История и перспективы развития устройств хранения информации

III. В. Э. Фигурнов, "IBM PC для пользователя", М., 1997 г

Структура памяти компьютера и представление чисел

 Сейчас вам предстоит  познакомиться с устройством  и работой компьютера. Это знакомство  не будет выходить за рамки  архитектуры ЭВМ. Напомним, что  архитектурой ЭВМ называется  описание структуры и принципов  работы компьютера без подробностей  технической реализации, то есть  без электронных схем и прочих  конструктивных деталей. Чтобы  «не забираться внутрь» реального  компьютера, это было бы слишком  сложно, мы опишем архитектуру  гипотетического учебного компьютера. Он называется «Учебный компьютер  Нейман», или сокращенно «УК  Нейман». Это название подчеркивает  тот факт, что архитектура учебного  компьютера соответствует принципам Дж. фон Неймана. Возможности нашего учебного компьютера очень ограничены по сравнению с реальными ЭВМ. «УК Нейман» предназначен для выполнения арифметических расчетов с целыми числами.

Структура памяти «УК Нейман»

 Объем памяти учебного  компьютера — 256 байт. Десятичные  адреса байтов лежат в интервале  от 0 до 255. Но в компьютере они  двоичные. Переведем число 25510 в  двоичную систему. Конечно это можно сделать делением на 2, но можно и короче:

255 = 256 - 1 = 28 - 1 = (100000000 - 1)2 = 111111112.

 Следовательно, диапазон  адресов байтов от 0 до 111111112. В  шестнадцатеричной системе это  соответствует диапазону от О до FF. Группы из четырех байтов образуют ячейки памяти.

 Ячейка — это часть  памяти, вмещающая в себя информацию, доступную для обработки отдельной командой процессора.

В «УК Нейман» в ячейке памяти может храниться одно число или одна команда программы.

 Содержимое ячейки  памяти называется машинным словом.

Следовательно, в «УК Нейман»  машинное слово — это двоичная информация размером в 32 бита (4 байта).

Схематически структура  памяти «УК Нейман» показана на РИСУНКЕ 1.

РИСУНОК 1. Структура памяти «УК Нейман»Адреса ячеек Байты

00   00   01   02   03

04   04   05   06   07

08   08   09   ОА   0В

ОС   ОС   OD   ОЕ   OF

10   10   11   12   13

. . .

FC   FC   FD   FE   FF

 

 

Адрес ячейки равен адресу младшего из составляющих ее байтов (байта  с меньшим номером). Адреса ячеек  учебного компьютера меняются с шагом 4. Первая ячейка имеет адрес 00, вторая — 04 и так далее, последняя — FC. Всего в памяти «УК Нейман» 64 ячейки (256/4).

Договоримся в дальнейшем не путать два понятия: адрес ячейки и значение ячейки памяти.

 Адрес ячейки — это  ее номер; значение ячейки — это ее содержимое.

Адреса представляются двузначными  шестнадцатеричными числами, что соответствует  восьмизначным двоичным числам. Следовательно, при хранении адреса в памяти он занимает 1 байт (8 бит).

Примечание. Размер памяти компьютера и длина адрес-ного кода однозначно связаны между собой через понятие «адресное пространство». Адресное пространство — это совокупность байтов памяти, к которым можно обратиться с использованием машинного адреса. Если адресный код содержит n бит, то размер адресного пространства равен 2n байт. В «УК Нейман» n = 8, поэтому размер адресного пространства равен 28 = 256 байт.

Положительные целые числа в памяти компьютера

«УК Нейман» работает только с целыми числами. Наименьшее по абсолютной величине число, хранимое в ячейке памяти, равно нулю (во всех разрядах — ноль). Самое большое положительное  число имеет такое внутреннее представление в двоичной форме:

01111111 11111111 11111111 11111111.

Это же число в шестнадцатеричной форме:

7F FF FF FF.

В десятичной системе это  число равно 231 -1 = 2147483647.

Если размер машинного  слова равен N бит, то максимальное целое  положительное число, хранимое в ячейке памяти, равно 2N-1 - 1.

Первый слева двоичный разряд хранит код знака числа. У положительных чисел в этом разряде ноль, у отрицательных — единица.

Как получить внутреннее представление  целого положительного числа, например числа 5628? Покажем это на примере.

Сначала переведем число в шестнадцатеричную систему.

562810= 15FC16.

Затем дополним это число  слева нулями до восьми разрядов:

00 00 15 FC.

Используя двоично-шестнадцатеричную  таблицу, можно расписать двоичное представление этого числа в ячейке памяти:

00000000 00000000 00010101 11111100

Коротко о главном

Ячейка — это структурная  единица памяти, вмещающая информацию, равную машинному слову.

Адрес ячейки равен адресу младшего байта, входящего в нее.

Максимальное целое число, хранимое в ячейке памяти, равно 2 N-1 - 1, где N — размер машинного слова  в битах.

История компьютерной памяти

В компьютерном мире всё так  быстро меняется, совершенствуется, совсем не оставляя нам выбора обдумать, осознать. Вот, опять что-то новое, но мы ещё  даже не успели понять, нравится ли нам предыдущее?

А давайте, сделаем остановку  и вспомним, как всё начиналось…

Одним из важнейших процессов  в истории развития компьютеров, является разработка устройств для хранения накопленных данных.

Какие же наиболее важные шаги были сделаны в эволюции «памяти», какие события стали определяющими  для развития этих компьютерных технологий?

1.Перфокарты

Задолго до появления цифровых вычислительных машин, компьютеры первого  поколения в 20 – 50 –е годы двадцатого столетия использовали перфокарты в  качестве основного носителя информации при хранении и обработке данных.

Перфокарта – перфорационная карта, названа от латинского «perforo» — пробиваю и «charta» — бумага. Информация наносится на неё пробивкой отверстий. Существовало множество различных форматов перфокарт, самым распространённым считался «формат IBM»,принятый в 1928 году — стандартная карта с 80-тью колонками поперёк, вдоль карта разбивалась на 12 строк (10 основных и 2 дополнительных). На одной перфокарте можно записать до 80 символов.

В те годы, компания «IBM» производила  до 10 миллионов таких карт ежедневно.

Главным преимуществом перфорационных карт считалась возможность манипулировать данными.

2.Магнитные ленты

В начале 50-х годов, с появлением первых серийных компьютеров «UNIVAC 1» (UNIVersal Automatic Computer), появилась необходимость в более скоростных записывающих устройствах. «UNIVAC» работает совместно с устройством, использующим в качестве носителя магнитную ленту – тонкую полоску металла шириной 12, 65 мм, состоящую из никелированной бронзы (называемой Vicalloy). Плотность записи была 128 символов на дюйм (198 микрометров / символ) на восемь дорожек. Это было значительно эффективнее перфорационных машин.

В 1952 году, та же компания «IBM»  производит первую гибкую пластмассовую  ленту, покрытую тонким магнитным слоем, породившую грандиозный коммерческий успех, полностью заменив употребление перфокарт.

3.Магнитный барабан

Предшественник «хард» диска (жёсткого диска) – магнитный барабан (magnetic drum), представляет собой металлический цилиндр, покрытый ферромагнетиком, вокруг которого расположен целый ряд считывающих головок, находящихся – каждая на своей дорожке. Барабан, так же, как жёсткие диски, имеет статичную головку, магнитное хранение данных основано на явлении электромагнетизма. Скорость работы этой системы находится в зависимости от скорости вращения цилиндра, и время доступа у такого носителя было, конечно, не самым быстрым.

4.Память на магнитных  сердечниках

Первый тип памяти с  доступом (RAM – Random Access Memory) появился в 50-тые годы, в качестве альтернативы магнитной ленты и перфокарт.

Магнитная память (magnetic-core memory) или по другому – ферритовая — это запоминающее устройство, хранящее информацию в виде направления намагниченности небольших ферритовых сердечников, требующих использование миниатюрных железных колец, толщиной менее 2мм, которые пришивались в прямоугольную матрицу, создавая магнитную структуру. Эта, почти ювелирная работа влекла за собой использование микроскопа и квалифицированных портных, поэтому такой тип памяти оказался очень дорогим в производстве и не получил широкого распространения на рынке.

5.Жёсткий диск

Накопитель на жёстких  магнитных дисках (англ. Hard (magnetic) disk drive); жёсткий диск, в компьютерном сленге «винчестер» — устройство хранения информации, является основным накопителем данных в большинстве компьютеров (см. Википедия).

В 1956 году компания «IBM» выпустила  жёсткий диск IBM350 в составе компьютера IBM305 RAMAC. Вес этого накопителя был 971 кг, состоял он из 50 дисков диаметром 60см, с объёмом, по тем временам просто фантастическим – 5МВ и с высокой  скоростью работы, не идущей в сравнение с магнитными барабанами.

6.Дискета

Гибкий магнитный диск или дискета, является первым портативным устройством памяти.

«IBM» выпустила первую дискету в 1971году, мощностью 80KB, тип  «read-only» (только для чтения). Первый диск для записи и чтения был создан год спустя от «Memorex», а ещё через год, уже все распространённые компьютеры были снабжены устройством для чтения – «floppy disc» (гибкий диск), получившим широкое применение к концу столетия, благодаря популярности первого микро-ЭВМ и компьютеров для бизнеса.

7.Оптические диски 

Пришло время для оптических накопителей.

В 1980 году был впервые продемонстрирован  стандарт CD (Compact Disc) – круглая 120мм пластина из прозрачного поликарбоната.

1982 год – год появления  первого аудио оптического диска  (до 74минут аудио), знаменующего собой  начало революции в устройствах хранения памяти.

В 80-ые появились CD-ROM устройства (Compact Disk Read Only Memory), позволяющие одному компакт-диску хранить до 650 МВ информации.

А, задолго до этого, в 1961 году выпустили аналоговый оптический двусторонний диск, диаметром 30 см «Laser Videodisc» для хранения на нём видеофильмов, стоимость которого была значительно выше стоимости видео кассет, что привело к снижению успеха на потребительском рынке.

8.Флеш-память

Важным событием в истории  развития носителей информации явилось  появление «флеш-памяти» (Flash Memory), изобретённой инженером компании «Toshiba» (Fujio Masuoka) в 1984 году. Название «Флеш» было придумано его коллегой (Shoji Ariizumi) потому, что процесс стирания содержимого памяти ему напомнил фотовспышку (англ. Flash).

Флеш-память это разновидность полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти, в быту так называется широкий класс твердотельных устройств хранения информации (см. Википедия).

Компактна, механически прочна, дёшева, отличается низким энергопотреблением, флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах и носителях информации.

Презентация на тему: "Современный  компьютер. Перспективы развития" — Транслит презентации:

Слайд 1

 Современный компьютер  Перспективыразвития Выполнил: Скрынник Алексей Факультет Автоматики и Вычислительной Техники группа: АБ-220 НГТУ 2002 цель реферата: сделать краткий экскурс по основным типам современных компьютеров и перспективам развития Презентация к реферату по концептуальным основам информатики

Слайд 2

 СОДЕРЖАНИЕ ВведениеВведение. 1.История компьютера 2.Основные типы современных компьютеров 2.1.Персональные компьютеры 2.1.1.Фирмы производители персональных компьютеров 2.1.2.Процессоры современных компьютеров. 2.1.3.Структура персонального компьютера 2.2.Классы мобильных компьютеров 2.3.X-терминалы 2.4.Серверы 2.5.Мейнфреймы 2.6.Общие требования, предъявляемые к современным компьютерам 2.6.1.Отношение стоимость/производительность 2.6.2.Надежность и отказоустойчивость 2.6.3.Масштабируемость 3.Перспективы развития компьютеров. 3.1.Оптические компьютеры 3.2.Квантовый компьютер 3.3.Нейрокомпьютер Заключение Список использованной литературы.

Слайд 3

 Введение В настоящее время индустрия производства компьютеров и программного обеспечения является одной из наиболее важных сфер экономики развитых и развивающихся стран. Причины стремительного роста индустрии персональных компьютеров: –·невысокая стоимость; –·сравнительная выгодность для многих деловых применений; –·простота использования; –·возможность индивидуального взаимодействия с компьютеров без посредников и ограничений; –·высокие возможности по переработке, хранению и выдаче информации; –·высокая надежность, простота ремонта и эксплуатации; –·возможность расширения и адаптации к особенностям применения компьютеров; –·наличие программного обеспечения, охватывающего практически все сферы человеческой деятельности, а также мощных систем для разработки нового программного обеспечения. Мощность компьютеров постоянно увеличивается, а область их применения постоянно расширяется. Компьютеры могут объединяться в сети, что позволяет миллионам людей легко обмениваться информацией с компьютерами, находящимися в любой точке земного шара. Но настанет предел развития существующего типа компьютеров и будут необходимы принципиально новые схемы построения, и разработки в этом направлении ведутся уже сегодня.

Слайд 4

1.История компьютеров В древности появилось простейшее счётное устройство-абак. В 17 веке изобретена логарифмическая линейка В 1642 году Блез Паскаль сконструировал восьми зарядный суммирующий механизм. Два столетия спустя в 1820 француз Шарль де Кольмар создал арифмометр Все основные идеи, которые лежат в основе работы компьютеров, были изложены ещё в 1833 английским математиком Чарльзом Бэббиджом. Бэббидж пришел к выводу – вычислительная машина должна иметь: устройство для хранения чисел, а также указаний (команд) машине; в машине должен быть специальный вычислительный блок – процессор; для ввода и вывода данных Бэббидж предлагал использовать перфокарты- листы из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий; В 1888 американский инженер Герман Холлерит сконструировал первую электромеханическую счётную машину В феврале 1944 на одном из предприятий Ай-Би-Эм в сотрудничестве с учёными Гарвардского университета по заказу ВМС США была создана машина «Марк-1». (первое поколение) В 1946 была построена первая электронная вычислительная машина ENIAC В 50-х годах появление транзисторов, и компьютеров второго поколения В 1959 были изобретены интегральные микросхемы (чипы),в которых все электронные компоненты вместе с проводниками помещались внутри кремниевой пластинки. (третье поколение) В 1970 компании INTEL создала первый микропроцессор, разместив несколько интегральных микросхем на одном кремниевом кристалле. (четвёртое поколение)