Реферат: Как появился компьютер

Как был изобретен компьютер

Слово «компьютер» означает «вычислитель», т.е. устройство для вычислений. Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. Многие тысячи лет назад для счета использовались счетные палочки, камешки и т.д. Более 1500 лет тому назад (а может быть и значительно раньше) для облегчения вычислений стали использоваться счеты.

В 1642 г. Блез Паскаль изобрёл устройство, механически выпол­няющее сложение чисел, а в 1673 г. Готфрид Вильгельм Лейбниц скон­струировал арифмометр, позволяющий механически выполнять четыре арифметических действия. Начиная с XIX в. арифмометры получили очень широкое применение. На них выполняли даже очень сложные расчеты, например, расчеты баллистических таблиц для ар­тиллерийских стрельб. Существовала и специальная профессия — счетчик — человек, работающий с арифмометром, быстро и точно со­блюдающий определенную последовательность инструкций (такую по­следовательность инструкций впоследствии стали называть програм­мой). Но многие расчеты производились очень медленно — даже десятки счетчиков должны были работать по несколько недель и меся­цев. Причина проста — при таких расчетах выбор выполняемых дей­ствий и запись результатов производились человеком, а скорость его работы весьма ограничена.

В первой половине XIX в. английский математик Чарльз Бэббидж попытался построить универсальное вычислительное устройство — Аналитическую машину, которая должна была выполнять вычисления без участия человека. Для этого она должна была уметь исполнять программы, вводимые с помощью перфокарт (карт из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий, они в то время уже широко употреблялись в ткацких станках), и иметь «склад» для запоминания данных и промежуточных результатов (в современной терминологии — память). Бэббидж не смог довести до конца работу по созданию Аналитической машины — она оказалась слишком сложной для техники того времени. Однако он разработал все основные идеи, и в 1943 г. американец Говард Эйкен с помощью работ Бэббиджа на ос­нове техники XX в. — электромеханических реле — смог построить на одном из предприятий фирмы IBM такую машину под названием «Марк-1». Еще раньше идеи Бэббиджа были переоткрыты немецким инженером Конрадом Цузе, который в 1941 г. построил аналогичную машину.

К этому времени потребность в автоматизации вычислений (в том числе для военных нужд — баллистики, криптографии и т.д.) стала на­столько велика, что над созданием машин типа построенных Эйкеном и Цузе одновременно работало несколько групп исследователей. Начи­ная с 1943 г. группа специалистов под руководством Джона Мочли и Преспера Экерта в США начала конструировать подобную машину уже на основе электронных ламп, а не реле. Их машина, названная ENIAC, работала в тысячу раз быстрее, чем Марк-1, однако для зада­ния ее программы приходилось в течение нескольких часов или даже нескольких дней подсоединять нужным образом провода. Чтобы упро­стить процесс задания программ, Мочли и Экерт стали конструировать новую машину, которая могла бы хранить программу в своей памя­ти. В 1945 г. к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этой машине, Доклад был разослан многим ученым и получил широкую известность, поскольку в нем фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы фун­кционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. ком­пьютеров. Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Ней­мана, был построен в 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми прин­ципами, которые изложил в своем докладе в 1945 г. Джон фон Ней­ман. Расскажем поэтому об этих принципах. Как работает компьютер, или принципы фон Неймана

В своем докладе Джон фон Нейман описал, как должен быть устро­ен компьютер для того, чтобы он был универсальным и эффективным устройством для обработки информации.

Устройства компьютера.

Прежде всего, компьютер должен иметь следующие устройства:

1. арифмепгическо-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;

2. устройство управления, которое организует процесс выполне­ния программ;

3. запоминающее устройство, или память для хранения про­грамм и данных;

4. внешние устройства для ввода-вывода информации.

Память компьютера должна состоять из некоторого количества про­нумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обра­батываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компью­тера.

Вот каковы должны быть связи между устройствами компьютера (одинарные линии показывают управляющие связи, двойные — ин­формационные).

Принципы работы компьютера.

В общих чертах работу компью­тера можно описать так. Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Устройство уп­равления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Эта ко­манда может задавать выполнение арифметических или логических операций, чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство.

Как правило, после выполнения одной команды устройство управ­ления начинает выполнять команду из ячейки Памяти, которая нахо­дится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управ­ления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему следует продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памяти. Такой «скачок», или переход, в программе может выполняться не всегда, а только при вы­полнении некоторых условий, например, если некоторые числа равны, если в результате предыдущей арифметической операции получился пуль и т.д. Это позволяет использовать одни и те же последовательно­сти команд в программе много раз (т.е. организовывать циклы), выпол­нять различные последовательности команд в зависимости от выполне­ния определенных условий и т.д., т.е. создавать сложные программы. Таким образом, управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически, т.е. без вмешательства человека. Оно может обмениваться информацией с оперативной памятью и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства, как правило, работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может приостанавливать выполнена программы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть ею выведены на внешние устройства компьютера, после чего компьютер переходит к ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств.

Особенности современных компьютеров. Следует заметить, что схема устройства современных компьютеров несколько отличается от приведенной выше. В частности, арифметическо-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в единое устройство — центральный процессор. Кроме того, процесс выполнения программ может прерываться для выполнения неотложных действий связанных с поступившими сигналами от внешних устройств компьютера — прерываний. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах. Тем не менее, большинство современных компьютеров в основных чер­тах соответствуют принципам, изложенным фон Нейманом.

Представление информации в компьютере

Компьютер может обрабатывать только информацию, представ­ленную в числовой форме. Вся другая информация (например, звуки, изображения, показания приборов и т.д.) для обработки на компьюте­ре должна быть преобразована в числовую форму. Например, чтобы перевести в цифровую форму музыкальный звук, можно через неболь­шие промежутки времени измерять интенсивность звука на определен­ных частотах, представляя результаты каждого измерения в числовой форме. С помощью программ для компьютера можно выполнить преоб­разования полученной информации, например «наложить» друг на дру­га звуки от разных источников. После этого результат можно преобра­зовать обратно в звуковую форму,

Аналогичным образом на компьютере можно обрабатывать и тек­стовую информацию. При вводе в компьютер каждая буква кодируется определенным числом, а при выводе на внешние устройства (экран или печать) для восприятия человеком по этим числам строятся соот­ветствующие изображения букв. Соответствие между набором букв и числами называется кодировкой символов.

Как правило, все числа в компьютере представляются с помощью нулей и единиц (а не десяти цифр, как это привычно для людей). Ины­ми словами, компьютеры обычно работают в двоичной системе счисления, поскольку при этом их устройство получается значительно бо­лее простым. Ввод чисел в компьютер и вывод их длячтения человеком может осуществляться в привычной десятичной форме — все не­обходимые преобразования могут выполнить программы, работающие на компьютере.

Единицей информации в компьютере является один бит, т.е. двоич­ный разряд, который может принимать значение 0 или 1. Как правило, команды компьютеров работают не с отдельными битами, а с восемью битами сразу. Восемь последовательных битов составляют байт. В од­ном байте можно закодировать значение одного символа из 256 воз­можных (256=2 ). Более крупными единицами информации являются килобайт (сокращенно обозначаемый Кбайт), равный 1024 байтам (1024=2 ), и мегабайт (сокращенно обозначаемый Мбайт), равный 1024 Кбайтам

Программы для компьютеров

Программы для первых компьютеров приходилось писать на ма­шинном языке, т.е. в кодах, непосредственно воспринимаемых ком­пьютером. Это было очень тяжелой, малопроизводительной и кропот­ливой работой, в ходе которой можно было весьма легко ошибиться. Для облегчения процесса программирования в начале 50-х годов были разработаны системы, позволяющие писать программы не на машин­ном языке, а с использованием мнемонических обозначений машинных команд, имен точек программы и т.д. Такой язык для написания про­грамм называется автокодом, или языком ассемблера. Программы на ассемблере очень просто переводятся в машинные команды, это дела­ется с помощью специальной программы, которая также называется ассемблером. Ассемблер и сейчас часто используется при программи­ровании в тех случаях, когда требуется достичь максимального бы­стродействия и минимального размера программ либо наиболее полно учесть в программе особенности компьютера.

Однако написание программ на языке ассемблера все же весьма трудоемко. Для этого программист должен очень хорошо знать систе­му команд соответствующего компьютера, а в ходе работы ему прихо­дится бороться не столько со сложностями решаемой задачи, сколько с переводом необходимых в задаче действий в машинные команды. По­этому и после появления ассемблеров многие исследователи продол­жали попытки облегчить процесс программирования, «научив» ком­пьютеры понимать более удобные для человека языки составления программ. Такие языки стали называть языками программирования высокого уровня, а языки ассемблера и другие машинно-ориентиро­ванные "языки — языками низкого уровня. Программы на языках вы­сокого уровня либо преобразуются в программы, состоящие из машин­ных команд (это делается с помощью специальных¹ программ, называ­емых. трансляторами или компиляторами), либо интерпретируются с помощью программ-интерпретаторов.

Языки высокого уровня позволили значительно упростить процесс написания программ, так как они ориентированы на удобство описания решаемых с их помощью задач, а не на особенности какого-то конкретного компьютера. Разумеется, для каждой программы на язык высокого уровня искусный программист может написать на языке ассемблера более компактную и быстродействующую программу для выполнения тех же функций, однако эта работа является весьма трудоемкой, поэтому она имеет смысл только в особых случаях.

Первый коммерчески используемый язык программирования высокого уровня Фортран был разработан в 1958 г. в фирме IBM под руководством Джона Бэкуса. Этот язык был предназначен прежде всего для научных вычислений и он (в усовершенствованном варианте) до сих пор широко используется в данной области. Для других применений было разработано множество различных языков высокого уровня но широкое распространение получили лишь немногие из них, в частности Си и Си++, Паскаль, Бейсик, Лого, Форт, Лисп, Пролог и др.

Как появились персональные компьютеры

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--