Прикладная теория цифровых автоматов

СОДЕРЖАНИЕ



Введение 

1.История развития вычислительной техники 

2.Структурные схемы ЭВМ и вычислительных систем 

3.Понятие о системах ЭВМ 

Выводы 

Литература 






Введение



Тема реферата по курсу «Прикладная теория цифровых автоматов» - «Введение в специальность».

Цель написания реферата:

ознакомиться с историей развития вычислительной техники; структурными схемами ЭВМ и вычислительных систем; понятием о системах ЭВМ и т.д.




1.История развития вычислительной техники



Появившись около 50 лет назад, ЭВМ открыли новую страницу в истории человеческих знаний и возможностей, высвободили тысячи вычислений, облегчили труд ученых, дали возможность изучать сложнейшие процессы. Сейчас трудно назвать отрасль народного хозяйства, где невозможно было бы применить ЭВМ. 

Появление ЭВМ было подготовлено историческим развитием средств вычислений. Древнейшим счетным инструментом была человеческая рука (отсюда 5-ричная и 10-ричная системы счисления). В дальнейшем “вычислительные средства” усовершенствовались: появлялись деревянный палочки с зарубками, веревки с узелками, камешки и т. д. и вскоре появился древнейший прибор – “абак”, в котором по желобкам передвигались камешки. В России в 16-17 веке появились счеты. А в 17 в. появились первые логарифмические линейки. 

С развитием общества вычисления становились все более трудоемкими. В 1623 году появилось первое механическое суммирующее устройство Б. Паскаля, оно не нашло практического применения, но заняло достойное место в историческом развитии вычислительных устройств и стало переходным этапом от простых устройств к механическим.

Коренной перелом в создании счетных устройств произошел в середине 19 века, когда появилась необходимая технологическая база, было изобретено клавишное устройство ввода. Параллельно создавались и арифмометры. 

Первая действующая счетно-аналитическая машина была создана Холлеритом в 1880 г. в США для автоматизации работы по обработке данных переписи населения. 

Конец 19 начало 20 столетия характеризуются бурным развитием электротехники, радиотехники, телефонии, что не могло не отразиться на развитии вычислительной техники. 

В 1947 г. была закончена работа над первой релейной вычислительной машиной “Марк-2”, в которой впервые использовалась двоичная система счисления, а для запоминания чисел, выполнения арифметических операций и операций управления использовались электромеханические реле (13тыс), обладающие двумя устойчивыми состояниями.

В 1943 г. в Гарвардском университете приступили к созданию электронной вычислительной машины. К тому времени уже были известны диод (1904г.), триод (1905г.), триггер (1918г.). Машина создавалась по заказу артиллерийского управления, была закончена в 45г. и получила название ЭНИАК. Создание вычислительной машины ЭНИАК послужило началом бурного развития ЭВМ нового поколения.

В СССР первая малая электронная счетная машина (МЭСМ) была создана в 1951 г. под руководством С.А. Лебедева. Для нее характерно наличие универсального счетного устройства, оперативного запоминающего устройства. Она была одной из первых ЭВМ с параллельной обработкой кодов. 

В 1953 г. была создана БЭСМ. В этом же году – первая ЦВМ – “Стрела”. В 1954 г.– ЭВМ “Урал”, М-3, Минск-2 и т.д. Это были ЭВМ первого поколения.

Характерными чертами ЭВМ первого поколения можно считать не только использование электронных ламп в основных и вспомогательных схемах, но и наличие параллельного арифметического устройства, разделение памяти на быстродействующую оперативную и медленную внешнюю, применение полупроводниковых диодов и магнитных сердечников, перфолент, перфокарт и др.

ЭВМ второго поколения – в них на смену ламповым схемам пришли транзисторные. Основу технической базы составляли полупроводниковые диоды и транзисторы. ЭВМ второго поколения отличаются большей надежностью, быстродействием, меньшим потреблением энергии. Примером ЭВМ 2-го поколения является БЭСМ-6. Для нее характерна параллельная работа отдельных блоков.

Появление малых интегральных схем (МИС) стало базой для создания машин 3-го поколения.

Основные характерные черты ЭВМ 3-го поколения следующие.

1. Оперируют произвольной буквенно-цифровой информацией, поэтому могут применяться для делового, коммерческого и научного направлений.

2. Изменился порядок работы ЭВМ 3-го поколения: они построены по принципу независимой параллельной работы отдельных устройств: процессоров, внешней памяти. Благодаря этому ЭВМ может выполнять серию операций: пересылать информацию для очередной задачи с магнитной ленты или магнитного диска, выводить информацию для соответствующего устройства, вводить информацию и др.

Типичные представители ЭВМ 3-го поколения – машины единой системы (ЕС ЭВМ).

ЭВМ 4-го поколения создаются на больших интегральных схемах (БИС). В результате достигнуто существенное повышение производительности, возрос объем памяти. Производительность традиционных вычислительных систем повышалась двумя путями: развитием элементной базы и развитием архитектуры самих систем. Если по первому направлению почти достигнут предел, то по второму имеются еще большие резервы, которые открываются в связи с использованием методов параллельной обработки информации.

Системы 5-го поколения в структурном аспекте отличаются именно применением таких параллельных структур. Второй отличительной чертой является способность производить не только числовые вычисления, но и обработку смысловой информации с выполнением операции анализа и вывода. Третья отличительная черта - элементная база: СБИС, оптоэлектроника и др.




2.Структурные схемы ЭВМ и вычислительных систем



Можно дать следующее определение ЭВМ:

Вычислительная машина – это физическая система (устройство или комплекс устройств), предназначенная для механизации или автоматизации процесса алгоритмической обработки информации и вычислений.

Вид перерабатываемой информации влияет на структуру вычислительных машин, которые в зависимости от этого делят на два основных класса: аналоговые и цифровые.

АВМ–машина, оперирующая информацией, представленной в виде непрерывно изменяющихся физических величин, например силы тока.

Многие явления в природе математически описываются одними и теми же уравнениями. Следовательно, с помощью одного физического процесса можно моделировать различные процессы, имеющие одно и то же математическое описание.

ЦВМ–машина, оперирующая информацией, представленной в дискретном виде.

В настоящее время в математике разработаны методы численного решения многих видов уравнений. Следовательно, появилась возможность решать различные уравнения и задачи с помощью набора простых арифметических и логических операций. Поэтому любая ЦВМ является универсальным вычислительным средством.

Существуют ВМ, в которых совмещены положительные качества ЦВМ (точность и универсальность) и АВМ (оперативность ввода информации и быстродействие в выполнении операций). Такие машины получили название комбинированных или гибридных.

По принципу действия основных узлов АВМ и ЦВМ разделяют на механические, смешанные, (гидромеханические, электромеханические), электронные и оптоэлектронные.

ЭВМ можно разделить на два вида: универсальные и проблемно-ориентированные (специализированные).

Универсальная ЭВМ – машина, обладающая широкими возможностями в решении задач для различных отраслей науки и техники. Универсальные ЭВМ характеризуются быстродействием.

Среди проблемно-ориентированных машин целесообразно выделить вычислительные машины настольного типа, персональные и управляющие ЭВМ. Они отличаются от универсальных ЭВМ тем, что путем сужения возможностей ЭВМ в отношении классов решаемых задач удается существенно упростить структуру самой машины. 





		Рисунок 1- Основные классы вычислительных машин



Далее в основном будут рассматриваться универсальные ЭВМ. 

Для автоматического решения задач универсальная ЭВМ должна включать в себя следующие устройства:

1. Устройство ввода информации, основное назначение которого–преобразование входной информации, представленной в символах входного алфавита, в информацию, записанную символами внутреннего алфавита.

2. Устройства подготовки данных – для преобразования числовой, текстовой, графической и другой информации в информацию, записанную в символах входного алфавита.

3. Память ЭВМ – функциональная часть ЭВМ, предназначенная для запоминания и (или) выдачи входной информации, промежуточных и окончательных результатов, вспомогательной информации. В памяти машины находятся также программы решения задач, через команды которой осуществляется управление работой всей машины. Вся информация в памяти машины представляется символами внутреннего алфавита. Основные параметры, характеризующие память–емкость и время обращения к памяти.

4. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – функциональная часть ЭВМ, выполняющая логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти. Оно характеризуется: временем выполнения элементарных операций, средним быстродействием, набором элементарных действий, которые оно выполняет, видом алфавита или системой счисления, в которой производятся все действия.

5. Устройство управления(УУ) – функциональная часть ЭВМ, предназначенная для автоматического управления ходом вычислительного процесса, обеспечивающая взаимодействие всех частей машины в соответствии с программой решения задачи. УУ обращается в память машины, выбирает очередную команду, расшифровывает ее и вырабатывает сигналы, указывающие другим устройствам, что им надлежит делать. 

6. Выводные устройства – устройства, осуществляющие преобразование результатов решения задачи, представленных в символах внутреннего алфавита, в выходную информацию, представленную символами выходного алфавита и выдачи информации из машины. В зависимости от вида выходной информации различают устройства выходные печатающие, графические, отображающие и др.

Рассмотренный состав структурной схемы ЭВМ можно назвать классическим.






Рисунок 2-Состав устройств ЭВМ



Такая схема характерна для ЭВМ 3-го поколения. В настоящее время ЭВМ строятся на основе микропроцессоров.

Комплекс устройств, охватывающий АЛУ, часть оперативной памяти и устройство управления, называется процессором. Процессор–самостоятельная функциональная программно управляемая часть ЭВМ, непосредственно осуществляющая процесс преобразования информации и управления ею. 





Рисунок 3- Структурная схема микроЭВМ



Вычислительные машины, построенные на основе микропроцессоров, называются микроЭВМ и отличаются тем, что имеют два вида памяти: оперативную и постоянную.

Структурная схема микроЭВМ представлена на рисунке 3.



3.Понятие о системах ЭВМ



Расширение сферы применения ВТ привело к включению в состав машины большого комплекса периферийных устройств для ввода информации, запоминания, хранения, регистрации, отображения. Конкретные применения предъявляют различные требования к составу периферийных устройств. Это привело к тому, что вместо универсальной ЭВМ с фиксированным составом оборудования сменила агрегатированная ВМ – система с переменным составом оборудования. При таком подходе отдельные устройства выполняются в виде модулей, которые в нужной конфигурации объединяются в ЭВМ. 

В развитии данной концепции основное внимание уделялось созданию рядов или систем ЭВМ, состоящих из информационно и программно совместимых машин, обладающих различными характеристиками.

Информационная совместимость предполагает единые способы кодирования информации и форматы данных или, по крайней мере, одинаковые или кратные длины слов.

Программная совместимость предполагает, что программы, составленные для одной модели, могут выполняться на других моделях. Это достигается единой системой команд.

Помимо этого еще должна быть аппаратурная совместимость, заключающаяся в возможности подключения к любой модели.

Под вычислительной системой понимается совокупность средств ВТ, включающая в себя не менее двух процессоров или вычислительных машин, одна из которых выполняет роль основного процессора. Структурная схема вычислительной системы представлена на рис.4.



Рисунок 4- Структурная схема системы ЭВМ




Выводы



Развитие архитектуры, аппаратных и программных средств и успехи в развитии методов передачи данных по каналам связи позволили создать вычислительные системы нового типа – вычислительные сети.

Вычислительной сетью или сетью ЭВМ называется многомашинная система, состоящая из распределенных по большой территории ЭВМ, связанных между собой каналами передачи данных.

Вычислительную сеть можно рассматривать как систему с распределенными по территории аппаратными, программными и информационными ресурсами.






Литература



	1. Самофалов К.Г., Романкевич А.М., и др. Прикладная теория цифровых автоматов. - Киев. “Вища школа” 1987.

	2. Соловьев Г.Н. Арифметические устройства ЭВМ. - М. “Энергия”. 1978.

	3. Савельев А.Я. Прикладная теория цифровых автоматов - М. “Высшая школа”. 1987.

	4. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. - М. Энергоатомиздат. 1985.

	5. Лысиков Б.Г. Арифметические и логические основы цифровых автоматов. - Минск. “Вышэйшая школа”. 1980.