Автор работы: Пользователь скрыл имя, 24 Февраля 2014 в 19:17, реферат
Во все времена людям нужно было считать. В туманном доисторическом прошлом они считали на пальцах или делали насечки на костях. Примерно около 4000 лет назад, на заре человеческой цивилизации, были изобретены уже довольно сложные системы счисления, позволявшие осуществлять торговые сделки, рассчитывать астрономические циклы, проводить другие вычисления. Несколько тысячелетий спустя появились первые ручные вычислительные инструменты. А в наши дни сложнейшие вычислительные задачи, как и множество других операций, казалось бы, не связанных с числами, решаются при помощи «электронного мозга», который называется компьютером.
- ВВЕДЕНИЕ.
Во все времена людям нужно было считать. В туманном доисторическом прошлом они считали на пальцах или делали насечки на костях. Примерно около 4000 лет назад, на заре человеческой цивилизации, были изобретены уже довольно сложные системы счисления, позволявшие осуществлять торговые сделки, рассчитывать астрономические циклы, проводить другие вычисления. Несколько тысячелетий спустя появились первые ручные вычислительные инструменты. А в наши дни сложнейшие вычислительные задачи, как и множество других операций, казалось бы, не связанных с числами, решаются при помощи «электронного мозга», который называется компьютером.
Трудно представить себе жизнь современного человека без компьютера. Его мы встречаем повсюду: в аэропорту, на производственном предприятии, в больнице, в школе. История компьютера- в отличие от других изобретений человека- невелика: лишь в 40-е годы прошлого столетия было положено начало созданию вычислительной машины современной архитектуры и с современной логикой. И вот менее чем за полвека компьютер проделал в своём развитии и совершенствовании такой стремительный путь, с каким не сравнится ни одно другое изобретение человека, включая атомную энергию и космическую технику. Благодаря успехам электроники, в частности массовому производству интегральных схем, компьютер превратился из гигантского монстра, занимавшего в 50-е годы целые залы, в довольно компактное создание, которое удобно размещается на письменном столе или даже встраивается в корпус наручных часов. Ныне компьютер стал неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. И совершенно естественно желание людей знать историю этого «чуда» и имена его создателей, иметь хотя бы общее, поверхностное представление о его структуре, функциях, применении. История ЭВМ- это история виртуозных технических решений, утопических фантазий и коммерческой дерзости.
2. ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ,ЕЁПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ.
Компьютер- это электронный прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки данных.
В его определении, определяющий признак-электронный. Однако автоматические вычисления не всегда производились электронными устройствами. Известны и механические устройства, способные выполнять расчёты автоматически.
Анализируя раннюю историю вычислительной техники, некоторые зарубежные исследователи, нередко в качестве древнего предшественника компьютера называют механическое счётное устройство абак. Подход «от абака» свидетельствует о глубоком методическом заблуждении, поскольку абак не обладает свойством автоматического выполнения вычислений, а для компьютера оно определяющее.
Абак- наиболее раннее счётное механическое устройство, первоначально представлявшее собой глиняную пластину с желобами, в которых раскладывались камни, представляющие числа. Появление абака относят к четвёртому тысячелетию до н.э. Местом появления считается Азия. В средние века в Европе абак сменился разграфлёными таблицами. Вычисления с их помощью называли счётом на линиях, а в России в 16-17 веках появилось намного более передовое изобретение, применяющееся и поныне- русские счёты.
В то же время нам хорошо знаком другой прибор, способный автоматически выполнять вычисления,- это часы. Независимо от принципа действия, все виды часов обладают способностью генерировать через равные промежутки времени перемещения или сигналы и регистрировать возникающие при этом изменения, то есть выполнять автоматическое суммирование сигналов или перемещений. Этот принцип прослеживается даже в солнечных часах, содержащих только устройство регистрации (роль генератора выполняет система Земля- Солнце)
Механические часы- прибор, состоящий из устройства, автоматически выполняющего перемещения через равные заданные интервалы времени и устройства регистрации этих перемещений. Место появления первых механических часов неизвестно. Наиболее ранние образцы относятся к 14 веку и
принадлежат монастырям (башенные часы).В основе любого современного компьютера, как и в электронных часах, лежит тактовый генератор, вырабатывающий через равные интервалы времени электрические сигналы, которые используются для приведения в действие всех устройств компьютерной системы. Управление компьютером фактически сводится к управлению распределением сигналов между устройствами. Такое управление может производиться автоматически (в этом случае говорят о программном управлении), или вручную с помощью внешних органов управления- кнопок, переключателей, перемычек и т. п. (в ранних моделях). В современных компьютерах внешнее управление в значительной степени автоматизировано с помощью специальных аппаратно-логических интерфейсов, к которым подключаются устройства управления и ввода данных. В отличие от программного управления такое управление называют интерактивным.
Первое в мире автоматическое устройство для выполнения операции сложения было создано на базе механических часов. В 1623 году его разработал Вильгельм Шикард, профессор кафедры восточных языков в университете Тьюбингена (Германия). В наши дни рабочая модель устройства была воспроизведена по чертежам и подтвердила свою работоспособность. Сам изобретатель в письмах называл машину «суммирующими часами».
В 1642 году французский механик Блез Паскаль (1623-1662) разработал более компактное суммирующее устройство, которое стало первым в мире механическим калькулятором, выпускавшимся серийно. В 1673 году немецкий математик и философ Г.В.Лейбниц (1646-1717) создал механический калькулятор, который мог выполнять операции умножения и деления путём многократного повторения операций сложения и вычитания.
На протяжении 18 века, известного как эпоха Просвещения, появились новые, более совершенные модели, но принцип механического управления вычислительными операциями оставался тем же. Идея программирования вычислительных операций пришла из той же часовой промышленности. Старинные монастырские башенные часы были настроены так, чтобы в заданное время включать механизм, связанный с системой колоколов. Такое программирование было жёстким- одна и та же операция выполнялась в одно и то же время. Идея гибкого программирования механических устройств с помощью
перфорированной бумажной ленты впервые была реализована в 1804 году в ткацком станке Жаккарда, после чего оставался только один шаг До программного управления вычислительными операциями.Этот шаг был сделан выдающимся английским математиком и изобретателем Чарльзом Бэббиджем (1792-1871) в его Аналитической машине, которая, к сожалению, так и не была до конца построена изобретателем при жизни, но была воспроизведена в наши дни по его чертежам, так что сегодня мы вправе говорить об Аналитической машине, как о реально существующем устройстве. Особенностью Аналитической машины стало то, что здесь впервые был реализован принцип разделения информации на команды и данные. Аналитическая машина содержала два крупных узла- «склад» и «мельницу». Данные вводились в механическую память «склада» путём установки блоков шестерён, а потом обрабатывались в «мельнице» с использованием команд, которые вводились с перфорированных карт (как в ткацком станке Жаккарда).
Исследователи творчества Чарльза Бэббиджа непременно отмечают особую роль в разработке проекта Аналитической машины графини Огасты Ады Лавлейс (1815-1852) дочери известного поэта лорда Байрона. Именно ей принадлежала идея использования перфорированных карт для программирования вычислительных операций (1843). В частности, в одном из писем она писала: «Аналитическая машина точно так же плетёт алгебраические узоры, как ткацкий станок воспроизводит цветы и листья». Леди Аду можно с полным основанием назвать самым первым в мире программистом. Сегодня её именем назван один из языков программирования.
Если мы задумаемся над тем, с какими объектами работали первые механические предшественники современного электронного компьютера, то должны признать, что числа представлялись либо в виде линейных перемещений цепных и реечных механизмов, либо в виде угловых перемещений зубчатых и рычажных механизмов. И в том и в другом случае это были перемещения, что не могло не сказываться на габаритах устройства и на скорости их работы. Только переход от регистрации перемещений к регистрации сигналов позволил значительно снизить габариты и повысить быстродействие. Однако на пути к этому достижению потребовалось ввести ещё несколько важных принципов и понятий.
Двоичная система Лейбница. В механических устройствах зубчатые колеса могут иметь достаточно много фиксированных и, главное,
различимых между собой положений. Количество таких положений,
по
Возможность представления любых чисел
(да и не только чисел) двоичными цифрами
впервые была предложена Готфридом Вильгельмом
Лейбницем в 1666 году. Он пришел к двоичной
системе счисления, занимаясь исследованиями
философской концепции единства и борьбы
противоположностей. Попытка представить
мироздание в виде непрерывного взаимодействия
двух начал («черного» и «белого», мужского
и женского, добра и зла) и применить к
его изучению методы «чистой» математики
подтолкнули Лейбница к изучению свойств
двоичного представления данных с помощью
нулей и единиц. Надо сказать, что Лейбницу
уже тогда приходила в голову мысль о возможности
использования двоичной системы в вычислительном
устройстве, но, поскольку для механических
устройств в этом не было никакой необходимости,
он не стал использовать в своем калькуляторе
(1673 году) принципы двоичной системы.
Математическая логика Джорджа Буля.
Говоря о творчестве Джорджа Буля, исследователи
истории вычислительной техники непременно
подчеркивают, что этот выдающийся английский
ученый первой половины XIX века был самоучкой.
Возможно, именно благодаря отсутствию
«классического» (в понимании того времени)
образования, Джордж Буль внес в логику,
как в науку, революционные изменения.
Занимаясь исследованием законов мышления,
он применил в логике систему формальных
обозначений и правил, близкую к математической.
Впоследствии эту систему назвали логической
алгеброй или булевой алгеброй. Правила
этой системы применимы к самым разнообразным
объектам и их группам (множествам, по терминологии автора).
Основное назначение системы, по замыслу
Дж. Буля, состояло в том, чтобы кодировать
логические высказывания и сводить структуры
логических умозаключений к простым выражениям,
близким
по форме к математическим формулам. Результат
формального расчета логического выражения
является одно из двух логических значений:
Истина или ложь.
Значение логической алгебры долгое время
игнорировалось, поскольку ее приемы и
методы не содержали практической пользы
для науки и техники того времени. Однако,
когда появилась принципиальная возможность
создания средств вычислительной техники
на электронной базе, операции, введенные
Булем, оказались весьма полезны. Они изначально
ориентированы на работу только с двумя
сущностями: истина и ложь. Нетрудно понять,
как они пригодились для работы с двоичным
кодом, который в современных компьютерах
тоже представляется всего двумя сигналами:
ноль и единица.
Не вся система Джорджа Буля (как и не все предложенные им логические операции) были использованы при создании электронных вычислительных машин, но четыре основные операции: и (пересечение), или (объединение), не (обращение) и исключающее, или— лежат в основе работы всех видов процессоров современных компьютеров.
Схему устройства компьютера предложил знаменитый математик Джон фон Нейман в 1946 г., её принципы работы во многом сохранились в современных компьютерах.
3.АРХИТЕКТУРА КОМПЬЮТЕРА.
Термин «архитектура» по отношению к компьютеру во многом означает то же самое, что и по отношению к сооружению. Например, шифровые компьютеры, подобно большинству зданий, имеют общую базовую архитектуру. Базовая схема для большинства цифровых компьютеров была предложена в конце 1940-х годов Дж.фон Нейманом. Компьютер, подобно зданию, является системой, т.е. логическим соединением основных блоков, каждый из которых имеет специфическое назначение. Часто эти укрупнённые блоки называются подсистемами и состоят из меньших блоков, служащих какой-то конкретной цели, которые зачастую включают в себя ещё меньшие блоки и компоненты. В состав цифрового компьютера входит пять основных подсистем: устройство управления, арифметико-логическое устройство, подсистемы памяти, ввода-вывода и внутренних связей.
Память у компьютера бывает двух видов: основная и внешняя. Основная память устроена подобно почтовому офису: она состоит из микроскопических ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный адрес, или номер. Элемент информации сохраняется в памяти с назначением ему некоторого адреса. Чтобы отыскать эту информацию, Скомпьютер «заглядывает» в ячейку и копирует её содержимое в свой «командный» пункт. Ёмкость отдельной ячейки памяти называется словом. Обычно длина слова для персонального компьютера составляет 16 двоичных цифр, или битов. Длинна в 8 бит называется байтом. Типичные большие компьютеры оперируют словами длиной от 32 до 128 бит, тогда как миникомпьютеры имеют дело со словами в 16-64 бит. Внешняя память обычно располагается вне центральной части компьютера. Поскольку внешняя память работает медленнее основной, она используется, главным образом для хранения информации, которая не требуется компьютеру срочно. Чтобы использовать внешнюю память, «командный пункт» компьютера обычно передаёт нужное содержимое части внешней памяти в основную. Основная память ограничена по объёму, поэтому конструкторы компьютеров стремятся хранить во внешней памяти как можно больше информации. Центральный процессор. Ключевыми подсистемами компьютера являются управляющее устройство (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ). Вместе они оставляют центральный процессор (ЦП)- «командный пункт». В ЦП компьютер манипулирует данными, хранит след своих команд и управляет остальными подсистемами. В большинстве микрокомпьютеров ЦП размещается на одиночном микроэлектронном чипе. У миникомпьютеров УУ зачастую находится на одном чипе, АЛУ- на другом, а команды, управляющие обоими этими устройствами,- на третьем. В больших компьютерах ЦП рассредоточен по многим чипам. Во всех случаях ЦП занимает сравнительно мало места. Центральный процессор имеет дело непосредственно с программой, хранимой в основной памяти. Программа представляет собой просто перечень инструкций, указывающих компьютеру, что делать. Обычно в компьютере имеются два набора регистраторов: один для использования ЦП, другой- для удержания следов команд задействованной программы. Среди регистров ЦП выделим прежде всего сумматор, который является устройством, непосредственно обслуживающим АЛУ. Самые последние результаты операций находятся, как правило, в сумматоре. Среди других регистров назовём счётчик команд, указатель стека и различные регистры общего назначения. УУ дешифрует команды, извлечённые из памяти,