Электронно вычислительная техника

Начать. Это бесплатно
или Регистрация c помощью Вашего email-адреса
Rocket clouds
Электронно вычислительная техника создатель Mind Map: Электронно вычислительная техника

1. Введение

1.1. Вычислительная техника является важнейшим компонентом процесса вычислений и обработки данных. Первыми приспособлениями для вычислений были, вероятно, всем известные счётные палочки, которые и сегодня используются в начальных классах многих школ для обучения счёту. Развиваясь, эти приспособления становились более сложными, например, такими как финикийские глиняные фигурки, также предназначаемые для наглядного представления количества считаемых предметов, однако для удобства помещаемые при этом в специальные контейнеры. Такими приспособлениями, похоже, пользовались торговцы и счетоводы того времени. Постепенно из простейших приспособлений для счёта рождались всё более и более сложные устройства: абак (счёты), логарифмическая линейка, механический арифмометр, электронный компьютер. Несмотря на простоту ранних вычислительных устройств, опытный счетовод может получить результат при помощи простых счёт даже быстрее, чем нерасторопный владелец современного калькулятора. Естественно, сама по себе, производительность и скорость счёта современных вычислительных устройств давно уже превосходят возможности самого выдающегося расчётчика-человека.

2. Ранние приспособления и устройства для счёта

2.1. Человечество научилось пользоваться простейшими счётными приспособлениями тысячи лет назад. Одним из самых простых решений было использование весового эквивалента меняемого предмета. Для этих целей использовались простейшие балансирные весы. Принцип эквивалентности широко использовался и в другом, знакомом для многих, простейшем счётном устройств Абак или Счёты. Количество подсчитываемых предметов соответствовало числу передвинутых костяшек этого инструмента. С изобретением зубчатых колёс появились и гораздо более сложные устройства выполнения расчётов. Антикитерский механизм, обнаруженный в начале XX века, который был найден на месте крушения античного судна, затонувшего примерно в 65 году до н. э., умел моделировать движение планет. В 1623 году Вильгельм Шикард придумал «Считающие часы» -- первый механический калькулятор, умевший выполнять четыре арифметических действия. Считающими часами устройство было названо потому, что как и в настоящих часах работа механизма была основана на использовании звёздочек и шестерёнок. За этим последовали машины Блеза Паскаля - Францу Паскаль начал создавать суммирующую машину «Паскалину» (см. приложение 1) в 1642 году в возрасте 19 лет, наблюдая за работой своего отца, который был сборщиком налогов и часто выполнял долгие и утомительные расчёты. Машина Паскаля стала вторым реально работающим вычислительным устройством после Считающих часов Вильгельма Шикарда. Джон Непер заметил, что действительные числа могут быть представлены интервалами длины на линейке, и это легло в основу вычислений с помощью логарифмической линейки, что позволило выполнять умножение и деление намного быстрее. Инженеры программы «Аполлон» отправили человека на Луну, выполнив на логарифмических линейках все вычисления, многие из которых требовали точности в 3--4 знака.

3. Появление перфокарт и первых программируемых машин

3.1. В 1804 году Жозеф Мари Жаккар разработал ткацкий станок, в котором вышиваемый узор определялся перфокартами (Перфокарта - носитель информации, сделанная из тонкого картона, представляет информацию наличием или отсутствием отверстий в определённых позициях карты). Серия карт могла быть заменена, и смена узора не требовала изменений в механике станка. Предупреждение, напечатанное на большинстве карт, «не сворачивать, не скручивать и не рвать», стало девизом послевоенной эры. Перфокарты легли в основу создания Разностной машины Чарльза Бэббиджа. В 1835 году Чарлз описал свою аналитическую машину. Это был проект компьютера общего назначения, с применением перфокарт в качестве носителя входных данных и программы, а также парового двигателя в качестве источника энергии. Одной из ключевых идей было использование шестерней для выполнения математических функций. Его первоначальной идеей было использование перфокарт для машины, вычисляющей и печатающей логарифмические таблицы с большой точностью (то есть для специализированной машины). В дальнейшем эти идеи были развиты до машины общего назначения -- его «аналитической машины». Утверждается, что Ада Лавлейс, дочь лорда Байрона, является первым программистом, хотя это утверждение и значение её вклада многими оспаривается. Её имя часто ассоциируют с именем Бэббиджа.

4. Настольные калькуляторы и аналоговые вычислители

4.1. С 1930-х такие компании как Friden, Marchant и Monro начали выпускать настольные механические калькуляторы, которые могли складывать, вычитать, умножать и делить. Словом «computer» (буквально -- «вычислитель») называлась должность -- это были люди, которые использовали калькуляторы для выполнения математических вычислений. В 1948 году появился Curta -- небольшой механический калькулятор, который можно было держать в одной руке. Первым полностью электронным настольным калькулятором был британский ANITA Мк. VII, который использовал дисплей на газоразрядных цифровых индикаторах. В июне 1963 года Friden представил EC-130 с четырьмя функциями. Он был полностью на транзисторах, имел 13-цифровое разрешение на 5-дюймовой электронно-лучевой трубке, и представлялся фирмой на рынке калькуляторов по цене 2200 $. Позже были добавлены функция вычисления квадратного корня и обратные функции. В 1965 году Wang Laboratories произвёл LOCI-2, настольный калькулятор на транзисторах с 10 цифрами, который мог вычислять логарифмы. Анамлоговый компьютер -- аналоговая вычислительная машина (АВМ), которая представляет числовые данные при помощи аналоговых физических переменных (скорость, длина, напряжение, ток, давление), в чём и состоит его главное отличие от цифрового компьютера. Перед Второй мировой войной механические и электрические аналоговые компьютеры считались наиболее современными машинами, и многие считали, что это будущее вычислительной техники.

5. Первое поколение компьютеров с архитектурой фон Неймана

5.1. Архитектура фон Неймана (см. приложение 2) -- широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Первой работающей машиной с такой архитектурой стал манчестерский «Baby» -- Малая экспериментальная машина, созданный в Манчестерском университете в 1948 году; в 1949 году за ним последовал компьютер Манчестерский Марк I, который уже был полной системой. В ноябре 1950 года командой учёных под руководством Сергея Алексеевича Лебедева, УССР, была создана, так называемая «малая электронная счётная машина» (МЭСМ). Она содержала около 6000 электровакуумных ламп и потребляла 15 кВт. Машина могла выполнять около 3000 операций в секунду. В июне 1951 года UNIVAC 1 был установлен в Бюро переписи населения США. Машина была разработана в компании Remington Rand, которая, в конечном итоге, продала 46 таких машин по цене более чем в 1 млн $ за каждую. UNIVAC был первым массово производимым компьютером; все его предшественники изготовлялись в единичном экземпляре. Компьютер состоял из 5200 электровакуумных ламп, и потреблял 125 кВт энергии. Использовались ртутные линии задержки, хранящие 1000 слов памяти, каждое по 11 десятичных цифр плюс знак (72-битные слова). В отличие от машин IBM, оснащаемых устройством ввода с перфокарт, UNIVAC использовал ввод с металлизированной магнитной ленты стиля 1930-х, благодаря чему обеспечивалась совместимость с некоторыми существующими коммерческими системами хранения данных. Другими компьютерами того времени использовался высокоскоростной ввод с перфоленты и ввод/вывод с использованием более современных магнитных лент. программируемый нейман поколение компьютер В 1954 году IBM выпускает машину IBM 650. Она весит около 900 кг, и ещё 1350 кг весит блок питания; оба модуля имеют размер примерно 1,5 Ч 0,9 Ч 1,8 метров. Цена машины составляет 500000 долл. (около 4 млн долл. в пересчёте на 2011 год) либо может быть взята в лизинг за 3500 долл. в месяц (30000 долл. на 2011 год). Память на магнитном барабане хранит 2000 10-знаковых слов, позже память увеличена до 4000 слов. В 1956 году IBM впервые продаёт устройство для хранения информации на магнитных дисках -- RAMAC. Оно использует 50 металлических дисков диаметром 24 дюйма, по 100 дорожек с каждой стороны. Устройство хранило до 5 МБ данных и стоило по 10 000 $ за МБ. (В 2006 году, подобные устройства хранения данных -- жёсткие диски -- стоят около 0,001 $ за Мб.)

6. Второе поколение компьютеров

6.1. Следующим крупным шагом в истории компьютерной техники стало изобретение транзистора в 1947 году. Они стали заменой хрупким и энергоёмким лампам. Благодаря транзисторам и печатным платам было достигнуто значительное уменьшение размеров и объёмов потребляемой энергии, а также повышение надёжности. Однако компьютеры второго поколения по-прежнему были довольно дороги и поэтому использовались только университетами, правительствами, крупными корпорациями. В 1959 году на основе транзисторов IBM выпустила машину среднего класса IBM 1401. Она использовала перфокарточный ввод и стала самым популярным компьютером общего назначения того времени: в период 1960--1964 гг. было выпущено более 100 тыс. экземпляров этой машины и она заняла около трети мирового рынка компьютеров. Применение полупроводников позволило улучшить не только центральный процессор, но и периферийные устройства. Второе поколения устройств хранения данных позволяло сохранять уже десятки миллионов символов и цифр. Замена кассеты дисков в сменном устройстве требовала лишь несколько секунд. Хотя ёмкость сменных носителей была обычно ниже, но их заменяемость давала возможность сохранения практически неограниченного объёма данных. Магнитная лента обычно применялось для архивирования данных, поскольку предоставляла больший объём при меньшей стоимости. Так же появились сопроцессоры - специализированный процессор, расширяющий возможности центрального процессора компьютерной системы, но оформленный как отдельный функциональный модуль.

7. Третье и четвертое поколение компьютеров

7.1. Бурный рост использования компьютеров начался с т. н. «3-им поколением» вычислительных машин. Начало этому положило изобретение интегральных схем - несколько микрочипов, объединенных в один. Позже это привело к изобретению микропроцессора Тэдом Хоффом, одним из основателей компании Intel. Появление микропроцессоров привело к разработке микрокомпьютеров -- небольших недорогих компьютеров, которыми могли владеть небольшие компании или отдельные люди. Микрокомпьютеры, представители четвёртого поколения, первые из которых появился в 1970-х, стали повсеместным явлением в 1980-х и позже. Стив Возняк, один из основателей Apple Computer, стал известен как разработчик первого массового домашнего компьютера, а позже -- первого персонального компьютера.

8. Пятое поколение компьютеров

8.1. Компьютеры пятого поколения -- в соответствии с идеологией развития компьютерных технологий, после четвёртого поколения, построенного на сверхбольших интегральных схемах, ожидалось создание следующего поколения, ориентированного на распределенные вычисления, одновременно считалось что пятое поколение станет базой для создания устройств, способных к имитации мышления. Широкомасштабная правительственная программа в Японии по развитию компьютерной индустрии и искусственного интеллекта была предпринята в 1980-е годы. Целью программы было создание «эпохального компьютера» с производительностью суперкомпьютера и мощными функциями искусственного интеллекта.. Начало разработок -- 1982, конец разработок -- 1992, стоимость разработок -- 57 млрд Ґ (порядка 500 млн $). Программа закончилась провалом, так как не опиралась на четкие научные методики, более того, даже её промежуточные цели оказались недостижимы в технологическом плане.

9. Заключение

9.1. Средства вычислительной техники появились достаточно давно, так как потребность в различного рода вычислениях и расчетах существовала уже на самых ранних стадиях развития цивилизации. Различные устройства, облегчающие и ускоряющие процесс вычислений, изобретались человеком еще в очень отдаленные времена. Так, история возникновения счетов теряется в глубине столетий, аналогичные по назначению устройства использовались многими народами. К сожалению, невозможно в рамках реферата охватить всю историю компьютеров. Можно было бы рассказать и о невидимой войне на компьютерных рынках за право устанавливать стандарты между огромной корпорацией IBM, и молодой Apple, дерзнувшей с ней соревноваться, заставившей весь мир решать, что же лучше Macintosh или PC? Современные персональные компьютеры являются наиболее широко используемым видом компьютеров, их мощность постоянно увеличивается (согласно закону Мура - количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца), а область применения расширяется. Эти компьютеры могут объединяться в сети, что позволяет десяткам и сотням пользователей легко обмениваться информацией и одновременно получать доступ к общим базам данных. Еще каких-то 50 лет назад человечество и представить себе не могло, на что будут способны компьютеры! И что же тогда ждет нас в будущем? Пока это не известно. Но ясно одно - создание искусственного интеллекта - лишь вопрос времени.

10. Список используемой литературы

10.1. 1. Волков А. И., «Начало периода „перфокаторжной жизни“» 2. Горбань А., Н. Нейрокомпьютер, или Аналоговый ренессанс, Мир ПК, 1994, № 10 3. Жан М. Рабаи, Ананта Чандракасан, Боривож Николич., Цифровые интегральные схемы. Методология проектирования - 2-е изд. - М.: Вильямс, 2007. - 912 с. 4. Знакомьтесь: компьютер. Пер. с англ. К. Г. Батаева; Под ред. и с пред. В. М. Курочкина - Москва : Мир, 1989 - 240 с. 5. История информатики и кибернетики в Санкт-Петербурге(Ленинграде), СПб, изд-во РАН, 2008, 356 стр. 6. Криштафович А. К., В. В., Трифонюк. Основы промышленной электроники. - 2-е изд. - М.: "Высшая школа", 1985. - 287 с. 7. Морозов Ю. М., История и методология вычислительной техники СПб, 2012 8. Смирнов А. Д., Архитектура вычислительных систем : Учебное пособие для вузов. - М.: Наука, 1990.

11. Применение в строительстве

11.1. предназначена для механизации вычислительных работ и принятия логических решений. Вычислительные машины, образующие техническую основу эвм, могут быть разбиты на виды: малые клавишные, счетно-перфорационные, электронные цифровые вычислит. машины (ЭЦВМ) и аналоговые. К малым машинам относятся ручные арифмометры, счетно-клавишные и фактурные машины с электроприводом, оснащенные различными узлами автоматизации выполнения арифметических действий. Отличительная их особенность—ручной ввод в них чисел оператором с клавиатуры. Производительность не свыше нескольких сот арифметических операций над многоразрядными числами за рабочую смену. В с ч е т н о-п е р ф о р а- ционных машинах ввод чисел и настройка машины на выполнение арифметических и логических операций в определенной последовательности отделен от собственно вычислительного процесса. Для этого числа, с которыми должны выполняться вычисления, заранее наносятся в виде, удобном для восприятия их машиной, на перфокарты. Перфокарта содержит 45 или 80 колонок, в каждой из к-рых может быть путем перфорации нанесена одна десятичная цифра. 45- или 80-разрядное число, записываемое на перфокарту, достаточно для обозначения данных, входящих, напр., в один наряд. Электромеханические машины счетно-перфорационного комплекта — перфораторы, сортировки и табуляторы — позволяют автоматизировать сортировку по определенным признакам и расчеты (на табуляторе) массива чисел, нанесенных на перфокарты. Область применения счетно-перфорационных машин — централизованные учетно-плановые расчеты. Производительность табуляторов — несколько десятков арифметических опе- раций в минуту, табуляторов с электронными вычислительными приставками — до ста арифметических операций в минуту. Результаты расчетов такие машины выдают напечатанными на широкой бумажной ленте — табуляграмме.

12. Электронная цифровая вычислительная машина (ЭЦВМ)

12.1. кибернетическое устройство, предназначенное для автоматической переработки алгоритмизированной информации. ЭЦВМ состоит из электронных функциональных устройств (рис. 1), реализующих след. операции: преобразование информации на входе и выходе (аппаратура ввода и вывода); запись, хранение и чтение информации (запоминающее устройство); прием, обработка и выдача информации (арифметическое устройство); орг-ция потока ии- формации (устройство управления). Выпускаемые серийно ЭЦВМ построены по принципу агрегатирования, т. е. возможности менять количество функциональных устройств и тем самым определять профиль использования ЭЦВМ. В последних ЭЦВМ схемы электронной автоматики выполнены на транзисторах, в отличие от выпускавшихся ранее ламповых ЭЦВМ, что резко повысило основные параметры машины: быстродействие машины — 100— 1 000 000 операций в сек.; емкость запоминающих устройств — оперативных — 512— 32 000 слов, внешних —0,1 — 10 млн. слов; надежность в работе — в среднем 15— 23 часа счета в сутки. При решении любой задачи на ЭЦВМ требуется, сформулировав задачу, найти (составить) последовательность арифметических и логических операций —а л г о р и т м. В алгоритме решения задачи должны быть предусмотрены все возможные разветвления вычислительного процесса данной задачи и определен дальнейший ход вычислений в каждом из этих случаев. Запись алгоритма решения задачи может быть выполнена любым способом, доступным однозначному истолкованию его человеком. В связи с широким развитием вычислительной техники в последние годы разработан ряд алгоритмических языков (напр., АЛГОЛ-бО), особенно удобных для записи на них алгоритмов. Каждая из ЭЦВМ в соответствии со схемой и структурой обладает своим машинным языком, использующим числа для выражения инструкций — команд, к-рые данная машина в состоянии выполнять над числами, хранящимися в ее запоминающих устройствах. Число различных команд в языках — системах команд разных машин различно и колеблется от нескольких десятков до нескольких сотен. Все команды любого машинного языка могут быть разбиты на группы: общих арифметических команд, специальных арифметических команд, логических команд, команд сравнения, управления и пересылки чисел из одного устройства машины в другое. Каждая из команд содержит в себе две части: код операции и адреса чисел, над которыми эта операция должна быть выполнена.

13. Компьютер

13.1. Первые компьютеры создавались исключительно для вычислений (что отражено в названиях «компьютер» и «ЭВМ»). Даже самые примитивные компьютеры в этой области во много раз превосходят людей (если не считать некоторых уникальных людей-счётчиков). Не случайно первым высокоуровневым языком программирования был Фортран, предназначенный исключительно для выполнения математических расчётов. 1941 год — немецкий инженер Конрад Цузе создаёт первую вычислительную машину Z3, обладающую всеми свойствами современного компьютера. В Советском Союзе первая электронная вычислительная машина была создана в Киеве группой Лебедева в 1950 году. ДВК-2М Современные суперкомпьютеры используются для моделирования сложных физических и биологических процессов. Например, для моделирования ядерных реакций или климатических изменений. Некоторые проекты проводятся при помощи распределённых вычислений, когда большое число относительно слабых компьютеров одновременно работает над небольшими частями общей задачи, формируя таким образом очень мощный компьютер.

14. Современный инженерный калькулятор

14.1. Электронное вычислительное устройство для выполнения операций над числами или алгебраическими формулами. В Советском Союзе (калькулятор выпускается с 1930 года) для обозначения малогабаритного вычислительного устройства использовался термин «микрокалькулятор», впервые применённый в 1973 году для микрокалькулятора «Электроника Б3-04». Просто «калькуляторами» называли большие по размеру настольные вычислительные устройства. И настольные и микрокалькуляторы официально назывались «ЭКВМ — электронные клавишные вычислительные машины».

15. Арифмометр.

15.1. Арифмометр — настольная (или портативная) механическая вычислительная машина, предназначенная для точного умножения и деления, а также для сложения и вычитания. Чаще всего арифмометры были настольные или «наколенные» (как современные ноутбуки), изредка встречались карманные модели. Этим они отличались от больших напольных вычислительных машин. Арифмометры предназначены в первую очередь для умножения и деления. Арифмометры могут выполнять сложение и вычитание. Но на примитивных рычажных моделях (например, на «Феликсе») эти операции выполняются очень медленно — быстрее, чем умножение и деление, но заметно медленнее, чем на простейших суммирующих машинах или даже вручную. В 1672 году создан калькулятор Лейбница – первый в мире арифмометр. 1969 г. — Пик производства арифмометров в СССР. Выпущено около 300 тысяч «Феликсов». Конец 1970-х — начало 1980-х — Примерно в это время электронные калькуляторы окончательно вытеснили арифмометры с прилавков магазинов.