ГЛАВА ЧЕТВЪРТА - КОМПЮТЪРНИ СИСТЕМИ
4.1. Развитие, класификация и функции
на компютрите
Съвременните компютри са
електронни автоматични устройства, работещи на принципа на програмното управление.
Те преобразуват данни (цифрови факти) в информация (организирана използваема
форма). При това изпълняват функциите
аритметична обработка, сравнение и съхраняване на данни. Терминът "компютър" произлиза от думата
compute ( пресмятам, изчислявам ). До средата на 80-те години у нас вместо този
термин се използваше съкращението ЕИМ
(електронно-изчислителна машина).
За разлика от останалите
изобретени от човека машини, компютрите увеличават не неговата физическа, а
интелектуална мощ. Компютрите се използват главно за обработка на данни,
управление, проектиране и др.
Началото на развитието на
компютрите може да бъде отнесено още в XVII век. Редица известни математици (Паскал, Лайбниц, Непер) са създавали
различни сметачни машини за облекчаване труда на изчислителя. Самото развитие
на техниката предизвиква необходимост от усъвършенстване на изчислителните
методи, а освен това и осигурява нови средства за създаване на по-съвършени
компютри. Много изтъкнати учени имат своя принос в усъвършенстването на най-крупното
изобретение на XX век - автоматичния електронен
цифров компютър. Истината по авторството на съвременния компютър възтържествува
през 1973 година. С решение на Федералния съд на САЩ (щат Минесота) бе
доказано, че Джон Екърт и Джон Мочли, патентовали през 1945 година цифровата
електронно-изчислителна машина ENIAC, некоректно са заимствали
устройството и цялата идея за компютъра от д-р Джон Винсент Атанасов (от
български произход), тогава професор по физика в университета на Айова. През
1939 година Джон Атанасов и Клифърд Бери построяват първият в света електронен
цифров компютър АВС (Atanasoff-Berry-Computer) с общо предназначение, за решаване на големи системи
алгебрични уравнения. По нататъшното развитие на компютрите е свързано с името
на Джон фон Нойман, който през 1945 година формулира основополагащата концепция
за съхраняване напрограмата в паметта на машината.
Повечето съвременни компютри
могат да бъдат класифицирани като машини отфон-нойманов тип. За тях е
характерно съхраняване на програмата и данните в последователно адресируема
памет и двоичното представяне на информацията. В цифровите компютри се използва
двоичната бройна система, тъй като техните градивни елементи имат само две
устойчиви състояния. С едното от тях се кодира двоичната цифра "0", а
с другото - "1".
За представянето на числата в
компютрите при извършването на аритметични действия се използват двоичната и
шестнадесетичната бройни системи. Десетичната, двоичната и шестнайсетичната
бройни системи са позиционни. За тези системи е характерно това, че
местоположението на всяка цифра в числото определя еднозначно степента на
основата на бройната система, с която се умножава цифрата.
С позиционните бройни системи
могат да се представят цели и дробни числа. След като се работи с повече от
една бройна система е редно да се въведат означения за това, в каква система е
даденото число. В противен случай има опасност от грешки. Така например 11 може
да означава числото 11 в десетична система, 3 - в двоична и 17 - в
шестнадесетична. Най-разбираемо означение е чрез изписване на числото на
бройната система вдясно като индекс- 11(10), 11(2) и 11(16)
.То затруднява обаче тпечатването при регистрация на данните. За
означаване на числата в шестнадесетична система по-често се буквата Н (от Hexadecimal - шестнадесетичен), която се записва
непосредствено след числото - 11Н. За означаване на двоичната бройна система се
използва буквата В. Двоичната бройна система има за основа числото 2. За
кодиране на числата в нея се използват две цифри 0 и 1.
Шестнадесетичният код се изпозлва
главно за представяне на многоразредни двоични числа, когато с тях трябва да
работи човек, а не компютър. Основата на тази система е числото 16. То не е
избрано произволно - 16 е броят на всички комбинации на едно четириразредно
двоично число. В шестнадесетичната бройна система се използват цифрите 0, 1, 2,
3, 4, 5, 6, 7, 8 , 9 и буквите от латинската азбука A, B, C, D, E, F, като с буквите се означава есетичните числа 10, 11, 12, 13, 14 и 15. В
табл.4.1 е дадена връзката между шестнадесетичен и двоичен код.
Компютрите преобразуват данни (цифрови факти)
в информация (организирана използваема форма). Те се използват главно за
обработка на данни, управление, проектиране и др. При това изпълняват функциите
на аритметична обработка, сравнение и съхраняване на данни. Основните операции,
изпълнявани от компютъра, не се промениха много през изминалите от създаването
му години, макар че бързо се променяше технологията на електронните елементи,
реализиращи тези операции. Тези електронни елементи изграждат апаратната част
на компютъра, в която могат да се разграничат две основни групи устройства –
централен процесор (ЦП) и периферни устройства (ПУ).
Фиг. 4.1
На
фиг.4.1 са показани най-главните устройства, характерни за всички компютри.
Централният процесор включва в своя състав
аритметико-логическото устройство (АЛУ), управляващо устройство (УУ) и първична
памет (тя се състои от оперативна памет – ОП и постоянна памет - ПП). Някои
автори дефинират ЦП като съставен само от АЛУ и УУ, когато разглеждат големи
компютри. Напредъкът на полупроводниковите технологии рязко намали размерите на
ЦП.
AЛУ извършва всички аритметични и
логически операции в компютъра. Това става под управлението на УУ, което дешифрира
инструкциите от програмата, запомнена в ОП, и определя последователностите от
събития във всички устройства, необходими за изпълнението на тези инструкции.
УУ има тактов генератор, който синхронизира всички действия чрез изпращане на
електрически импулси. Честотата на тези импулси (измерва се в мегахерци - MHz)
определя бързодействието на процесора (време за изпълнение на операциите и
програмите).
В ОП (RAM), която е вътрешна за ЦП, се съхраняват програми и данни. Процесът на
въвеждане на данни в ОП се нарича “запис”, а извеждането от ОП – “четене”. В
постоянната памет ПП (ROM), от която може само да се чете,
се съдържат специфични програми и данни, свързани с управлението на компютъра
(за стартиране, инструкции за операционната система и др.).
Външната памет служи за трайно
съхраняване на програми и данни, които не са в ОП (при изключено захранване, ОП
губи своето съдържание), както и за архивиране на програми и информация.
Периферните (наричат се още “външни”) устройства са
свързани към ЦП. Входните устройства са част от тях, чрез тях се въвеждат
данните и се преобразуват в удобна за обработка от ЦП форма. Изходните
устройства са периферни устройства, които позволяват компютъра да подава на
потребителя информация в разбираема за него форма, или да я предава към други машини.
Щом компютрите изчисляват
по-бързо, по-точно и по-сигурно от човека, логичен е въпроса: какво не могат?
За сега те не могат самостоятелно да решат как да бъдат програмирани, как да
осигурят входните данни, да интерпретират резултатите и да вземат решения, с
други думи - да мислят, макар че в някои от тях вече има елементи на изкуствен
интелект.
Организацията на изчислителния
процес в компютрите със съхранявана програма се извършва от техните два главни
компонента - апаратната част (hardware) и програмното осигуряване (software). Докато в началото на 50-те години почти 90%от
стойността на тогавашните компютри се падаха на хардуеъра, то сега по-голямата
част от стойността се пада на софтуера.
Терминът "компютърна
система" обиденява три съставни части - хардуер, включващ процесора,
първичната и вторичната памет, входните и изходните устройства (наричат се
обобщено външни или периферни устройства); софтуер; човека- потребител,
активиращ системата.
Размерите и съставът (конфигурацията)
на системата зависят от поставената задача за обработка, необходимите функции и
финансовите ограничения пред потребителя.
В зависимост от изпълняваните
задачи и стойността им, съвременните цифрови компютри се разделят на:
а) суперкомпютри - най-мощни и
най-скъпи (милиони долари). С тях в напредналите страни са снабдени държавните
институции, специалните ведомства, големи научни организации и др.
Суперкомпютрите решават много сложни проблеми в режим на реално време (например
глобална прогноза за времето, моделиране на ядрен взрив и др.)
б) големи компютри (на запад се
използва термина main frame computers), за средни и големи компании и научни институти. Цената
им е няколко стотин хиляди долара. Класически пример е семйството IBM 360/370.
в) мини компютри - за малки и
средни организации и компании. Цената им е няколко десетки хиляди долара. Техни
представители са семействата компютри на американската фирма DEC-PDP 11 / LSI 11 / VAX II.
г) микрокомпютри, с цена до няколко
хиляди долара. Дължат появата си на микропроцесора в началото на 70-те години,
който предизвика революционни промени в приложението на изчислителната техника.
Персоналните компютри са най-популярните представители на микрокомпютрите.
Американската фирма IBM е световен лидер със своите
персонални компютри PC, базиращи се на микропроцесорите
на фирмата INTEL. Стотици други фирми произвеждат
PC-съвместими персонални компютри,
които получиха доминиращо разпространение в света главно заради огромното количество
достъпен софтуер за тях.
От началото на петдесетте години
до края на деветдесетте години основно влияние върху развитието на компютрите
оказва нивото на електронната техника. Смениха се четири поколения компютри.
Първото поколение цифрови
компютри (1951 - 1959 г.) бяха изградени с електронни лампи и работеха изцяло
на машинен език. При тях управлението на целия изчислителен процес се извършва
от човека-оператор.
Второто поколение компютри (1959
- 1969 г.) бяха изградени с транзистори, в тях се използваха езици за
програмиране от високо ниво (BASIC, FORTRAN).
Третото поколение компютри (1965
- 1971 г.) бяха изградени от интегрални схеми с ниска степен на интеграция. В
тях имаше много нови за времето си решения- по-високо ниво на езици за
програмиране (PASCAL), първите завършени операционни
системи (ОС), осигуряващи управлението на компютрите с минимална намеса от
страна на човека-оператор.
Четвъртото поколение компютри
(след 1975 г.), изградени с големи и свръх-големи интегрални схеми и
микропроцесори позволиха внедряването на микрокомпютри в такива области, където
по-рано това бе немислимо. Съвременните персонални компютри са разработени на
базата на универсалните микропроцесори с възможности за едновременна обработка
на 32 и 64 разрядни двоични числа. Непрекъснато се усъвършенстват техните
възможности.
Започна разработването на
компютри от пето поколение с елементи на изкуствен интелект.
Компютрите могат да работят и да
бъдат използвани само ако са снабдени със съответното програмно осигуряване. От
своя страна то се разделя на две групи:
-
системно програмно осигуряване, включващо операционни системи (ОС), езици
за програмиране и инструментални среди и средства за програмиране;
-
приложно програмно осигуряване (специализирани програмни продукти, пакети
приложни програми, бази данни и др.)
Когато компютърът работи, той
изпълнява действия, предписани му от съответната програма. Програмите се
кодират чрез програмни езици. Всеки вид компютър има собствен програмен език -
машинен код. Той е разработен специално за управление на неговия хардуер.
Програмите, написани на машинен код, често имат работа с малки детайлни
операции, които хардуера изпълнява, и са много досадни за писане и трудни за
прочитане от човека. Поради това са разработени програмни езици, които са много
по-удобни за програмистите - те са т.нар. езици от високо ниво. Сега повечето
програми се изпълняват чрез тях. Компилаторите са програми, които превеждат
програмите, написани на езици от високо ниво, в програми на машинен код, които
след това се стартират от компютъра и произвеждат същите резултати.
Изключително важна роля за работата на
компютърната система има най-важния компонент на системното програмно
осигуряване – операционната система. ОС е сред най-сложните софтуерни продукти.
Тя е посредник между човека-потребител и апаратните ресурси на компютъра. ОС е
съвкупност от програми, които управляват и осигуряват ефективното използване на
апаратните и информационните ресурси, при изпълнението на програми.
ОС има следните
основни функции:
1) Осигуряване на среда
за изпълнение на потребителските програми.
2) Конкретното
управление на апаратните и информационните ресурси на компютърната система.
3) Интерфейс (връзка)
между компютърната система и потребителя.
В зависимост от вида и предназначението си,
конкретната ОС би могла да има и други функции
Въпроси за самоподготовка.
1. Кои са устройствата, които изграждат компютъра?
2. Какво
съдържа компютърната система?