Электронная вычислительная техника - это электронные устройства, предназначенные для сбора, передачи, хранения, обработки и выдачи информации. Нередко термин «электронная вычислительная техника» отождествляют с другим - «электронная вычислительная машина» (ЭВМ). По существу же, помимо ЭВМ, к устройствам электронной вычислительной техники можно отнести и электронные устройства, обеспечивающие передачу информации (различных данных) на расстояния. Эти устройства связи позволяют объединять несколько вычислительных машин в единый комплекс или вводить данные в ЭВМ с удаленных от нее пунктов, равно как и передавать на них результаты вычислений.

ЭВМ делятся на цифровые и аналоговые. В свою очередь цифровые ЭВМ делятся на универсальные и управляющие.

Универсальные ЭВМ предназначены для решения задач (обработки информации), конкретный характер которых не конкретизируется при ее разработке. Универсальная ЭВМ состоит из набора устройств различного функционального назначения, соединенных между собой проводами. Конкретный набор устройств, комплектующий ЭВМ данного типа, целиком должен определяться характером задач, для решения которых эта машина предназначена. Принципиально все устройства ЭВМ можно отнести к одной из следующих групп: 1) входные устройства, предназначенные для ввода информации и программы в ЭВМ; 2) запоминающие устройства, хранящие информацию; 3) арифметическое устройство, обрабатывающее информацию в соответствии с заданной программой; 4) выходные устройства, обеспечивающие выдачу результатов; 5) управляющие устройства, координирующие и управляющие работой как отдельных устройств, так и ЭВМ в целом.

Запоминающие устройства ЭВМ делятся на оперативное и внешние. Оперативное - быстродействующее, относительно малой емкости; в нем хранятся данные, используемые на данном шаге вычислений; вся остальная информация хранится во внешней памяти - относительно медленно действующей и большой емкости. В современных ЭВМ принято (конструктивно так и оформляется) оперативную память и арифметическое устройство объединять в единый блок-центральный вычислитель (процессор), к которому с помощью специальных устройств каналов, входящих в центральный вычислитель, подсоединяются остальные устройства, которые принято называть периферийными. Современная ЭВМ представляет сложный комплекс, управление работой которого входом вычислительного процесса) автоматизировано с помощью специальных управляющих программ, входящих в математическое обеспечение ЭВМ.

Управляющие ЭВМ предназначаются для управления процессами в самых различных областях. Информация, вводимая в них, представляет собой данные о ходе того или иного процесса, получаемые с датчиков. Результаты обработки (вычислений) реализуются через устройства, обеспечивающие требуемое протекание управляемого процесса. Аналоговые вычислительные машины (АВМ) предназначаются для решения уравнений, электронного моделирования различных процессов.

В настоящее время ЭВМ широко используются в медицине для целей машинной диагностики, построения автоматизированных систем управления (АСУ).

Электронные вычислительные машины (ЭВМ) . Основными схемными элементами ЭВМ являются электронные приборы - электронные лампы или транзисторы (см. Электронные усилители). ЭВМ по сравнению с другими типами вычислительных машин (арифмометр, клавишная электромеханическая машина) являются более быстродействующими, универсальными и надежными в работе, а главное - более автоматизированными. Перед началом работы в ЭВМ вводятся программа вычислений и исходные данные для решения задачи, после чего вычисления производятся автоматически до получения конечного результата. Кроме обычных математических и логических операций по заданной программе, ЭВМ могут производить операции условного перехода, изменяющие программу вычислений в зависимости от промежуточных результатов или от других дополнительных условий. Эта особенность ЭВМ (самоуправляемость) при большом быстродействии (до 1 000 000 операций в секунду) позволяет выполнять весьма сложные вычисления, управлять технологическими процессами, производить логическую и математическую обработку результатов опыта или клинического анализа непрерывно в ходе исследования (см. Кибернетика).

По принципу действия ЭВМ разделяют на аналоговые и цифровые. В аналоговых ЭВМ цифры или процессы, подлежащие математической или логической обработке, заменяются соответствующими непрерывными значениями электрических токов или напряжений, с которыми и производят необходимые операции. Точность вычислений определяется погрешностями измерений и лежит в пределах 10-0,1%. Аналоговые ЭВМ преимущественно применяют для решения интегральных и дифференциальных уравнений, моделирования и управления процессами в реальном масштабе времени, особенно если не требуется большой точности.

В цифровых ЭВМ вычисления производятся с помощью элементов, находящихся в конечном числе дискретных состояний (обычно в двух, десяти). Поэтому перед вводом непрерывные процессы должны быть представлены в цифровой форме, что осуществляется с помощью специальных преобразователей «аналог-код». Точность вычислений определяется разрядностью - числом цифр (разрядов) в одной ячейке «памяти» (обычно 7-10 десятичных цифр). Практически на цифровых ЭВМ с помощью программы может быть достигнута любая необходимая точность.

Современная ЭВМ состоит из следующих основных узлов. 1. Арифметическое устройство, где производятся основные операции. 2. Запоминающее устройство (различают долговременное и оперативное). В долговременном запоминающем устройстве данные хранятся на магнитных дисках, барабанах, лентах или перфокартах. Время хранения информации и объем долговременного запоминающего устройства практически не ограничены, однако скорость обращения тем меньше, чем больше объем. Оперативное запоминающее устройство осуществляется обычно на ферромагнитных элементах, электроннолучевых трубках или на электронных лампах. Время поиска информации в оперативном запоминающем устройстве порядка миллионных долей секунды, однако объем его всегда ограничен. 3. Устройство ввода данных. 4. Устройство вывода данных. Ввод осуществляется с перфоленты, перфокарт, магнитных лент. Вывод в большинстве случаев выполняется буквопечатающим устройством (в современных ЭВМ ввод и вывод данных - наиболее медленные операции). 5. Управляющее устройство обеспечивает автоматическую работу всех устройств ЭВМ в соответствии с программой.

Типовые современные ЭВМ средней мощности требуют помещения в 40-60 м 2 , 5- 20 человек обслуживающего персонала, питание 10-20 кет.

Основные области применения ЭВМ в медицине и биологии следующие. 1. Диагностика заболеваний, определение прогноза и выбор оптимального варианта лечения, классификация биологических объектов. 2. Автоматическая обработка экспериментальных и клинических данных (выделение регулярных составляющих в электроэнцефалограммах и неврограммах, спектральный и корреляционный анализ биологических процессов, подсчет и классификация клеток крови или гистологических препаратов, анализ данных радиографии, обработка данных рентгенологического обследования). 3. Реализация математических и физических моделей (моделирование нервных сетей, поведения, обмена в организме или отдельных клетках, отдельных органах или системах организма, поведения популяций животных). 4. Стереотаксические расчеты во время операций на головном мозге человека. 5. Автоматизация обработки медицинских архивных материалов. 6. Предсказание фармакологических свойств веществ по их физико-химическим характеристикам. 7. Автоматическое управление искусственным дыханием и кровообращением во время операций и при наблюдении за больными в тяжелом состоянии. 8. Планирование и автоматизация длительных и дорогостоящих экспериментов. Имеется тенденция к дальнейшему расширению областей применения ЭВМ в биологии и медицине.

Позиционные системы счисления позволяют записывать числа. Элементами ПСС являются символы. Например, в десятичной системе счисления используются символы 0, 1, … , 9. Пусть B основание ПСС, т.е. число, равное количеству символов. Для десятичной СС. В ПСС правильная десятичная дробь представляется в виде

где и - число знаков до и после запятой соответственно.

Пример .

Кроме десятичной применяются двоичная, восьмеричная и шестнадцатеричная СС. В двоичной СС используются символы и, в восьмеричной - , в шестнадцатеричной - .

Пример .

Представление числовой информации в ЭВМ

Для представления чисел в ЭВМ используется двоичная система счисления. Само число может представляться в различных форматах: как натуральное, как целое, с фиксированной запятой, с плавающей запятой, в двоично-десятичном формате и т.д.

Единицы измерения данных

В основу единиц измерения объема данных положена двоичная система счисления.

Единицы измерения данных. Числа в ЭВМ передаются по проводам (шинам) или хранятся в ячейках памяти. На проводе может быть либо нулевой либо высокий потенциал, а ячейка памяти может находиться в одном из двух устойчивых состояниях. Аналогом этих состояний является двоичный разряд. Одному двоичному разряду присвоили новую единицу данных, которую назвали битом .

Остальные внесистемные единицы представлены в табл.

Таблица - Внесистемные единицы измерения объема данных

Представление символьной информации в ЭВМ. Для представления символьной информации в памяти компьютера используется ASCII (American Standard Cods for Information Interchange). Этот код состоит из 7 бит. С его помощью можно закодировать символов. Кодировка символов осуществляется числами натурального ряда от 0 до 127. Каждому символу соответствует свое число. Первые значения кодов от 0 до 31 используют для служебных символов. Если эти коды используются в символьном тексте программы, то они на экране не отображаются и считаются пробелами. Потом следуют знаки препинания, специальные символы и знаки операций, числа и т.д. Заглавные буквы латинского алфавита начинаются с 65 и заканчиваются 90, а строчные - с 97 по 122. Если под код символа отводится 8 бит, то еще 128 чисел могут быть использованы для кодирования, например, русского алфавита.

В ОС Windows 2000 используется универсальная система кодирования UNICODE символов. Для кодирования символов используется 16 двоичных разрядов. В эту систему кодирования можно поместить различных символов, что достаточно для размещения символов основных языков планеты.

Представление логической информации в ЭВМ. В Паскале код символа возвращается функцией ord. Под логический тип отводят 1 бит: ord (false) =0, ord(true) =1.

Поля переменной длины имеют размер от 0 до 256 байт.

Кодирование графических данных. Изображение на экране монитора формируется системой светящихся точек. Она называется растром . Каждая точка характеризуется координатами, цветом и яркостью. Для черно-белых изображений общепринята градация 256 оттенков серого цвета, для кодировки которой используется 1 байт.

Считается, что любой цвет можно получить смешением красного (Red), зеленого (Green) и голубого (Blue). Такой способ получения цвета называется RGB. Если для каждого цвета используется 8 бит для градации его интенсивности, то для задания цвета одной точки потребуется 24 бит, позволяющих получить 2 24 = 16777216 различных цветов. Это соответствует способности человеческого глаза различать цвета, поэтому такой способ представления графической информации называется полноцветным (True Color ).

Если при кодировке цвета используется 16 разрядов, то способ называется High Color .

Если при кодировании цвета используют 8 бит, то метод кодирования называется индексным. Каждому номеру (индексу) ставится в соответствие свой образец цвета, который размещается в справочной таблице - палитре .

Кодировка звуковой информации. При воспроизведении звуков используется метод таблично-волнового синтеза. В специальных таблицах собраны в числовом виде основные параметры звучания всех основных инструментов.

Понятие программного обеспечения (ПО). Программные продукты условно разделяются на три класса:

• - системное программное обеспечение;
• - прикладные программы;
• - инструментарий технологии программирования.

Системное программное обеспечение обеспечивает эффективную и надежную работу компьютера, создает эффективную операционную среду выполнения других программ, проводит диагностику аппаратуры, копирует, восстанавливает и архивирует файлы, обеспечивает интерфейс оператора.

К наиболее распространенным операционным системам относятся MS DOS, Windows 95, OS / 2, NetWare, Windows NT, Unix. В состав системного входят базовое и сервисное программное обеспечение. Базовое программное обеспечение включает в себя операционные систему , оболочку и сетевую систему . Сервисное программное обеспечение расширяет возможности базового и обеспечивает диагностику работы компьютера, вирусную защиту, архивацию файлов, обслуживание дисков и сети.

Операционные оболочки это программы, облегчающие общение пользователя с компьютером. Оболочки могут быть текстовые и графические. К популярным текстовым оболочкам операционной системы MS DOS относятся Norton Commander 5.0 (фирма Symantec), XTree Gold 4.0, Norton Navigator и др. Наиболее популярны графические оболочки Windows.

Программы, входящие в состав сервисного программного обеспечения называются утилитами, например Norton Utilities (корпорация Symantec).

К пакетам прикладных программ относят проблемно-ориентированные, автоматизированного проектирования, общего назначения, интегрированные пакеты (Microsoft Office), офисные, настольные издательские системы, программные средства мультимедиа. Проблемно-ориентированные включают в себя ППП автоматизированного бухгалтерского учета, финансовой деятельности, кадрового учета, управления материальными запасами и производством, банковские информационные системы и т.д. К прикладным программам общего назначения относят СУБД, текстовые и табличные процессоры, средства презентационной графики. К офисным ППП относят органайзеры, программы-переводчики, электронная почта.

4.Тенденции развития вычислительной техники

По мнению специалистов, в первом десятилетии XXI в. будут повышаться значимость программного обеспечения, возрастание проблем его совместимости и обеспечения безопасности.

Среди операционных систем дальнейшее развитие получат системы Linux и Windows. С точки зрения конечного пользователя, уже в ближайшие годы должны произойти серьезные изменения в стиле его общения с компьютером. Во-первых, будет шире использоваться графический ввод данных, в том числе в режиме автоматического распознавания рукописного ввода. Во-вторых, будет использоваться голосовой ввод - сначала для управления командами, а потом будет осваиваться и автоматическая оцифровка речи. Для решения вышеуказанных задач будут разрабатываться соответствующие внешние устройства.

Огромное значение в будущем будут иметь работы в области интеллектуальной обработки неструктурированных данных, в первую очередь текстов, а затем графики, звука, видео.

Одним из наиболее перспективных направлений развития вычислительной техники является реализация концепции сетевых вычислений, использующая идею привлечения для вычислений свободных ресурсов компьютеров. Эта концепция получила название Grid и включает в себя пять ключевых пунктов:

Применение открытых стандартов;

Объединение разнородных систем;

Совместное использование данных;

Динамическое выделение ресурсов;

Объединение вычислительных сетей множества предприятий и организаций.

Развитие ЭВМ будет идти по пути создания оптоэлектронных ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой, представляющих собой распределенную сеть большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

Дальнейшее развитие получат переносные персональные компьютеры с беспроводным подключением к глобальной сети Интернет.

Следует отметить, что развитие вычислительной техники всецело зависит от тенденций развития мировой экономической системы.

Лекция № 6 История развития вычислительной техники

Лекция № 3 Поколения и классификация ЭВМ

1.Поколения вычислительной техники

Выделяют пять поколений ЭВМ.

Первое поколение (1945-1954) характеризуется появлением техники на электронных лампах. Это эпоха становления вычислительной техники. Большинство машин первого поколения были экспериментальными устройствами и создавались с целью проверки тех или иных теоретических положений. Вес и размеры этих компьютеров были такими, что они нередко требовали отдельных зданий.

Основоположниками компьютерной науки по праву считаются Клод Шеннон - создатель теории информации, Алан Тьюринг - математик, разработавший теорию программ и алгоритмов, и Джон фон Нейман - автор конструкции вычислительных устройств, которая до настоящего времени лежит в основе большинства компьютеров. В те же годы возникла еще одна новая наука, связанная с информатикой, - кибернетика - наука об управлении как одном из основных информационных процессов. Основателем кибернетики является американский математик Норберт Винер.

Во втором поколении (1955-1964) вместо электронных ламп использовались транзисторы, а в качестве устройств памяти стали применяться магнитные сердечники и барабаны - прототипы современных жестких дисков. Все это позволило сократить габариты и стоимость компьютеров, которые тогда впервые стали производиться на продажу.

Но главные достижения этой эпохи относятся к области программ. Во втором поколении впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой. Тогда же были разработаны первые языки высокого уровня - Фортран, Алгол, Кобол. Два этих важных усовершенствования позволили значительно упростить и ускорить написание программ для компьютеров.

При этом расширялась сфера применения компьютеров. Теперь уже не только ученые могли рассчитывать на доступ к вычислительной технике, поскольку компьютеры нашли применение в планировании и управлении, а некоторые крупные фирмы даже начали компьютеризировать свою бухгалтерию, предвосхищая этот процесс на двадцать лет.

В третьем поколении (1965-1974) впервые стали использоваться интегральные схемы - целые устройства и узлы из десятков и сотен транзисторов, выполненные на одном кристалле полупроводника (микросхемы). В то же время появилась полупроводниковая память, которая и до настоящего времени используется в персональных компьютерах в качестве оперативной.

В те годы производство компьютеров приняло промышленный размах. Фирма IBM первой реализовала серию полностью совместимых друг с другом компьютеров от самых маленьких, размером с небольшой шкаф (меньше тогда еще не делали), до самых мощных и дорогих моделей. Наиболее распространенным в те годы было семейство System/360 фирмы IBM, на основе которого в СССР была разработана серия ЕС ЭВМ. Еще в начале 1960-х гг. появились первые миникомпьютеры - маломощные компьютеры, доступные по цене небольшим фирмам или лабораториям. Мини-компьютеры были первым шагом на пути к персональным компьютерам, пробные образцы которых были выпущены только в середине 1970-х гг.

Между тем количество элементов и соединений, умещающихся в одной микросхеме, постоянно росло, и в 1970-е гг. интегральные схемы содержали уже тысячи транзисторов.

В 1971 г. фирма Intel выпустила первый микропроцессор, который предназначался для только появившихся настольных калькуляторов. Это изобретение произвело в следующем десятилетии настоящую революцию. Микропроцессор является главной составляющей частью современного персонального компьютера.

На рубеже 1960 -70-х гг. (1969) появилась первая глобальная компьютерная сеть ARPA, прототип современной сети Интернет. В том же 1969 г. одновременно появились операционная система Unix и язык программирования С ("Си"), оказавшие огромное влияние на программный мир и до сих пор сохраняющие свое главенствующее положение.

Четвертое поколение (1975 -1985) характеризуется небольшим количеством принципиальных новаций в компьютерной науке. Прогресс шел в основном по пути развития того, что уже изобретено и придумано, прежде всего, за счет повышения мощности и миниатюризации элементной базы и самих компьютеров.

Самая главная новация четвертого поколения - это появление в начале 1980-х гг. персональных компьютеров. Благодаря им вычислительная техника становится по-настоящему массовой и общедоступной. Несмотря на то, что персональные и мини-компьютеры по-прежнему по вычислительной мощности отстают от солидных машин, большая часть новшеств, таких как графический пользовательский интерфейс, новые периферийные устройства, глобальные сети, связана с появлением и развитием именно этой техники.

Большие компьютеры и суперкомпьютеры, конечно же, продолжают развиваться. Но теперь они уже не доминируют в компьютерном мире, как было раньше.

Некоторые характеристики вычислительной техники четырех поколений приведены в

Пятое поколение (1986 г. до настоящего времени) в значительной мере определяется результатами работы японского Комитета научных исследований в области ЭВМ, опубликованными в 1981г. Согласно этому проекту ЭВМ и вычислительные системы пятого поколения кроме высокой производительности и надежности при более низкой стоимости с помощью новейших технологий должны удовлетворять следующим качественно новым функциональным требованиям:

обеспечить простоту применения ЭВМ путем реализации систем ввода/вывода информации голосом, а также диалоговой обработки информации с использованием естественных языков;

обеспечить возможность обучаемости, ассоциативных построений и логических выводов;

упростить процесс создания программных средств путем автоматизации синтеза программ по спецификациям исходных требований на естественных языках;

улучшить основные характеристики и эксплуатационные качества вычислительной техники для удовлетворения различных социальных задач, улучшить соотношения затрат и результатов, быстродействия, легкости, компактности ЭВМ;

обеспечить разнообразие вычислительной техники, высокую адаптируемость к приложениям и надежность в эксплуатации.

В настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию оптоэлектронных ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой, представляющих собой распределенную сеть большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих архитектуру нейронных биологических систем.

2.Классификация электронно-вычислительных машин

ЭВМ можно классифицировать по ряду признаков:

По принципу действия.

По назначению ЭВМ.

По размерам и функциональным возможностям.

По принципу действия ЭВМ :

АВМ – аналоговые вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения);

ЦВМ – цифровые вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной (цифровой) форме;

ГВМ – гибридные вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной как в цифровой, так и аналоговой форме. ГВМ совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. Их целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

По назначению ЭВМ :

универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и других, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных;

проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими процессами;

специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций.

По размерам и функциональным :

сверхмалые (микро ЭВМ ) обязаны своим появлением изобретению микропроцессора, наличие которого первоначально служило определяющим признаком микро ЭВМ, хотя сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ;

малые (мини-ЭВМ) используются чаще всего для управления технологическими процессами;

большие ЭВМ чаще всего называют мэйнфреймами (mainframe). Основные направления эффективного применения мэйнфреймов – это решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами;

сверхбольшие (суперЭВМ) – мощные многопроцессорные вычислительные машины быстродействием десятки миллиардов операций в секунду и объемом оперативной памяти десятки Гбайт.

3.Принципы строения и функционирования ЭВМ Джона фон Неймана

Большинство современных ЭВМ функционирует на основе принципов, сформулированных в 1945 г. американским ученым венгерского происхождения Джоном фон Нейманом.

1. Принцип двоичного кодирования . Согласно этому, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных символов (сигналов).

2. Принцип программного управления . Компьютерная программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

3. Принцип однородности памяти . Программы и данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

4. Принцип адресности . Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек, любая из которых доступна процессору в любой момент времени.

Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков:

1) устройство ввода/вывода информации;

2) память ЭВМ;

3) процессор, включающее устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ).

В ходе работы ЭВМ информация через устройства ввода попадает в память. Процессор извлекает из памяти обрабатываемую информацию, работает с ней и помещает в нее результаты обработки. Полученные результаты через устройства вывода сообщаются человеку.

Память ЭВМ состоит из двух видов памяти: внутренней (оперативной ) и внешней (долговременной ).

Оперативная память – это электронное устройство, которое хранит информацию, пока питается электроэнергией. Внешняя память – это различные магнитные носители (ленты, диски), оптические диски.

За прошедшие десятилетия процесс совершенствования ЭВМ шел в рамках приведенной обобщенной структуры.

4.Классификация персональных компьютеров

Как указывалось выше, персональный компьютер (ПК) представляет собой универсальную однопользовательскую микро ЭВМ.

Персональный компьютер в первую очередь является общедоступной ЭВМ и обладает определенной универсальностью.

Для удовлетворения потребностей пользователя ПК должен обладать следующими свойствами:

иметь относительно небольшую стоимость, быть доступным для индивидуального покупателя;

обеспечивать автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;

обеспечивать гибкость архитектуры, делающей возможным ее перестройку для разнообразных применений в сфере управления, науки, образования, в быту;

операционная система и программное обеспечение должны быть достаточно простыми, чтобы с ПК мог работать пользователь без профессиональной специальной подготовки;

иметь высокую надежность работы (более 5000 ч наработки на отказ).

В соответствии с международным стандартом-спецификацией РС99 ПК по назначению делятся на следующие категории:

массовый ПК (Consumer);

деловой ПК (Office PC);

портативный ПК (Mobile PC);

рабочая станция (Workstation PC);

развлекательный ПК (Entertainment PC).

Большинство ПК, имеющихся в настоящее время на рынке, являются массовыми. Для деловых ПК минимизированы требования к средствам воспроизведения графики, а к средствам работы со звуковыми данными требования вообще не предъявляются. Для портативных ПК обязательным является наличие средств для создания соединений удаленного доступа, т.е. средств компьютерной связи. В категории рабочих станций повышены требования к устройствам хранения данных, а в категории развлекательных ПК – к средствам воспроизведения звука и видео.

По поколениям ПК делятся:

на ПК 1-го поколения, используют 8-битные микропроцессоры;

ПК 2-го поколения, используют 16-битные микропроцессоры;

ПК 3-го поколения, используют 32-битные микропроцессоры;

ПК 4-го поколения, используют 64-битные микропроцессоры.

ПК можно также разделить на две большие группы: стационарные и переносные. К переносным компьютерам относятся ноутбуки, электронные записные книжки, секретари и блокноты.

Как известно компьютеры предназначены для обработки информации и являются частным, но наиболее распространенным видом цифровых автоматов.

Функциональная и структурная организация цифровых вычислительных машин базируется на определенных принципах, составляющих методологическую основу цифровой вычислительной техники. В основе функциональной организации цифровых вычислительных машин лежит принцип программного управления и двоичного кодирования информации. Принцип программного управления может быть реализован системами с различной структурой, отличающимися функциональными свойствами и производительностью.

Для успешного изучения общих принципов обработки цифровой информации рационально, по возможности максимально, отвлечься от реального аппаратного обеспечения компьютера и рассматривать компьютер как некоторый абстрактный цифровой автомат, предназначенный для обработки информации, представленной в цифровой форме разработано данное методическое указание.

Настоящее методическое указание предназначено для студентов обучающихся по специальности «Информатика и информационные технологии» 5521900, написано в соответствии с учебной программой к трем практическим занятиям по курсу «Информационные основы вычислительных систем».

Представление информации в эвм.

Любая информация представляется в ЭВМ в виде чисел и располагается в оперативной памяти, так происходит потому, что цифровую информацию очень удобно кодировать, а значит, ее удобно хранить и обрабатывать.

За единицу представления информации в ЭВМ принимают один бит (от binary digit). Бит может принимать значения 0 или 1.

Бит – очень маленькая единица информации, она удобна для хранения информации в компьютере, но неудобна для ее обработки.

Обработкой информации в компьютере занимается специальная микросхема – процессор, который может одновременно обрабатывать группу битов. Поэтому за единицу обработки или передачи информации принимается один байт, который представляет собой последовательность из восьми битов. Байты могут объединяться по два, четыре, восемь байтов и образовывать неполное стандартное, длинное слово (ячейка) соответственно. Каждая ячейка может содержать число или команду, записанных с помощью единиц и нулей. Способ представления чисел посредством числовых знаков (цифр) называют системой счисления (СС). Правила записи и действий над числами в СС, используемых в цифровой вычислительной технике, определяют арифметические основы цифровых ЭВМ.

Системы счисления.

В ЭВМ находят широкое применение системы счисления с основанием, являющимся целой степенью числа 2, т.е. двоичная, восьмеричная и шестнадцатеричная.

Для записи двоичных чисел используются две цифры: 0 и 1. Сложение и умножение выполняются по следующим правилам:

Действия над многозначными числами выполняются по принципу поразрядного сложения и умножения по этим таблицам.

Двоичная система счисления позиционная, также как и восьмеричная, шестнадцатеричная, т.е. значение цифры зависит от занимаемого ею положения. Для записи чисел в восьмеричной системе используют 8 цифр: 0,1,2,3.4,5,6,7.

Действия над ними, также определяются таблицами сложения и умножения. Для записи чисел в шестнадцатеричной системе используют шестнадцать цифр: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F. Изображение целых десятичных чисел в различных системах показано в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Итак. в двоичной системе (основание системы 10 2 =2 10) младший разряд это разряд единиц, а каждый следующий в 10 2 раз больше, т.е. если говорить о десятичном эквиваленте в 2 10 раза больше. Проверим результат примера 3 исходя из предыдущих соображения: в младшем разряде одна единице + в следующем разряде: одна двойка + в следующем одна четвертка + в следующем одна восьмерка, следовательно, число 1111 2 =

1 10 +2 10 +4 10 +8 10 =15 10 все.

Разберем пример 4: 10101 2: 11=111

10101 2 = 116 + 08 +402+1=21 10

11 2 =1+2=3 10 .

Следовательно, мы делили 21 на 3, записанных в двоичной системе, в результате получим 111 2 =14+21 +1=7, т.е. действие выполнено верно.

Любое число А=а n a n -1 …..a 1 a 0 , записанное в позиционной системе с основанием q может быть предоставлено в виде суммы.

Например:

162 10 =110 2 10 +610 10 +2,

AB1 16 =A10 10 2 +B10 16 +1

73 8 =710 8 +3

где q – основание системы счисления (оно во всех системах представляется как 10)
- цифры этой системы счисления.

Принцип позиционности положен в основу правила перевода чисел из одной системы в другую. При этом надо учесть, что числу 10 2 в двоичной системе соответствует число 2 10 в десятичной (10 2 =2 10). Аналогично 10 8 =8 10 , 10 16 =16 10 .

Например, числа: 25,03 8 ; 18,6 10 ; 101,10 2 ; А9В 16 можно представить в виде разложения, а затем перевести в десятичную систему так:

Перевод из восьмеричной и шестнадцатеричной систем в двоичную и обратно заключается в простой замене цифр тремя (тирада) или четырьмя (тетрада) двоичными знаками. Именно поэтому сначала восьмеричная, а потом и шестнадцатеричная С.С. используются как промежуточная между нашей десятичной и машинной двоичной С.С.

Пример 1.
восьмеричное число

шестнадцатеричное число

Современные вычислительные машины представляют одно из самых значительных достижений человеческой мысли, влияние которого на развитие научно-технического прогресса трудно переоценить.

Сегодня, кроме привычных компьютеров с клавиатурами, мониторами, дисководами, мир современной техники наполнен компьютерами-невидимками - микропроцессорами, который представляет собой компьютер в миниатюре.

Кроме обрабатывающего блока, он содержит блок управления и даже память (внутренние ячейки памяти). Это значит, что микропроцессор способен автономно выполнять все необходимые действия с информацией.

Массовое распространение микропроцессоры получили везде, где управление может быть сведено к отдаче ограниченной последовательности команд. Среди них выделяют: многопользовательские, оборудованные многими выносными терминалами и работающие в режиме разделения времени; встроенные, которые могут управлять станком, какой-либо подсистемой автомобиля, другого устройства, будучи его малой частью. Эти встроенные устройства (их называют контроллерами) выполняются в виде небольших плат.

Таким образом, созданные на основе микропроцессора вычислительные машины (микро-ЭВМ) незаменимы в современной технике.

Применение микропроцессоров даже лет 30 назад было около 2000 различных сфер: это управление производством (16%), научные исследования, транспорт и связь (17%), информационно-вычислительная техника (12%), военная техника (9%), бытовая техника (3%), обучение (2%), авиация и космос (15%), коммунальное и городское хозяйство, банковский учёт, метрология, медицина (4%) и другие области.

В настоящее время области их применения можно разделить на группы.

Научно-технические применения. Для них характерно требование высокого быстродействия. Это те области науки и техники, где крайне необходимо применение вычислительных машин: ядерная физика, метеорология, ракетная техника, медицина.

Обработка данных. Здесь выдвигается требование большого объема запоминающих устройств. В этой группе решаются задачи из областей статистики, материально-технического снабжения, бухгалтерского учета, планирования, резервирования билетов, разработки сетевых графиков и т.д.

Моделирование. Вычислительные машины используются для моделирования различных сложных явлений в экономике, автоматике, биологии, военном деле и т.д.

Управление производственными процессами. В этом случае машина работает в так называемом реальном масштабе времени, когда арифметические и логические операции выполняются во время протекания самих производственных процессов. Роль управляющей машины может сводиться к выполнению следующих функций:

Полному информированию оператора о ходе процесса;

Сигнализации, когда существенные для протекания процесса параметры выходят за допустимые пределы;

Автономному (без участия человека) управлению протеканием процесса.

Микропроцессоры получили массовое распространение в производстве, где управление может быть сведено к отдаче ограниченной последовательности команд. Например, развиваются следующие направления автоматизации с применением микропроцессорной техники систем управления:

Станки с ЧПУ плюс робот;

Станки с ЧПУ плюс робот плюс устройство активного контроля размеров;

Станки с ЧПУ плюс робот плюс система автоматической диагностики с самовозвратом.

Сегодня вся современная техника, как бытового, так и промышленного применения, представляет собой сложные технические системы, реализованные на базе микроэлектроники и средств вычислительной техники.

Вычислительные средства являются важнейшей составной частью различных устройств техники: радиоэлектронной аппаратуры, стиральных машин, холодильников, машин химической чистки одежды и прочих технических устройств разнообразного назначения, в том числе и военного. Так, немыслимо без использования микропроцессоров управление современным двигателем - обеспечение экономии расхода топлива, ограничение максимальной скорости движения, контроль исправности и т.д.

Наибольший эффект применения микропроцессоров достигается при встраиваемом варианте его использования, когда они встраивается внутрь приборов, устройств или машин. В настоящее время используются бытовые холодильники, стиральные машины-автоматы, печи СВЧ, телевизионные приемники, видеомагнитофоны и проигрыватели со встроенными микропроцессорами.

Таким образом, использование микропроцессоров в оборудовании позволяет повысить производительность тяжелого ручного труда, повысить качество товаров и услуг. Встраивание микропроцессоры в станки, оборудование и приборы поможет решить сложные проблемы программного регулирования технологическими процессами.

ЭВМ находят применение при выполнении широкого круга производственных задач. Так, например, диспетчер на крупном заводе имеет в своём распоряжении автоматизированную систему контроля, обеспечивающую бесперебойную работу различных агрегатов.

Компьютеры используются также для контроля за температурой и давлением при осуществлении различных производственных процессов.

Также управляются компьютером роботы на заводах, например на линиях сборки автомобилей, включающие многократно повторяющиеся операции, например затягивание болтов или окраску деталей кузова.

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 ЭВМ 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 из станков с числовым программным управлением, автоматизированных складских и транспортных систем, управляемых при помощи ЭВМ.

В системах управления сложными технологическими процессами 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 ЭВМ, где 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 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 системы управления сложными технологическими процессами является обеспечение безаварийной работы сложного технологического комплекса. Для этого 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, применение ЭВМ обеспечивает лучшее использование ресурсов производства, повышение производительности труда, экономию сырья, материалов и энергоресурсов, исключение тяжелых аварийных ситуаций, увеличение межремонтных периодов работы оборудования.

ЭВМ используется в техническом оснащении магазинов самообслуживания: покупки пропускают через оптическое сканирующее устройство, которое считывает универсальный код, нанесённый на покупку, по которому компьютер определяет, цену этого изделия, хранящуюся в памяти компьютера, и высвечивает ее на маленьком экране, чтобы покупатель мог видеть стоимость своей покупки. Как только все отобранные товары прошли через оптическое сканирующее устройство, компьютер немедленно выдаёт общую стоимость купленных товаров.

Мощные вычислительные системы применяются в банковских операциях, что позволяет выполнять большое количество операций, включая обработку чеков, регистрацию изменения каждого вклада, приём и выдачу вкладов, оформление ссуды и перевод вкладов с одного счёта на другой или из банка в банк.

Кроме того, крупнейшие банки имеют автоматические устройства, расположенные за пределами банка.

Банковские автоматы позволяют клиентам не выстаивать длинных очередей в банке, взять деньги со счета, когда банк закрыт.

Чрезвычайно возрос уровень применения ЭВМ в медицине, которая 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.

В медицине широко применяются и экспертные системы, основное назначение которых - медицинская диагностика. Диагностические системы используются для установления связи между нарушениями деятельности организма и их возможными причинами.

Кроме того, ЭВМ применяется для формирования различного рода двигательных навыков в составе тренажеров при обучении различным профессиям: летчиков, машинистов, водителей и других.

Итак, развитие вычислительной техники и сферы ее использования - процессы взаимосвязанные и взаимообусловленные.

С одной стороны, потребности народного хозяйства стимулируют поиски учеными новых путей построения ЭВМ, а с другой стороны, появление ЭВМ с большими функциональными возможностями, с существенно улучшенными показателями по производительности, надежности и т.п., создает предпосылки для непрерывного расширения областей и развития форм применения ЭВМ.

электронный вычислительный микропроцессор моделирование