативная память (ОЗУ)

Устройство ввода (УВВ)

Рис. 1. Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана

Технологические успехи последних десятилетий привели к тому, что возникла необходимость во избежание простоя процессора в ожидании информации из внешнего мира освободить центральный процессор от функций обмена информацией и передать их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы имели различные названия: каналы обмена, процессоры ввода-вывода, периферийные процессоры. Сейчас все чаще используется термин «контроллер внешнего устройства» или «интеллектуальный контроллер». Схема ЭВМ, содержащей интеллектуальные контроллеры (К), изображена на рис. 2.

Из рисунка видно, что для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая шина (магистраль). Она состоит из трех частей:

- шина данных, по которой передается информация;

- адресная шина, определяющая, куда передаются данные;

- управляющая шина, регулирующая процесс обмена информацией.

Центральный процессор

Память

Видеопамять

К

К

К

К

К

К

УВВ

УВВ

УВыВ

УВыВ

ВЗУ

ВЗУ

Рис. 2. Шинная архитектура ЭВМ

Описанную схему легко пополнять новыми устройствами – это свойство называется открытостью архитектуры. Для пользователя открытая архитектура означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости от круга решаемых задач.

Стремление к повышению производительности привело к появлению многопроцессорных ЭВМ, в которых несколько процессоров работают одновременно и производительность машины равна сумме производительностей процессоров (многопроцессорная архитектура). В особо мощных ЭВМ (такие машины могут, например, моделировать ядерные реакции со скоростью естественного процесса) число процессоров достигает нескольких десятков. Совершенствование архитектуры ЭВМ затронуло все виды устройств.